光速測量
光速測量
光速的測定 光速的測定在光學(xué)的發(fā)展史上具有非常特殊而重要的意義。它不僅推動了光學(xué)實驗,也打破了光速無限的傳統(tǒng)觀念;在物理學(xué)理論研究的發(fā)展里程中,它不僅為粒子說和波動說的爭論提供了判定的依據(jù),而且最終推動了愛因斯坦相對論理論的發(fā)展。
在光速的問題上物理學(xué)界曾經(jīng)產(chǎn)生過爭執(zhí),開普勒和笛卡爾都認為光的傳播不需要時間,是在瞬時進行的。
但伽利略認為光速雖然傳播得很快,但卻是可以測定的。1607年,伽利略進行了最早的測量光速的實驗。伽利略的方法是,讓兩個人分別站在相距一英里的兩座山上,每個人拿一個燈,**個人先舉起燈,當(dāng)?shù)诙€人看到**個人的燈時立即舉起自己的燈,從**個人舉起燈到他看到第二個人的燈的時間間隔就是光傳播兩英里的時間。但由于光速傳播的速度實在是太快了,這種方法根本行不通。
但伽利略的實驗揭開了人類歷史上對光速進行研究的序幕。1676年,丹麥天文學(xué)家羅麥**次提出了有效的光速測量方法。他在觀測木星的衛(wèi)星的隱食周期時發(fā)現(xiàn):在一年的不同時期,它們的周期有所不同;在地球處于太陽和木星之間時的周期與太陽處于地球和木星之間時的周期相差十四五天。
他認為這種現(xiàn)象是由于光具有速度造成的,而且他還推斷出光跨越地球軌道所需要的時間是22分鐘。1676年9月,羅麥預(yù)言預(yù)計11月9日上午5點25分45秒發(fā)生的木衛(wèi)食將推遲10分鐘。巴黎天文臺的科學(xué)家們懷著將信將疑的態(tài)度,觀測并最終證實了羅麥的預(yù)言。
羅麥的理論沒有馬上被法國科學(xué)院接受,但得到了**科學(xué)家惠更斯的贊同。惠更斯根據(jù)他提出的數(shù)據(jù)和地球的半徑**次計算出了光的傳播速度:214000千米/秒。雖然這個數(shù)值與目前測得的最**的數(shù)據(jù)相差甚遠,但他啟發(fā)了惠更斯對波動說的研究;更重要的是這個結(jié)果的錯誤不在于方法的錯誤,只是源于羅麥對光跨越地球的時間的錯誤推測,現(xiàn)代用羅麥的方法經(jīng)過各種校正后得出的結(jié)果是298000千米/秒,很接近于現(xiàn)代實驗室所測定的**數(shù)值。
1725年,英國天文學(xué)家布萊德雷發(fā)現(xiàn)了恒星的“光行差”現(xiàn)象,以意外的方式證實了羅麥的理論。剛開始時,他無法解釋這一現(xiàn)象,直到1728年,他在坐船時受到風(fēng)向與船航向的相對關(guān)系的啟發(fā),認識到光的傳播速度與地球公轉(zhuǎn)共同引起了“光行差”的現(xiàn)象。他用地球公轉(zhuǎn)的速度與光速的比例估算出了太陽光到達地球需要8分13秒。這個數(shù)值較羅麥法測定的要**一些。
菜德雷測定值證明了羅麥有關(guān)光速有限性的說法。光速的測定,成了十七世紀以來所展開的關(guān)于光的本性的爭論的重要依據(jù)。但是,由于受當(dāng)時實驗環(huán)境的局限,科學(xué)家們只能以天文方法測定光在真空中的傳播速度,還不能解決光受傳播介質(zhì)影響的問題百科,所以關(guān)于這一問題的爭論始終懸而未決。十八世紀,科學(xué)界是沉悶的,光學(xué)的發(fā)展幾乎處于停滯的狀態(tài)。
繼布萊德雷之后,經(jīng)過一個多世紀的醞釀,到了十九世紀中期,才出現(xiàn)了新的科學(xué)家和新的方法來測量光速。1849年,法國人菲索**次在地面上設(shè)計實驗裝置來測定光速。他的方法原理與伽利略的相類似。他將一個點光源放在透鏡的焦點處,在透鏡與光源之間放一個齒輪,在透鏡的另一測較遠處依次放置另一個透鏡和一個平面鏡,平面鏡位于第二個透鏡的焦點處。
點光源發(fā)出的光經(jīng)過齒輪和透鏡后變成平行光,平行光經(jīng)過第二個透鏡后又在平面鏡上聚于一點,在平面鏡上反射后按原路返回。由于齒輪有齒隙和齒,當(dāng)光通過齒隙時觀察者就可以看到返回的光,當(dāng)光恰好遇到齒時就會被遮住。從開始到返回的光**次消失的時間就是光往返一次所用的時間,根據(jù)齒輪的轉(zhuǎn)速,這個時間不難求出。
通過這種方法,菲索測得的光速是315000千米/秒。由于齒輪有一定的寬度,用這種方法很難**的測出光速。1850年,法國物理學(xué)家傅科改進了菲索的方法,他只用一個透鏡、一面旋轉(zhuǎn)的平面鏡和一個凹面鏡。
平行光通過旋轉(zhuǎn)的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心上,同樣用平面鏡的轉(zhuǎn)速可以求出時間。傅科用這種方法測出的光速是298000 千米/秒。另外傅科還測出了光在水中的傳播速度,通過與光在空氣中傳播速度的比較,他測出了光由空氣中射入水中的折射率。這個實驗在微粒說已被波動說推翻之后,又一次對微粒說做出了判決,給光的微粒理論帶了**的沖擊。
1928年,卡婁拉斯和米太斯塔德首先提出利用克爾盒法來測定光速。1951年,貝奇斯傳德用這種方法測出的光速是299793千米/秒。光波是電磁波譜中的一小部分,當(dāng)代人們對電磁波譜中的每一種電磁波都進行了精密的測量。
