光速測量方法

1. 如何測量光速

方法很多。思路就兩種，由於光速極大，因此，測量光速要麼得在極長的距離上測量，要麼得在極短的時間內測量。
比較常用的方法是1849年德國物理學家菲索提出的「齒輪法」測光速。用的是第二種思路，在極短時間內測量。您可自行網路搜索。

2. 光速的測量方法是什麼

光速是物理學中最重要的基本常數之一，也是所有各種頻率的電磁波在真空中的傳播速度．狹義相對論認為：任何信號和物體的速度都不能超過真空中的光速．在折射率為n的介質中，光的傳播速度為：v=c/n．在光學和物理學的發展歷史上，光速的測定，一直是許多科學家為之探索的課題．許多光速測量方法那巧妙的構思、高超的實驗設計一直在啟迪著後人的物理學研究．歷史上光速測量方法可以分為天文學測量方法、大地測量方法和實驗室測量方法等
一、光速測定的天文學方法

1．羅默的衛星蝕法

光速的測量，首先在天文學上獲得成功，這是因為宇宙廣闊的空間提供了測量光速所需要的足夠大的距離．早在1676年丹麥天文學家羅默（1644—1710）首先測量了光速．由於任何周期性的變化過程都可當作時鍾，他成功地找到了離觀察者非常遙遠而相當准確的「時鍾」，羅默在觀察時所用的是木星每隔一定周期所出現的一次衛星蝕．他在觀察時注意到：連續兩次衛星蝕相隔的時間，當地球背離木星運動時，要比地球迎向木星運動時要長一些，他用光的傳播速度是有限的來解釋這個現象．光從木星發出（實際上是木星的衛星發出），當地球離開木星運動時，光必須追上地球，因而從地面上觀察木星的兩次衛星蝕相隔的時間，要比實際相隔的時間長一些；當地球迎向木星運動時，這個時間就短一些．因為衛星繞木星的周期不大（約為1.75天），所以上述時間差數，在最合適的時間（上圖中地球運行到軌道上的A和A』兩點時）不致超過15秒（地球的公轉軌道速度約為30千米/秒）．因此，為了取得可靠的結果，當時的觀察曾在整年中連續地進行．羅默通過觀察從衛星蝕的時間變化和地球軌道直徑求出了光速．由於當時只知道地球軌道半徑的近似值，故求出的光速只有214300km/s．這個光速值盡管離光速的准確值相差甚遠，但它卻是測定光速歷史上的第一個記錄．後來人們用照相方法測量木星衛星蝕的時間，並在地球軌道半徑測量准確度提高後，用羅默法求得的光速為299840±60km/s．

2．布萊德雷的光行差法

1728年，英國天文學家布萊德雷（1693—1762）採用恆星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量．布萊德雷在地球上觀察恆星時，發現恆星的視位置在不斷地變化，在一年之內，所有恆星似乎都在天頂上繞著半長軸相等的橢圓運行了一周．他認為這種現象的產生是由於恆星發出的光傳到地面時需要一定的時間，而在此時間內，地球已因公轉而發生了位置的變化．他由此測得光速為：

C=299930千米/秒

這一數值與實際值比較接近．

以上僅是利用天文學的現象和觀察數值對光速的測定，而在實驗室內限於當時的條件，測定光速尚不能實現．

二、光速測定的大地測量方法

光速的測定包含著對光所通過的距離和所需時間的量度，由於光速很大，所以必須測量一個很長的距離和一個很短的時間，大地測量法就是圍繞著如何准確測定距離和時間而設計的各種方法．

1．伽利略測定光速的方法

物理學發展史上，最早提出測量光速的是義大利物理學家伽利略．1607年在他的實驗中，讓相距甚遠的兩個觀察者，各執一盞能遮閉的燈，如圖所示：觀察者A打開燈光，經過一定時間後，光到達觀察者B，B立即打開自己的燈光，過了某一時間後，此信號回到A，於是A可以記下從他自己開燈的一瞬間，到信號從B返回到A的一瞬間所經過的時間間隔t．若兩觀察者的距離為S，則光的速度為

c=2s/t

因為光速很大，加之觀察者還要有一定的反應時間，所以伽利略的嘗試沒有成功．如果用反射鏡來代替B，那麼情況有所改善，這樣就可以避免觀察者所引入的誤差．這種測量原理長遠地保留在後來的一切測定光速的實驗方法之中．甚至在現代測定光速的實驗中仍然採用．但在信號接收上和時間測量上，要採用可靠的方法．使用這些方法甚至能在不太長的距離上測定光速，並達到足夠高的精確度．

2．旋轉齒輪法

用實驗方法測定光速首先是在1849年由斐索實驗．他用定期遮斷光線的方法（旋轉齒輪法）進行自動記錄．實驗示意圖如下．從光源s發出的光經會聚透鏡L1射到半鍍銀的鏡面A，由此反射後在齒輪W的齒a和a』之間的空隙內會聚，再經透鏡L2和L3而達到反射鏡M，然後再反射回來．又通過半鍍鏡A由L4集聚後射入觀察者的眼睛E．如使齒輪轉動，那麼在光達到M鏡後再反射回來時所經過的時間△t內，齒輪將轉過一個角度．如果這時a與a』之間的空隙為齒a（或a』）所佔據，則反射回來的光將被遮斷，因而觀察者將看不到光．但如齒輪轉到這樣一個角度，使由M鏡反射回來的光從另一齒間空隙通過，那麼觀察者會重新看到光，當齒輪轉動得更快，反射光又被另一個齒遮斷時，光又消失．這樣，當齒輪轉速由零而逐漸加快時，在E處將看到閃光．由齒輪轉速v、齒數n與齒輪和M的間距L可推得光速c=4nvL．

