大师作文网如何测光速
来源：学生作业帮 编辑：大师作文网作业帮 分类：物理作业 时间：2024/11/12 06:37:10
如何测光速
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f0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
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
第一个尝试测量光速的,也是伽利略.他和他的助手在夜间相隔数公里远面对面地站着,每人拿一盏灯,灯有开关（注意当时还没有电的知识,更没有电灯.）当伽利略在某个时刻打开灯,一束光向助手方向射去,助手看到灯后马上打开自己的灯.伽利略试图测出从他开灯到他看到助手开灯之间的时差,从而算出光速.但这个实验失败了,因为光传播速度太快,现在知道,要想通过这种方法测出光速,必须能测出10－5秒的时差,这在当时是完全不可能的.
第一个比较正确的光速值,是用天体测量得到的.1675年,丹麦天文学家罗麦注意到,木卫消失在木星阴影里的时间间隔逐次不同,它随着各次卫星掩蚀时,木星和地球之间距离的不同而变长或变短.他认识到这是由于在长短不同的路程上,光线传播需要不同时间.根据这种想法,罗麦推算出c=2×108米／秒.
直到1849年,地面实验中才有较好的光速测量.当时,法国物理学家斐索利用高速齿轮进行这项工作.1862年,傅科成功地发展了另一种测定光速的方法,他用一个高速转镜来测量微小的时间间隔.下图是经过改进后的实验装置示意图.转镜是一个正八面的钢质棱镜,从光源S发出的光射到转镜面R上,经R反射后又射到35公里以外的一块反射镜C上,光线再经反射后回到转镜.所用时间是t=2D/c.在t时间中转镜转过一个角度.实验时,逐渐加快转镜转速,当转速达到528转／秒时,在t时间里正好转过1／8圈.返回的光恰恰在棱镜的下一个面上,通过半透镜M可以从望远镜里看到返回光线所成的像.用这种方法得到c =299,796±4公里／秒.
近代测量光速的方法,是先准确地测量一束光的频率v和波长λ,然后再用c＝vλ来计算.1973年以来,采用以下的光速值
c =299,792,458±1.2米／秒.
顺便指出一点:各种测量光速的方法,得到的结果都很一致,这也成为光速不变性的一个有力佐证.
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f0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
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
第一个尝试测量光速的,也是伽利略.他和他的助手在夜间相隔数公里远面对面地站着,每人拿一盏灯,灯有开关（注意当时还没有电的知识,更没有电灯.）当伽利略在某个时刻打开灯,一束光向助手方向射去,助手看到灯后马上打开自己的灯.伽利略试图测出从他开灯到他看到助手开灯之间的时差,从而算出光速.但这个实验失败了,因为光传播速度太快,现在知道,要想通过这种方法测出光速,必须能测出10－5秒的时差,这在当时是完全不可能的.
第一个比较正确的光速值,是用天体测量得到的.1675年,丹麦天文学家罗麦注意到,木卫消失在木星阴影里的时间间隔逐次不同,它随着各次卫星掩蚀时,木星和地球之间距离的不同而变长或变短.他认识到这是由于在长短不同的路程上,光线传播需要不同时间.根据这种想法,罗麦推算出c=2×108米／秒.
直到1849年,地面实验中才有较好的光速测量.当时,法国物理学家斐索利用高速齿轮进行这项工作.1862年,傅科成功地发展了另一种测定光速的方法,他用一个高速转镜来测量微小的时间间隔.下图是经过改进后的实验装置示意图.转镜是一个正八面的钢质棱镜,从光源S发出的光射到转镜面R上,经R反射后又射到35公里以外的一块反射镜C上,光线再经反射后回到转镜.所用时间是t=2D/c.在t时间中转镜转过一个角度.实验时,逐渐加快转镜转速,当转速达到528转／秒时,在t时间里正好转过1／8圈.返回的光恰恰在棱镜的下一个面上,通过半透镜M可以从望远镜里看到返回光线所成的像.用这种方法得到c =299,796±4公里／秒.
近代测量光速的方法,是先准确地测量一束光的频率v和波长λ,然后再用c＝vλ来计算.1973年以来,采用以下的光速值
c =299,792,458±1.2米／秒.
顺便指出一点:各种测量光速的方法,得到的结果都很一致,这也成为光速不变性的一个有力佐证.