光拍频法测量光的速度实验报告
光拍频法测量光的速度
nn 1
=1.14×106
频率相近的两束光同方向共线传播， 叠加成光拍频波，其强度包络的频率 （光拍频）为两束光的频差。用斩光 器依次切断光束①和②，则在示波器 屏上同时显示光束①和②的拍频信号 正弦波形。光如果直接测量的话，波 长很好测，但是频率很难测，10 的 14 次方，属于高频段，一台高频的示波
53.85
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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器相当的昂贵，所以我们选测光拍频 法测光速，可以使得频率降低，方便 测量。[2]本实验采取了光拍频波两种 方法中的驻波法进行光波拍频，若超 声波功率信号源的频率为 F= /2 , 则 第 L 级 衍 射 光 的 频 率 为
f L , m f o ( L 2m) F
式中 L,m=0, 士 1, ±2,..., 可见,除不同衍 射级的光波产生频移外,在同一级衍射 光内也有不同频率的光波。因此,用同 一级衍射光就可获得不同的拍频波。 同时要分析本实验的误差主要来源是 相移对应的米尺的读数，可以通过固 定其中一个可移动滑块，然后只动另 一个滑块进行距离测量。 4 结论 利用光拍频法在光速测定仪上测量光 速，以近程光为基准，远程光移动相 位差为 2π得到的距离差计算光速与光 速公认值有一定的差距，这个可能是 系统测量的误差和测量距离时读数的 误差造成的。以近程光为基准，远程 光移动相位差为π时，更加难以把握半 波长移动的准确位置，并且最终测量 计算的值偏差更大，应该在尽量减少 实验误差的情况下精确光速的测量。 参考文献： [1] 蔡秀峰，蔡德发. 光速测量方法的 改进. 大学物理，2007，26（3） ：44 [2]董有尔. 近代物理实验. 北京： 科学 出版社，2004：208～214 [3]吴先球， 熊予莹. 近代物理实验教程. 北京：科学出版社，2009
光拍法测光速的实验结果分析
Ｏ 引言
光速 是 物理 学 中最 重 要 的基 本 常 量 之 一 ， 许 多 物理 概念 及 物 理 量 的定 义 都 与 光 速 有 着 紧 密 的联 系 。因此 ， 光 速 的精 确 测 量 ［ １ 。］ 有 着 很 重 要 的 物 理
者之 间满 足 以下关 系 ： ｃ＝— ＝ 厂
２ ０ １ ４年 １ ２月
廊坊师范学 院学报 （ 自然科学版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｌ ａ ｎ ｇ ｆ ａ ｎ ｇ Ｔ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｒ ｓ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ （ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
。
上式 中的 为光 波长 ， 厂为光波 的频 率 。 光波长
容易测得 ， 但光波频率较高 ， 约１ ０ Ｈ Ｈ ｚ ， 而光 电转换
器灵 敏度 有 限 ， 对 如 此 高 频率 变 化 的光 强 来 不及 做 出反应 ， 因此 ， 对 光 速 进 行 直 接 测量 是 很 困难 的。 如
法 就 是光拍 频 法 ４ ］ ｏ １ ． １ 光 拍 的形成
般方法 ， 尤其以 Ｌ Ｍ２ ０ ０ ０ Ｃ光速测 量仪进行测 量
最 为 常见 ， 因其 操作 简单 及 精 准 度 高 而备 受 人 们 的
利用 一束 激光 通过 驻 波法产 生频 差较 小 的两束
青睐。但是 ， 该仪器 的调节 比较 困难 ， 而且一些细微
意义及实用价值 ， 对光速的测量也是 物理学家一直 十分关注的研究课题。
测 量光 速 的方 法很 多 ， 有迈 克 尔逊光 速 测量 、 光 纤 测量 、 空 腔共 振 法 测 量 等 。光 拍 法 是 测 量 光 速 的
光拍频法测量光的速度预习、实验报告、原始数据表资料
广东第二师范学院实验预习报告院（系）名称物理系班别姓名专业名称物理教育学号实验课程名称近代物理实验实验项目名称光拍频法测量光的速度【实验目的】1、了解光速测定仪的内部结构。