在斐索所做的實驗中，當具有720齒的齒輪，一秒鍾內轉動12.67次時，光將首次被擋住而消失，空隙與輪齒交替所需時間為

在這一時間內，光所經過的光程為2×8633米，所以光速c=2×8633×18244=3.15×108（m/s）．

在對信號的發出和返回接收時刻能作自動記錄的遮斷法除旋轉齒輪法外，在現代還採用克爾盒法．1941年安德孫用克爾盒法測得：c=299776±6km/s，1951年貝格斯格蘭又用克爾盒法測得c=299793.1±0.3km/s．

3．旋轉鏡法

旋轉鏡法的主要特點是能對信號的傳播時間作精確測量．1851年傅科成功地運用此法測定了光速．旋轉鏡法的原理早在1834年1838年就已為惠更斯和阿拉果提出過，它主要用一個高速均勻轉動的鏡面來代替齒輪裝置．由於光源較強，而且聚焦得較好．因此能極其精密地測量很短的時間間隔．實驗裝置如圖所示．從光源s所發出的光通過半鍍銀的鏡面M1後，經過透鏡L射在繞O軸旋轉的平面反射鏡M2上O軸與圖面垂直．光從M2反射而會聚到凹面反射鏡M3上，M3的曲率中心恰在O軸上，所以光線由M3對稱地反射，並在s′點產生光源的像．當M2的轉速足夠快時，像S′的位置將改變到s〃，相對於可視M2為不轉時的位置移動了△s的距離可以推導出光速值：

式中w為M2轉動的角速度．l0為M2到M3的間距，l為透鏡L到光源S的間距，△s為s的像移動的距離．因此直接測量w、l、l0、△s，便可求得光速．

在傅科的實驗中：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，傅科還利用這個實驗的基本原理，首次測出了光在介質（水）中的速度v＜c，這是對波動說的有力證據．

3．旋轉棱鏡法

邁克耳遜把齒輪法和旋轉鏡法結合起來，創造了旋轉棱鏡法裝置．因為齒輪法之所以不夠准確，是由於不僅當齒的中央將光遮斷時變暗，而且當齒的邊緣遮斷光時也是如此．因此不能精確地測定象消失的瞬時．旋轉鏡法也不夠精確，因為在該法中象的位移△s太小，只有0.7毫米，不易測准．邁克耳遜的旋轉鏡法克服了這些缺點．他用一個正八面鋼質棱鏡代替了旋轉鏡法中的旋轉平面鏡，從而光路大大的增長，並利用精確地測定棱鏡的轉動速度代替測齒輪法中的齒輪轉速測出光走完整個路程所需的時間，從而減少了測量誤差．從1879年至1926年，邁克耳遜曾前後從事光速的測量工作近五十年，在這方面付出了極大的勞動．1926年他的最後一個光速測定值為

c=299796km/s

這是當時最精確的測定值，很快成為當時光速的公認值．

三、光速測定的實驗室方法

光速測定的天文學方法和大地測量方法，都是採用測定光信號的傳播距離和傳播時間來確定光速的．這就要求要盡可能地增加光程，改進時間測量的准確性．這在實驗室里一般是受時空限制的，而只能在大地野外進行，如斐索的旋輪齒輪法當時是在巴黎的蘇冷與達蒙瑪特勒相距8633米的兩地進行的．傅科的旋轉鏡法當時也是在野外，邁克耳遜當時是在相距35373．21米的兩個山峰上完成的．現代科學技術的發展，使人們可以使用更小更精確地實驗儀器在實驗室中進行光速的測量．

1．微波諧振腔法

1950年埃森最先採用測定微波波長和頻率的方法來確定光速．在他的實驗中，將微波輸入到圓柱形的諧振腔中，當微波波長和諧振腔的幾何尺寸匹配時，諧振腔的圓周長πD和波長之比有如下的關系：πD=2.404825λ，因此可以通過諧振腔直徑的測定來確定波長，而直徑則用干涉法測量；頻率用逐級差頻法測定．測量精度達10-7．在埃森的實驗中，所用微波的波長為10厘米，所得光速的結果為299792.5±1km/s．

2．激光測速法

1790年美國國家標准局和美國國立物理實驗室最先運用激光測定光速．這個方法的原理是同時測定激光的波長和頻率來確定光速（c=νλ）．由於激光的頻率和波長的測量精確度已大大提高，所以用激光測速法的測量精度可達10-9，比以前已有最精密的實驗方法提高精度約100倍．

四、光速測量方法一覽表

除了以上介紹的幾種測量光速的方法外，還有許多十分精確的測定光速的方法．現將不同方法測定的光速值列為「光速測量一覽表」供參考．

根據1975年第十五屆國際計量大會的決議，現代真空中光速的最可靠值是：

c=299792.458±0.001km/s

3. 光速是怎樣測出來的

1、天文學方法1676年，丹麥天文學家O.C.羅默利用木星衛星的星蝕時間變化證實光是以有限速度傳播的。

2、布萊德雷的光行差法

1728年，英國天文學家布萊德雷（1693—1762）採用恆星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量，布萊德雷在地球上觀察恆星時，發現恆星的視位置在不斷地變化，在一年之內，所有恆星似乎都在天頂上繞著半長軸相等的橢圓運行了一周。

他認為這種現象的產生是由於恆星發出的光傳到地面時需要一定的時間，而在此時間內，地球已因公轉而發生了位置的變化，他由此測得光速為：C=299930千米/秒。

3、地面測量方法

光速的測定包含著對光所通過的距離和所需時間的量度，由於光速很大，所以必須測量一個很長的距離和一個很短的時間，大地測量法就是圍繞著如何准確測定距離和時間而設計的各種方法。

