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光调制法测量光速

【实验目的】

1．了解和掌握光调制的基本原理和技术；

2．学习使用示波器测量同频正弦信号相位差的方法； 3．测量光在空气中的速度。【预备问题】

1．光波的波长、频率及速度是如何定义的？ 2．能否对光的频率进行绝对测量？为什么？

3．等相位测量波长法与等距离测波长法，哪一种方法有较高的测量精度？【实验仪器】

光速测量仪，示波器等。光速测量仪的介绍见本实验附录. 【实验原理】

1．利用波长和频率测速度

按照物理学定义，任何波的波长λ是一个周期内波传播的距离。波的频率f 是1 s 内发生了多少次周期振动，用波长乘以频率得1 s 内波传播的距离即波速为 c f λ=

（22-1）

2．利用调制波波长和频率测光的速度 3．相位法测调制波的波长

波长为0.65 μm 的载波，其强度受频率为f 的正弦型调制波的调制，表达式为

01cos2x I I m f t c ??

??=+π- ??????

式中，m 为调制度，cos2πf (t - x/c )表示光在测线上传播的过程中，其强度的变化犹如一个频

率为f 的正弦波以光速c 沿x 方向传播，我们称这个波为调制波。调制（光）波在传播过程中（，）其相位是以2π为周期变化的。设测线上两点A 和B 的位置坐标分别为x 1和x 2，当这两点之间的距离为调制波波长λ的整数倍时，该两点间的相位差为

()?

πλλπ

?????=?-=

-x x x 221221调调

21212()2x x n ??λ

π-=-=π （22-3）（可见，只要测出x ?和??便可间接测出调λ。）式中，n 为整数。反过来，如果能在光的传播路径中找到调制波的等相位点，并准确测量它们之间的距离，那么这个距离一定是波长的

整数倍。

设调制波由A 点出发，经时间t 后传播到A '点，AA '之间的距离为2D ，如图22-1(a)所示，则A '点相对于A 点的相移为2ft ?=π。然而，用一台测相系统对AA '间的这个相移量进行直接测量是不可能的。为了解决这个问题，较方便的办法是在AA '的中点B 设置一个反射器，由A 点发出的调制波经反射器反射回A 点，如图22-1(b)所示。由图显而易见，光线由A →B →A 所走过的光程亦为2D ，而且在A 点反射波的相位落后2ft ?=π。

图22-1 相位法测波长原理图

如果以发射波作为参考信号（以下称之为基准信号），它与反射波（以下称之为被测信号）分别输入到相位计的两个输入端，则由相位计可以直接读出基准信号和被测信号之间的相位差。当反射镜相对于B 点的位置前后移动半个波长时，这个相位差的数值改变为2π。因此只要前后移动反射镜，相继找到在相位计中读数相同的两点，该两点之间的距离即为半个波长。

调制波的频率可由数字式频率计精确地测定，由式（22-1）可以求得光速值。

4．差频法测相位

尽管调制波光强变化的频率降到了108 Hz ，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40 ns 左右，如果输入信号的频率为108 Hz ，则信号周期T = 1/f = 10 ns ，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差?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?（证明过程请参看附录22-B ）。

本实验为了克服在108 Hz 高频下测相的困难，如图22-2所示，将f = 108 Hz 、位相差为?的高频基准信号u 1和高频被测信号u 2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455 kHz 、位相差依然为?的低频信号1

u '、2u '，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??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

1、等距离测量

、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，使小车前后移动时，光斑位置变化最小。

3．示波器定标：按前述的示波器测相位的方法将示波器调整至有一个适合的测相波形，要求尽可能大地调出一个周期的波形。

4．测量光速：由频率与波长的乘积来测定光速的原理和方法前面已经做了说明。在实际测量时，主要任务是如何测得调制波的波长，其测量精度决定了光速值的测量精度。一般可采用“等距离”测量法和“等相位”测量法来测量调制波的波长。在测量时要注意两点，一是实验值要取多次多点测量的平均值；二是我们所测得的是光在大气中的传播速度，为了得到光在真空中传播速度，要精密地测定空气折射率后做相应修正。

（1）测量调制频率（就用108Hz）

为了匹配好，尽量用频率计附带的高频电缆线连接好电器盒上的频率输出端与频率计输入端。调制波是用温补晶体振荡器产生的，频率稳定度很容易达到10-6Hz，所以，在预热结束后正式测量前测一次就可以了。

（2）“等距离”法测调制波波长

在导轨上任取若干等间隔点（如图22-4所示），坐标分别为x0, x1, x2, x3, …, x i；x1 - x0 =

D 1, x 2 - x 0 = D 2,…, x i - x 0 = D i 。移动棱镜小车，由示波器依次读取与距离D 1, D 2, …相对应的

相移量i ?，则D i 与i ?间有22i i D

?λ=π，即

22i i

D λ?π

（22-6）

求得波长λ后，利用式（22-1）得到光速c 。

图22-4 根据相移量与反射镜距离之间的关系测定光速

也可用作图法，以?为横坐标，D 为纵坐标，作D -?直线，则该直线斜率的4f π倍即为光速c 。

为了减小由于电路系统附加相移量的变化给相位测量带来的误差，同样应采取x 0→x 1

→x 0及x 0→x 2→x 0等顺序进行测量。操作时移动棱镜小车要快、准，如果两次x 0位置时的计数值相差0.1°以上，必须重测。

（3）“等相位”法测调制波波长

在示波器上（或相位计上）取若干整度数的相位点，如36°、72°、108°等；在导轨上任取一点为x 0，并在示波器上找出信号相位波形上一特征点作为相位差0°位置，移动棱镜，至某个整相位数时停（在具体实验操作时，我们可以取示波器上波形移动两格为测量相位距离），迅速读取此时的距离值作为x 1，并尽快将棱镜返回至0°处，再读取一次x 0，并要求两次0°时的距离读数误差不要超过1 mm ，否则须重测。

依次读出相移量i ?对应的距离D i ，由式（22-6）求出光调制波长λ，再利用式（22-1）得到光速c 。

【注意事项】

1．操作时移动棱镜小车要快、准，测量所用的时间足够短，以减少电路不稳定给波长测量带来误差。

2．在测量过程中要细心地“照准”，即尽可能截取同一光束进行测量，把照准误差限制到最小程度。

【思考题】

1．本实验中，光速测量的误差主要来源于什么物理量的测量误差？为什么？

2．通过光速测量实验，你认为波长测量的主要误差来源是什么？为提高测量精度需做哪些改进？

3．本实验所测定的是100 MHz 调制波的波长和频率，能否把实验装置改成直接发射频率为100 MHz 的无线电波，并对它的波长和进行绝对测量？为什么？ 4．如何将光速仪改成测距仪？

