实验十六 光速测定

电科 091 刘鹏亮

前言1. 光速测量的意义 光速是物理学中重要的常数之一。对

光速进行精确的测量，能证实光的电磁本性，而且光速的测量与物理学中许多基本的问题有密切的联系，如天文测量，地球物理测量，以及空间技术的发展等计量工作，对光速的精确测量显得更为重要，它已成为近代物理学中的重点研究对象之一。

2. 光速测量的方法

(1) ． 1676 年丹麦天文学家罗默的卫星蚀法（测得光速为 c=299840±60km/s ）

(2) ． 1728 年，英国天文学家布莱德雷的光行差法（ c=299930km/s ）

(3) ．旋转齿轮法（测得c=299793.1±0.3km/s ）

(4) ．旋转镜法（ 1851 年傅科c=298000±500km/s ； 1926 年迈克耳逊： c=299796km/s ）

(5) ．微波谐振腔法（ 1950 年埃森测得c=299792.5±1km/s ）

(6). 激光测速法 (1790 年美国国家标准局和美国国立物理实验室c=299792.458±0.001km/s)

(7). 光拍频法

【实验目的】 1. 用实验的方法测量光速，并与公认的

光速比较。 2. 练习调节光速测量仪。

【实验原理】 1. 光拍设有两列振幅相同的光波 :

这两列波叠加后：

其中 ， 称为拍频， 是拍的波长。

]2

)(2

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c

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2)(

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图 1 光拍频的波形

2. 相拍两光束的获得 --- 声光调制 弹光效应：超声波在介质中传播时，会引起介质的弹性应力或应变（或介质的密度发生周期性的疏密变化 ),从而引起介质中光折射率的相应变化、影响光在介质中的传播特性，此即弹光效应。这种效应使声光介质形成一位相光栅时，光栅常数为超声的波长 。

声光效应激光通过发生弹光效应的介质后，出射光发生多级衍射，使激光束在传播方向，频率和光强分布等方面都按一定规律发生变化，这种现象称为声光效应。

衍射光频率成份：＋ 2 级： ω0 ， ω0±2ωS ， ω0±4ωS ，…＋ 1 级： ω0 ， ω0±3ωS ， ω0±5ωS ，… 0 级： ω0 ， ω0±2ωS ， ω0±4ωS ，…－ 1 级： ω0±ωS ， ω0±3ωS ，…－ 2 级： ω0 ， ω0±2ωS ， ω0±4ωS ，…

总结：光拍的产生过程。（光拍产生的条件：有两列速度相同，振面和传播方向相同，频差又较小的光叠加）

弹光效应 同时发生 声光效应 然后选取 0 级衍射光（符合光拍产生条件）

实验用光电二极管接收光拍频波，其光敏面上产生的光电流大小正比于光拍频波的强度，所以光电流为 , 式中 g 为光敏器件的光电转换常数。由于光波的频率很高（ f ＞ 1014HZ ），而目前光敏二极管的最短响应时间 τ≈10 － 8 秒（即最高的响应频率△ f＝ 108HZ左右）。所以，目前光波照射光敏检测器所产生的光电流只能是响应时间内的平均值。

3. 光拍的接收

式中 是光拍频的角频率。可见光检测器输出的光电流包含有直流成份和光拍信号成份。如果接收电路把直流成份滤掉，检测器将输出频率为拍频 ，而相位与空间位置有关的光拍信号。

图 4 光拍的空间分布

4. 光速测量公式推导

假设空间两点的光程差为 ，对应的光拍信号的位相差 ，即 ………… （ 1 ）光拍信号的同位相诸点的位相差满足下列关系 ………… （ 2 ）

由（ 1 ）（ 2 ）式可推导出： …………（ 3 ）

当取相邻两同位相点时， ， 恰好是同位相点的光程差，即光拍频波的波长，从而有 （ 4 ）

其中 , 为超声波频率 .

【实验仪器】 光速测量仪，示波器，米尺等

光速测定仪结构图

光速测定仪实物图

【实验步骤】 1. 按图连接好所用仪器。 2. 接通激光器电源开关，调节激光器工作电流

在 5mA左右，略大于激光管启辉电流。 3. 接通稳压电源开关， 细心调节超声波频率， 使激光束通过声光介 质后产生二级以上明 显的衍射光斑。用光 阑选取所需的零级光束。

【实验步骤】 4. 用斩光器挡住远程光，调节近程光路后射入光敏接收器，调节光敏接收器方位，使示波器荧屏上能显示出它的清晰波形。同样方法，用斩光器挡住近程光，调节远程光路后射入光敏接收器，调节光敏接收器方位，使示波器荧屏上能显示出它的清晰波形。

近、远程光光路图

近程光光电信号 远程光光电信号

【实验步骤】 5接通斩光器电源开关，示波器上将显示相

位不同的两列正弦波形。

近程光和远程光的光电信号

【实验步骤】 6.移动滑动平台，改变两光束的光程差，使两

列光拍信号同相（位相差为 2π），此时的光程差即为光拍频波波长。

同相位的近、远程光的光电信号

【实验步骤】 7. 精确测量两光束的光程，求出它们的光程差，

并从频率计测出超声波的频率 F。

【注意事项】 1. 声光频移器引线等不得随意拆卸。 2 切忌用手或其他物体接触光学元件的光学面，

实验结束后盖上防护罩。 3. 切勿带电触摸激光管电极。 4.提高实验精度，防止假相移的产生。

我的实验结果 F=14.8MHZ 光程差 =1065.4-22.9=1042.5cm c=2F =308580km/sʱ

感想 做实验需要自己勤动手，勤动脑。物理，就是

要看到物，思考物存在的理。然后根据自己猜想的理论付诸实践，用实验的方法证明这些理论。实验中多思考，多试探，自己克服解决实验中可能遇到的困难。这样一来我们的知识将更加广阔，解决问题的能力更强。