4、旋轉齒輪法

用實驗方法測定光速首先是在1849年由斐索實驗，他用定期遮斷光線的方法（旋轉齒輪法）進行自動記錄。

5、旋轉鏡法

旋轉鏡法的主要特點是能對信號的傳播時間作精確測量，1851年傅科成功地運用此法測定了光速，旋轉鏡法的原理早在1834年1838年就已為惠更斯和阿拉果提出過。

它主要用一個高速均勻轉動的鏡面來代替齒輪裝置，由於光源較強，而且聚焦得較好，因此能極其精密地測量很短的時間間隔。

4. 怎樣測光速

看你要在哪種介質里測了，光在水中的速度：2.25×10^8m/s光在玻璃中的速度：2.0×10^8m/s光在冰中的速度：2.30×10^8m/s光在空氣中的速度：3.0×10^8m/s光在酒精中的速度：2.2×10^8m/s光速測定的實驗室方法（高中課本有）光速測定的天文學方法和大地測量方法，都是採用測定光信號的傳播距離和傳播時間來確定光速的．這就要求要盡可能地增加光程，改進時間測量的准確性．這在實驗室里一般是受時空限制的，而只能在大地野外進行，如斐索的旋輪齒輪法當時是在巴黎的蘇冷與達蒙瑪特勒相距8633米的兩地進行的．傅科的旋轉鏡法當時也是在野外，邁克耳遜當時是在相距35373．21米的兩個山峰上完成的．現代科學技術的發展，使人們可以使用更小更精確地實驗儀器在實驗室中進行光速的測量．1．微波諧振腔法1950年埃森最先採用測定微波波長和頻率的方法來確定光速．在他的實驗中，將微波輸入到圓柱形的諧振腔中，當微波波長和諧振腔的幾何尺寸匹配時，諧振腔的圓周長πD和波長之比有如下的關系：πD=2.404825λ，因此可以通過諧振腔直徑的測定來確定波長，而直徑則用干涉法測量；頻率用逐級差頻法測定．測量精度達10-7．在埃森的實驗中，所用微波的波長為10厘米，所得光速的結果為299792.5±1km/s．2．激光測速法（大學課本）1970年美國國家標准局和美國國立物理實驗室最先運用激光測定光速．這個方法的原理是同時測定激光的波長和頻率來確定光速（c=νλ）．由於激光的頻率和波長的測量精確度已大大提高，所以用激光測速法的測量精度可達10-9，比以前已有最精密的實驗方法提高精度約100倍．除了以上介紹的幾種測量光速的方法外，還有許多十分精確的測定光速的方法．根據1975年第十五屆國際計量大會的決議，現代真空中光速的最可靠值是：c=299792.458±0.001km/s接近光速時的速度合成接近光速情況下，笛卡爾坐標系不再適用。同樣測量光線離開自己的速度，一個快速追光的人與一個靜止的人會測得相同的速度（光速）。這與日常生活中對速度的概念有異。兩車以50km/h的速度迎面飛馳，司機會感覺對方的車以50 + 50 = 100km/h行駛，即與自己靜止而對方以100km/h迎面駛來的情況無異。但當速度接近光速時，實驗證明簡單加法計算速度不再奏效。當兩飛船以90%光速的速度（對第三者來說）迎面飛行時，船上的人不會感覺對方的飛船以90%c+90%c=180%c光速速度迎面飛來，而只是以稍低於99.5%的光速速度行駛。結果可從愛因斯坦計算速度的算式得出：v和w是對第三者來說飛船的速度，u是感受的速度，c是光速。你上網路里理看，都有，這是網址 http://ke..com/view/18638.htm?fr=ala0_1_1

5. 光速怎麼測量

1．羅默的衛星蝕法

光速的測量，首先在天文學上獲得成功，這是因為宇宙廣闊的空間提供了測量光速所需要的足夠大的距離．早在1676年丹麥天文學家羅默（1644— 1710）首先測量了光速．由於任何周期性的變化過程都可當作時鍾，他成功地找到了離觀察者非常遙遠而相當准確的「時鍾」，羅默在觀察時所用的是木星每隔一定周期所出現的一次衛星蝕．他在觀察時注意到：連續兩次衛星蝕相隔的時間，當地球背離木星運動時，要比地球迎向木星運動時要長一些，他用光的傳播速度是有限的來解釋這個現象．光從木星發出（實際上是木星的衛星發出），當地球離開木星運動時，光必須追上地球，因而從地面上觀察木星的兩次衛星蝕相隔的時間，要比實際相隔的時間長一些；當地球迎向木星運動時，這個時間就短一些．因為衛星繞木星的周期不大（約為1.75天），所以上述時間差數，在最合適的時間（上圖中地球運行到軌道上的A和A』兩點時）不致超過15秒（地球的公轉軌道速度約為30千米/秒）．因此，為了取得可靠的結果，當時的觀察曾在整年中連續地進行．羅默通過觀察從衛星蝕的時間變化和地球軌道直徑求出了光速．由於當時只知道地球軌道半徑的近似值，故求出的光速只有214300km/s．這個光速值盡管離光速的准確值相差甚遠，但它卻是測定光速歷史上的第一個記錄．後來人們用照相方法測量木星衛星蝕的時間，並在地球軌道半徑測量准確度提高後，用羅默法求得的光速為299840±60km/s．

2．布萊德雷的光行差法

1728年，英國天文學家布萊德雷（1693—1762）採用恆星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量．布萊德雷在地球上觀察恆星時，發現恆星的視位置在不斷地變化，在一年之內，所有恆星似乎都在天頂上繞著半長軸相等的橢圓運行了一周．他認為這種現象的產生是由於恆星發出的光傳到地面時需要一定的時間，而在此時間內，地球已因公轉而發生了位置的變化．他由此測得光速為：

