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几种测量光速的方法
几种测量光速的方法
发布时间:2013-05-24 来源:
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几种测量光速的方法
引言
:
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,也打破了光速无限的传统观念;在物理学理论研究的发展里程中,
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。
摘要
:
光速的测定,
经过了几百年的历史,
最初的光速是由惠更斯根据丹麦科
学家罗曼的理论测出的,但是很不精确。随后的科学家为了的到更精确的结果,
便发明并运用不同的方法去测定光速,
其中最先较精确的结果是法国科学家菲索
旋转齿轮法,
接着的是迈克尔逊的旋转镜和干涉仪的测法,
还有生活中运用微波
炉测定光速的方法。
关键字:光速的测定
正文
:
一.
惠更斯的测定的光速
丹麦青年科学家罗默。罗默生于奥尔胡斯,在哥本哈根受过教育,后来移居
巴黎。在罗默来巴黎的
30
年前,意大利天文学家卡西尼应路易十四聘请也来到
巴黎,
他对木星系进行了长期系统的观察和研究。
他告诉人们,
木星和地球一样
也是围绕着太阳运行的行星,
但它绕太阳运行的周期是
12
年。
在它的周围有
12
颗卫星,
其中有
4
颗卫星特别亮,
地球上的人借助于望远镜就可以看清楚它们的
位置。
由于这些卫星绕木星运行,
隔一段时间就会被木星遮食一次,
其中最近木
星的那颗卫星二次被木星遮食的平均时间间隔为
42
小时
28
分
16
秒。
罗默在仔
细观察和测量之后发现,
这个时间间隔在一年之内的各个时间里并不是完全相同
的,并且当木星的视角变小时,这个时间间隔要大于平均值。
1676
年
9
月,罗默向巴黎科学院宣布,原来预计
11
月
9
日上午
5
点
25
分
45
秒发生的木卫食将推迟
10
分钟。巴黎天文台的天文学家们虽然怀疑罗默的神秘
预言,
但还是作了观测并证实了木卫食的推迟。
11
月
22
日罗默在解释这个现象
时说,这是因为光穿越地球的轨道需要时间,最长时间可达
22
分钟。后来惠更
斯利用罗默的数据和地球轨道直径的数据,第一次计算出光速为
2×
108
米
/
秒。
虽然这个结果很不精确,但为光速的测定迈出了一大步。
二
.
法国科学家菲索的旋转齿轮法
菲索为法国科学家,
他让光源发出的光从转动齿轮的间隙中通过,
再通过透镜变
成平行光束,
这光束聚焦于安装在一定距离的平面镜上,
被平面镜反射后再沿着
相反的方向返回齿轮,进入观察者的眼睛。
当齿轮以某一速度转动时,
观察者将看不到返回的光,
这是因为光线从齿轮到达
平面镜再回到齿轮时,恰好为下一个移来的齿所遮蔽,倘若使轮的转速增加
1
倍,光点又重新被看到了,因为返回的光恰好穿过下一个齿缝。设轮的
如果光
速为
C
,齿轮与平面镜间的距离为
l
,那么,
进行的。齿轮的齿数是
720
个,
计算光速为
313
,
300
公里
/
秒,
可以看出结果与今天的精确值比较接近。
三
.
迈克尔逊旋转镜和干涉仪测法如图
7
所示是迈克尔逊用转动八面镜法测光速
的实验示意图,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
f
0
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
迈克尔逊测出光速
C
。
具体的算法为,此时八面镜转过角度为
即可得出
C=16
l
f
0
以上为迈克尔逊的测定光速的原理及计算方法。
四
.
巧用微波炉测光速
光速的测量并不一定要用科学的仪器,其实在生活中我们可以利用身边的东西进
行测量,我们知道电磁波的传播速度等于光速,因此我们可以运用微波炉发出的
微波进行光速的测量。具体做法如下:
把旋转托盘从你的微波炉中拿出来,再把一块巧克力放在托盘上。用最大的功率
加热,直到巧克力上有两到三处出现融化——这仅仅只需
20
秒钟的时间。然后,
从微波炉中拿出巧克力,测量两个融化处之间的距离,再将此距离乘以
2
,在乘
以
2,450,000,000(
即
2450
兆赫兹,如果你的微波炉是标准厂家生产的,那么多
半就是这个频率
。接下来,你会惊奇地发现,算出的结果非常接近
299,792,458
——若加上米
/
秒的单位,即是光速。
我们知道,微波炉每秒产生
24
亿
5
千万次的超高频率,快速震荡炉中事
物所含有的蛋白质、脂肪、水等成分的分子,使分子之间互相碰撞、挤压、摩擦,
重新排列组合。简而言之,它是靠事物内部的摩擦生热原理来烹调的。由于巧克
力棒静止不动地停留在微波炉里,微波持续地震荡相同的部位——即迅速变热并
融化的地方。而相邻两个融化点之间的距离即是波长的一半,因为微波穿过巧克
力块时是上下波动的。将两个融化点之间的距离乘以
2
,即为一个完整的波长。
而微波和光波一样,它们都是以光速行驶的电磁波。在你的炉子里,它们的频率
为
2450
兆赫兹,这就意味着它们每秒钟上下跳跃的次数为
24.5
亿次。我们已经
计算出它们的波长——经历完整的一轮上升和下降的波动说走过的距离。因此我
们可以计算出这样的微波经历
24.5
亿次上升和下降说走过的长度,
也就是说,
它
们在一秒钟内所走过的长度。这样,我们的数据就足够了:如果你发现巧克力的
融化点之间的距离是
6
厘米,那么用
0.06*2*2.45*1,000,000,000
讲会得到
294,000,000
——这个结果与物理学家们用了半个世纪测出的结果及其相似。
小结:以上为测量光速的几种方法,得出的结果的精确度不同,但总的来说都是
人类智慧的结晶以及人类对科学进行探究的见证。
本文来源:
https://www.2haoxitong.net/k/doc/b81c5637a5e9856a56126036.html
《几种测量光速的方法.doc》
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