光速测定发展历史

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1、2015年12月28日 xxx班xxx学号 光速测定的发展历史 参考文献 1 宁长春 冯有亮 文豪 等 光速测定的历史概述 J 大学物理 2014 10 2 刘战存 张国英 迈克耳孙的光速测定实验 J 大学物理 2001 20 3 30 32 3 王文清 斐索法测光速普遍計算公式的推导 J 惠阳师专学报 自然科学 1986 S1 4 左开先 用旋轉鏡法測定光速的計算公式 J 物理 1965 07 5 光子的速度为何是常量的探讨 张长太 张原 中国光学学会光学大会 2010 6 孙威立 光速测定实验中的问题讨论 J 四川师范大学学报 自然科学版 1987年02期 7 方颖 光速测定的历史过程及在

2、物理学上的意义 J 物理 2005 5 51 53 8 游向东 戴春泉 光速的测定 J 物理实验 1986年06期 目录 1 历史概述2 实验验证3 光速常量4 历史意义 回顾 1 17世纪在光速问题上 物理学界曾产生过争执 开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间 是瞬间进行的 而伽利略等则认为光虽然传播的很快 但却是可以测定的 2 1607年1607年 伽利略进行了最早的测量光速的实验 他让两个人分别站在相距1英里的两座山上 每个人拿一盏灯 第一个人先打开灯 当第二个人看但第一个人的灯光时立即打开自己的灯 如图1 从第一个打开灯到他看到第二个人的灯光时间间隔就是传播2英里的时间 3 1676

3、年丹麦天文学家罗默在1676年首先获得光速有限的证据 他在观测木星的卫星的隐食周期时发现 在一年的不同时期 它们的周期有所不同 在地球处于太阳和木星之间时的周期与太阳处于地球和木星之间时的周期相差十四 五天 他认为这种现象是由于光具有速度而造成的 而且他还推断出光跨越地球轨道所需要的时间是22分钟 1676年9月 罗默向巴黎的法国科学院宣布 预计11月9日5时25分45秒发生的木星卫星蚀将推迟10分钟 巴黎天文台的天文学家们莫不嗤之以鼻 等到那一天 众人守在天文望远镜旁 想看罗默的笑话 那里想到 卫星蚀不迟不早 正好推迟10分钟 回顾 4 1725年英国天文学家布莱德雷发现了恒星的 光行差 现

4、象 以以外的方式证实了罗默的理论 刚开始的时候 他无法解释这一现象 当他努力于测量星体的视差时 他惊讶的发现它的位移并不全象他所预料的那样 当意料不的光明降临到他身上之时 他已经几乎丧失了解释这一现象的希望 在1728年9月的某天 他和同伴在泰晤士河上乘船航行 他观察到 似乎每一次船转换方向时风都变了向 向船夫提出的问题引起了很有意义的回答 即桅杆上风标的变化 仅仅是由于船的航向的变化 而风如故 布拉德雷从这个 光行差 的值估计太阳光到达地球的时间为8分13秒 这个值比上半个世纪勒麦测定的11分更接近正确值 这样一来 布莱德雷证实了勒麦的理论 光的渐进传播开始作为一个已确立的事实而被接受 5

5、19世纪18世纪 科学界是沉闷的 光学的发展几乎处于停滞状态 继布莱德雷之后 经过一个多世纪的酝酿 到了19世纪中期 才出现了新的科学家和新的反复法来测量光速 法国科学家菲索和傅科 开始用物理的方法测定光速 当时先后产生了旋转齿轮法和旋转镜法这两种方法 原理简述 他将一个点光源放在透镜的焦点处 在透镜与光源之间放一个齿轮 在透镜的另一侧较远的地方依次放置另一个透镜和一个平面镜 平面镜位于第二个透镜的焦点处 点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光 平行光经过第二个透镜后又在平面镜上会聚于一点 在平面镜上反射后按原路返回 由于齿轮有齿隙和齿 当光通过齿隙时观察者就可以看但返回的光 当光恰好遇到齿

6、时就会被遮住 从开始到返回的迈克尔逊光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间 根据齿轮的转速 这个时间不难求出 实验1 实验名称 旋转齿轮法旋转齿轮法是法国物理学家菲索在1849年发明的 实验结论 通过这种方法 菲索测得的光速是315000Km s 但由于齿轮有一定的宽度 用这种反复法很难精确的测出光速 1850年 法国科学家傅科 JeanBernardKeonFoucault 1819 9 18 1868 2 11 改进了菲索的方法 他只用一个透镜 一面旋转的平面镜和一个凹面镜 平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上 同样用平面镜的转速可以求出时间 傅科用这种方法测出的光速是 2980