C=299930千米/秒

這一數值與實際值比較接近．

以上僅是利用天文學的現象和觀察數值對光速的測定，而在實驗室內限於當時的條件，測定光速尚不能實現．

二、光速測定的大地測量方法

光速的測定包含著對光所通過的距離和所需時間的量度，由於光速很大，所以必須測量一個很長的距離和一個很短的時間，大地測量法就是圍繞著如何准確測定距離和時間而設計的各種方法．

1．伽利略測定光速的方法

物理學發展史上，最早提出測量光速的是義大利物理學家伽利略．1607年在他的實驗中，讓相距甚遠的兩個觀察者，各執一盞能遮閉的燈，如圖所示：觀察者A打開燈光，經過一定時間後，光到達觀察者B，B立即打開自己的燈光，過了某一時間後，此信號回到A，於是A可以記下從他自己開燈的一瞬間，到信號從B返回到A的一瞬間所經過的時間間隔t．若兩觀察者的距離為S，則光的速度為

c=2s/t

因為光速很大，加之觀察者還要有一定的反應時間，所以伽利略的嘗試沒有成功．如果用反射鏡來代替B，那麼情況有所改善，這樣就可以避免觀察者所引入的誤差．這種測量原理長遠地保留在後來的一切測定光速的實驗方法之中．甚至在現代測定光速的實驗中仍然採用．但在信號接收上和時間測量上，要採用可靠的方法．使用這些方法甚至能在不太長的距離上測定光速，並達到足夠高的精確度．

2．旋轉齒輪法

用實驗方法測定光速首先是在1849年由斐索實驗．他用定期遮斷光線的方法（旋轉齒輪法）進行自動記錄．實驗示意圖如下．從光源s發出的光經會聚透鏡L1射到半鍍銀的鏡面A，由此反射後在齒輪W的齒a和a』之間的空隙內會聚，再經透鏡L2和L3而達到反射鏡M，然後再反射回來．又通過半鍍鏡A由 L4集聚後射入觀察者的眼睛E．如使齒輪轉動，那麼在光達到M鏡後再反射回來時所經過的時間△t內，齒輪將轉過一個角度．如果這時a與a』之間的空隙為齒 a（或a』）所佔據，則反射回來的光將被遮斷，因而觀察者將看不到光．但如齒輪轉到這樣一個角度，使由M鏡反射回來的光從另一齒間空隙通過，那麼觀察者會重新看到光，當齒輪轉動得更快，反射光又被另一個齒遮斷時，光又消失．這樣，當齒輪轉速由零而逐漸加快時，在E處將看到閃光．由齒輪轉速v、齒數n與齒輪和M的間距L可推得光速c=4nvL．

在斐索所做的實驗中，當具有720齒的齒輪，一秒鍾內轉動12.67次時，光將首次被擋住而消失，空隙與輪齒交替所需時間為

在這一時間內，光所經過的光程為2×8633米，所以光速c=2×8633×18244=3.15×108（m/s）．

在對信號的發出和返回接收時刻能作自動記錄的遮斷法除旋轉齒輪法外，在現代還採用克爾盒法．1941年安德孫用克爾盒法測得：c=299776±6km/s，1951年貝格斯格蘭又用克爾盒法測得c=299793.1±0.3km/s．

3．旋轉鏡法

旋轉鏡法的主要特點是能對信號的傳播時間作精確測量．1851年傅科成功地運用此法測定了光速．旋轉鏡法的原理早在1834年1838年就已為惠更斯和阿拉果提出過，它主要用一個高速均勻轉動的鏡面來代替齒輪裝置．由於光源較強，而且聚焦得較好．因此能極其精密地測量很短的時間間隔．實驗裝置如圖所示．從光源s所發出的光通過半鍍銀的鏡面M1後，經過透鏡L射在繞O軸旋轉的平面反射鏡M2上O軸與圖面垂直．光從M2反射而會聚到凹面反射鏡M3上， M3的曲率中心恰在O軸上，所以光線由M3對稱地反射，並在s′點產生光源的像．當M2的轉速足夠快時，像S′的位置將改變到s〃，相對於可視M2為不轉時的位置移動了△s的距離可以推導出光速值：

式中w為M2轉動的角速度．l0為M2到M3的間距，l為透鏡L到光源S的間距，△s為s的像移動的距離．因此直接測量w、l、l0、△s，便可求得光速．

在傅科的實驗中：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，傅科還利用這個實驗的基本原理，首次測出了光在介質（水）中的速度v＜c，這是對波動說的有力證據．

3．旋轉棱鏡法

邁克耳遜把齒輪法和旋轉鏡法結合起來，創造了旋轉棱鏡法裝置．因為齒輪法之所以不夠准確，是由於不僅當齒的中央將光遮斷時變暗，而且當齒的邊緣遮斷光時也是如此．因此不能精確地測定象消失的瞬時．旋轉鏡法也不夠精確，因為在該法中象的位移△s太小，只有0.7毫米，不易測准．邁克耳遜的旋轉鏡法克服了這些缺點．他用一個正八面鋼質棱鏡代替了旋轉鏡法中的旋轉平面鏡，從而光路大大的增長，並利用精確地測定棱鏡的轉動速度代替測齒輪法中的齒輪轉速測出光走完整個路

