光速测定指导书.doc

光速测定
一、实验目的
1、掌握一种新颖的光速测量方法
2、了解和掌握光调制的一般性原理和基本技术
二、实验原理
(一) 利用波长和频率测速度
物理学告诉我们,任何波的波长是一个周期内波传播的距离。波的频率是1秒种内发生了多少次周期振动,用波长乘频率得1秒钟内波传播的距离
即波速 C=λ•f
λ

波1
波2
t1
t0
λ
图1 两列不同的波
图1中,第1列波在1秒内经历3个周期,第2列波在1秒内经历1个周期,在1秒内二列传播相同距离,所以波速相同,仅仅第2列波的波长是第1列的3倍。
利用这种方法,很容易测得声波的传播速度。但直接用来测量光波的传播速度,还存在很多技术上的困难,主要是光的频率高达10Hz,目前的光电接收器中无法响应频率如此高的光强变化,迄今仅能响应频率在10Hz左右的光强变化并产生相应的光电流。
(二) 利用调制波波长和频率测速度
如果直接测量河中水流的速度有困难,可以采用一种方法,周期性地向河中投放小木块(f),再设法测量出相邻两小木块间的距离(λ),侧依据公式波速C=λ•f即可算出水流的速度。
周期性地向河中投放小木块,为的是在水流上作一特殊标记。我们也可以在光波上一些特殊标记,称作“调制”。调制波的频率可以比光波的频率低很多,就可以用常规器件未接收。与木块的移动速度就是水流流动的速度一样,调制波的传播速度就是光波传播的速度。调制波的频率可以用频率计精确的测定,所以测量光速就转化为如何测量调制波的波长,然后利用公式
C=λ•f即可计算出光传播的速度。
(三) 相位法测定调制波的波长
,其强度受频率为f的正弦型调制波的调制,表达式为
式中m为调制度,cos2πf(t-x/c)表示光在测线上传播的过程中,其强度的变化
犹如一个频率为f的正弦波以光速c沿x方向传播,,当这两点之间的距离为调制波波长λ的整数倍时,,如果我们能在光的传播路径中找到调制波的等相位点,并准确测量它们之间的距离,那么这距离一定是波长的整数倍。
B
A
A’
A
A’
D
2D d
(b)
(a)
图2 相位法测波长原理图

设调制波由A点出发,经时间t后传播到A′点,AA′之间的距离为2D,则A′点
相对于A点的相移为φ=wt=2πft,见图2(a).然而用一台测相系统对AA′,较方便的办法是在AA′的中点B设置一个反射器,由A点发出的调制波经反射器反射返回A点,见图2 (b).由图显见,光线由A B A所走过的光程亦为2D,而且在A点,反射波的相位落后φ=(以下称之为基准信号),将它与反射波(以下称之为被测信号)分别输入到相位计的两个输入端,,,相继找到在相位计中读数相同的两点,该两点之间的距离即为半个波长.
调制波的频率可由数字式频率计精确地测定,由C=λ·f可以获