光速测定发展历史

xxx班 xxx 学号 ？ 1 宁长春宁长春, 冯有亮冯有亮, 文豪文豪,等等. 光速测定的历史概述光速测定的历史概述J. 大学物理大学物理, 2014(10). 2 刘战存刘战存, 张国英张国英. 迈克耳孙的光速测定实验迈克耳孙的光速测定实验J. 大学物理大学物理, 2001, 20(3):30-32. 3 王文清王文清. 斐索法测光速普遍計算公式的推导斐索法测光速普遍計算公式的推导J. 惠阳师专学报：自然科惠阳师专学报：自然科 学学,1986(S1). 4 左开先左开先. 用旋轉鏡法測定光速的計算公式用旋轉鏡法測定光速的計算公式J. 物理物理, 1965(07). 5 “光子的速度为何是常量的探讨光子的速度为何是常量的探讨” 张长太，张原张长太，张原 - 中国光学学会光学大会中国光学学会光学大会 - 2010 6 孙威立孙威立;光速测定实验中的问题讨论光速测定实验中的问题讨论J;四川师范大学学报四川师范大学学报(自然科学自然科学 版版);1987年年02期期 7 方颖方颖. 光速测定的历史过程及在物理学上的意义光速测定的历史过程及在物理学上的意义J. 物理物理, 2005(5):51-53. 8 游向东游向东;戴春泉戴春泉;光速的测定光速的测定J;物理实验物理实验;1986年年06期期 目目 录录 1.历史概述历史概述 2.实验验证实验验证 3.光速常量光速常量 4.历史意义历史意义 1.171.17世纪世纪 在光速问题上，物理学界曾产生过争执，开普勒和笛卡尔都认为光的传在光速问题上，物理学界曾产生过争执，开普勒和笛卡尔都认为光的传 播不需要时间。是瞬间进行的，而伽利略等则认为光虽然传播的很快播不需要时间。是瞬间进行的，而伽利略等则认为光虽然传播的很快, ,但但 却是可以测定的。却是可以测定的。 2.16072.1607年年 1607 1607年年, ,伽利略进行了最早的测量光速的实验。他让两个人分别站在伽利略进行了最早的测量光速的实验。他让两个人分别站在 相距相距1 1英里的两座山上。每个人拿一盏灯，第一个人先打开灯，当第二个英里的两座山上。每个人拿一盏灯，第一个人先打开灯，当第二个 人看但第一个人的灯光时立即打开自己的灯人看但第一个人的灯光时立即打开自己的灯( (如图如图1)1)。从第一个打开灯到。从第一个打开灯到 他看到第二个人的灯光时间间隔就是传播他看到第二个人的灯光时间间隔就是传播2 2英里的时间。英里的时间。 3.16763.1676年年 丹麦天文学家罗默在丹麦天文学家罗默在16761676年首先获得光速有限的证据。他在观测木星年首先获得光速有限的证据。他在观测木星 的卫星的隐食周期时发现，在一年的不同时期的卫星的隐食周期时发现，在一年的不同时期, ,它们的周期有所不同。在它们的周期有所不同。在 地球处于太阳和木星之间时的周期与太阳处于地球和木星之间时的周期相地球处于太阳和木星之间时的周期与太阳处于地球和木星之间时的周期相 差十四、五天。他认为这种现象是由于光具有速度而造成的，而且他还推差十四、五天。他认为这种现象是由于光具有速度而造成的，而且他还推 断出光跨越地球轨道所需要的时间是断出光跨越地球轨道所需要的时间是2222分钟。分钟。 1676 1676年年9 9月，罗默向巴黎的法国科学院宣布，预计月，罗默向巴黎的法国科学院宣布，预计1111月月9 9日日5 5时时2525分分4545 秒发生的木星卫星蚀将推迟秒发生的木星卫星蚀将推迟1010分钟，巴黎天文台的天文学家们莫不嗤之以分钟，巴黎天文台的天文学家们莫不嗤之以 鼻。等到那一天，众人守在天文望远镜旁，想看罗默的笑话，那里想到，鼻。等到那一天，众人守在天文望远镜旁，想看罗默的笑话，那里想到， 卫星蚀不迟不早，正好推迟卫星蚀不迟不早，正好推迟1010分钟。分钟。 4.17254.1725年年 英国天文学家布莱德雷发现了恒星的英国天文学家布莱德雷发现了恒星的“光行差光行差”现象，以以外的方现象，以以外的方 式证实了罗默的理论。刚开始的时候，他无法解释这一现象，当他努力于式证实了罗默的理论。刚开始的时候，他无法解释这一现象，当他努力于 测量星体的视差时，他惊讶的发现它的位移并不全象他所预料的那样。当测量星体的视差时，他惊讶的发现它的位移并不全象他所预料的那样。当 意料不的光明降临到他身上之时，他已经几乎丧失了解释这一现象的希望。意料不的光明降临到他身上之时，他已经几乎丧失了解释这一现象的希望。 