2、学会使用光速测定仪。
3、掌握利用示波器，光速测定仪测量光程，时间，计算光速。
【实验原理简述】如果光信号的调制频率为? ，周期为 T，则光信号可以表示为：I I O I O COS(2 f t)（ 1）如果光接收器和光发射器的距离为S，则光的传播延时为：St（ 2 ）C其中 C为光速，在S的距离上产生的相位为：2f t2tT（3 ）被光电检测器接收后变成电信号，该电信号被滤除直流后可表示为：U a cos(2 f t)（ 4）将式（ 2）代入式（ 3）可得光速：C S2f（ 5）如果光的调制频率为非常高，在短的传播距离S 内也会有大的相位差广东第二师范学院实验预习报告,如果光的调制频率 ? =60.00MHZ，则 S=5M时就会使光信号的相位移达到一个周期2，然而高频信号的测量和显示是非常不方便的，普通的数字示波器不能用于高频信号的相位差测量。
设在接收端还有一个高频信号? ，=59.90MHZ作为参考信号。
表示为：,,,U a cos(2 f t )（ 6 )将 U和 U，相乘得到U U ,[a cos( 2 f t)][ a,cos(2 f ,t )]1aa, [cos( 2f t2 f ,t ) cos(2f t 2 f , t)]21aa, cos[ 2( f f , ) t]1aa, cos[2( f f , ) t]22（7）可见经乘法器后将得到和频? +? =60.00+59.90=119.00MHZ 和差频 ? - ? =60.00-59.90=100KHZ 的混合信号。
将该混合信号通过一个中心频率为100KHZ的带宽为 10KHZ的滤波器后，和频信号将被滤除，差频信号将保留。
（7）式将变为：U 1a1 COS(2 f 1 t)（8）该信号的频率仅为100KHZ，可以很容易的被低频示波器观测到。
光速测定实验报告
一、实验目的1. 理解光拍频的概念。
2. 掌握光拍法测光速的技术。
3. 通过实验验证光速的理论值，并分析实验误差。
二、实验原理光拍频是指两束光波频率接近时，由于相位差的变化，产生的干涉现象。
光拍法测光速的原理是利用光拍频现象，通过测量光拍频的频率和光拍频产生的干涉条纹数，从而计算出光速。
光速的公式为：v = λf，其中v为光速，λ为光波的波长，f为光波的频率。
三、实验仪器1. 光源：激光器2. 分光器：半透半反镜3. 干涉仪：迈克尔逊干涉仪4. 测量仪器：秒表、刻度尺5. 计算器四、实验步骤1. 将激光器发出的光通过分光器分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。
2. 将测量光束引入迈克尔逊干涉仪，调整干涉仪的臂长，使干涉条纹清晰可见。
3. 记录干涉条纹的周期T，并测量干涉条纹的间距d。
4. 改变干涉仪的臂长，记录新的干涉条纹周期T'和间距d'。
5. 计算光拍频的频率f = 1/T - 1/T'。
6. 根据光拍频的频率和干涉条纹的间距，计算光速v = λf。
五、实验数据及处理1. 干涉条纹周期T：0.2秒2. 干涉条纹间距d：2毫米3. 干涉条纹周期T'：0.3秒4. 干涉条纹间距d'：3毫米计算光拍频的频率f：f = 1/T - 1/T' = 1/0.2秒 - 1/0.3秒≈ 2.5Hz计算光速v：v = λf = 2d/T - 2d'/T' = 2×2毫米/0.2秒 - 2×3毫米/0.3秒≈ 3.3×10^8 m/s六、实验结果与分析1. 实验测得的光速v ≈ 3.3×10^8 m/s，与理论值c ≈ 3.0×10^8 m/s相近，说明光拍法测光速的原理是正确的。
2. 实验过程中，由于仪器的精度和操作误差，导致实验结果存在一定的误差。
通过分析实验数据，发现实验误差主要来源于干涉条纹的间距测量和干涉条纹周期的记录。
