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1、武漢理工大學(xué)陳長鵬4.6 波長頻率法測光速【引言】從 16 世紀(jì)伽利略第一次嘗試測量光速以來,各個(gè)時(shí)期人們都采用最先進(jìn)的技術(shù)來測量光速.現(xiàn)在 ,光在一定時(shí)間中走過的距離已經(jīng)成為一切長度測量的單位標(biāo)準(zhǔn),即 “米的長度等于真空中光在 1/299792458 秒的時(shí)間間隔中所傳播的距離.”光速也已直接用于距離測量,在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防事業(yè)上大顯身手,光的速度又與天文學(xué)密切相關(guān),光速還是物理學(xué)中一個(gè)重要的基本常數(shù),許多其它常數(shù)都與它相關(guān),例如光譜學(xué)中的里德堡常數(shù),電子學(xué)中真空磁導(dǎo)率與真空電導(dǎo)率之間的關(guān)系 ,普朗克黑體輻公式中的第一輻射常數(shù),第二輻射常數(shù) ,質(zhì)子、中子、電子、 子等基本粒子的質(zhì)量等常數(shù)都

2、與光速C 相關(guān)。正因?yàn)槿绱耍?巨大的魅力把科學(xué)工作者牢牢地吸引到這個(gè)課題上來，幾十年如一日，兢兢業(yè)業(yè)地埋頭于提高光速測量精度的事業(yè)。本實(shí)驗(yàn)的目的為通過介紹一種新穎的光速測量方法，進(jìn)而了解和掌握光調(diào)制的一般性原理和基本技術(shù)。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展和討論?！鹃_篇設(shè)問】1）如何利用波長頻率法測量光速？2）如何準(zhǔn)確測出調(diào)制波的波長？有哪些測量方法？【實(shí)驗(yàn)原理】 ( 見網(wǎng)絡(luò)資源）【儀器設(shè)備 】 ( 見網(wǎng)絡(luò)資源）LM2000A 光速綜合測量儀【實(shí)驗(yàn)研究 】1） 預(yù)熱電子儀器都有一個(gè)溫飄問題，光速儀和頻率計(jì)須預(yù)熱半小時(shí)再進(jìn)行測量。在這期間可以進(jìn)行線路聯(lián)接，光路調(diào)整，示波器調(diào)整和定標(biāo)等工作。2）光路調(diào)整先把棱鏡

3、小車移近收發(fā)透鏡處，用移小紙片擋在接收物鏡管前，觀察光斑位置是否居中。調(diào)節(jié)棱鏡小車上的把手，使光斑盡可能居中，將小車移至最遠(yuǎn)端，觀察光斑位置有無變化，并作相應(yīng)調(diào)整，達(dá)到小車前后移動(dòng)時(shí)，光斑位置變化最小。3） 示波器定標(biāo)按前述的示波器測相方法將示波器調(diào)整至有一個(gè)適合的測相波形。4）測量光速由頻率、 波長乘積來測定光速的原理和方法前面已經(jīng)作了說明。在實(shí)際測量時(shí)主要任務(wù)時(shí)如何測得調(diào)制波的波長，其測量精度決定了光速值的測量精度。一般可采用等距測量法和等相位測量法來測量調(diào)制波的波長。在測量時(shí)要注意兩點(diǎn)，一是實(shí)驗(yàn)值要取多次多點(diǎn)測量的平均值；二是我們所測得的是光在大氣中的傳播速度，為了得到光在真空中傳播速度

4、，要精密地測定空氣折射率后作相應(yīng)修正。 測調(diào)制頻率，為了匹配好，盡量用頻率計(jì)附帶的高頻電纜線。調(diào)制波是用溫補(bǔ)晶體振蕩器產(chǎn)生的，頻率穩(wěn)定度很容易達(dá)到610 ，所以在預(yù)熱后正式測量前測一次就可以了。 等距離測量法在導(dǎo)軌上任取若干個(gè)等間隔點(diǎn) （見圖 4-6-12 ），他們的坐標(biāo)分別為 x0 ， x1 ， x2 ， x3 ， xi ； 1 0 D1， 2 0 D2， i 0 D ix0 x1x2x3xiD 1D2D i圖 4-6-12根據(jù)相移量與反射鏡距離之間的關(guān)系測定光速移動(dòng)棱鏡小車，由示波器或相位計(jì)依次讀取與距離D 1，D 2，相對應(yīng)的相移量 i。Di 與 i 間有：i2Di22Di2i求得 后，

5、利用 f得到光速 C。也可用作圖法，以 為橫坐標(biāo)， D 為縱坐標(biāo)，作 D- 直線，則該直線斜率的4 f 倍即為光速C。為了減小由于電路系統(tǒng)附加相移量的變化給位相測量帶來的誤差，同樣應(yīng)采取 0 1 0及 0 2 0 等順序進(jìn)行測量。操作時(shí)移動(dòng)棱鏡小車要快、準(zhǔn)，如果兩次 0 位置時(shí)的讀數(shù)值相差 0.1 度以上，須重測。 等相位法測量法在示波器上或相位計(jì)上取若干個(gè)整度數(shù)的相位點(diǎn)，如36o， 72o， 108o等；在導(dǎo)軌上任取一點(diǎn)為 0，并在示波器上找出信號相位波形上一特征點(diǎn)作為相位差0o位，拉動(dòng)棱鏡，至某個(gè)整相位數(shù)時(shí)停，迅速讀取此時(shí)的距離值作為 1 ，并盡快將棱鏡返回至0o處，再讀取一次 0 ，并要

6、求兩次0o時(shí)的距離讀數(shù)誤差不要超過1mm，否則須重測。依次讀取相移量 i 對應(yīng)的 D1 值，由22Dii計(jì)算出光速值C結(jié)果分析 】1）自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表格，表格中要求包含計(jì)算測量的不確定度內(nèi)容；2）計(jì)算出多次測量的平均值， 寫出測量結(jié)果的表達(dá)式， 并與光速理論值比較算出百分誤差。拓展研究 】1.如何將光速儀改成測距儀？（見網(wǎng)絡(luò)資源）2.還有哪些方法可以實(shí)現(xiàn)光速的測量？設(shè)計(jì)出一種簡便易行的光速測量的方法。（見網(wǎng)絡(luò)資源）怎樣運(yùn)用傳感器和計(jì)算機(jī)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)光速的測量？思考題 】通過實(shí)驗(yàn)觀察，你認(rèn)為波長測量的主要誤差來源是什么？為提高測量精度需做哪些改進(jìn)？1等相位測 法比等距離測 法相比誰的測量精度更高，為什么？參考文獻(xiàn) 】1.趙旭光，幾種測量光速的方法現(xiàn)代物理知識2004 年第 1 期2. 尹世忠，趙喜梅，光速的測量史現(xiàn)代物理知識2001 年第 3 期3. 江長雙等，光速測量中光程調(diào)節(jié)方法的改進(jìn)大學(xué)物理， 2009 ,Vol 28No.54.俞嘉隆等，利用強(qiáng)度周期性變化的光信號測量光速與介質(zhì)的折射率大學(xué)物理，2