在在17281728年年9 9月的某天，他和同伴在泰晤士河上乘船航行，他观察到，似乎月的某天，他和同伴在泰晤士河上乘船航行，他观察到，似乎 每一次船转换方向时风都变了向，向船夫提出的问题引起了很有意义的回每一次船转换方向时风都变了向，向船夫提出的问题引起了很有意义的回 答，即桅杆上风标的变化，仅仅是由于船的航向的变化，而风如故答，即桅杆上风标的变化，仅仅是由于船的航向的变化，而风如故. . 布拉德雷从这个布拉德雷从这个“光行差光行差”的值估计太阳光到达地球的时间为的值估计太阳光到达地球的时间为8 8分分1313 秒。这个值比上半个世纪勒麦测定的秒。这个值比上半个世纪勒麦测定的1111分更接近正确值。这样一来，布莱分更接近正确值。这样一来，布莱 德雷证实了勒麦的理论，光的渐进传播开始作为一个已确立的事实而被接德雷证实了勒麦的理论，光的渐进传播开始作为一个已确立的事实而被接 受。受。 5.195.19世纪世纪 18 18世纪，科学界是沉闷的，光学的发展几乎处于停滞状态。继布莱德世纪，科学界是沉闷的，光学的发展几乎处于停滞状态。继布莱德 雷之后，经过一个多世纪的酝酿，到了雷之后，经过一个多世纪的酝酿，到了1919世纪中期，才出现了新的科学家世纪中期，才出现了新的科学家 和新的反复法来测量光速和新的反复法来测量光速法国科学家菲索和傅科，开始用物理的方法法国科学家菲索和傅科，开始用物理的方法 测定光速。当时先后产生了旋转齿轮法和旋转镜法这两种方法。测定光速。当时先后产生了旋转齿轮法和旋转镜法这两种方法。 原理简述：原理简述： 他将一个点光源放在透镜的焦点处，在透镜与光源之间放一个齿轮，在透他将一个点光源放在透镜的焦点处，在透镜与光源之间放一个齿轮，在透 镜的另一侧较远的地方依次放置另一个透镜和一个平面镜，平面镜位于第二个镜的另一侧较远的地方依次放置另一个透镜和一个平面镜，平面镜位于第二个 透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光，平行光经过第透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光，平行光经过第 二个透镜后又在平面镜上会聚于一点，在平面镜上反射后按原路返回。由于齿二个透镜后又在平面镜上会聚于一点，在平面镜上反射后按原路返回。由于齿 轮有齿隙和齿，当光通过齿隙时观察者就可以看但返回的光，当光恰好遇到齿轮有齿隙和齿，当光通过齿隙时观察者就可以看但返回的光，当光恰好遇到齿 时就会被遮住。从开始到返回的迈克尔逊光第一次消失的时间就是光往返一次时就会被遮住。从开始到返回的迈克尔逊光第一次消失的时间就是光往返一次 所用的时间，根据齿轮的转速，这个时间不难求出。所用的时间，根据齿轮的转速，这个时间不难求出。 实验名称：实验名称：旋转齿轮法旋转齿轮法 旋转齿轮法旋转齿轮法是法国物理学家菲索在是法国物理学家菲索在18491849年发明的年发明的 实验结论：通过这种方法，菲索测得的光速是实验结论：通过这种方法，菲索测得的光速是315 000Km/s315 000Km/s。但由于齿。但由于齿 轮有一定的宽度，用这种反复法很难精确的测出光速。轮有一定的宽度，用这种反复法很难精确的测出光速。 1850年，法国科学家傅科年，法国科学家傅科(Jean Bernard Keon Foucault,1819.9.18-1868.2.11)改进了菲索的方法。改进了菲索的方法。 他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。平行光通过旋转他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。平行光通过旋转 的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上，同样用平面镜的转速可以求出时间。的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上，同样用平面镜的转速可以求出时间。 傅科用这种方法测出的光速是：傅科用这种方法测出的光速是：298 000Km/s。 实验基础：实验基础： 在迈克尔逊在海军学院任教不久，演示了傅科测定光速的方法，由此对测在迈克尔逊在海军学院任教不久，演示了傅科测定光速的方法，由此对测 定光速产生了兴趣。起初，他定光速产生了兴趣。