6. 測量光速的方法

光拍頻法測量光速
光波是電磁波，光速是最重要的物理常數之一。光速的准確測量有重要的物理意義，也有重要的實用價值。基本物理量長度的單位就是通過光速定義的。
測量光速的方法很多，有經典的有現代的。我們需要的是物理概念清楚、成本不高而且學生能夠在實驗桌上直觀、方便地完成測量的那種方法。
我們知道，光速c=s/Δt，s是光傳播的距離，Δt是光傳播s所需的時間。例如c=fλ中，λ相當上式的s，可以方便地測得，但光頻f大約1014Hz，我們沒有那樣的頻率計，同樣傳播λ距離所需的時間Δt=1/f也沒有比較方便的測量方法。如果使f變得很低，例如30MHz，那麼波長約為10m。這種測量對我們來說是十分方便的。這種使光頻「變低」的方法就是所謂「光拍頻法」。本實驗利用激光束通過聲光移頻器,獲得具有較小頻差的兩束光,它們迭加則得到光拍;利用半透鏡將這束光拍分成兩路，測量這兩路光拍到達同一空間位置的光程差（當相位差為2π時光程差等於光拍的波長）和光拍的頻率從而測得光速。
一、實驗目的
1． 掌握光拍頻法測量光速的原理和實驗方法,並對聲光效應有一初步了解。
2． 通過測量光拍的波長和頻率來確定光速。
二、原理
1.光拍的形成及其特徵
根據振動疊加原理，頻差較小，速度相同的兩列同向傳播的簡諧波疊加即形成拍。若有振幅相同為E0、圓頻率分別為 和 （頻差 較小）的二光束：

式中 ， 為波數， 和 為初位相。若這兩列光波的偏振方向相同，則疊加後的總場為：

圖1 拍頻波場在某一時刻t的空間分布

上式是沿x軸方向的前進波，其圓頻率為 ，振幅為 ，因為振幅以頻率為 周期性地變化，所以E被稱為拍頻波， 稱為拍頻， 為拍頻波的波長。
2.光拍信號的檢測
用光電檢測器（如光電倍增管等）接收光拍頻波，可把光拍信號變為電信號。因為光檢測器光敏面上光照反應所產生的光電流與光強（即電場強度的平方）成正比，即

g為接收器的光電轉換常數。
光波的頻率： Hz；光電接收管的光敏面響應頻率一般≤109Hz 。因此檢測器所產生的光電流都只能是在響應時間 （ ） 內的平均值。

結果中高頻項為零，只留下常數項和緩變項，緩變項即是光拍頻波信號， 是與拍頻 相應的角頻率， 為初位相。
可見光檢測器輸出的光電流包含有直流和光拍信號兩種成分。濾去直流成分 ，檢測器輸出頻率為拍頻 、初相位 、相位與空間位置有關的光拍信號（見圖1）。
3.光拍的獲得
為產生光拍頻波, 要求相疊加的兩光波具有一定的頻差。這可通過聲波與光波相互作用發生聲光效應來實現。介質中的超聲波能使介質內部產生應變引起介質折射率的周期性變化,就使介質成為一個位相光柵。當入射光通過該介質時發生衍射,其衍射光的頻率與聲頻有關。這就是所謂的聲光效應。本實驗是用超聲波在聲光介質與He—Ne激光束產生聲光效應來實現的。
如圖2(b)所示,在聲光介質與聲源相對的端面敷以聲反射材料,以增強聲反射。沿超聲傳播方向, 當介質的厚度恰為超聲半波長的整數倍時,前進波與反射波在介質中形成駐波超聲場, 這樣的介質也是一個超聲位相光柵,激光束通過時也要發生衍射,且衍射效率比行波法要高。第L級衍射光的圓頻率為 .若超聲波功率信號源的頻率為F=W /2p,則第L級衍射光的頻率為 .式中L,m=0,士1,±2,...,可見,除不同衍射級的光波產生頻移外,在同一級衍射光內也有不同頻率的光波。因此,用同一級衍射光就可獲得不同的拍頻波。例如,選取第1級（或零級）,由m=0和m=-1的兩種頻率成分疊加, 可得到拍頻為2F的拍頻波。
本實驗即採用駐波法。駐波法衍射效率高，並且不需要特殊的光路使兩級衍射光沿同向傳播，在同一級衍射光中即可獲得拍頻波。

圖2 相拍二光波獲得示意圖
4.光速c的測量
實驗通過實驗裝置獲得兩束光拍信號，在示波器上對兩光拍信號的相位進行比較，測出兩光拍信號的光程差及相應光拍信號的頻率，從而間接測出光速值。
假設兩束光的光程差為L，對應的光拍信號的相位差為 ，
當二光拍信號的相位差為2π時，即光程差為光拍波的波長 時，示波器熒光屏上的二光束的波形就會完全重合。由公式 便可測得光速值c。式中L為光程差，F為功率信號發生器的振盪頻率。

三 儀器與裝置
本實驗所用儀器有CG-Ⅳ型光速測定儀、示波器和數字頻率計各一台。
1、光拍法測光速的電路原理：電路原理圖如圖3所示。
1）發射部分
長250mm的氦氖激光管輸出激光的波長為632.8nm，功率大於1mw的激光束射入聲光移頻器中，同時高頻信號源輸出的頻率為15MHZ左右、功率1w左右的正弦信號加在頻移器的晶體換能器上，在聲光介質中產生聲駐波，使介質產生相應的疏密變化，形成一位相光柵，則出射光具有兩種以上的光頻，其產生的光拍信號為高頻信號的倍頻。

