光-速-的-测-量(实验报告)

光速的测量指导老师：PPT整理：2010年6月参考文献：《新编大学物理实验教程》浙江大学出版社陈守川杜金潮沈剑峰编《近代物理实验》科学出版社邬鸿彦朱明刚主编《文明之源——物理学》上海科学与技术出版社吴翔沈葹陆徧征羊亚平吴於人编网络资源：西安交通大学物理实验精品课程百度知道一、光及光速测量的发展史•古代中国对于光的认识•西方人对于光的认识•光速测量的发展史“景，光之人煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足敝下光，故景障内也。”——《墨经》（光的直线传播）“阳艘向日照之.则光聚向内，离镜一二寸，光聚为一点，大如麻寂，着物则火发；阳健面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”——《梦溪笔谈》（小孔成像）古代中国西方历史中对光的认识崐神说，要有光，就有了光。——《圣经》光是由发光体向四面八方射出的一种东西，这种东西碰到障碍物上就立刻被弹开。如果它偶然进入人的眼睛，就叫人感觉到看见使它最后被弹开的那个东西。——毕达哥拉斯光的颗粒说。——牛顿（1643-1727）光的波动说。——胡克（1635-1703）光是电磁波。——赫兹（1857-1894）粒子说。——爱因斯坦（1879-1955）光在近代物理学发展过程中的认识究竟光是什么？现代科学的认为：光是一种人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。光速测量的方法一、伽利略首先提出了光速的测量，但失败了。（1607）二、天文测定光速1.罗默的卫星蚀法（1676）2.布莱德雷的光行差法（1728）点评：由于当时天文仪器并无现在先进，且凭肉眼观察误差较大，所以测得的值都不精确三、大地测定光速（以光行过的路程和时间得出速度c=s/t）1.斐索旋转齿轮法（1849）2.惠更斯旋转镜法（1834）3.迈克尔逊旋转棱镜法（1926）点评：想要得到越精确的值，就要尽量增大s和t，故实际操作繁琐和精确度不大是必然的。四、实验室测光速法（c=λƒ）1.埃森微波谐振腔法（1950）2.激光法测光速点评：是目前最普遍也是最准确测量光速的方法，也是本实验的思想方法。二、拍光法测光速•学习目标•实验原理及装置•实验步骤•实验难点及技巧•实验误差分析学习目标：1、进一步理解光拍频的概念、掌握光拍频法测量光速的技术，了解声光调制器的应用；2、体会到光速也是一个有限值，并了解光年是一个空间量；3、进一步学习光路的调整和熟练示波器的使用。实验原理及装置本实验装置原理图实验装置：一、光速测定仪（激光器、光程差台、示波器）二、钢尺实验光路图实验步骤（1）调节激光器工作电流在5mA左右（2）细心调节超声波频率，调节激光束，通过声光介质并与驻声场充分互相作用（可通过调节频移器底座上的螺丝完成）使之产生二级以上明显的衍射光斑。（3）用光阑选取所需的（零级或一级）光束，调节斩光拍附近两个反光镜，使光能按预定要求的光路进行。（4）移动斩光片，使进程光和远程光都能进入接收器，并在示波器上形成清晰地波形。（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。（6）移动滑动平台，改变两光束的光程差，使两列光拍信号相同，此时的光程差△λ。（7）精确测量两光束的光程，求出它们的光程差，从频率计测出超声波的频率。（8）提高实验精度，防止假相移的产生。为了提高实验的精度，除准确测量超声波频率和光程差外，还要注意对二束光位相得精确比较。如果实验中调试不当。可能会产生虚假的相移，结果影响实验的精度。检查是否产生虚假相移的办法是分别遮挡远、近程光，观察两路光束在光敏面上反射的光是否经透镜后都成像于光抽上。实验难点及技巧难点分析：（1）调节光路是本实验的最难点。首先要保证近远程光都能准确无误的抵达接收器。这就需要我们耐心细致的对每一个反光镜进行调节。然当近远程光抵达接收器后，示波器的屏幕上并没有显示波形或者显示的波形并不清楚，这时就需要再次调节光路，尤其是第一面和最后一面反光镜。（2）光程差的测量也是本实验的一个难点。由于装置上的零部件比较密集，而测量工具用的是量程为1米的钢尺，所以很多数据都需要由两根钢尺拼接进行测量。并且，光路的实际反射点的准确测量是产生误差主要原因之一。实验技巧分析：（1）调节各个透镜的螺旋时，应该轻缓。因为透镜上螺旋的细小变化对光路的变化都影响很大。（2）若在调节近程光时，就发现示波器上没有显示波形或者显示的波形并不清楚时，则需观察接收盒所接受的光源是否汇聚于一点，若不是，则需再次调节靠近斩光片附近的反光镜（主要）和调节接受器上的焦距，直至光线汇聚成一点为止。（3）在进行光路调节时，由于在灯光下操作实验，故光源在反光镜上显示并不清楚，所以可以用加透明塑料片的方法来明确光点的位置。（4）在用钢尺进行拍光法测量光程差时，分清光的实际距离是关键，因此起始和末端若为了防止损坏仪器，都应该提高相同的距离，且多次测量。实验误差分析△数据记录与处理已知光速：2.998×10⁸m/s高频信号发生器输出频率14.9MHzn12345△L（m）10.1410.2410.1310.0710.09ƒ（Hz）2.98x10⁷2.98x10⁷2.98x10⁷2.98x10⁷2.98x10⁷C=λƒ（m/s)3.022x10⁸3.052x10⁸3.019x10⁸3.000x10⁸3.007x10⁸smc/1002.38mm.50仪△钢尺的仪器误差：%7.0%100标标测cccEmL134.10mnXxSiL066.01)(2mSuL066.03(22）仪muLL)07.013.10(2smC/10)03.002.3(8△误差分析（1）由于计算时数值的近似取值而产生的理论误差与方法误差；（2）仪器误差，光速测定仪本身存在的仪器误差；（3）由于远程光在空气中经过多次反射，能量消耗，且光路调整并非完全精确，致使在示波器上显示的波形图较为模糊，所以在移动滑动平台时不能准确判定两列波的重合位置；（4）因为其理论值是在真空环境中所得，而实验室为标准大气压下所测得的值，其速度应小于理论值，但反观测量值却大于理论值，究其原因可能是实验中的人为误差所造成的；（5）钢尺的量程只有1米，所以在测量光程差时，两根钢尺在衔接上会有疏忽，造成测量的误差。三、实验心得•拍光法测光速实验的实际意义•拍光法测光速的思想以及延伸拍光法测光速实验的实际意义利用拍光法测光速，很好的解决了实验室测量光速值的困难。让我们学生了解了其光速同样也是一个有限的值，并可以通过自己动手进行测量。虽然我们并不能够完全掌握其原理部分的推导和技巧，但光拍法测量光速的大致思想是我们值得学习和借鉴的。尤其是在实验的光路调节中，很好的锻炼了我们每个学生的耐心和细心。同时，在光程差的测量中，也锻炼了相互同学之间的协作意识。光拍法测光速的思想以及延伸△实验思想的启迪化烦为易，化整体为部分，使一些看似不可能的事情成为可能。从光拍法测光速这个实验中，令我想到了曹冲称象的故事。由于光速的频率高达10¹⁴，目前的仪器设备无法达到如此高的测量水平。故人们想到了在不破坏其原有频率的情况下，用“拍”的方法使其降到可以测量的水平值。在日常的学习，当我们碰到一些无法用直接或者说现成的方法解决时，应该试图寻找新的途径。在生活中，这种思想的理解和运用尤为显得突出。谢谢！