7、00Km s 实验基础 在迈克尔逊在海军学院任教不久 演示了傅科测定光速的方法 由此对测定光速产生了兴趣 起初 他 没有办法保证任何精确的 结果 仅仅打算去演示这一方法 为此 找到了放在实验室中的粗笨的仪器 傅科的实验装置是借助定日镜照明一条明亮分划线作为光源 将可旋转平面镜放在透镜L焦距内距L很近处 A和B是当旋转反射镜M1在两个特定位置时S的虚像 它们经透镜L分别成像于A 和B 两点 凹面镜的曲率中心与M1镜的旋转轴重合 使得所有的光束在和之间传播距离相等 S 是经镜反射后待观察的虚像 偏转角a是与之间的S与S 之间的夹角 傅科选取的L与间距离约为20m 他使用的旋转平面镜转速为400r

8、s 迈克尔逊分析这一装置 发现精度底是由于偏转角太小 他将S改为狭缝光源 使亮度显著提高 并将和之间的距离增大到152m 使适当靠近透镜L的焦点 则轴上光速经L在镜上成的像被限制在与透镜有相同直径的范围内 这样可以改用平面镜 他还将测偏角a的半径由原来的1m改为9m多 实验2 实验名称 迈克尔逊旋转镜和干涉仪测法 如图所示图中S为发光点 T是望远镜 平面镜O与凹面镜B构成了反射系统 八面镜距反射系统的距离为AB L L可长达几十千米 且远大于OB以及S和T到八面镜的距离 现使八面镜转动起来 并缓慢增大其转速 当转动频率达到f0并可认为是匀速转动时 恰能在望远镜中第一次看见发光点S 由此迈克尔逊

9、测出光速C 迈克尔逊用转动八面镜法测光速的实验示意图 实验结论 八面镜转过角度为 4即可得出C 16lf 计算过程 实验室测量仪器 实验分析 现代已经有了对光更为完善的遮断法 其中最好的是采用克尔盒法 1928年 卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速 克尔盒法为盛有介质的两端透光的容器 内有平行板电容器的两板作为电极 将一频率固定的交流电压同步的接在两个克尔盒和上 放在尼科耳之间 仅当电压加在盒上时 光才能通过克尔盒及尼科耳所组成的系统 光通过有克尔盒的第一个系统而达到M镜 由此反射以后再射入有克尔盒的第二个系统 在光由盒传到M镜并且反射到盒的时间 内 若盒上电压降落到零 则放在

10、后的尼科耳中光将消失 由交流电压的已知测定时间 再测定光所经过的距离 即可求出光速 应用高频电场 能在1秒内进行次的遮断 由于克尔效应的弛豫时间极短 使光被遮断和重现几乎可以迅速交变 从而大大增进了测量的准确度 1941年安德逊改进了这个实验 只用了一个克尔盒 基线L的长度只有3m 这样 整个实验装置便能安装在实验桌上 他所测得的结果为 299776 6Km s 贝格斯特兰在1951年进一步改进了这个实验装置 他所得结果为 299793 1 0 3Km s 常量分析 激光器的问世把光速的测量推向了一个新的阶段 1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先应用激光测定光速 这个方法的原理是同

11、时测定激光的波长和频率来确定光速 C 由于激光的频率和波长的才饿量精度已大大提高 所以用激光测速法的测量精度可达 比以前已经有最精密的实验室方法提高精度约100倍 实验的结果已分别于1973年和1974年发表 另外还有许多种十分精确的测光速的方法 第十五届国际计量大会的决议 现代真空中光速的最可靠值是 299792 485 0 001Km s 在粗略计算中可以认为Km s 根据电磁理论 光在真空中的速度为 C SI制 式中 0为真空中的介电系数 为真空中的磁导率 F m F m H m H m 将这两个数值代入上式 可得 C 299792 50Km s 除菲索和傅科实验数值以外 最近测定的光速

12、值与计算值非常接近 常量定性 1983年米的重新定义以后 把真空光速规定为 C 299792458m s这个固定常数 真空光速值在物理学中不再作为一个可以测量的量 而是一个换算常数 并把它作为物理学中的一个基本常数规定下来 由于光速已经成为定义值 它不但不确定度为零 不需要再进行任何测量 从而结束了历时300多年精密测量光速的历史 光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义 它不仅推动了光学实验的发展 也打破了光速无限的传统观念 在物理学理论研究的发展历程中 它不仅为粒子说和波动说的争论提供了判定的依据 而且最终推动了爱因斯坦相对论理论的发展 光速实验在物理学史中占有重要地位 这不仅是因为它需要精确的实验手段 对光学的发展起了推动作用 也不仅仅因为它有力的支持了机械波动说 而给机械微粒说以致命的打击 重要的是光速实验打破了光速无限的观念 解决了长期存在的所谓以太漂移的疑案 为建立近代物理基本理论之一的相对论 提供了一块颇为重要的基石 历史意义 2015年12月28日 14xxx姓名学号 谢谢大家