圖3 光拍法測光速的電原理圖
2）光電接收和信號處理部分
由光路系統出射的拍頻光，經光電二極體接收並轉化為頻率為光拍頻的電信號，輸入至混頻電路盒。該信號與本機振盪信號混頻，選頻放大，輸出到示波器的Y輸入端。與此同時，高頻信號源的另一路輸出信號與經過二分頻後的本振信號混頻。選頻放大後作為示波器的外觸發信號。需要指出的是，如果使用示波器內觸發，將不能正確顯示二路光波之間的位相差。
3）電源
激光電源採用倍壓整流電路，工作電壓部分採用大電解電容，使之有一定的電流輸出，觸發電壓採用小容量電容，利用其時間常數小的性質，使該部分電路在有工作負載的情況下形同短路，結構簡潔有效。
±12V電源採用三端固定集成穩壓器件，負載大於300mA，供給光電接受器和信號處理部分以及功率信號源。±12V降壓調節處理後供給斬光器之小電機。
2、光拍法測光速的光路
圖4為光速測量儀的結構和光路圖。

圖4 CG-Ⅳ型光速測定儀的結構和光路圖
實驗中，用斬光器依次切斷遠程光路和近程光路，則在示波器屏上依次交替顯示兩光路的拍頻信號正弦波形。但由於視覺暫留，我們『同時』看到它們的信號。調節兩路光的光程差，當光程差恰好等於一個拍頻波長 時，兩正弦波的位相差恰為2π，波形第一次完全重合，從而 。
由光路測得L, 用數字頻率計測得高頻信號源的輸出頻率F, 根據上式可得出空氣中的光速c。
因為實驗中的拍頻波長約為3m,為了使裝置緊湊,遠程光路採用折疊式,如圖4所示。圖中實驗中用圓孔光闌取出第0級衍射光產生拍頻波, 將其他級衍射光濾掉。
四 實驗內容與步驟
1. 調節光速測定儀底腳螺絲，使儀器處於水平狀態。
2. 正確連接線路，使示波器處於外觸發工作狀態,接通激光電源, 調節電流至5mA，接通15V直流穩壓電源, 預熱15分鍾後,使它們處於穩定工作狀態。
3. 使激光束水平通過通光孔與聲光介質中的駐聲場充分互相作用（已調好不用再調），調節高頻信號源的輸出頻率（50MHZ左右），使產生二級以上最強衍射光斑。
4. 光欄高度與光路反射鏡中心等高，使0級衍射光通過光欄入射到相鄰反射鏡的中心（如已調好不用再調）。
5.用斬光器擋住遠程光，調節全反射鏡和半反鏡，使近程光沿光電二極體前透鏡的光軸入射到光電二極體的光敏面上，打開光電接收器盒上的窗口可觀察激光是否進入光敏面，這時，示波器上應有與近程光束相應的經分頻的光拍波形出現。
6. 用斬光器擋住近程光，調節半反鏡、全反鏡和正交反射鏡組，經半反射鏡與近程光同路入射到光電二極體的光敏面上，這時，示波器屏上應有與遠程光光束相應的經分頻的光拍波形出現，5、6兩步應反復調節，直到達到要求為止。
7.在光電接收盒上有兩個旋扭，調節這兩個旋扭可以改變光電二極體的方位，使示波器屏上顯示的兩個波形振幅最大且相等，如果他們的振幅不等，再調節光電二極體前的透鏡，改變入射到光敏面上的光強大小，使近程光束和遠程光束的幅值相等。
8.緩慢移動導軌上裝有正交反射鏡的滑塊10，改變遠程光束的光程，使示波器中兩束光的正旋波形完全重合（位相差為2π）此時，兩路光的光程差等於拍頻波長 。
9.測出拍頻波長 ，並從數字頻率計讀出高頻信號發生器的輸出頻率F，代入公式求得光速c。反復進行多次測量，並記錄測量數據，求出平均值及標准偏差。

五、注意事項
1． 聲光頻移器引線及冷卻銅塊不得拆卸。
2． 切勿用手或其它污物接觸光學表面。
3． 切勿帶電觸摸激光管電極等高壓部位。

7. 光速的測量

光速是物理學中最重要的基本常數之一，也是所有各種頻率的電磁波在真空中的傳播速度．狹義相對論認為：任何信號和物體的速度都不能超過真空中的光速．在折射率為n的介質中，光的傳播速度為：v=c/n．在光學和物理學的發展歷史上，光速的測定，一直是許多科學家為之探索的課題．許多光速測量方法那巧妙的構思、高超的實驗設計一直在啟迪著後人的物理學研究．歷史上光速測量方法可以分為天文學測量方法、大地測量方法和實驗室測量方法等
一、光速測定的天文學方法

1．羅默的衛星蝕法

光速的測量，首先在天文學上獲得成功，這是因為宇宙廣闊的空間提供了測量光速所需要的足夠大的距離．早在1676年丹麥天文學家羅默（1644—1710）首先測量了光速．由於任何周期性的變化過程都可當作時鍾，他成功地找到了離觀察者非常遙遠而相當准確的「時鍾」，羅默在觀察時所用的是木星每隔一定周期所出現的一次衛星蝕．他在觀察時注意到：連續兩次衛星蝕相隔的時間，當地球背離木星運動時，要比地球迎向木星運動時要長一些，他用光的傳播速度是有限的來解釋這個現象．光從木星發出（實際上是木星的衛星發出），當地球離開木星運動時，光必須追上地球，因而從地面上觀察木星的兩次衛星蝕相隔的時間，要比實際相隔的時間長一些；當地球迎向木星運動時，這個時間就短一些．因為衛星繞木星的周期不大（約為1.75天），所以上述時間差數，在最合適的時間（上圖中地球運行到軌道上的A和A』兩點時）不致超過15秒（地球的公轉軌道速度約為30千米/秒）．因此，為了取得可靠的結果，當時的觀察曾在整年中連續地進行．羅默通過觀察從衛星蝕的時間變化和地球軌道直徑求出了光速．由於當時只知道地球軌道半徑的近似值，故求出的光速只有214300km/s．這個光速值盡管離光速的准確值相差甚遠，但它卻是測定光速歷史上的第一個記錄．後來人們用照相方法測量木星衛星蝕的時間，並在地球軌道半徑測量准確度提高後，用羅默法求得的光速為299840±60km/s．

