证明光有速度的实验是什么?请给出试验过程

证明光有速度的实验是什么?请给出试验过程
证明光有速度的实验是什么?
请给出试验过程

证明光有速度的实验是什么?请给出试验过程
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.它不仅推动了光学实验,也打破了光速无限的传统观念；在物理学理论研究的发展里程中,它不仅为粒子说和波动说的争论提供了判定的依据,而且最终推动了爱因斯坦相对论理论的发展.
在光速的问题上物理学界曾经产生过争执,开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间,是在瞬时进行的.但伽利略认为光速虽然传播得很快,但却是可以测定的.1607年,伽利略进行了最早的测量光速的实验.
伽利略的方法是,让两个人分别站在相距一英里的两座山上,每个人拿一个灯,第一个人先举起灯,当第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯,从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间间隔就是光传播两英里的时间.但由于光速传播的速度实在是太快了,这种方法根本行不通.但伽利略的实验揭开了人类历史上对光速进行研究的序幕.
1676年,丹麦天文学家罗麦第一次提出了有效的光速测量方法.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,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差十四五天.他认为这种现象是由于光具有速度造成的,而且他还推断出光跨越地球轨道所需要的时间是22分钟.1676年9月,罗麦预言预计11月9日上午5点25分45秒发生的木卫食将推迟10分钟.巴黎天文台的科学家们怀着将信将疑的态度,观测并最终证实了罗麦的预言.
罗麦的理论没有马上被法国科学院接受,但得到了著名科学家惠更斯的赞同.惠更斯根据他提出的数据和地球的半径第一次计算出了光的传播速度：214000千米/秒.虽然这个数值与目前测得的最精确的数据相差甚远,但他启发了惠更斯对波动说的研究；更重要的是这个结果的错误不在于方法的错误,只是源于罗麦对光跨越地球的时间的错误推测,现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒,很接近于现代实验室所测定的精确数值.
1725年,英国天文学家布莱德雷发现了恒星的“光行差”现象,以意外的方式证实了罗麦的理论.刚开始时,他无法解释这一现象,直到1728年,他在坐船时受到风向与船航向的相对关系的启发,认识到光的传播速度与地球公转共同引起了“光行差”的现象.他用地球公转的速度与光速的比例估算出了太阳光到达地球需要8分13秒.这个数值较罗麦法测定的要精确一些.菜德雷测定值证明了罗麦有关光速有限性的说法.
光速的测定,成了十七世纪以来所展开的关于光的本性的争论的重要依据.但是,由于受当时实验环境的局限,科学家们只能以天文方法测定光在真空中的传播速度,还不能解决光受传播介质影响的问题,所以关于这一问题的争论始终悬而未决.
十八世纪,科学界是沉闷的,光学的发展几乎处于停滞的状态.继布莱德雷之后,经过一个多世纪的酝酿,到了十九世纪中期,才出现了新的科学家和新的方法来测量光速.
1849年,法国人菲索第一次在地面上设计实验装置来测定光速.他的方法原理与伽利略的相类似.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,在透镜的另一测较远处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,平行光经过第二个透镜后又在平面镜上聚于一点,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到返回的光,当光恰好遇到齿时就会被遮住.从开始到返回的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.通过这种方法,菲索测得的光速是315000千米/秒.由于齿轮有一定的宽度,用这种方法很难精确的测出光速.
1850年,法国物理学家傅科改进了菲索的方法,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298000 千米/秒.另外傅科还测出了光在水中的传播速度,通过与光在空气中传播速度的比较,他测出了光由空气中射入水中的折射率.这个实验在微粒说已被波动说推翻之后,又一次对微粒说做出了判决,给光的微粒理论带了最后的冲击.
1928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.1951年,贝奇斯传德用这种方法测出的光速是299793千米/秒.
光波是电磁波谱中的一小部分,当代人们对电磁波谱中的每一种电磁波都进行了精密的测量.1950年,艾森提出了用空腔共振法来测量光速.这种方法的原理是,微波通过空腔时当它的频率为某一值时发生共振.根据空腔的长度可以求出共振腔的波长,在把共振腔的波长换算成光在真空中的波长,由波长和频率可计算出光速.
当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的.1958年,弗鲁姆求出光速的精确值：299792.5±0.1千米/秒.1972年,埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：299792457.4±0.1米/秒.
光速的测定在光学的研究历程中有着重要的意义.虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了三百多年的时间,但在这期间每一点进步都促进了几何光学和物理光学的发展,尤其是在微粒说与波动说的争论中,光速的测定曾给这一场著名的科学争辩提供了非常重要的依据
光速是有限还是无限,到17世纪还有争议,笛卡尔认为是无限的,伽利略认为是有限的.17世纪初,伽利略用测量声速的方法来测量光速,他让两个人各提一盏有遮光板的灯,并分别站在相距约1．6千米的地方,令第一个人先打开他的灯,同时开始计时；第二个人见到第一个人的灯亮时,立刻打开自己的灯；当第一个人看见第二个人的灯亮时,停止计时,这样测出光从第一个人到第二个人再返回所用的时间,再测出两地的距离,就可以计算出光的速度.从原理上讲,伽利略的方法是对的,但是实验失败了.这是因为光速很大,1／7秒能绕地球一周多,靠当时的条件在地球上用通常测声速的方法测光速是难以实现的.于是,人们把测光速的场地移到太空.在伽利略去世后约30年,丹麦王文学家罗默在观察木星的卫星食中,于1676年指出光速是有限的.