起初，他“没有办法保证任何精确的没有办法保证任何精确的”结果，结果，“仅仅打算仅仅打算 去演示这一方法去演示这一方法”，为此，为此，“找到了放在实验室中的粗笨的仪器找到了放在实验室中的粗笨的仪器”。 傅科的实验装置是借助定日镜照明一条明亮分划线作为光源，将可旋转平傅科的实验装置是借助定日镜照明一条明亮分划线作为光源，将可旋转平 面镜放在透镜面镜放在透镜L焦距内距焦距内距L很近处。很近处。A和和B是当旋转反射镜是当旋转反射镜M1在两个特定位置时在两个特定位置时 S的虚像，它们经透镜的虚像，它们经透镜L分别成像于分别成像于A和和B两点。凹面镜的曲率中心与两点。凹面镜的曲率中心与M1镜的镜的 旋转轴重合，使得所有的光束在和之间传播距离相等。旋转轴重合，使得所有的光束在和之间传播距离相等。S是经镜反射后待观察是经镜反射后待观察 的虚像，偏转角的虚像，偏转角a是与之间的是与之间的S与与S之间的夹角。傅科选取的之间的夹角。傅科选取的L与间距离约为与间距离约为 20m；他使用的旋转平面镜转速为；他使用的旋转平面镜转速为400r/s。 迈克尔逊分析这一装置，发现精度底是由于偏转角太小。他将迈克尔逊分析这一装置，发现精度底是由于偏转角太小。他将S改为狭缝光改为狭缝光 源，使亮度显著提高，并将和之间的距离增大到源，使亮度显著提高，并将和之间的距离增大到152m，使适当靠近透镜，使适当靠近透镜L的焦的焦 点，则轴上光速经点，则轴上光速经L在镜上成的像被限制在与透镜有相同直径的范围内，这样在镜上成的像被限制在与透镜有相同直径的范围内，这样 可以改用平面镜；他还将测偏角可以改用平面镜；他还将测偏角a的半径由原来的的半径由原来的1m改为改为9m多。多。 实验名称：实验名称：迈克尔逊旋转镜和干涉仪测法迈克尔逊旋转镜和干涉仪测法 如图所示如图所示 图中图中S S为发光点，为发光点，T T是望远镜，平面镜是望远镜，平面镜O O与凹面镜与凹面镜B B构成了反射系统。八面镜构成了反射系统。八面镜 距反射系统的距离为距反射系统的距离为ABABL L（L L可长达几十千米），且远大于可长达几十千米），且远大于OBOB以及以及S S和和T T到八面到八面 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f0f0并可并可 认为是匀速转动时，恰能在望远镜中第一次看见发光点认为是匀速转动时，恰能在望远镜中第一次看见发光点S S，由此迈克尔逊测出，由此迈克尔逊测出 光速光速C C。 迈克尔逊用转动八面镜法测光速的实验示意图迈克尔逊用转动八面镜法测光速的实验示意图 实验结论：八面镜转过角度为实验结论：八面镜转过角度为 /4 即可得出即可得出C=16lf 计算过程：计算过程： 实验室测量仪器实验室测量仪器 现代已经有了对光更为完善的遮断法，其中最好的是采用克尔盒法。现代已经有了对光更为完善的遮断法，其中最好的是采用克尔盒法。 19281928年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。 克尔盒法为盛有介质的两端透光的容器，内有平行板电容器的两板作克尔盒法为盛有介质的两端透光的容器，内有平行板电容器的两板作 为电极。将一频率固定的交流电压同步的接在两个克尔盒和上，放在尼科为电极。将一频率固定的交流电压同步的接在两个克尔盒和上，放在尼科 耳之间，仅当电压加在盒上时，光才能通过克尔盒及尼科耳所组成的系统。耳之间，仅当电压加在盒上时，光才能通过克尔盒及尼科耳所组成的系统。 光通过有克尔盒的第一个系统而达到光通过有克尔盒的第一个系统而达到M M镜，由此反射以后再射入有克尔盒镜，由此反射以后再射入有克尔盒 的第二个系统，的第二个系统，在光由盒传到在光由盒传到M M镜并且反射到盒的时间镜并且反射到盒的时间内，若盒上电内，若盒上电 压降落到零，则放在后的尼科耳中光将消失。由交流电压的已知测定时间压降落到零，则放在后的尼科耳中光将消失。由交流电压的已知测定时间 ，再测定光所经过的距离，即可求出光速。应用高频电场，能在，再测定光所经过的距离，即可求出光速。应用高频电场，能在1 1秒内秒内 进行次的遮断。进行次的遮断。 由于克尔效应的弛豫时间极短，使光被遮断和重现几乎可以迅速交变，由于克尔效应的弛豫时间极短，使光被遮断和重现几乎可以迅速交变， 从而大大增进了测量的准确度。从而大大增进了测量的准确度。