1950年,艾森提出了用空腔共振法來測量光速。這種方法的原理是,微波通過空腔時當(dāng)它的頻率為某一值時發(fā)生共振。根據(jù)空腔的長度可以求出共振腔的波長,在把共振腔的波長換算成光在真空中的波長,由波長和頻率可計算出光速。當(dāng)代計算出的最**的光速都是通過波長和頻率求得的。
1958年,弗魯姆求出光速的**值:299792.5±0.1千米/秒。1972年,埃文森測得了目前真空中光速的**數(shù)值:299792457.4±0.1米/秒。光速的測定在光學(xué)的研究歷程中有著重要的意義。
雖然從人們設(shè)法測量光速到人們測量出較為**的光速共經(jīng)歷了三百多年的時間,但在這期間每一點進步都促進了幾何光學(xué)和物理光學(xué)的發(fā)展,尤其是在微粒說與波動說的爭論中,光速的測定曾給這一場**的科學(xué)爭辯提供了非常重要的依據(jù)。
光速是怎么測量出來的?
光速的測量方法: 最早光速的準確數(shù)值是通過觀測木星對其衛(wèi)星的掩食測量的。還有轉(zhuǎn)動齒輪法、轉(zhuǎn)鏡法、克爾盒法、變頻閃光法等光速測量方法。
1.羅默的衛(wèi)星蝕法 光速的測量,首先在天文學(xué)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(xué)家羅默(1644— 1710)首先測量了光速.由于任何周期性的變化過程都可當(dāng)作時鐘,他成功地找到了離觀察者非常遙遠而相當(dāng)準確的“時鐘”,羅默在觀察時所用的是木星每隔一定周期所出現(xiàn)的一次衛(wèi)星蝕.他在觀察時注意到:連續(xù)兩次衛(wèi)星蝕相隔的時間,當(dāng)?shù)厍虮畴x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(xiàn)象.光從木星發(fā)出(實際上是木星的衛(wèi)星發(fā)出),當(dāng)?shù)厍螂x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(wèi)星蝕相隔的時間,要比實際相隔的時間長一些;當(dāng)?shù)厍蛴蚰拘沁\動時,這個時間就短一些.因為衛(wèi)星繞木星的周期不大(約為1.75天),所以上述時間差數(shù),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(zhuǎn)軌道速度約為30千米/秒).因此,為了取得可靠的結(jié)果,當(dāng)時的觀察曾在整年中連續(xù)地進行.羅默通過觀察從衛(wèi)星蝕的時間變化和地球軌道直徑求出了光速.由于當(dāng)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準確值相差甚遠,但它卻是測定光速歷史上的**個記錄.后來人們用照相方法測量木星衛(wèi)星蝕的時間,并在地球軌道半徑測量準確度提高后,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(xué)家布萊德雷(1693—1762)采用恒星的光行差法,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恒星時,發(fā)現(xiàn)恒星的視位置在不斷地變化,在一年之內(nèi),所有恒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(xiàn)象的產(chǎn)生是由于恒星發(fā)出的光傳到地面時需要一定的時間,而在此時間內(nèi),地球已因公轉(zhuǎn)而發(fā)生了位置的變化.他由此測得光速為: C=299930千米/秒 這一數(shù)值與實際值比較接近. 以上僅是利用天文學(xué)的現(xiàn)象和觀察數(shù)值對光速的測定,而在實驗室內(nèi)限于當(dāng)時的條件,測定光速尚不能實現(xiàn). 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,由于光速很大,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準確測定距離和時間而設(shè)計的各種方法. 1.伽利略測定光速的方法 物理學(xué)發(fā)展史上,最早提出測量光速的是意大利物理學(xué)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(zhí)一盞能遮閉的燈,如圖所示:觀察者A打開燈光,經(jīng)過一定時間后,光到達觀察者B,B立即打開自己的燈光,過了某一時間后,此信號回到A,于是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(jīng)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(yīng)時間,所以伽利略的嘗試沒有成功.如果用反射鏡來代替B,那么情況有所改善,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后來的一切測定光速的實驗方法之中.