● 测量数据记录和处理计算参考

◆ 波长测量方法一：等间距测量法——每次移动反射棱镜相同距离i x ?，从示波器屏幕测

出相应的相移时间ti。

数据记录及处理计算：

调制信号波频率：f调=108Hz(100MHz)；

差频信号频率、周期：f′=452.6KHz，T′=1/f′=1/452.6KHz =2.210μS；

数字示波器定标设置：44小格/T′，M：250ns/格，50ns/小格

表一反射棱镜位置：xi，待测波对基准波的相移时间：ti

1、逐差法处理计算:

波长测量方法二：等相位测量法：移动反射棱镜使待测波形每移动一小格，读出相应的

反射棱镜位置读数xi 。

差频基准波频率、周期：f ′=452.658KHz,T ′=2.210us,

表二数字示波器定标设置：44小格/T ′，M ：250ns/格，50ns/小格

1、逐差法处理计算：

00.21000.310)00.394.2(/1094.294.210194.2100.300106.199210210.228

889

-6--=??-=?=??=?==?????=???'=-C i i E s

m f C m x t T 差：与标准值比较的相对误调调调λλ

2、最小二乘法处理计算；

令x=ti,y=xi ，则由最小二乘法可计算出拟合直线的斜率为：

思考题提示【预备问题】

1.光波的波长、频率及速度是如何定义的？

2.能否对光的频率进行绝对测量，为什么？

绝对测量是什么意思?是不管直接测量还是间接测量都一定能够测量的意思？光的频率高达1014Hz ，目前没有仪器直接测量，但如果已知光波长如（0.65微米），再应用本实验的测量方法测出光速，便可间接测出光的频率）

3.等相位测量波长法与等距离测波长法，哪一种方法有较高的测量精度？（等间距测量是在距离标尺上设准反射棱镜移动等间距距离刻度值，再从示波器屏幕读出待测波的相移时间；而等相位测量是在示波器屏幕设准待测波移动等间距相移时间刻度值，再从距离标尺（游标尺）读出反射棱镜移动的距离。）【思考题】

1．本实验中，光速测量的误差主要来源于什么物理量的测量误差？为什么？

λ?=f C ，

2))(())(()(λ

λu f f u C C u +=，由于实验仪器中，f 时由石英晶体振荡器产生有很高的稳定度，所以本实验光速测量的误差主要来源于波长测量的误差。

2．通过光速测量实验，你认为波长测量的主要误差来源是什么？为提高测量精度需做哪些改进？

2))((

))

((

)

i i

i D D u u u +=??λ

λ，D i 用游标卡尺测量，φi 用示波器测量，而示波器屏幕上的刻度标尺精度不高，所以认为波长测量的主要误差来源是φi 的测量。为提高测量精度，φi 直接用精度较高的相位差计测量。

3．如何将光速仪改成测距仪？

i i i f

D ?ππλ??==

44，C 为光速（假设已知），f 为调制波频率（已知），φi 用相位差计或示波器测量。

1．能否对光的频率进行直接（绝对）测量，为什么？

绝对测量是什么意思?是不管直接测量还是间接测量都一定能够测量的意思？光的频率高达1014Hz ，目前没有仪器直接测量，但如果已知光波波长（如0.65微米，光波波长可以用光干涉等方法测量），再应用本实验的测量方法测出光速，便可间接测出光的频率）

2．仪器中光源的波长为0.65微米，为什么还要测量波长？

实验中，我们要测量光源发出的光波的光速，而光源光波频率又太高，没有仪器直接测量，所以实验采用对光源光波幅度调制的方法，通过测量调制波的波长，来测量光速。（调制波波长并不等于光源波长，调制波频率可直接测量） 3．什么是位相法测定调制波的波长？在本实验中是如何实现的？

（通过测量调制波传播距离前后两位置处的位相差来间接测量调制波波长的方法就叫做位相法测定调制波的波长。本实验应用“等距离测量法”和“等相位测量法”来实现测量调制波波长）。 4．红光（本实验用的是红光吗？）的波长为?，在空气中只走0.325微米就会产生相位差π。

而我们在实验中却将棱镜小车移动了0.75米左右的距离，才能产生相位差π。这是为什么？因为实验测量的是已调制波的波长，并不是光源光波波长。

??=

?λ

?2，对波长为0.65微米的载波（红光）传播中相位改变一个π所走过的距

离0.325微米，而实验是通过测量调制波波长来测量光速，调制波波长并不等于0.65微米，

而是约

0.375.022222=??=??=???=

ππ?π?πλD x 米。

光拍频法测量光速实验

图1 拍频波场在某一时刻t 的空间分布光拍频法测量光速实验一、实验目的 1．掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解。 2．通过测量光拍的波长和频率来确定光速。二、原理根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E 0、圆频率分别为1ω和2ω（频差 12ωωω?=-较小）的二光束： 1011120222cos()cos()E E t k x E E t k x ωφωφ=-+? ?=-+? （1）式中112/k πλ=，222/k πλ=为波数， 1?和2?分别为两列波在坐标原点的初位相。若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： 1 2 1212012122cos[ ()]22cos[()](2) 22 x E E E E t c x t c ωω φφ ωωφφ--=+=-+++?-+ 上式是沿轴方向的前进波，其圆频率为12()/2ωω+，振幅为12 02cos[ ()]22 x E t c ωφφ?--+，因为振幅绝对值以频率为12/2f f f ωπ?=?=-周期性地变化，所以被称为拍频波，?f 称为光拍波频率。实验中拍频波由光电探测器检测，光电探测器上的光电流如图1（b ）和下式 []{} 2 01cos (/))i gE t x c ω?=+?-+ （3）其中g 是光电探测器的转换常数，2f ωπ?=?，?是初相位。如果有两路光频波，使其通过不同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差??与两路光的光程差L ?之间的关系 2L f L c c ωπ????????= = （4）当π? 2=?时，?L =Λ,恰为光拍波长，此时上式简化为 c f =??Λ （5）可见，只要测定了Λ和f ?，即可确定光速c 。

