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第四百五十四章

而光速的测定包含着对光所通过的距离和所需时间的量度,由于光速很大,所以必须测量一个很长的距离和一个很短的时间,大地测量法就是围绕着如何准确测定距离和时间而设计的各种方法。最早于1629年艾萨克·毕克曼(

eeckman)提出一项试验,一人将遵守闪光灯一炮反映过一面镜子,约一英里。伽利略认为光速是有限的,1638年他请二个人提灯笼各爬上相距仅约一公里的山上,第一组人掀开灯笼,并开始计时,对面山上的人看见亮光后掀开灯笼,第一组看见亮光后,停止计时,这是史上著名的测量光速的掩灯方案,这种测量方法实际测到的主要只是实验者的反应和人手的动作时间。[]

在物理学发展史上,最早提出测量光速的是意大利物理学家伽利略.1607年在他的实验中,让相距甚远的两个观察者,各执一盏能遮闭的灯,如图所示:观察者A打开灯光,经过一定时间后,光到达观察者B,B立即打开自己的灯光,过了某一时间后,此信号回到A,于是A可以记下从他自己开灯的一瞬间,到信号从B返回到A的一瞬间所经过的时间间隔t.若两观察者的距离为S,则光的速度为c=2s

t。

因为光速很大,加之观察者还要有一定的反应时间,所以伽利略的尝试没有成功.如果用反­射­镜来代替B,那么情况有所改善,这样就可以避免观察者所引入的误差.这种测量原理长远地保留在后来的一切测定光速的实验方法之中.甚至在现代测定光速的实验中仍然采用.但在信号接收上和时间测量上,要采用可靠的方法.使用这些方法甚至能在不太长的距离上测定光速,并达到足够高的­精­确度。

而用实验方法测定光速首先是在1849年由斐索实验.他用定期遮断光线的方法(旋转齿轮法)进行自动记录。而他的实验则是这样的:燃气一个蜡烛当做光源为S,聚透镜为L1,然后半镀银的镜面为A。当光源s发出的光经会聚透镜L1­射­到半镀银的镜面A,由此反­射­后在齿轮W的齿a和a’之间的空隙内会聚,再经透镜L2和L3而达到反­射­镜M,然后再反­射­回来.又通过半镀镜A由L4集聚后­射­入观察者的眼睛E.如使齿轮转动,那么在光达到M镜后再反­射­回来时所经过的时间△t内,齿轮将转过一个角度.如果这时a与a’之间的空隙为齿a(或a’)所占据,则反­射­回来的光将被遮断,因而观察者将看不到光.但如齿轮转到这样一个角度,使由M镜反­射­回来的光从另一齿间空隙通过,那么观察者会重新看到光,当齿轮转动得更快,反­射­光又被另一个齿遮断时,光又消失.这样,当齿轮转速由零而逐渐加快时,在E处将看到闪光.由齿轮转速v、齿数n与齿轮和M的间距L可推得光速c=4nvL。

而在斐索所做的实验中,当具有720齿的齿轮,一秒钟内转动12.67次时,光将首次被挡住而消失,空隙与轮齿交替所需时间为1

12.67s。在这一时间内,光所经过的光程为2×8633米,所以光速c=2×8633×18244(m

s≈315×108(km

s。而在对信号的发出和返回接收时刻能作自动记录的遮断法除旋转齿轮法外,在现代还采用克尔盒法.1941年安德孙用克尔盒法测得:c=±6km

s,1951年贝格斯格兰又用克尔盒法测得c=.1±0.3km

s。

还有旋转镜法的主要特点是能对信号的传播时间作­精­确测量,1851年傅科成功地运用此法测定了光速,旋转镜法的原理早在1834年1838年就已为惠更斯和阿拉果提出过,它主要用一个高速均匀转动的镜面来代替齿轮装置。由于光源较强,而且聚焦得较好。另外,傅科还利用这个实验的基本原理,首次测出了光在介质(水)中的速度v&ltc,这是对波动说的有力证据。而在1950年埃森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速。在他的实验中,将微波输入到圆柱形的谐振腔中,当微波波长和谐振腔的几何尺寸匹配时,谐振腔的圆周长πD和波长之比有如下的关系:πD=2.λ,因此可以通过谐振腔直径的测定来确定波长,而直径则用­干­涉法测量;频率用逐级差频法测定。测量­精­度达10-7.在埃森的实验中,所用微波的波长为10厘米,所得光速的结果为.5±1km

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