2．布萊德雷的光行差法

1728年，英國天文學家布萊德雷（1693—1762）採用恆星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量．布萊德雷在地球上觀察恆星時，發現恆星的視位置在不斷地變化，在一年之內，所有恆星似乎都在天頂上繞著半長軸相等的橢圓運行了一周．他認為這種現象的產生是由於恆星發出的光傳到地面時需要一定的時間，而在此時間內，地球已因公轉而發生了位置的變化．他由此測得光速為：

C=299930千米/秒

這一數值與實際值比較接近．

以上僅是利用天文學的現象和觀察數值對光速的測定，而在實驗室內限於當時的條件，測定光速尚不能實現．

二、光速測定的大地測量方法

光速的測定包含著對光所通過的距離和所需時間的量度，由於光速很大，所以必須測量一個很長的距離和一個很短的時間，大地測量法就是圍繞著如何准確測定距離和時間而設計的各種方法．

1．伽利略測定光速的方法

物理學發展史上，最早提出測量光速的是義大利物理學家伽利略．1607年在他的實驗中，讓相距甚遠的兩個觀察者，各執一盞能遮閉的燈，如圖所示：觀察者A打開燈光，經過一定時間後，光到達觀察者B，B立即打開自己的燈光，過了某一時間後，此信號回到A，於是A可以記下從他自己開燈的一瞬間，到信號從B返回到A的一瞬間所經過的時間間隔t．若兩觀察者的距離為S，則光的速度為

c=2s/t

因為光速很大，加之觀察者還要有一定的反應時間，所以伽利略的嘗試沒有成功．如果用反射鏡來代替B，那麼情況有所改善，這樣就可以避免觀察者所引入的誤差．這種測量原理長遠地保留在後來的一切測定光速的實驗方法之中．甚至在現代測定光速的實驗中仍然採用．但在信號接收上和時間測量上，要採用可靠的方法．使用這些方法甚至能在不太長的距離上測定光速，並達到足夠高的精確度．

2．旋轉齒輪法

用實驗方法測定光速首先是在1849年由斐索實驗．他用定期遮斷光線的方法（旋轉齒輪法）進行自動記錄．實驗示意圖如下．從光源s發出的光經會聚透鏡L1射到半鍍銀的鏡面A，由此反射後在齒輪W的齒a和a』之間的空隙內會聚，再經透鏡L2和L3而達到反射鏡M，然後再反射回來．又通過半鍍鏡A由L4集聚後射入觀察者的眼睛E．如使齒輪轉動，那麼在光達到M鏡後再反射回來時所經過的時間△t內，齒輪將轉過一個角度．如果這時a與a』之間的空隙為齒a（或a』）所佔據，則反射回來的光將被遮斷，因而觀察者將看不到光．但如齒輪轉到這樣一個角度，使由M鏡反射回來的光從另一齒間空隙通過，那麼觀察者會重新看到光，當齒輪轉動得更快，反射光又被另一個齒遮斷時，光又消失．這樣，當齒輪轉速由零而逐漸加快時，在E處將看到閃光．由齒輪轉速v、齒數n與齒輪和M的間距L可推得光速c=4nvL．

在斐索所做的實驗中，當具有720齒的齒輪，一秒鍾內轉動12.67次時，光將首次被擋住而消失，空隙與輪齒交替所需時間為

在這一時間內，光所經過的光程為2×8633米，所以光速c=2×8633×18244=3.15×108（m/s）．

在對信號的發出和返回接收時刻能作自動記錄的遮斷法除旋轉齒輪法外，在現代還採用克爾盒法．1941年安德孫用克爾盒法測得：c=299776±6km/s，1951年貝格斯格蘭又用克爾盒法測得c=299793.1±0.3km/s．

3．旋轉鏡法

旋轉鏡法的主要特點是能對信號的傳播時間作精確測量．1851年傅科成功地運用此法測定了光速．旋轉鏡法的原理早在1834年1838年就已為惠更斯和阿拉果提出過，它主要用一個高速均勻轉動的鏡面來代替齒輪裝置．由於光源較強，而且聚焦得較好．因此能極其精密地測量很短的時間間隔．實驗裝置如圖所示．從光源s所發出的光通過半鍍銀的鏡面M1後，經過透鏡L射在繞O軸旋轉的平面反射鏡M2上O軸與圖面垂直．光從M2反射而會聚到凹面反射鏡M3上，M3的曲率中心恰在O軸上，所以光線由M3對稱地反射，並在s′點產生光源的像．當M2的轉速足夠快時，像S′的位置將改變到s〃，相對於可視M2為不轉時的位置移動了△s的距離可以推導出光速值：

式中w為M2轉動的角速度．l0為M2到M3的間距，l為透鏡L到光源S的間距，△s為s的像移動的距離．因此直接測量w、l、l0、△s，便可求得光速．

在傅科的實驗中：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，傅科還利用這個實驗的基本原理，首次測出了光在介質（水）中的速度v＜c，這是對波動說的有力證據．