光强调制法测光速

光强调制法测光速实验者：学号：班级：实验原理可见光的频率为的数量级，超出了所有仪器的响应。在本实验中光源是发光二极管。用50兆赫兹的高频正弦电压信号将光的强度进行调制，对强度调制光检波后就得到周期大大扩展了的电子学信号。发光二极管所发红光在仪器内调制后，分为两路，一束输入到双踪示波器的X通道；另一束从出射孔射出，见图。出射光经过直角反射镜改变传播方向，从接收孔又进入到仪器内，输入到示波器的Y通道。这二个频率相同的强度调制波信号在示波器内相干，屏幕上得到李萨如图形。一般而言，这种图形是椭圆。如果两种信号之间的相位差为0 或，李萨如图形为直线。对应于相位差为0和为的这两条直线应有不同方向，一个在一、三象限，另一个在二、四象限。这两束调制信号之间的相位差与出射光在空气中传播的距离有关。如果直角反射镜靠近出射孔时，两束信号之间的相位差相等（可通过调节仪器上的相位旋钮做到），示波器上得到一条直线。将反射镜移远的过程中，李萨如图形变化为椭圆。椭圆的方位和椭圆度也随距离而改变。当示波器上再度出现直线时，说明示波器中Y分量相位改变了。即这束调制光程变化了半个波长。考虑到光经过两次平面镜的反射，半个波长等于直角反射镜移动距离的两倍，或写成。已知调制频率，即可得到光在空气中传播速度: (1) 光速测量装置原理图 1.示波器 2.光速测定仪 3.相位调节旋钮 4.频率显示 5.透镜 6.直角反射镜 7.地板 8.发射孔A 9.接收孔B 求出这种光强调制信号在空气中的传播速度，这就是光在空气中的速度。

利用这种仪器还可以测量透明介质的折射率以及光在这些介质中的速度。让光透过光路中一定长度的某种透明介质，譬如水，先将示波器上图形调节为直线。然后移去液体，这时，示波器上图形为一椭圆。移动直角反射镜一段距离，直至示波器上又得到直线。这说明强度调制波在空气中通过产生的相位变化（空气的折射率为1），相当于波在待测介质中通过产生的变化。介质的折射率。根据公式： (2) 可以求介质的折射率。光在这种介质的速度为： (3) 实验内容 1.测量光在空气中速度（1）开启光速测定仪，将其两个输出端分别连接到双踪示波器X通道接口和Y通道接口。（2）调节光路共轴：仪器上光的发射孔A和接收孔B外各有一个凸透镜，调节透镜位置，使发射孔处于其焦点附近。这样，光通过透镜后就大体上成为平行光了。在底板上前后移动直角反射镜，使得它反射的光经过另一个透镜会聚到接收孔B。为此，首先调节两个反射镜片背后的螺钉，使镜片垂直于底板且彼此成直角。其次，调节透镜的位置，使光线会聚到仪器的接收孔B。这样，在1.5米长的底板上前后移动直角反射镜，示波器上的李萨如图形都会发生变化，如果在底板远端移动反射镜时，图形无变化，说明光线尚未充分聚焦到接收孔，仍需继续调节光轴。（3）完成了步骤2，反射镜在远端附近移动时李萨如图形呈椭圆，其大小与方位与的镜位置有关。这时可调节仪器上相位旋钮，令李萨如成为一直线。记录这时直角反射镜的坐标（4）将反射镜向着仪器方向移动，注意观察示波器上的图形，椭圆会越来越大（为什么？），方向也逐渐改变。如果图形太大，可调节波器的电压灵敏度旋钮，使图形大小适当。当反射镜靠近接收孔时，波器的上的李萨如图形有成为一条直线，它的斜率应与开始时直线在不同象限。记录反射镜坐标。当然，也可将反射镜从靠近仪器的位置逐渐移远，方向同上。（5）计算出反射镜移动的距离，根据调制波的频率，按（1）式计算出光在空气中的速度。 2.测量光在水中的速度将专用的1米左右的圆管内装满水，密封两端透明的盖子后，放在光路中。测量管长。光经过管内的水照到放置在其后的直角反射镜。这时示波器上应有椭圆状李萨如图形。调节相位旋钮，使李萨如图成为一条直线。记录反射镜的坐标。然后去掉水管，移动反射镜的位置，直至示波器上的图形又成为一条直线。记录此时反射镜的坐标。这说明光强调制信号在空气中经过2倍

光拍频法测量光速

光拍法测量光速光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理量，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系，因此光速的测量是物理学中的一个十分重要的课题。本实验的目的是通过测量光拍的波长和频率来确定光速，掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法。一、实验目的 1．掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解。 2．通过测量光拍的波长和频率来确定光速。二、原理根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E 0、圆频率分别为1ω和2ω（频差 21ωωω-=?较小）的二光束： )cos(11101?ω+-=x k t E E )cos(22202?ω+-=x k t E E 式中11/2λπ=k ，22/λπ=k 为圆波数， 1?和2?分别为两列波在坐标原点的初位相。若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为：图1 拍频波场在某一时刻t 的空间分布 ]2)(2cos[]2)(2cos[ 221212121021??ωω??ωω++-+?-+--=+=c x t c x t E E E E 上式是沿x 轴方向的前进波，其圆频率为2/)(21ωω+，振幅为]2 )(2cos[2210??ω-+-?c x t E ，因为振幅以频率为πω4/?=?f 周期性地变化，所以被称为拍频波，f ? 称为拍频。如果将光频波分为两路，使其通过不同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差??与两路光的光程差L ?之间的关系仍由上式确定。当π?2=?时，?L=Λ,恰为光拍波长，此时上式简化为：Λ??=f c ，可见，只要测定了Λ和f ?，即可确定光速c 。为产生光拍频波, 要求相叠加的两光波具有一定的频差, 这可通过超声与光波的相互作用来实现。超声(弹性波)在介质中传播,使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化,就使介质成为一个位相光栅。当入射光通过该介质时发生衍射,其衍射光的频率与声频有关。具体方法有两种,一种是行波法,如图2（a ）所示,在声光介质与声源(压电换能器)相对的端面敷以吸声材料,防止声反射,以保证只有声行波通过介质。当激光束通过相当于位相光栅的介质时，使激光束产生对称多级衍射和频移,第L 级衍射光的圆频率为L ΩL +=0ωω,其中

关于光速测量的方法及其本质异同的报告77

关于光速测量的方法及其本质异同的报告小组成员：白美丹白云瑞郭佳昌郭丝丝贺小平王阳凡

关于光，那是我们每一个人都特别熟悉的。基于我们现在学习的理解，我们都知道光是一种电磁波，那即是这样，光也具有粒子性和波动性。那么光也有自己的速度，我们每天都在用光速解决问题。那么光速是怎么来的，它的数值那么大，怎么测量的？今天我们讨论讨论光速的测量史。一．光速的几种测量方法及其原理 1.罗默木星蚀法早在1676年丹麦天文学家罗默（1644—1710）首先测量了光速．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（上图中地球运行到轨道上的A和A’两点时）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。罗默很快意识到，如果认为光速是有限的话，这1000秒时间恰好对应光穿过地球轨道直径所需要的时间。那个时代，地球轨道直径被认为是大约2.76亿公里(正确值是约3.0亿公里)，因此罗默得到的光速比正确值略小，但作为对光速的第一次成功测量，罗默的方法被载入了史册。 2.布莱德雷光行差法 1728年，英国天文学家布莱德雷（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．布莱德雷在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周．他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化．他由此测得光速为： C=299930千米/秒 1725年，英国天文学家布莱德雷发现了恒星的“光行差”现象，以意外的方式证实了罗麦的理论。刚开始时，他无法解释这一现象，