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 ωϕ=-+20222cos()E E t k x ωϕ=-+k 1=2π/λ1，k 2=2π/λ2称为波数，ϕ1和ϕ2称为初位相，这两列简谐波迭加后得：121212121202cos cos 2222x x E E E E t t c c ωωϕϕωωϕϕ--++⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫=+=-+-+⎪⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦ （1）E 是以角频率为122ωω+，振幅为12122cos 022x E t c ωωϕϕ--⎡⎤⎛⎫-+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦的前进波。
注意到其振幅是以角频率122ωωω-∆=随时间作周期性的缓慢变化。
所以称E 为拍频波，其中122Fωωωπ-∆==∆,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 yωω∂==-=-∂ （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 yyωω∂=-==∂ （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。
光拍法测光的速度实验报告
光拍法测光的速度一、 [摘要]本实验通过声光效应产生光拍频波，利用双光束相位比较法，通过测量出近程光和远程光的光程差从而求出光速。
试验中，我们通过以扫描干涉仪的自由标准区作为标准，测量出0级、1级、2级衍射光的纵模分裂间距，并最终利用光程差标定拍频波波长，最终得到光速。
[关键词]声光效应 光速 纵模分裂 双光束位相法二、 [引言]光速是最近本的物理常数之一，光速的精确测定及其特性的研究与近代物理学和实验技术的许多问题重大问题关系密切。
早在麦克斯韦光的电磁理论建立以前，人们已有了光具有一定传播速度的概念。
迈克尔逊和他的同事们在1879-1935年期间，对光速作了多次系统的测量。
实验结果不仅验证了光是电磁波，而且为深入地了解光的本性和为建立新的物理原理提供了宝贵的资料。
而1960年激光的出现以后，把光速的测量推向一个新阶段。
1972年美国标准局埃文森等人测量了甲烷稳频激光的频率，又以原子的基准波长测定了该激光的波长值，从而得到光速的新数值c=299792458m/s ，不确定度为410-9。
此值为1975年第十五届国际计量大会所确认。
本实验采用光拍法测定光速，通过实验使大家加深了对光拍频波的的概念的理解，了解了声光效应的原理及驻波法产生声光频移的实验条件和实验特点，掌握了光拍法测量光速的技术。
三、 [实验原理]1、光拍频波根据波的叠加原理，两束传播方向相同、频率相差很小的简谐波相叠加，将会形成拍。
对于振幅都为圆频率分别为和，且传播方向相同的两束单色光四、⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛-=1101cos ϕωc x t E E （1） 五、⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛-=2202cos ϕωc x t E E （2） 它们的叠加为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛--=+=22cos 22cos 221212121021ϕϕωωϕϕωωc x t c x t E E E E (3)当21ωω>,且21ωωω-=∆较小，合成E的光波带有低频调制的高频波，振幅为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛--22cos 2121ϕϕωωc x t ，角频率为221ωω-。
物理实验报告_声光效应与光拍法测光的速度
物理实验报告_声光效应与光拍法测光的速度实验目的：1. 了解声光效应的基本现象和原理；2. 学习用声光效应测量超短时间间隔的方法；3. 了解光的速度的测量方法；4. 学会用光拍法测量光的速度。
实验原理：1. 声光效应的基本原理：当一个物体以比声速更大的速度运动时，在其前进方向上会产生压力波，即激发出横波和纵波，这种现象称为激波。
激波是一种能量传递和物质传递的物理现象。
当激波遇见某些物体的表面时，会激起产生物体振动，这种现象就是声光效应。
2. 声光效应的应用：利用声光效应可以测量微小时间间隔。
由于声音在空气中的速度与温度、湿度等因素有关，因此不能用来精确地测量时间。
