Transcript 光速测定（刘鹏亮）

实验十六
光速测定
电科091 刘鹏亮
前言
1.光速测量的意义
光速是物理学中重要的常数之一。
对光速进行精确的测量，能证实光的电
磁本性，而且光速的测量与物理学中许
多基本的问题有密切的联系，如天文测
量，地球物理测量，以及空间技术的发
展等计量工作，对光速的精确测量显得
更为重要，它已成为近代物理学中的重
点研究对象之一。
2.光速测量的方法
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

(1)．1676年丹麦天文学家罗默的卫星蚀法
（测得光速为c=299840±60km/s ）
(2)．1728年，英国天文学家布莱德雷的光行
差法（c=299930km/s）
(3)．旋转齿轮法（测得
c=299793.1±0.3km/s）
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


(4)．旋转镜法（1851年傅科
c=298000±500km/s；1926年迈克耳逊：
c=299796km/s）
(5)．微波谐振腔法（1950年埃森测得
c=299792.5±1km/s）
(6). 激光测速法(1790年美国国家标准
局和美国国立物理实验室
c=299792.458±0.001km/s)
(7).光拍频法
【实验目的】


1. 用实验的方法测量光速，并与公认的
光速比较。
2.练习调节光速测量仪。
【实验原理】
1.光拍
设有两列振幅相同的光波:

这两列波叠加后：
E  E 1  E 2  2 E 0 cos[
其中
长。
 
1   2
1   2
2
2
x
(t  ) 
c
  F
1   2
2
]  cos[
1   2
2
(t 
x
c
)
1   2
2
， 称为拍频， 是拍的波
]
图1 光拍频的波形
2.相拍两光束的获得---声光调制
弹光效应：
超声波在介质中传播时，会引起
介质的弹性应力或应变（或介质
的密度发生周期性的疏密变化),
从而引起介质中光折射率的相应
变化、影响光在介质中的传播特
性，此即弹光效应。这种效应使
声光介质形成一位相光栅时，光
栅常数为超声的波长
。

声光效应
激光通过发生弹光效应的
介质后，出射光发生多级
衍射，使激光束在传播方
向，频率和光强分布等方
面都按一定规律发生变化
，这种现象称为声光效应。

衍射光频率成份：
＋2级：ω0，ω0±2ωS，ω0±4ωS，…
＋1级：ω0，ω0±3ωS，ω0±5ωS，…
0级：ω0，ω0±2ωS，ω0±4ωS，…
－1级：ω0±ωS，ω0±3ωS，…
－2级：ω0，ω0±2ωS，ω0±4ωS，…
总结：光拍的产生过程。（光拍产生的条件：有
两列速度相同，振面和传播方向相同，频差又较
小的光叠加）
弹光效应
同时发生
声光效应
然后选取0级衍射光（符合光拍产生条件）
3.光拍的接收
实验用光电二极管接收光拍频波，其光
敏面上产生的光电流大小正比于光拍频波的
强度，所以光电流为
,式中g为光敏器
件的光电转换常数。由于光波的频率很高（f
＞1014HZ），而目前光敏二极管的最短响应
时间τ≈10－8秒（即最高的响应频率△f＝
108HZ左右）。所以，目前光波照射光敏检测
器所产生的光电流只能是响应时间内的平均
值。
式中 是光拍频的角频率。可见光检测器输出的光电
流包含有直流成份和光拍信号成份。如果接收电路把直
流成份滤掉，检测器将输出频率为拍频 ，而相位与空
间位置有关的光拍信号。
图4 光拍的空间分布
4.光速测量公式推导
假设空间两点的光程差为
差
，即
，对应的光拍信号的位相
…………（1）
光拍信号的同位相诸点的位相差满足下列关系
…………（2）
由（1）（2）式可推导出：
…………（3）
当取相邻两同位相点时，
， 恰好是同位相点的光程
差，即光拍频波的波长，从而有
（4）
其中
, 为超声波频率 .
【实验仪器】
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光速测量仪，示波器，米尺等
光速测定仪结构图
光速测定仪实物图
【实验步骤】
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1.按图连接好所用仪器。
2.接通激光器电源开关，调节激光器工作电流
在5mA左右，略大于激光管启辉电流。
3.接通稳压电源开关，
细心调节超声波频率，
使激光束通过声光介
质后产生二级以上明
显的衍射光斑。用光
阑选取所需的零级光束。
【实验步骤】
4.用斩光器挡住远程光，调节近程光路后射
入光敏接收器，调节光敏接收器方位，使示波器
荧屏上能显示出它的清晰波形。
同样方法，用斩光器挡住近程光，调节远程光路
后射入光敏接收器，调节光敏接收器方位，使示
波器荧屏上能显示出它的清晰波形。

近、远程光光路图
近程光光电信号
远程光光电信号
【实验步骤】

5接通斩光器电源开关，示波器上将显示相位
不同的两列正弦波形。
近程光和远程光的光电信号
【实验步骤】

6.移动滑动平台，改变两光束的光程差，使两
列光拍信号同相（位相差为2π），此时的光
程差即为光拍频波波长。
同相位的近、远程光的光电信号
【实验步骤】

7.精确测量两光束的光程，求出它们的光程差
，并从频率计测出超声波的频率F。
【注意事项】
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1.声光频移器引线等不得随意拆卸。
2切忌用手或其他物体接触光学元件的光学面，
实验结束后盖上防护罩。
3.切勿带电触摸激光管电极。
4.提高实验精度，防止假相移的产生。
我的实验结果
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F=14.8MHZ
光程差 =1065.4-22.9=1042.5cm
c=2F =308580km/s
ʱ
感想
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做实验需要自己勤动手，勤动脑。物理，就是
要看到物，思考物存在的理。然后根据自己猜
想的理论付诸实践，用实验的方法证明这些理
论。实验中多思考，多试探，自己克服解决实
验中可能遇到的困难。这样一来我们的知识将
更加广阔，解决问题的能力更强。