兰州大学近物实验考题

近物实验面试考题试题（朋兴平；三个实验 17题）真空镀膜 1．真空镀膜原理； 2．加热烘烤基片对膜的质量有什么影响？ 3．基片性能、蒸发速度、蒸发时的真空度以及蒸发源与基片之间的距离等因素对膜的质量有什么影响？ 4．轰击的物理作用？ 5．真空镀膜的实验操作过程霍尔效应 1.什么是霍尔效应； 2.若导体中同时有两种极性的载流子参与导电，其综合霍耳系数比单一载流子导电的霍耳系数是增大还是减小，为什么？ 3.如何分离霍尔效应与其它效应？ 4.霍耳系数误差因子0.69的说明？ 5.实际测量与理论相差的原因？红外分光测量 1．产生红外吸收的条件是什么？是否所有的分子振动都会产生红外吸收铺？为什么？ 2．以亚甲基为例说明分子的基本振动形式。 3．何谓基团频率？它有什么重要性及用途？ 4．红外光谱定性分析的基本依据是什么？简述红外定性分析的过程。

5．影响基团频率的因素有哪些？ 6．何谓“指纹区”？它有什么特点和用途？ 7．已知HCl在红外光谱中吸收频率为2993cm-1，试求出H-Cl键的键力常数。红外光谱的用途？一. 真空的获得与测量（宋长安二个实验19个题）06.6 1．低真空获得过程中，用火花枪激发玻璃系统，呈现出紫色、分红色说明什么？2．低真空获得过程中，加热或激发被抽容器，压强升高说明什么？ 3．激发或加热“热偶规”，压强减小说明什么问题？ 4．低真空测量过程中压强起伏说明什么？ 5．扩散泵油间歇沸腾的物理原因是什么？ 6．前级泵能否将扩散泵油蒸汽抽走？为什么？ 7．如何观察扩散泵油蒸汽流的喷发射程？ 8．简述气体分子在高真空下的扩散过程。 9．突然停电或者结束机械泵的工作时，必须要做什么？ 10.操作高真空的测量。二. 汽液两相制冷机 1．F12冷凝器中发生的物理过程？ 2．F12蒸发器中发生的物理过程？ 3．环境温度对制冷机的影响？ 4．制冷剂用量对制冷效果的影响？ 5．工质的命名与定义？ 6．在什么情况下，压缩机吸气管会结霜？

光速测量实验报告(实验总结)参考

光速测量实验报告参考一、光及光速测量的发展史（一）古代中国对于光的认识 “景，光之人煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足敝下光，故景障内也。”——《墨经》（光的直线传播） “阳艘向日照之?则光聚向内，离镜一二寸，光聚为一点，大如麻寂，着物则火发；阳健面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”一一《梦溪笔谈》（小孔成像）（二）西方人对于光的认识崐神说，要有光，就有了光。一一《圣经》光是由发光体向四面八方射出的一种东西，这种东西碰到障碍物上就立刻被弹开。如果它偶然进入人的眼睛，就叫人感觉到看见使它最后被弹开的那个东西。――毕达哥拉斯（三）光在近代物理学发展过程中的认识光的颗粒说（1643-1727）——牛顿光的波动说（1635-1703）——胡克光是电磁波（1857-1894）――赫兹粒子说（1879-1955）——爱因斯坦二、究竟光是什么？现代科学的认为：光是一种人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。三、光速测量的方法

（一）伽利略首先提出了光速的测量，但失败了。（1607）（二）天文测定光速 1.罗默的卫星蚀法（1676） 2.布莱德雷的光行差法（1728）点评：由于当时天文仪器并无现在先进，且凭肉眼观察误差较大，所以测得的值都不精确（三）大地测定光速（以光行过的路程和时间得出速度c=s/t） 1.斐索旋转齿轮法（1849） 2.惠更斯旋转镜法（1834） 3.迈克尔逊旋转棱镜法（1926）点评：想要得到越精确的值，就要尽量增大s和t，故实际操作繁琐和精确度不大是必然的。（四）实验室测光速法（c= X ?） 1.埃森微波谐振腔法（1950） 2.激光法测光速点评：是目前最普遍也是最准确测量光速的方法，也是本实验的思想方法拍光法测光速【学习目标】 1.进一步理解光拍频的概念、掌握光拍频法测量光速的技术，了解声光调制器的应用； 2.体会到光速也是一个有限值，并了解光年是一个空间量； 3.进一步学习光路的调整和熟练示波器的使用。【实验原理及装置】 2. 1光拍的产生和传播血* 报摇掾劲迭扯廈逗.频蚤较小、速旻咱司的二司向传塔的就谐戒施迭扯即形或拍*考空预華分别为齐和f2傍差# = 並软小）的光束〔玫门假定它汨具有叩同閔振疇）“ E l=Ea^（ - 5=加邪心八-它们的迭加“ 爲話讣心胡巴二环丿卜红纠“半g 卜令型也出I a 丿￡■V C J ■ （1）是烧频率为僚;饯振碍为ZEcos +的前进浚.注意到巴的拽逼以频宴#二翌严周歩摊变化，所以我们称它为拍频忍“就是拍4' E：+E 汁