3．旋轉棱鏡法

邁克耳遜把齒輪法和旋轉鏡法結合起來，創造了旋轉棱鏡法裝置．因為齒輪法之所以不夠准確，是由於不僅當齒的中央將光遮斷時變暗，而且當齒的邊緣遮斷光時也是如此．因此不能精確地測定象消失的瞬時．旋轉鏡法也不夠精確，因為在該法中象的位移△s太小，只有0.7毫米，不易測准．邁克耳遜的旋轉鏡法克服了這些缺點．他用一個正八面鋼質棱鏡代替了旋轉鏡法中的旋轉平面鏡，從而光路大大的增長，並利用精確地測定棱鏡的轉動速度代替測齒輪法中的齒輪轉速測出光走完整個路程所需的時間，從而減少了測量誤差．從1879年至1926年，邁克耳遜曾前後從事光速的測量工作近五十年，在這方面付出了極大的勞動．1926年他的最後一個光速測定值為

c=299796km/s

這是當時最精確的測定值，很快成為當時光速的公認值．

三、光速測定的實驗室方法

光速測定的天文學方法和大地測量方法，都是採用測定光信號的傳播距離和傳播時間來確定光速的．這就要求要盡可能地增加光程，改進時間測量的准確性．這在實驗室里一般是受時空限制的，而只能在大地野外進行，如斐索的旋輪齒輪法當時是在巴黎的蘇冷與達蒙瑪特勒相距8633米的兩地進行的．傅科的旋轉鏡法當時也是在野外，邁克耳遜當時是在相距35373．21米的兩個山峰上完成的．現代科學技術的發展，使人們可以使用更小更精確地實驗儀器在實驗室中進行光速的測量．

1．微波諧振腔法

1950年埃森最先採用測定微波波長和頻率的方法來確定光速．在他的實驗中，將微波輸入到圓柱形的諧振腔中，當微波波長和諧振腔的幾何尺寸匹配時，諧振腔的圓周長πD和波長之比有如下的關系：πD=2.404825λ，因此可以通過諧振腔直徑的測定來確定波長，而直徑則用干涉法測量；頻率用逐級差頻法測定．測量精度達10-7．在埃森的實驗中，所用微波的波長為10厘米，所得光速的結果為299792.5±1km/s．

2．激光測速法

1790年美國國家標准局和美國國立物理實驗室最先運用激光測定光速．這個方法的原理是同時測定激光的波長和頻率來確定光速（c=νλ）．由於激光的頻率和波長的測量精確度已大大提高，所以用激光測速法的測量精度可達10-9，比以前已有最精密的實驗方法提高精度約100倍．

四、光速測量方法一覽表

除了以上介紹的幾種測量光速的方法外，還有許多十分精確的測定光速的方法．現將不同方法測定的光速值列為「光速測量一覽表」供參考．

根據1975年第十五屆國際計量大會的決議，現代真空中光速的最可靠值是：

c=299792.458±0.001km/s

8. 光速的測量方法

光的傳播速度

光的干涉和衍射現象說明光具有波動性，光的偏振現象進而說明光是橫波．而光以有限速度傳播以及光速的精確測定，在建立光的電磁波學說方面也曾起了重大的作用．光速是物理學中最重要的基本常數之一，也是所有各種頻率的電磁波在真空中的傳播速度．狹義相對論認為：任何信號和物體的速度都不能超過真空中的光速．在折射率為n的介質中，光的傳播速度為：v=c/n．在光學和物理學的發展歷史上，光速的測定，一直是許多科學家為之探索的課題．許多光速測量方法那巧妙的構思、高超的實驗設計一直在啟迪著後人的物理學研究．歷史上光速測量方法可以分為天文學測量方法、大地測量方法和實驗室測量方法等．

具體請到這個地址查看~`帖出來..太長了~

http://allastronomy.lamost.org/bbs/simple/index.php?t230.html

9. 光速是怎麼測量出來的

1834年，英國物理學家惠斯通利用旋轉鏡來測定電火花持續的時間，也想用此法來測定光速，同時也想確認一下在拆折射率更大的介質中，光速是否更大。惠斯通的思想方法是正確的，但是他沒有完成。 斐索先後研究了光的干涉、熱膨脹等，發明了干涉儀。他在研究和測量光速問題上作出了貢獻，是第一個不用天文常數、不藉助天文觀察來測量光速的人。他是採用旋轉齒輪的方法來測定光速的。測出的光速為 342539.21千米/秒，這個數值與當時天文學家公認的光速值相差甚小。 傅科在物理學史上以其「傅科擺」的實驗著名於世。在光速測定的研究中，他是採用旋轉平面鏡的方法來測量光速的。其測得的光速為29.8×107米/秒，並分析實驗誤差不可能超過5×105米/秒。 1850年5月6日傅科向科學院報告了自己的實驗結果，並發現光速在水中比在空氣中小，證明了波動說的觀點是正確的。 邁克耳遜（美國人，A.A.Michelson,1852-1931）繼承了傅科的實驗思想，用旋轉八面棱鏡法測得光速為299796千米/秒

10. 如何測量光速

旋轉鏡法的主要特點是能對信號的傳播時間作精確測量．1851年傅科成功地運用此法測定了光速．旋轉鏡法的原理早在1834年1838年就已為惠更斯和阿拉果提出過，它主要用一個高速均勻轉動的鏡面來代替齒輪裝置．由於光源較強，而且聚焦得較好．因此能極其精密地測量很短的時間間隔．實驗裝置如圖所示．從光源s所發出的光通過半鍍銀的鏡面M1後，經過透鏡L射在繞O軸旋轉的平面反射鏡M2上O軸與圖面垂直．光從M2反射而會聚到凹面反射鏡M3上，
M3的曲率中心恰在O軸上，所以光線由M3對稱地反射，並在s′點產生光源的像．當M2的轉速足夠快時，像S′的位置將改變到s〃，相對於可視M2為不轉時的位置移動了△s的距離可以推導出光速值：
式中w為M2轉動的角速度．l0為M2到M3的間距，l為透鏡L到光源S的間距，△s為s的像移動的距離．因此直接測量w、l、l0、△s，便可求得光速．
在傅科的實驗中：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，傅科還利用這個實驗的基本原理，首次測出了光在介質（水）中的速度v＜c，這是對波動說的有力證據．