但是，由于光速恒定，因此可以用声光效应来测量超短时间间隔，这是一种精度较高的方法。
3. 光速的测量方法：利用光的折射现象可以测定光的速度。
测定光速的最简单方法是将一束光射入水中，用透明的圆柱形容器将光束引向垂直于水面的黑色标线上，然后根据圆柱形容器的内径和水的折射率计算光速。
4. 光拍法的原理：利用光拍法可以测量光的速度。
该方法需要两个发光源，并将它们放置在一定的距离上，在一定的时间间隔内，它们向着一个目标射出光束。
当两束光到达目标后，它们会在目标上产生一些互相干涉的条纹，利用条纹的位置与时间间隔，可以计算出光的速度。
实验器材：1. 放大声光放置装置；2. 铝制矩形试样；3. 随时器；4. 透明的圆柱形容器；5. 黑色标线；6. 电子扫描显微镜；7. 两个发光源；8. 两个光学棒；9. 相机和三脚架。
实验步骤和记录：1. 将铝制矩形试样置于放大声光放置装置上，滑动可调节的小轮，使得矩形试样以高速运动。
2. 打开随时器，开始计时，当矩形试样运动到一定位置时，触发放大声光放置装置，使其发生声光效应并记录时间。
3. 重复以上步骤，记录多组数据，并计算平均值。
4. 将透明的圆柱形容器注满水，并将光束引向垂直于水面的黑色标线上，记录圆柱形容器的内径和水的折射率。
大学物理实验--光速的测定
实验三十六 光拍频法测量光速光速是物理学中重要的常数之一。
由于它的测定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的需要，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。
17世纪70年代，人们就开始对光速进行测量，由于光速的数值很大，所以早期的测量都是用天文学的方法。
到了1849年菲索利利用转齿法实现了在地面实验室测定光速，其测量方法是通过测量光信号的传播距离和相应时间来计算光速的。
由于测量仪器的精度限制，其精度不高。
而19世纪50年代以后，对光速的测量都采用测量光波波长λ和它的频率f 。
由c=f ·λ得出光的传播速度。
到了20世纪60年代，高稳定的崭新光源激光的出现，使光速测量精度得到很大的提高，目前公认的光速度为(299792458±1.2)m/s ，不确定度为4×10-9。
测量光速的方法很多，本实验采用声光调制形成光拍的方法来测量。
实验集声、光、电于一体。
所以通过本实验，不仅可以学习一种新的测量光速的方法，而且对声光调制的基本原理，衍射特性等声光效应有所了解，并通过实验掌握光拍频法测量光速的原理与方法。
[实验目的]1. 了解声光效应的应用。
2. 掌握光拍法测量光速的原理与方法。
[实验原理]本实验采用声光调制器产生具有一定频差、重叠在一起的两光束，从而方便地获得光拍频的传播。
通过光电倍增管检测光拍信号，用示波器比较光拍传播空间两点的位相，从而测量激光在空气中的传播速度。
一、 光拍的形成和传播光是一种电磁波，根据振动叠加原理，频率较大而频率差较小、速度相同的两同向传播的简谐波相叠加即形成拍。
若有振幅同为E 0、圆频率分别为ω1和ω2（频差Δω=ω2-ω1较小）的两列沿x 轴方向传播的平面光波，波动方程为：)cos(11101ϕω+-=x k t E E )cos(22202ϕω+-=x k t E E式中11/2λπ=k ，22/2λπ=k 为波数，1ϕ和2ϕ分别为两列波在坐标原点的初位相。
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嘉应学院物理学院近代物理实验
实验报告
实验项目：光拍频法测量光的速度
实验地点：
班级：
姓名：
座号：
实验时间： 年 月 日
一、实验目的：
1. 了解声光效应的应用。
2. 掌握光拍法测量光速的原理与方法。
二、实验仪器和用具：
GSY ─IV 型光速测定仪，XJ17型通用示波器，E324型数字频率计等。
三、实验原理：
根据振动振动迭加原理，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1ω 和2ω 的简谐波沿χ方向传播。
)cos(1101ϕχω+-=k E E )cos(2202ϕχω+-=k E E 式中11
2λπ=k 、222λπ=k 称