光速测量。。。

人类最早对于光速的测量始于伽利略。最早光速的准确数值是通过观测木星对其卫星的掩食测量的。还有转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法。1983年，光速取代了保存在巴黎国际计量局的铂制米原器被选作定义“米”的标准，并且约定光速严格等于299,792,458米/秒，此数值与当时的米的定义和秒的定义一致。后来，随着实验精度的不断提高，光速的数值有所改变，米被定义为1/299,792,458秒内光通过的路程。根据现代物理学，所有电磁波，包括可见光，在真空中的速度是常数，即是光速。强相互作用、电磁作用、弱相互作用传播的速度都是光速，根据广义相对论，万有引力传播的速度也是光速，且已于2003年得以证实。根据电磁学的定律，发放电磁波的物件的速度不会影响电磁波的速度。结合相对性原则，观察者的参考坐标和发放光波的物件的速度不会影响被测量的光速，但会影响波长而产生红移、蓝移。这是狭义相对论的基础。相对论探讨的是光速而不是光，就算光被稍微减慢，也不会影响狭义相对论。丹麦天文学家罗默从地球观测木卫一的掩蔽来测量光速。1676年奥勒·罗默使用望远镜研究木星的卫星艾欧的运动，第一次定量的估计出光速。艾欧的公转轨道可以用来计算时间，因为它会规律的进入木星的阴影中一段时间（图中的C至D）。罗默观测到当地球在最接近木星时（H点），艾欧的公转周期是42.5小时，当地球远离木星时（从L至K），艾欧从阴影中出现的时间会比预测的越来越晚，很明显的是因为木星与地球的距离增加，使得"信号"要花更多的时间传递。光要通过行星之间增加的距离，使得计时的信号在第一次和下一次之间因而延长了额外的时间。当地球向木星接近时（从F到G），情形则正好相反。罗默观测到艾欧在接近的40 个轨道周期中周期比远离的40个轨道周期缩短了22分钟。以这些观测为基础，罗默认为在80个轨道周期中光线要多花费22分钟行走艾欧与地球之间增加的距离。这意味着从L至K 和F至G，地球经历了80个艾欧轨道周期（42.5小时）的时间，光线只要花22分钟。这对应于一个地球在轨道上绕着太阳运动和光速之间的一个比例（如右图）。意味着光速是地球的轨道速度的9,300倍，与现在的数值 10,100倍比较，相差无几。在当时，天文单位的估计数值是大约1亿4千万公里。克里斯蒂安·惠更斯结合了天文单位和罗默的时间估计，每分钟的光速是地球直径的1,000倍，他似乎误解了罗默22分钟的意思，以为是横越地球轨道所花费的时间。这相当于每秒220,000公里（136,000英里），比现在采用的数值低了26%，但仍比当时使用其他已知的物理方法测得的数值为佳。艾萨克·牛顿也接受光速是有限的观念，在他1704年出版的书光学中，他提出光每秒钟可以横越地球16.6次（相当于210,000公里/秒，比正确值低了30%）。这似乎是他自己的推断（不能确知他是否有引用或参考罗默的数据）。罗默随后依据同样的原理观察木星表面上的斑点在自转周期上的变化，也观察其他三颗伽利略卫星的相同现象。但是因为这种观测是很困难的，因而日后被其他的方法所取代。. 即使如此，靠著这些观测，光速是有限的仍不能被大众满意的接受（著名的有吉恩·多米尼克·卡西尼），直到在詹姆斯·布雷德里（1728）的观测之后，光速是无限的想法才被扬弃。布雷德里推论若光速是有限的，则因为地球的轨道速度，会使抵达地球的星光有一个微小角度的偏折，这就是所谓的光行差，他的大小只有1/200度。布雷德里计算的光速为298,000公里/秒（185,000英里/秒），这与现在的数值只有不到1%的差异。光行差的效应在19世纪已经被充分的研究，最著名的学者是瓦西里·雅可夫列维奇·斯特鲁维和de:Magnus Nyrén。1849年，法国物理学家A.H.L.菲佐用旋转齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量，最早的结果为c=315000千米/秒。1862年，法国实验物理学家J.-B.-L.傅科根据D.F.J.阿拉戈的设想

LM2000A光速测定实验讲义(张1)(精)

实验一光速测量从17世纪伽利略第一次尝试测量光速以来,各个时期人们都采用最先进的技术来测量光速。现在，光在一定时间中走过的距离已经成为一切长度测量的单位标准，即“米的长度等于真空中光在1/299792458秒的时间间隔中所传播的距离.”光速也已直接用于距离测量,在国民经济建设和国防事业上大显身手，光的速度又与天文学密切相关，光速还是物理学中一个重要的基本常数，许多其它常数都与它相关。例如光谱学中的里德堡常数，电子学中真空磁导率与真空电导率之间的关系，普朗克黑体辐公式中的第一辐射常数、第二辐常数、质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等常数都与光速C 相关。一、实验目的 ⒈ 掌握一种新颖的光速测量方法 ⒉ 了解和掌握光调制的一般性原理和基本技术二、实验原理㈠位相法测定调制波的波长波长为0.65μm 的载波,其强度受频率为f 的正弦型调制波的调制,表达式为 ????? ???? ??-+=c x t f m I I π2cos 10 式中m 为调制度，cos2πf(t-x/c)表示光在测线上传播的过程中,其强度的变化犹如一个频率为f 的正弦波以光速c 沿x 方向传播,我们称这个波为调制波.调制波在传播过程中其位相是以2π为周期变化的.设测线上两点A 和B 的位置坐标分别为x 1和x 2,当这两点之间的距离为调制波波长λ的整数倍时,该两点间的位相差为 ()πλ π ??n x x 221221=-= - 式中n 为整数.反过来,如果我们能在光的传播路径中找到调制波的等位相点,并准确测量它们之间的距离,那么这距离一定是波长的整数倍. 设调制波由A 点出发,经时间t 后传播到A ′点,AA ′之间的距离为2D,则A ′点相对于A 点的相移为φ=wt=2πft,见图1(a).然而用一台测相系统对AA ′间的这个相移量进行直接测量是不可能的.为了解决这个问题,较方便的办法是在AA ′的中点B 设置一个反射器,由A 点发出的调制波经反射器反射返回A 点,见图1 (b).由图显见,光线由A →B →A 所走过的光程亦为2D,而且在A 点,反射波的位相落后φ=wt.如果我们以发射波作为参考信号(以下称之为基准信号),将它与反射波(以下称之为被测信号)分别输入到位相计的两个输入端,则由位相计可以直接读出基准信号和被测信号之间的位相差.当反射镜相对于B 点的位置前后移动半个波长时,这个位相差的数值改变2π.因此只要前后移动反射镜,相继找到在位相计中读数相同的两点,该两点之间的距离即为半个波长. 调制波的频率可由数字式频率计精确地测定,由此可以获得光速 C=λ·f (1) (二)影响测量准确度和精度的几个问题用位相法测量光速的原理很简单,但是为了充分发挥仪器的性能,提高测量的准确度和精度,必须对各种可能的误差来源做到心中有数.下面就这个问题作一些讨论. 图1 位相法测波长原理图