木星是一个周期为12年的太阳行星,它有11个卫星——木星的月亮,其中4个最亮的可用合适的望远镜看到,它们绕木星旋转的轨道平面几乎重合于地球和木星绕太阳旋转的轨道面.因而木星的卫星每绕木星一周将在进入木星影处发生一次蚀.最接近于木星的卫星,其周期是42小时28分16秒（约为7／4天）,它走过自己直径那样的距离约需3．5分钟,因而用望远镜可以观察到它刚发生蚀的瞬间,在这个系统里,木星的卫星蚀,一方面作为一个信号供地球上人来观察,同时,此卫星蚀的周期过程又是一个准确的时钟,如果地球相对于木星的距离不变,或者光速为无限大（信号由木星那里传到地球不需要时间）,则每隔42小时28分16秒自然就看到该卫星的蚀一次.但是,众所周知,光速不是无限大,并且地球每时都在改变着它与木星的距离,所以在地球上看到的木星的卫星相邻蚀之间的时间间隔是变化的.显然这个变化与地球相对于木星的距离的变化和光速的大小有关.
罗默经过长期细心的观察,他发现：在图4－4中,若地球在E1和木星在J1看到一次木星卫星蚀,再用平均周期推算此后任一次蚀的时间,则后一次蚀一般地并不刚好发生在所推算的时间.例如当地球在经过E1之后约三个月行至E2处,实际看到蚀的时间较推算出的时间延迟了约10分钟.这是因为当地球在作自E1向E2而达E3的运动时,地球与木星的距离在逐渐增大,自木星来的任一信号都必须比前一信号多走一些距离才到达地球.经过由E1到E2的三个月,所有相邻蚀的时间延迟的总和约为10分钟.当地球继续由E2经过E4而向E5运动时,地球与木星的距离在逐渐减小,自木星来的任一信号都比前一信号少走一些距离.罗默从他的测量得出,光走过与地球轨道半径等长的距离所需的时间约为11分钟.在罗默的时代只知道地球轨道半径的近似值,当取此半径为149．7×106千米时,算得光速c＝215000千米／秒.
在地球上较短的距离内用实验的方法测出光速是19世纪中叶的事了.1849年德国物理学家菲索用“齿轮法”测出光速.如图4－5所示,从光源S发出的光,射到半镀银的平面镜A上,经A反射后,从齿轮N的齿间空隙射到反射镜M上,然后再反射回来,通过半镀银镜射入观察者眼中.如果使齿轮转动,那么在光从齿间到达M再反射回齿间的时间Δt内,齿轮将转过一个角度.如果这时齿a和a′间的空隙恰好被a所占据,则反射回来的光被遮断,因而观察者将看不到光.但如果这时齿轮恰好转到下一个齿间空隙,由M反射回来的光从齿间空隙通过,观察者就能重新看到光.齿轮的齿数已知,测出齿轮的转速,可算出齿轮转过一个齿的时间Δt,再测出M、N间的距离,就可以算出光速.菲索当时测得空气中的光速：c＝315300千米／秒.1851年,法国物理学家傅科用旋转镜法测得空气中的光速：c＝298×108米／秒.傅科还第一次测出了光在水中的传播速度为2．23×108米／秒,相当空气中光速的四分之三.
1924—1927年,美国科学家迈克尔孙综合菲索和傅科测光速方法的优点,用旋转棱镜法,在美国海拔5500米、相距35千米的威尔孙山和圣安东尼奥山进行实验,精确地测得光速：c＝299796±4千米／秒.非常接近1975年第15届国际计量大会决议采用的光速值c＝299792．458±0．001千米／秒.他就在这次测量过程中中风,于1931年去世.
在激光得以广泛应用以后,开始利用激光测量光速.其方法是测出激光的频率和波长,应用c=λν计算出光速c,目前这种方法测出的光速是最精确的.根据1975年第15届国际计量大会决议,把真空中光速值定为c＝299 792 458米／秒.在通常应用多取c=3×10^8米／秒.
光速测量仪
LM2000A1 光速测量仪（原LM2000A的增强型）(相位法) • 对激光光束直接进行100MHz的高频调制,移动反光镜通过测量近程光与远程光的相位差求得调制光的波长,依据C=f·λ计算出光的传播速度,即“相位法”.
•选用示波器来测量相位值.并采用降频测相电路,测相频率为455KHz,大大降低了对示波器的要求.
LM2000B 光速测量仪(振荡法) • 把光程作为“光-电振荡”环路中的一个参量,用频率计测量近程光与远程光的频率差,并转换成时间差,依据C=△D/△T求得光速值.
LM2000C 光速测量仪(光拍法)
采用高频声光器件,利用声光频移效应产生150MHz的拍频波,移动反光镜,用示波器测量近程光与远程光的相位差求得拍频波的波长,进而测得光的传播速度,即“光拍法”.