19411941年安德逊改进了这个实验，只用了一年安德逊改进了这个实验，只用了一 个克尔盒，基线个克尔盒，基线L L的长度只有的长度只有3m3m，这样，整个实验装置便能安装在实验桌，这样，整个实验装置便能安装在实验桌 上，他所测得的结果为：上，他所测得的结果为：299 776299 7766Km/s6Km/s。贝格斯特兰在。贝格斯特兰在19511951年进一步改年进一步改 进了这个实验装置，他所得结果为：进了这个实验装置，他所得结果为：299 793.1299 793.10.3Km/s0.3Km/s 激光器的问世把光速的测量推向了一个新的阶段。激光器的问世把光速的测量推向了一个新的阶段。19701970年美国国家年美国国家 标准局和美国国立物理实验室最先应用激光测定光速。这个方法的原理是标准局和美国国立物理实验室最先应用激光测定光速。这个方法的原理是 同时测定激光的波长和频率来确定光速（同时测定激光的波长和频率来确定光速（C=C=）。由于激光的频率和波）。由于激光的频率和波 长的才饿量精度已大大提高，所以用激光测速法的测量精度可达，比以前长的才饿量精度已大大提高，所以用激光测速法的测量精度可达，比以前 已经有最精密的实验室方法提高精度约已经有最精密的实验室方法提高精度约100100倍。实验的结果已分别于倍。实验的结果已分别于19731973 年和年和19741974年发表。另外还有许多种十分精确的测光速的方法。第十五届国年发表。另外还有许多种十分精确的测光速的方法。第十五届国 际 计 量 大 会 的 决 议 ， 现 代 真 空 中 光 速 的 最 可 靠 值 是 ：际 计 量 大 会 的 决 议 ， 现 代 真 空 中 光 速 的 最 可 靠 值 是 ： 2 9 9 2 9 9 792.485792.4850.001Km/s0.001Km/s，在粗略计算中可以认为，在粗略计算中可以认为 Km/s Km/s。 根据电磁理论，光在真空中的速度为根据电磁理论，光在真空中的速度为:C=:C=（SISI制）式中制）式中00为真空中的为真空中的 介电系数，介电系数， 为真空中的磁导率：为真空中的磁导率： = F/m= F/m= F/m= F/m， = H/m= H/m= H/m= H/m， 将这两个数值代入上式，可得：将这两个数值代入上式，可得：C= =299 792.50Km/sC= =299 792.50Km/s。除菲索和傅科实验。除菲索和傅科实验 数值以外，最近测定的光速值与计算值非常接近数值以外，最近测定的光速值与计算值非常接近。 1983年米的重新定义以后，把真空光速规定为：年米的重新定义以后，把真空光速规定为：C=299 792 458m/s这这 个固定常数，真空光速值在物理学中不再作为一个可以测量的量，而是一个个固定常数，真空光速值在物理学中不再作为一个可以测量的量，而是一个 换算常数，并把它作为物理学中的一个基本常数规定下来。由于光速已经成换算常数，并把它作为物理学中的一个基本常数规定下来。由于光速已经成 为定义值，它不但不确定度为零，不需要再进行任何测量，从而结束了历时为定义值，它不但不确定度为零，不需要再进行任何测量，从而结束了历时 300多年精密测量光速的历史。多年精密测量光速的历史。 光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要 的意义的意义. .它不仅推动了光学实验的发展它不仅推动了光学实验的发展, ,也打破了光速无也打破了光速无 限的传统观念限的传统观念. .在物理学理论研究的发展历程中在物理学理论研究的发展历程中, ,它不仅它不仅 为粒子说和波动说的争论提供了判定的依据为粒子说和波动说的争论提供了判定的依据, ,而且最终而且最终 推动了爱因斯坦相对论理论的发展推动了爱因斯坦相对论理论的发展. 光速实验在物理学史中占有重要地位光速实验在物理学史中占有重要地位. .这不仅是因为它需要精确的这不仅是因为它需要精确的 实验手段实验手段, ,对光学的发展起了推动作用对光学的发展起了推动作用; ;也不仅仅因为它有力的支持了也不仅仅因为它有力的支持了 机械波动说机械波动说, ,而给机械微粒说以致命的打击。重要的是光速实验打破了而给机械微粒说以致命的打击。重要的是光速实验打破了 光速无限的观念光速无限的观念, ,解决了长期存在的所谓以太漂移的疑案解决了长期存在的所谓以太漂移的疑案, ,为建立近代为建立近代 物理基本理论之一的相对论物理基本理论之一的相对论, ,提供了一块颇为重要的基石。提供了一块颇为重要的基石。 14xxx 姓名 学号