光速测量实验报告

光速测量实验报告光拍法测量光速【实验名称】光拍法测量光速【实验目的】1( 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法。 2( 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。【实验仪器】CG-IV型光速测定仪，示波器，数字频率计【实验原理】根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E0、圆频率分别为和(频差较小)的二光束: ,,,,,,,,1212 E,Ecos(,t,kx，,) E,Ecos(,t,kx，,) 1011120222 式中，为波数，和为初位相。若这两列光波的偏振方向相同， k,2,/,k,2,/,,,112212 则叠加后的总场为: ,,，，,,,,,,,,xx，，，，12121212EEEEtt ,，,2cos(,)，，cos(,)，120,,,,cc2222，，，，上式是沿x轴方向的前进波，其圆频率为，振幅为(,，,)/212 ,,,x,,，，12Et，因为振幅以频率为周期性地变化，所以 E2cos(,)，,f,,,/4,0,,c22，，被称为拍频波，称为拍频，为拍频波的波长。 ,,,,,c/,f,f 实验通过实验装置获得两束光拍信号，在示波器上对两光拍信号的相位进行比较，测出两光拍信号的光程差及相应光拍信号的频率，从而间接测出光速值。假设两束光的光程差为L，对应的光拍信号的相位差为，当二光拍信号的相位差为2π时，即光程差为光拍波,,'

,,的波长时，示波器荧光屏上的二光束的波形就会完全重合。由公，，c,,,,,f,L,2F便可测得光速值c。式中L为光程差，F为功率信号发生器的振荡频率。【实验步骤】1，观察实验装置，打开光速测定仪，示波器，数字频率计电源开关。 2，调节高频信号源的输出频率(15MHZ左右)，使产生二级以上最强衍射光斑。 3，用斩光器挡住远程光，调节全反射镜和半反镜，使近程光沿光电二极管前透镜的光轴入射到光电二极管的光敏面上，这时，示波器上应有与近程光束相应的经分频的光拍波形出现。 4，用斩光器挡住近程光，调节半反镜、全反镜和正交反射镜组，经半反射镜与近程光同路入射到光电二极管的光敏面上，这时，示波器屏上应有与远程光光束相应的经分频的光拍波形出现。 5，示波器上这时有两列波出现，移动导轨上A的滑块，记下此时A的位置，然后移动滑块B，让两列波完全重合，记下滑块B的位置。 6，重复步骤5，然后再记下数据。【实验数据与处理】 f=75.0035MHZ (mm) (mm) ，，，，D0D0AB 80.0 548.0 548.1 548.2 548.0 548.0 (mm) (mm) ，，，，D2,D2,AB 420.0 209.1 208.8 209.0 209.3 208.8 ，，，，，，，，，，，，L,2，D2,,D0，2，D2,,D0BBAA ，，D2,=(209.1+208.8+209.0+209.3+208.8) 5=209.0mm ,B ，，D0=(548.0+548.1+548.2+548.0+548.0)5=548.06mm ,B 1.88mm ，，，，L,2，209.00,548.06，2，420.0,80.0, 68c==1.88，，，2，75.0035，10=m/s ，，L，2F2.820，10 883.0，10,2.820，10,,=6.0% 83.0，10

近代物理实验期末考试试题及答题要点

近代物理实验期末考试试题及答题要点 1.（实验名称：核衰变的统计规律）（1）测量G-M 计数管的坪曲线目的是什么？（2）某学生用G-M 计数管探测到某一放射源放射的粒子，每次测量的时间为30秒，共测量100次，测量数据如下表所示；用χ2检验方法判断测量结果是否服从泊松分布（2 19.49αχ-=）。已知泊松分布的概率函数式为： ()P n =! n m m e n - 。【答题要点】 (1) 检验G-M 管是否正常和确定工作电压。 (2) m=2.51，选用皮尔逊统计量作X 2检验，考虑到计算X 2值时每个区间的频数不能太少，于是把5i k >以上的数据合为一个区间，其余数据均可单独作为一个区间。因,100 i i E NP N ==则 0 2.511 2.51(0)1008.1!0! m k m E k N e e k --===?= 1 2.512 2.51(1)10020.41! E k e -==?= 同理可得3(2)25.5E k ==；4(3)21.3E k ==；5(4)13.4E k ==；6(5)11.3E k >=可求得： 2 6 21() 2.12i i i i N E E χ=-==∑ 选定显著水平 a=0.05，查X 2分布表得2 19.49αχ-=。由于22 1αχχ-<,故可判断观测结果与泊松分布无显著差异。 2.（实验名称：高真空的获得与测量）（1）真空的基本特点：1） 2） 3）。（2）衡量真空泵的两个重要指标是：和。（3）某一真空系统当用机械泵抽到1.2×10-1 Pa 后打开扩散泵，几分钟后真空度开始下降，直到几十Pa ，后又开始上升直到小于1×10-2Pa 。请解释这一现象。【答题要点】（1）真空空间气体分子密度极小，仅为大气压下分子密度的万亿分之一；气体分子或带电粒子的平均自由程极长；气体分子与固体表面碰撞的频率极低。（2）极限压强; 抽气速率（3）首先是油受热体积膨胀致使压强增大，真空度下降；当油蒸气遇到冷却水冷凝后，压强变小，真空

光速测量实验报告

光速测量实验报告实验目的： 1. 了解和掌握光调制的基本原理和技术 2. 学习和使用示波器测量同频正弦方波信号相位差的方法 3. 测量光在空气中的速度实验仪器：激光器、信号发生器、光接收器、示波器、反射镜等实验原理相位φ=κ*d ，其中φ为相位差，κ为波数，d 为光程差。实验采用平面镜改变光程差d,实验中可以通过测量平面镜之间的距离来确定光程差d 。信号发生器为直流方波输出，则激光器发出激光脉冲。激光接收器收到激光信号后输出基频信号，且输出的信号为一正弦波，前后移动平面反射镜的距离，并测出移动的距离进而测出光程差Δd,由于光程差的改变，则信号反射光的信号的相位发生变化，由示波器上可以确定时间t1和t2，计算出时间差Δt=∣t1-t2∣，所以光速c=Δd/Δt 。下面是测量图： 1. 预习实验的内容，了解实验的目的，理解实验的原理，思考应当怎样把实验做好，实验过程中都要做什么，同时，复习一下示波器一些基本的使用和各个按键的功能。为实验做好准备工作。 2. 实验前，认真读完实验仪器的操作说明，了解实验仪器的基本结构，以及实验仪器各部分在实验中的功能和作用，分析实验中应该怎样正确的使用仪器，进入实验状态。 3. 在对实验分析的基础上，正确的连接线，把实验仪器连接摆放好 4. 调试实验仪器，由于如果反射镜离的太远，不利于实验中对实验仪器的调试，因此，在调试仪器阶段应当使反射镜离激光器近。同时，反射镜，激光器，信号接收器应该保持在同一水平面上。由信号发生器发出一矩形方波，作用在激光器上使激光器发出光脉冲，由反射镜反射的信号由接收器转换成正弦波，把正弦波与方波同时输入示波器，由于方波是很稳定的不随反射镜位置的变化，把触发信号选择成方波。 5. 选择合适的反射镜位置作为基点，然后移动反射镜的位置，测量实验数据Δd 和Δt ，处理实验数据，可以用线性来求。示波器信号发生器激光接收器激光器平面反射镜 Δd