甚至在現(xiàn)代測定光速的實驗中仍然采用.但在信號接收上和時間測量上,要采用可靠的方法.使用這些方法甚至能在不太長的距離上測定光速,并達到足夠高的**度. 2.旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)齒輪法)進行自動記錄.實驗示意圖如下.從光源s發(fā)出的光經(jīng)會聚透鏡L1射到半鍍銀的鏡面A,由此反射后在齒輪W的齒a和a’之間的空隙內(nèi)會聚,再經(jīng)透鏡L2和L3而達到反射鏡M,然后再反射回來.又通過半鍍鏡A由 L4集聚后射入觀察者的眼睛E.如使齒輪轉(zhuǎn)動,那么在光達到M鏡后再反射回來時所經(jīng)過的時間△t內(nèi),齒輪將轉(zhuǎn)過一個角度.如果這時a與a’之間的空隙為齒 a(或a’)所占據(jù),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(zhuǎn)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,那么觀察者會重新看到光,當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動得更快,反射光又被另一個齒遮斷時,光又消失.這樣,當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速由零而逐漸加快時,在E處將看到閃光.由齒輪轉(zhuǎn)速v、齒數(shù)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(dāng)具有720齒的齒輪,一秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)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(nèi),光所經(jīng)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(fā)出和返回接收時刻能作自動記錄的遮斷法除旋轉(zhuǎn)齒輪法外,在現(xiàn)代還采用克爾盒法.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(zhuǎn)鏡法 旋轉(zhuǎn)鏡法的主要特點是能對信號的傳播時間作**測量.1851年傅科成功地運用此法測定了光速.旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的鏡面來代替齒輪裝置.由于光源較強,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(fā)出的光通過半鍍銀的鏡面M1后,經(jīng)過透鏡L射在繞O軸旋轉(zhuǎn)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,并在s′點產(chǎn)生光源的像.當(dāng)M2的轉(zhuǎn)速足夠快時,像S′的位置將改變到s〃,相對于可視M2為不轉(zhuǎn)時的位置移動了△s的距離可以推導(dǎo)出光速值: 式中w為M2轉(zhuǎn)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(zhì)(水)中的速度v<c,這是對波動說的有力證據(jù). 3.旋轉(zhuǎn)棱鏡法 邁克耳遜把齒輪法和旋轉(zhuǎn)鏡法結(jié)合起來,創(chuàng)造了旋轉(zhuǎn)棱鏡法裝置.因為齒輪法之所以不夠準確,是由于不僅當(dāng)齒的**將光遮斷時變暗,而且當(dāng)齒的邊緣遮斷光時也是如此.因此不能**地測定象消失的瞬時.旋轉(zhuǎn)鏡法也不夠**,因為在該法中象的位移△s太小,只有0.7毫米,不易測準.邁克耳遜的旋轉(zhuǎn)鏡法克服了這些缺點.他用一個正八面鋼質(zhì)棱鏡代替了旋轉(zhuǎn)鏡法中的旋轉(zhuǎn)平面鏡,從而光路大大的增長,并利用**地測定棱鏡的轉(zhuǎn)動速度代替測齒輪法中的齒輪轉(zhuǎn)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,邁克耳遜曾前后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**一個光速測定值為 c=299796km/s 這是當(dāng)時最**的測定值,很快成為當(dāng)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(xué)方法和大地測量方法,都是采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,改進時間測量的準確性.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(dāng)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(zhuǎn)鏡法當(dāng)時也是在野外,邁克耳遜當(dāng)時是在相距35373.21米的兩個山峰上完成的.