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光速是如何测定的?有什么科学依据?

时间:2019-03-12 07:31:42 浏览量:
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光速是指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度。众所周知在真空中光的传播是的30万千米/秒。那么这么快的速度是怎么测量出来的呢?

光速的测定,经历了多个阶段,光速的测定值也越来越精确,以下做分别说明。

伽利略举灯间隔法

伽利略举灯间隔法光速是如何测定的?有什么科学依据?

伽利略的方法是,让两个人分别站在相距1.6km的两座山上,每个人拿一个遮蔽着的灯。第一个人先举起灯,同时记下时间。当第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯,也记下时间。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1.6km里的时间。为了减小误差,伽利略反反复复举灯,但当时的他不知道光的传播速度实在是太快了,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。

卫星蚀法

卫星蚀法光速是如何测定的?有什么科学依据?

1676年丹麦天文学家罗默通过卫星蚀法测量了光速。

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。

菲索旋转齿轮法

菲索旋转齿轮法光速是如何测定的?有什么科学依据?

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。

空腔共振法

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。

激光测速法

1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速,这个方法的原理是同时测定激光的波长和频率来确定光速(c=vλ),由于激光的频率和波长的测量精确度已大大提高,比以前已有最精密的实验方法提高精度约100倍。

除了以上介绍的几种测量光速的方法外,还有许多十分精确的测定光速的方法。

根据1975年第十五届国际计量大会的决议,现代真空中光速的准确值是:c=299792.458km/s。

以上是我对问题“光速是如何测定的?有什么科学依据?”的回答,欢迎大家在评论中与我交流讨论。

编辑:时雨
关键词: 光速
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