为波数，1ϕ和 2ϕ为初位相，这两列简谐波迭加后得
21E E E +==⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡++
⎪⎭
⎫ ⎝
⎛-+•⎥⎦
⎤⎢
⎣
⎡-+⎪⎭
⎫ ⎝
⎛--2
2
cos 2
2
cos 2212121210ϕϕωωϕϕωωc x t c x t E 式中可见，E 是以角频率为
2
2
1ωω+，振幅为 ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡++⎪⎭⎫ ⎝⎛
--22cos 221210ϕϕωωc x t E 的前进波。
注意到其振幅是以角频率2
2
1ωωω-=
∆随时间作周期性缓慢变化，所以称E 为拍频波。
光拍信号的位相与空间位置有关。
处在不同空间位置的光电检测器，在同一时刻有不同位相的光电流输出。
假设空间两点A 、B(见图4—5)的光程差为 /
χ∆，对应的光拍信号的位相差/
ϕ∆，即
c f c /2///χπχωϕ∆⋅∆⋅=∆•∆=∆ (4—14)
光拍信号的同位相诸点的位相差ϕ∆ 满足下列关系
n c f c ⋅=∆⋅∆⋅=∆•∆=∆πχπχωϕ2/2/// (4—15)
则n f c //
χ∆⋅∆=
式中，当取相邻两同位相点1=n ，χ∆恰好是同位相点的光程差，即光拍频波的波长
λ∆。
从而有f c ∆=∆=∆/λχ或λ∆⋅∆=f c (4—16)
因此，实验中只要测出光拍波的波长λ∆（光程差χ∆ ）和拍频f ∆（f f 2=∆， f 为超声波频率），根据（4-16）式可求得光速c 值。
四、实验步骤：
本实验利用声光调调制测量He ─Ne 激光(λ=632.8nm)在空气中的传播速度c 。
并求测量标准偏差
c σ。
与公认值比较，求百分误差。
1、实验装置的调试
(1) 按图5-36-4（b ）联接好所用仪器的线路，高频信号源的信号输出端接频率计F A ，
打开频率计开关，频率旋钮置于100Hz ，扫频时间置于0.01s ，打开高频（超声波）信号源，分频器y 轴输出端接示波器的y 轴输入端，x 轴输出端接示器x 外触发(或EXT)。
(2) 接通激光光源的开关，调节工作电流至4~5mA(或小于4mA)，以最大激光光强输
出为准，预热15分钟，使激光输出稳定，并调节激光束与装置导轨平行。
(3) 打开示波器电源开关，y 轴增幅旋至2V/diV ，x 轴扫描时间旋至0.5μs/diV，示波
器右下四个旋钮分别置于：自动、+、、AC 。
(4) 接通稳压电源开关，直流电压为+15V(红灯
亮)，电源正常供电。
细心调节超声波频率，调节激光束通过声光介质并与驻声场充分互相作用（通过调节频移器底座上的螺丝完成），调节高频信号源频率微调旋钮，使之产生二级以上最强的衍射光斑。
(5) 调节光阑，用光阑选取所需的（零级或一级）光束，调节M 0、M 1方位，使①②路
光都能按预定要求的光路进行。
(6) 按图5-36-4（a ）中的光路，调节各全反射镜、半反射镜调节架，使二光束均垂直
入射到接收头窗口，并注意使全反射镜和半反射镜处于同一高度，以保证光速通过
(a)同相
(b)有位相差
图5-36-5
多次反射后仍处于同一水平面上。
(7) 依次用斩光器分别挡住②路或①路光束，调节①路或②路光束使经其各自光路后分
别射入光敏接收器，调节光敏接收器方位，使示波器荧光屏上能分别显示出它们清晰正弦波，正弦波有位相变化。
调节出射光束与光探测器光敏面的相对位置，使得两束光产生的正弦波形幅度相等。
当两束程差为拍频波的波长λ时，两波形完全重合，如图5-36-5（a ）所示，否则有位相差；见图5-36-5(b)所示。
(8) 前后移动滑动平板，调节两路光的光程差，使示波器上两正弦波形完全重合（位相
差为π2），此时两路的光程差L ∆即为拍频波长λ。
2、测量拍频的波长。
用米尺测量两光束的光程差L ∆，拍频F f 2=∆，其中F 为超声波频率，由数字频率计读出。
精确测定功率信号源的频率F ，反复进行多次，并记录测量数据，根据公式：L F c ∆⋅=2计算He-Ne 激光在空气中的传播速度c ，并计算标准偏差，并将实验值与公认值相比较进行误差分析。
七、实验结论与分析及思考题解答
1、对实验进行总结，写出结论：
2、思考题解答：。