实验22 光调制法测量光速.docx

实验22光调制法测量光速
从17世纪70年代伽利略第一次尝试测量光速以来，各个时期人们都采用当时最先进的技术来测量光速。1983年，国际计量局召开第七次米定义咨询委员会和第八次单位咨询委员会决定，以光在真空中1/299792458s的时间
4．差频法测相位
尽管调制波光强变化的频率降到了108Hz，但要用测相器准确测量两点的相位差，频率仍然太高。因为测相器门电路的开关时间一般为
40ns左右，如果输入信号的频率为108Hz，则信号周期T=1/f=10ns，比电路的开关时间还短，电路根本来不及动作。为了使电路正
常工作，就必须大大提高其工作速度。
为了避免高频下测相的困难，人们通常采用差频的办法把待测高频信号转化为中、低频信号处理。这是因为两信号之间相位差的测量实际上被转化为两信号过零的时间差的测量，而降低信号频率f则意味着拉长了与待测的相位罄相对应的时间差。当基准信号、被测信号分别与本振信号混频后，所得到的两个差频信号之间的相位差仍保持为P（证明过程请参看附录22-B）。
本实验为了克服在108Hz高频下测相的困难，如图22-2所示，将f=108Hz、位相差为申的高频基准信号u1和高频被测信号u2分别与本机振荡器产生的高频振荡信号混频，得到两个频率为455kHz、位相差依然为申的低频信号u：、u；，然后送到相位计或示波器中去测量相位。（这样调制波信号的相位差测量转换为差频信号的相位差测量。差频信号相位差Ap本
实验用示波器测量）。
图22-2光调制法测量光速实验原理方框图
5．示波器测相位
1）单踪示波器法
将示波器的扫描同步方式选择在“外触发同步”极性为“+”或“-”，“参考”相位信号接至外触发同步输入端（EXT）,“信号”相位信号接至Y轴的输入端，调节“触发电平”使波形稳定；调节Y轴“增益”（偏转因数），使之有一个适合的波幅：调节“时基”（扫描
图22-3示波器测相位
速率），使在屏上只显示一个完整的波形，并尽可能地展开，如一个波形在X方向展开为10大格，即10大格代表为360°，每1大格为36°,，°o
开始测量时，记住波形某特征点的起始位置，移动棱镜小车，波形移动，移动1大格即表示基准相位与被测相位之间的相位差变化了36°o有些示波器无法将一个完整的波形正好调至10大格，此时可以按下式求得基准相位与被测相位的变化量，
参见图22-3。
22-4)
r
Ap=—x360°
2）双踪示波器法
将“参考”相位信号接至Y1（CH1）通道输入端，“信号”相位信号接至Y；（CH2）通道，并用Y］通道触发扫描，显示方式为“断续”（CHOP）［如采用“交替”（ALT）方式时，会有附加相移，为什么？］。后面的步骤与单踪示波法操作一样，调节Y轴输入“增益”挡，调节“时基”挡，使在屏幕上显示一个完整的、大小适合的波形。可以测得“参考”相位与“信号”相位的变化量Apo
3）数字示波器法
数字示波器具有光标卡尺功能，这样比数屏幕上格子的精度要高得多（将“参考”相位信号接至Y1（CH1）通道输入端“信号”相位信号接至丫2（CH2）通道），分别调节“参考”相位信号和“被测信号”相位信号波形的垂直位置，使两波形的X轴（即t轴）重合（以示波器中心水平轴线为基准），测量信号的周期T和两信号之间水平相差距离At，则相位差
2T
t=(x-x)+1
i九i00
22-5)
调
•或x=调(t—t)+x
i2Ti00
(又A®
i
At
Ax
调
线性关系，可用作图法、逐差法、最小二乘法处理数据计算求出光速测量值。
T
九=-2Ax
调Ati
i
Ax是反射器移动的距离，2Ax是由于光来回反射。ii
的被测调制波信号的相移时间差）
数据记录表格参考：
1、等距离测量
Ati是反射器移动a，用示波器测量
m
口□:
fl
（不动）
I待测波形（动）
CH1
x
0
x
0
x
0
x
1
x
2
x
i
D
i
D
2
23
D
i
3D
（1）示波器测相位
At小
®=x2兀T一
（2）等距测量入
mr~im「1
X=
i
互x2D=—x2DA®iAti
ii
2、等相位测量
实验内容及步骤】
1．预热：电子仪器都有一个温漂问题，光速仪和频率计须预热半小时再进行测量。在这期间可以进行线路连接、光路调整、示波器调整和定标等工作。
2．光路调整：先把棱镜小车移近收发透镜处，用一小纸片挡在接收物镜管前，观察光斑位置是否居中（处于照准位置）。调节棱镜小车上的左右转动及俯仰旋钮，使光斑尽可能居中，再将小车移至最远端，观察光斑位置有无变化，并做相应调整，使小车前