光拍法测量光速(教案)

光拍法测量光速从17世纪伽利略第一次尝试测量光速以来，各个时期人们都采用最先进的技术来测量光速。现在，光在一定时间中走过的距离已经成为一切长度测量的单位标准，即“米的长度等于真空中光在299792458/1秒的时间间隔中所传播的距离”。光速也已直接用于距离测量，在国民经济建设和国防事来上大显身手，光的速度又与天文学密切相关，光速还是物理学中一个重要的基本的常数，许多其它常数都与它有关，例如光谱学中的里德堡常数，电子学中真空磁导率与真空电导率之间的关系，普朗克黑体辐射公式中的第一辐射常数，第二辐射常数，质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等都与光速c 相关。正因为如此，巨大的魅力把科学工作者牢牢地吸引到这个课题上来，几十年如一日，兢兢业业地埋头于提高光速测量精度的事业。 [目的] 1.了解声光频移法获得光拍的方法。 2.掌握光拍法测光速的原理和实验方法。 3.熟练掌握用光速测定仪测量光速的技术。本实验是采用高频声光器件，利用声光频移效应产生150MHz 的拍频波，移动反光镜，用示波器比较近程光与远程光的相位差，求得拍频波的波长和频率，测得光的传播速度。 [仪器] 光速测量仪（LM2000C ）（包括光学系统及光路系统）、多功能等精度频率计（HC-F1000L ）、示波器（YB4320）。 [原理] 1．光拍的产生和传播根据振动的迭加原理，频差较小、速度相同的二同向传播的简谐波相迭加即形成拍。考虑频率分别为1f 和2f （频差21f f f -=?较小）的光束（为简化讨论，我们假定它们具有相同的振幅）： )cos(1111?ω+-=x k t E E )cos(2222?ω+-=x k t E E 它们的迭加 ]2 )(2cos[]2)(2cos[ 22 121212 121??ωω??ωω++-+?-+--=+=c x t c x t E E E E s （1）是角频率为 2 2 1ωω+，振幅为]2 )(2 cos[ 22 12 1??ωω-+--c x t E 的前进波。注意到s E 的振幅以频率π ωω22 1-= ?f 周期地变化，所以我们称它为拍频波，f ?就是拍频，如图一所示：

光拍频测量光速实验

近代物理学实验报告 —光拍频法测量光速实验组员：付静静091204121 陈聪091204120 实验班级：电信科学091班指导老师：李鸣 2011-12-15

一、实验目的 1、掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一定初步了解； 2、通过测量光拍的波长和频率来确定光速。二、实验原理根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加若有振幅相同为E0，圆频率分别为E1和E2（频差较小）的两光束：这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： , 上式是沿x 轴方向的前进波，其振幅为 ?? ??? ?++ ??? ?? -+?????? ?-+??? ?? --=+=22cos 22cos 22121212 1 021????????c x t c x t E E E E

因为振幅以频率为，周期性地变化，所以被称为拍频波，称为拍频，如果将光拍频波分为两路，使其通过同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差，两路光的光程差，之间的关系仍由上式确定，当时，恰为光拍波长，则：三、实验安装 1. 滤波放大器由于He-Ne 激光器的噪声（噪声谱在25MHz 以下）和频移光束之中频率成分很复杂，致使光拍信号被淹没在噪声中，无法观察。采用声表面波滤波器有效地抑制噪声，获得纯净的中心角频率为2Ω的光拍信号。滤波放大器方框图如图五所示。 ?? ? ???-+??? ??-?22cos 2210???c x t E π ? 4?=?f f ???L ?π ?2=?Λ=?L f c 图五滤波放大器方框图

光拍频波和光速测量

一、实验目的 1．理解光拍频概念及其获得。 2．掌握光拍法测量光速的技术。二、实验原理光拍频法测量光速是利用光拍的空间分布,测出同一时刻相邻同相位点的光程差和光拍频率,从而间接测出光速。 1、光拍的产生和接受根据振动迭加原理，两列速度相同,振面和传播方向相同,频差又较小的简谐波迭加形成拍。假设有两列振幅相同(只是为了简化讨论)、角频率分别为ω1和ω2的简谐拨沿x 方向传播。 10111cos()E E t k x ω?=-+ 20222cos() E E t k x ω?=-+ k 1=2π/λ1，k 2=2π/λ2称为波数，?1和?2称为初位相，这两列简谐波迭加后得： 1 2 1212 121202cos cos 2222x x E E E E t t c c ωω??ωω??--++????? ?? ?=+=-+ -+ ? ???? ? ? ? ? ?? ?? ? （1） E 是以角频率为12 2 ωω+，振幅为12122cos 022x E t c ωω??--?? ??-+ ?? ????? 的前进波。注意到其振幅是以角频率12 2 ωωω-?= 随时间作周期性的缓慢变化。所以称E 为拍频波，其中 12 2 F ωωωπ-?==?,F ?称为拍频。s λ?是拍的波长。 2、相拍二光束的获得假设超声波()(),cos 0u y t u t k y s s ω=-沿y 方向以行波传播,它引起介质在y 方向的应变为： ()() 00sin sin s s s s s u S u k t k y s t k y y ωω?= =-=-? （2）若介质y 方向的宽度b 恰好是超声波半波长的整数倍,且在声源相对的端面敷上反射材料,使超声波反射,在介质中形成驻波声场,(),2cos cos 0u y t u t k y s s ω=g ，它使介质在y 方向的应变为： 002cos sin 2cos sin s s s s s u S u k t k y s t k y y ωω?=- ==? （3）即用同样的超声波源激励,驻波引起的应变量幅值是行波的两倍,这样光通过介质产生衍射的强度比行波法强的多,所以本实验采用驻波法。

