题目

光速很快,那光的传播速度是怎样得到的?

提问时间：2021-02-03

答案

光速的测量方法： 最早光速的准确数值是通过观测木星对其卫星的掩食测量的.还有转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法. 光速的测量,首先在天文学上获得成功,这是因为宇宙广阔的空间提供了测量光速所需要的足够大的距离．早在1676年丹麦天文学家罗默（1644—1710）首先测量了光速．由于任何周期性的变化过程都可当作时钟,他成功地找到了离观察者非常遥远而相当准确的“时钟”,罗默在观察时所用的是木星每隔一定周期所出现的一次卫星蚀．他在观察时注意到：连续两次卫星蚀相隔的时间,当地球背离木星运动时,要比地球迎向木星运动时要长一些,他用光的传播速度是有限的来解释这个现象．光从木星发出（实际上是木星的卫星发出）,当地球离开木星运动时,光必须追上地球,因而从地面上观察木星的两次卫星蚀相隔的时间,要比实际相隔的时间长一些；当地球迎向木星运动时,这个时间就短一些．因为卫星绕木星的周期不大（约为1.75天）,所以上述时间差数,在最合适的时间（上图中地球运行到轨道上的A和A’两点时）不致超过15秒（地球的公转轨道速度约为30千米/秒）．因此,为了取得可靠的结果,当时的观察曾在整年中连续地进行．罗默通过观察从卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速．由于当时只知道地球轨道半径的近似值,故求出的光速只有214300km/s．这个光速值尽管离光速的准确值相差甚远,但它却是测定光速历史上的第一个记录．后来人们用照相方法测量木星卫星蚀的时间,并在地球轨道半径测量准确度提高后,用罗默法求得的光速为299840±60km/s． 1728年,英国天文学家布莱德雷（1693—1762）采用恒星的光行差法,再一次得出光速是一有限的物理量．布莱德雷在地球上观察恒星时,发现恒星的视位置在不断地变化,在一年之内,所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周．他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间,而在此时间内,地球已因公转而发生了位置的变化．他由此测得光速为：C=299930千米/秒 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．实验示意图如下．从光源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． 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) 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=299776±6km/s,1951年贝格斯格兰又用克尔盒法测得c=299793.1±0.3km/s． ．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．因此能极其精密地测量很短的时间间隔．实验装置如图所示．从光源s所发出的光通过半镀银的镜面M1后,经过透镜L射在绕O轴旋转的平面反射镜M2上O轴与图面垂直．光从M2反射而会聚到凹面反射镜M3上,M3的曲率中心恰在O轴上,所以光线由M3对称地反射,并在s′点产生光源的像．当M2的转速足够快时,像S′的位置将改变到s〃,相对于可视M2为不转时的位置移动了△s的距离可以推导出光速值.式中w为M2转动的角速度．l0为M2到M3的间距,l为透镜L到光源S的间距,△s为s的像移动的距离．因此直接测量w、l、l0、△s,便可求得光速. 在傅科的实验中：L=4米,L0=20米,△s=0.0007米,W=800×2π弧度/秒,他求得光速值c=298000±500km/s． 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＜c,这是对波动说的有力证据． 美国的迈克尔逊把齿轮法和旋转镜法结合起来,创造了旋转棱镜法装置．因为齿轮法之所以不够准确,是由于不仅当齿的中央将光遮断时变暗,而且当齿的边缘遮断光时也是如此．因此不能精确地测定象消失的瞬时．旋转镜法也不够精确,因为在该法中象的位移△s太小,只有0.7毫米,不易测准．迈克耳逊的旋转镜法克服了这些缺点．他用一个正八面钢质棱镜代替了旋转镜法中的旋转平面镜,从而光路大大的增长,并利用精确地测定棱镜的转动速度代替测齿轮法中的齿轮转速测出光走完整个路程所需的时间,从而减少了测量误差．从1879年至1926年,迈克耳逊曾前后从事光速的测量工作近五十年,在这方面付出了极大的劳动．1926年他的最后一个光速测定值为 c=299796km/s 这是当时最精确的测定值,很快成为当时光速的公认值