現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,使人們可以使用更小更**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**采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(dāng)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(guān)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(jié)果為299792.5±1km/s. 2.激光測速法 1790年美國**標準局和美國國立物理實驗室**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).由于激光的頻率和波長的測量**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**的測定光速的方法.現(xiàn)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(jù)1975年第十五屆國際計量大會的決議,現(xiàn)代真空中光速的最可靠值是: c=299792.458±0.001km/s 聲速測量儀必須配上示波器和信號發(fā)生器才能完成測量聲速的任務(wù)。
實驗中產(chǎn)生超聲波的裝置如圖所示。它由壓電陶瓷管或稱超聲壓電換能器與變幅桿組成;當(dāng)有交變電壓加在壓電陶瓷管上時,由于壓電體的逆壓電效應(yīng),使其產(chǎn)生機械振動。此壓電陶瓷管粘接在鋁合金制成的變幅桿上,經(jīng)過電子線路的放大,即成為超聲波發(fā)生器,由于壓電陶瓷管的周期性振動,帶動變幅桿也做周期軸向振動。當(dāng)所加交變電壓的頻率與壓電陶瓷的固有頻率相同時,壓電陶瓷的振幅**,這使得變幅桿的振幅也**。
變幅桿的端面在空氣中激發(fā)出縱波,即超聲波。本儀器的壓電陶瓷的振蕩頻率在40kHz以上,相應(yīng)的超聲波波長約為幾毫米,由于他的波長短,定向發(fā)射性能好,本超聲波發(fā)射器是比較理想的波源。由于變幅桿的端面直徑一般在20mm左右,比此波長大很多,因此可以近似認為離開發(fā)射器一定距離處的聲波是平面波。
超聲波的接受器則是利用壓電體的正壓電效應(yīng),將接收的機械振動,轉(zhuǎn)化成電振動,為使此電振動增強。特加一選頻放大器加以放大,再經(jīng)屏蔽線輸給示波器觀測。接收器安裝在可移動的機構(gòu)上,這個機構(gòu)包擴支架、絲桿、可移動底座(其上裝有指針,并通過定位螺母套在絲桿上,有絲桿帶動作平移)、帶刻度的手輪等。
接收器的位置由主、尺刻度手輪的位置決定。主尺位于底座上面;最小方尺位于底坐上面;最小分尺為1mm,手輪與絲桿相連上分為100分格,每轉(zhuǎn)一周,接收器平移1mm,故手每一小格為0.01mm,可估到0.001mm。
《湯姆·索亞歷險記》中,湯姆為什么會在山洞中迷路?后來是怎樣走出山洞的?
湯姆和貝奇在山洞里賞鐘乳石而在山洞里迷路的,后來湯姆用風(fēng)箏線讓貝奇拉著,自己一個一個在通道里找找出口,三天后,湯姆在山洞中找到了出口,和貝奇逃了出去,因為出口下面是一條大河,于是,他們在洞口求助,乘船回到了圣彼得城堡。
《湯姆·索亞歷險記》美國**家馬克·吐溫1876年發(fā)表的長篇**。
**的故事發(fā)生在19世紀上半世紀美國密西西比河畔的一個普通小鎮(zhèn)上。
主人公湯姆·索亞天真活潑、敢于探險、追求自由,不堪忍受束縛個性、枯燥乏味的生活,幻想干一番英雄事業(yè)。
**的時代在南北戰(zhàn)爭前,寫的雖是圣彼得堡小鎮(zhèn),但該鎮(zhèn)某種程度上可以說是當(dāng)時美國**的縮影。**通過主人公的冒險經(jīng)歷,對美國虛偽庸俗的**習(xí)俗、偽善的宗教儀式和刻板陳腐的學(xué)校教育進行了諷刺和批判,以歡快的筆調(diào)描寫了少年兒童自由活潑的心靈。
擴展資料
寫作背景:
19世紀70年代,美國****進入了壟斷時期。
機器轟鳴的龐大工廠的出現(xiàn),集體化的大生產(chǎn)組合以及大刀闊斧的進取精神促使了美國工業(yè)的突飛猛進,使得以往平靜而又無多少競爭的年代里蔚然成風(fēng)的禮貌行為和道德涵養(yǎng)準則逐漸失去了棲身之地。
因此,對維多利亞時代的溫文爾雅的摒棄是不可避免的。特別是南北戰(zhàn)爭,它像一種催化劑,在摧毀了奴隸制的同時,也加速了維多利亞**結(jié)構(gòu)的崩潰過程,把年輕人推進向傳統(tǒng)宣戰(zhàn)的潮流,使他們體內(nèi)潛藏已久的被壓抑的暴力進發(fā)出來,去摧毀那個不合時宜的19世紀**。
馬克·吐溫就是在這個大歷史背景下創(chuàng)作《湯姆·索亞歷險記》的,因此具有深遠的歷史意義。他把自己的童年生活經(jīng)歷濃縮進了這部**,但又注入了他自己的思想和時代縮影,使它脫離了一般庸俗的兒童回憶格調(diào),讓它充滿了時代的活力。
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