光导纤维中光速的测定

光导纤维中光速的测定【目的要求】 1.学习光纤中光速测定的基本原理 2.了解数字信号电光/光电变换及再生原理 3.熟悉数字相位检测器原理、特性测试方法 4.掌握光纤光速测定系统的调试技术【仪器设备】 1．OFE—A型光纤传输及光电技术综合实验仪一套 2．双迹示波器一台【实验原理】光纤中光速的测定是一个十分有趣的实验，通过这一实验能使学生亲身感受到光在介质中传播的真实物理过程和深刻了解介质折射率的物理意义。在通常的光纤光速测量系统中，对被测光波均采用正弦信号对光强进行调制。在此情况下，为了测出调制光信号通过一定长度光纤后引起的相位差，必须采用较为复杂的由模拟乘法电路及低通滤波器组成的相位检测器，这种相位检测电路的输出电压不仅与两路输入信号的相位差有关，而且也与两路输入信号幅值有关。这里提出一种采用方波调制信号，应用具有异或逻辑功能的门电路进行相差测量的巧妙方法。由这种电路所组成的相位检测器结构简单、工作可靠、相位——电压特性稳定。在光纤折射率n1已知（或近似为1.5）的情况下，利用这种方法还可测定光纤长度。一、光纤传光原理及光在光纤中的速度光导纤维的结构如图1示，它由纤芯和包层两部分组成，纤芯半径为α，折射率为n1（p），包层的外半径为b，折射率为n2，且n1(p)> n2。从物理光学的角度考虑，光波实际上是一种振荡频率很高的电磁波，当光波在光导纤维中传播时，光导纤维就起着一种光波导的作用。应用电磁场理论中Ｅ矢量和H矢量应遵从的麦克士威尔方程及它们在芯纤和包层面处应满足的边界条件可知：在光导纤维中主要存在着两大类电磁场形态。一类是沿光纤横载面呈驻波状，而沿光导纤维轴线方向为行波的电磁场形态，这种形态的电磁场其能量沿横向不会辐射，只沿轴线方向传播，故称这类电磁场形态为传导模式；另一类电磁场形态其能量在轴线方向传播的同时沿横向方向也有辐射，这类电磁场形态称为辐射模。利用光导纤维来传输光信息时就是依靠光纤中的传导模式。随着光导纤维芯径α的增加，光导纤维中允许存在的传导模式的数量也会增多，纤芯中存在多个传导模式的光纤称为多模光纤；当光纤芯径小到某一程度后，纤芯中只允许称为基模的一种电磁场形态存在，这种光纤就称为单模光纤。目前光纤通讯系统上使用的多模光纤纤芯直径为

用光拍频法测量光速

用光拍频法测量光速光速一般是指光在真空中的传播速度，实验测得各种波长的电磁波（广义的光）在真空中的传播速度都相同。据近代的精确测量，光速为。它是自然界重要常数之一。近代物理学理论的两大支柱之一——爱因斯坦的相对论，是建立在两个基本“公设”之上的，这两个公设之一就是“光在空虚空间里总是以确定的速度v 传播着”s m /102.997924588×1，即通常所说的真空中光速不变。由麦克斯韦电磁理论得到电磁波在真空中的传播是一个恒量，通过电磁学测出的这一恒量与实际测定的光速十分接近，于是麦克斯韦提出了光的电磁理论，认为光是在一定频率范围内的电磁波。1887年的“迈克尔逊——莫雷实验”表明光速在任何惯性系都是不变的。爱因斯坦采用了麦克斯韦的理论作为他相对论的基础之一，而迈克尔逊——莫雷实验是相对论的重要实验基础。目前光速测量技术，如光脉冲测量法、相位法等，还用于激光测距仪等测量仪器。实验目的 1. 理解光的拍频概念。 2. 掌握拍频法测量光速的技术。实验原理 1．光拍的产生和传播两个同方向传播、同方向振动的简谐波，如果其频率差远小于它们的频率时，两波迭加即形成拍。考虑满足上述条件的两束光，频率为f 1 和f 2 ,且f f f 12?<<1 及f f f 12?<<2 ，设两光强相等，初相为 0，沿 x 方向传播： )(cos )(cos 202101c x t E E c x t E E ?=?=ωω （1） 1 爱因斯坦 “论动体的电动力学”，1905年9月

可推导出合成波E s 的方程： )](22cos[)](22cos[2 )](2cos[)](2cos[ 212120121 202 1c x t f f c x t f f E c x t c x t E E E E s ?+???=?+???=+=ππωωωω （2）可见合成波是频率为 2)(12f f + ，振幅为222021E f f t x c cos[()]π?? 的行波。注意到在传播方向x 上，任何一个确定点上E s 的振幅以频率()f f 212? 周期地变化，所以我们称它为光拍频波，如图（1）所示。图（1）拍频波使用光敏二极管接收任何光信号时，光敏二极管输出的光电流与光强的平方，即电场强度的平方成正比。对于合成波E s ，光敏二极管在空间一点检测，其输出的光电流为 20s kE i = (3) 其中k 为由光敏二极管特性所决定的系数。将式（2）代入式（3），可以得到光电流 i 0 )](2cos 2 1)(2cos 21 ) )(cos( ) )(cos(1[2112122 00?ω?ω?ωω?ωω?+?+?+????=t t t t kE i （4）其中?=x c 。由式（4）可知，光电流应由直流分量、i 012f f ?、、和等频率成分组成。但由于光敏二极管能够输出的光电流信号频率远远低于、2 和12f 22f 12f 12f f +2f f f 2+1，因此这些项不会在光电流中出现。滤去直流分量后得到的光电流为 i 0

实验论文：光速的测定

普通物理实验III 课程论文题目光速的测定学院物理科学与技术学院专业物理学类（师范）年级2014 级学号222014315231012 姓名张坷指导教师邓涛论文成绩答辩成绩 2015年12 月18日

光速的测定张坷西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715 摘要：光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义。它不仅推动了光学实验的发展，也打破了光速无限的传统观念。本实验将采用一种新颖的方法来精确的测量光速，即通过测调制波的波长和频率来间接测定光速，方便又准确。关键词：光速；位相法测波长；差频法测相位引言：光速的测定在16世纪第一次被测量，随着各个时期仪器和技术不断的提高，光速的真实数值的精确度也在不断的提高。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1/299792458秒的时间内所传播的距离为长度单位米（m）。这样光速的精确值被定义为c=299,792,458m/s。光速不仅是与天文学密切相关，还是物理学中一个重要的基本常数，如光谱学中的里德堡常数，电子学中真空磁导率与真空电导率之间的关系等等。正是因为光速涉及着广泛的学科领域，才吸引着更多的学者去尝试提高光速的测量精度。一、实验目的 1．了解和掌握光调制的一般性原理和基本技术。 2．通过测量调制波的波长和频率来确定光速。二、实验原理（一）利用波长和频率测速度我们知道光速C=λ·ｆ。由于光的频率很高，直接测量光的速度还在技术上存在很多困难。如图1所示，假设第一列波为光波，其频率f很高，第2列波为调制在光波上的调制波，其频率f很高，第2列波为调制在光波上的调制波，其频率f比光波底很多。从图中可以看出，调制波的传播速度就是光波的传播速度，这样就有： C=λ′·f′（1）由于调制波的频率f比光波的频率低很多，所以很容易精确测定，本实验f为100MHz，实验的关键在于测量调制波的波长λ′。