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1、0610280 肖君 光速的测量,一.光速测量的天文学方法,光速的测量，首先在天文学上获得成功，这是因为宇宙广阔的空间提供了测量光速所需要的足够大的距离,1.罗默的卫星蚀法,早在1676年丹麦天文学家罗默（1644 1710）首先测量了光速由于任何周期性的变化过程都可当作时钟，他成功地找到了离观察者非常遥远而相当准确的“时钟”，罗默在观察时所用的是木星每隔一定周期所出现的一次卫星蚀他在观察时注意到：连续两次卫星蚀相隔的时间，当地球背离木星运动时，要比地球迎向木星运动时要长一些，他用光的传播速度是有限的来解释这个现象光从木星发出（实际上是木星的卫星发出），当地球离开木星运动时，光必须追上地球，因
2、而从地面上观察木星的两次卫星蚀相隔的时间，要比实际相隔的时间长一些；当地球迎向木星运动时，这个时间就短一些,因为卫星绕木星的周期不大（约为1.75天），所以上述时间差数，(在最合适的时间) 不致超过15秒（地球的公转轨道速度约为30千米/秒）因此，为了取得可靠的结果，当时的观察曾在整年中连续地进行罗默通过观察从卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速由于当时只知道地球轨道半径的近似值，故求出的光速只有214300km/s这个光速值尽管离光速的准确值相差甚远，但它却是测定光速历史上的第一个记录后来人们用照相方法测量木星卫星蚀的时间，并在地球轨道半径测量准确度提高后，用罗默法求得的光速为29984
3、060km/s,2.布莱德雷的光行差法,1728年，英国天文学家布莱德雷（16931762）采用恒星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量布莱德雷在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化他由此测得光速为： C=299930千米/秒 这一数值与实际值比较接近,二、光速测定的大地测量方法,光速的测定包含着对光所通过的距离和所需时间的量度，由于光速很大，所以必须测量一个很长的距离和一个很短的时间，大地测量法就是围绕着
4、如何准确测定距离和时间而设计的各种方法,1伽利略测定光速的方法,物理学发展史上，最早提出测量光速的是意大利物理学家伽利略1607年在他的实验中，让相距甚远的两个观察者，各执一盏能遮闭的灯，观察者A打开灯光，经过一定时间后，光到达观察者B，B立即打开自己的灯光，过了某一时间后，此信号回到A，于是A可以记下从他自己开灯的一瞬间，到信号从B返回到A的一瞬间所经过的时间间隔t若两观察者的距离为S，则光的速度为 c=2s/t 因为光速很大，加之观察者还要有一定的反应时间，所以伽利略的尝试没有成功如果用反射镜来代替B，那么情况有所改善，这样就可以避免观察者所引入的误差这种测量原理长远地保留在后来的一切测定
5、光速的实验方法之中甚至在现代测定光速的实验中仍然采用但在信号接收上和时间测量上，要采用可靠的方法使用这些方法甚至能在不太长的距离上测定光速，并达到足够高的精确度,2.齿轮法,1849年德国物理学家菲索用“齿轮法”测出光速。如图45所示,从光源S发出的光，射到半镀银的平面镜A上.,经A反射,后，从齿轮N的齿间空隙射到反射镜M上，,然后再反射回来，通过半镀银镜射入观察者眼中.,如果使,齿轮转动，那么在光从齿间到达M再,反射回齿间的时间t内，齿轮将转过一个角度。,如果这时齿a和,a间的空隙恰好被a所占据，则反射回来的光被遮断，,因而观察者将看不到光。但如果这时齿轮恰,好转到下一个齿间空隙，由M反射回
6、来的光从齿间空隙通过，观察者就能重新看到光。齿轮的齿数已知，测出齿轮的转速，可算出齿轮转过一个齿的时间t，再测出M、N间的距离，就可以算出光速。菲索当时测得空气中的光速：c315300千米秒。,3旋转镜法,旋转镜法的主要特点是能对信号的传播时间作精确测量1851年傅科成功地运用此法测定了光速旋转镜法的原理早在1834年1838年就已为惠更斯和阿拉果提出过，它主要用一个高速均匀转动的镜面来代替齿轮装置由于光源较强，而且聚焦得较好因此能极其精密地测量很短的时间间隔从光源S所发出的光通过半镀银的镜面M1后，经过透镜L射在绕O轴旋转的平面反射镜M2上O轴与平面垂直光从M2反射而会聚到凹面反射镜M3上，
7、 M3的曲率中心恰在O轴上，所以光线由M3对称地反射，并在s点产生光源的像当M2的转速足够快时，像S的位置将改变到s，相对于可视M2为不转时的位置移动了s的距离可以推导出光速值.,在实验中测量M2转动的角速度W,M2到M3的间距，透镜L到光源S的间距，以及s的像移动的距离,便可求得光速 在傅科的实验中：M2到M3的距离难为4米，透镜L到光源S的距离为20米，S的像移动的距离 为0.0007米，W=8002弧度/秒，他求得光速值c=298000500km/s 另外，傅科还利用这个实验的基本原理，首次测出了光在介质（水）中的速度vc，这是对波动说的有力证据,4.旋转棱镜法,迈克耳逊把齿轮法和旋转镜
8、法结合起来，创造了旋转棱镜法装置因为齿轮法之所以不够准确，是由于不仅当齿的中央将光遮断时变暗，而且当齿的边缘遮断光时也是如此因此不能精确地测定象消失的瞬时旋转镜法也不够精确，因为在该法中象的位移s太小，只有0.7毫米，不易测准迈克耳逊的旋转镜法克服了这些缺点他用一个正八面钢质棱镜代替了旋转镜法中的旋转平面镜，从而光路大大的增长，并利用精确地测定棱镜的转动速度代替测齿轮法中的齿轮转速测出光走完整个路程所需的时间，从而减少了测量误差从1879年至1926年，迈克耳逊曾前后从事光速的测量工作近五十年，在这方面付出了极大的劳动 1926年他的最后一个光速测定值为 : c=299796km/s,三、光速
9、测定的实验室方法,光速测定的天文学方法和大地测量方法，都是采用测定光信号的传播距离和传播时间来确定光速的这就要求要尽可能地增加光程，改进时间测量的准确性这在实验室里一般是受时空限制的，而只能在大地野外进行，如斐索的旋轮齿轮法当时是在巴黎的苏冷与达蒙玛特勒相距8633米的两地进行的傅科的旋转镜法当时也是在野外，迈克耳逊当时是在相距3537321米的两个山峰上完成的现代科学技术的发展，使人们可以使用更小更精确地实验仪器在实验室中进行光速的测量,1微波谐振腔法,1950年埃森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速在他的实验中，将微波输入到圆柱形的谐振腔中，当微波波长和谐振腔的几何尺寸匹配时，谐振
10、腔的圆周长D和波长之比有如下的关系：D=2.404825，因此可以通过谐振腔直径的测定来确定波长，而直径则用干涉法测量；频率用逐级差频法测定测量精度达10-7在埃森的实验中，所用微波的波长为10厘米，所得光速的结果为299792.51km/s,2激光测速法,1790年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速这个方法的原理是同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测量精确度已大大提高，所以用激光测速法的测量精度可达10-9，比以前已有最精密的实验方法提高精度约100倍,四、光速公认值,根据1975年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： c=299792.4580.001km/s,谢谢观看！,
