光速测量发展史及其 实验方法
光速的测量方法与实验
光速的测量方法与实验光速是自然界中最基本的物理常数之一，它在科学研究和工程技术中具有重要的意义。
然而，要准确测量光速并非易事，科学家们历经多年的努力，才找到了一些可靠的测量方法和实验。
一、Fizeau实验19世纪法国物理学家Fizeau提出了一种测量光速的方法，即通过光在流动介质中的传播速度来间接测量光速。
他利用旋转的齿轮将光束分成两部分，一部分照射到远处的反射镜上，然后经过反射回到齿轮上，再次通过齿轮返回到观察者处。
另一部分光束则直接从齿轮上射出，经过反射后返回观察者处。
当齿轮转动时，由于光在流动介质中的传播速度会受到影响，使得两束光的相对传播时间发生变化。
通过测量这个时间差，结合齿轮的转速和齿轮上的齿数，就可以计算出光在流动介质中的传播速度，从而得到光速的近似值。
二、Michelson实验美国物理学家Michelson也提出了一种测量光速的方法，即通过干涉仪来测量光的传播时间。
他使用了一种被称为Michelson干涉仪的装置，它由两个相距较远的半透明镜片和一个反射镜组成。
当光通过干涉仪时，会发生干涉现象，形成一系列明暗条纹。
通过调节干涉仪的镜片，使得明暗条纹的位置发生变化，从而可以测量出光的传播时间。
结合干涉仪的尺寸和光的波长，就可以计算出光速的近似值。
三、现代实验随着科学技术的进步，现代实验中也出现了一些新的测量光速的方法。
例如，利用激光脉冲和高速相机，可以测量光在空气中的传播时间。
通过测量激光脉冲从发射器到接收器的时间差，再结合发射器和接收器之间的距离，就可以计算出光速的近似值。
此外，还可以利用光纤传输技术来测量光速。
通过在光纤中传输光脉冲，并测量光脉冲的传播时间和光纤的长度，就可以得到光速的近似值。
总结光速的测量方法与实验经历了多个阶段的发展，从Fizeau实验到Michelson实验，再到现代实验，科学家们不断探索和改进，为测量光速提供了多种可靠的方法。
这些方法不仅在科学研究中具有重要意义，也广泛应用于工程技术领域。
物理学史光速的测量
【更精确的测量光速】
菲索的旋转齿轮法的原理
光源发出的光从转动齿轮 的间隙中通过， 再通过透镜变 成平行光束， 这光束聚焦于安装在一定 距离的平面镜上， 被平面镜反射后再沿着 相反的方向返回齿轮，进 入观察者的眼睛
1850年 傅科
用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。 平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心 上，同样用平面镜的转速可以求出时间。
2. 上述所提的哪个科学家运用了旋 转齿轮法测光速？
布来雷德
3. 爱因斯坦在哪一年论文中提到 光速不变公设？
1905年
完
1920年 麦克尔逊
美国物理学家迈克尔逊从1878年开始用旋转 镜法对光速进行了持续50年的测定工作。
1920年，迈克尔逊分别用八面、十二面的钢 反射镜做实验，这些测量的测出的光速的平 均值为：299 796±4Km / s
问：
1. 第一个测出光速具体值的人是谁？测 出的值为多少？
罗默 22. 5万公里
傅科用这种方法测出的光速是：298 000Km / s。
麦克斯韦 赫兹
预测了电磁波存在
赫兹
莱顿瓶放电实验
证明了电磁波的存在 31. 5万公里/ 秒
光 31. 5万公里/ 秒
光是一种电磁波
电磁波 31. 5万公里/ 秒
1905年 爱因斯坦
在论文中提出“光速不变性”的公设， 又提出光速不可超越原理。
1676年 罗默
丹麦天文学家罗默:
当地球逐渐靠近木星时， 木星“月食”发生的间隔逐渐缩 小，当地球逐渐远离木星时， 木星“月食”发生的间隔逐渐变 大
光速有限
（22. 5万公里每秒）
1725年 布莱雷德
光速测量发展史与现在实验室光速测量方法
光拍法测光速的思想以及延伸
△实验思想的启迪
化烦为易，化整体为部分，使一些看似不可能的事情成为可能。从光 拍法测光速这个实验中，令我想到了曹冲称象的故事。由于光速的频 率高达10¹⁴，目前的仪器设备无法达到如此高的测量水平。故人们想 到了在不破坏其原有频率的情况下，用“拍”的方法使其降到可以测 量的水平值。在日常的学习，当我们碰到一些无法用直接或者说现成 的方法解决时，应该试图寻找新的途径。在生活中，这种思想的理解 和运用尤为显得突出。
西方历史中对光的认识
崐神说，要有光，就有了光。 ——《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
光在近代物理学发展过程中的认识
光的颗粒说。 光的波动说。 光是电磁波。 粒子说。 —— 牛顿（1643-1727） ——胡克（1635-1703） ——赫 兹（1857-1894） ——爱因斯坦（1879-1955）
三、实验心得
• 拍光法测光速实验的实际意义
• 拍光法测光速的思想以及延伸
拍光法测光速实验的实际意义
利用拍光法测光速，很好的解决了实验室测量光速值的困 难。让我们学生了解了其光速同样也是一个有限的值，并 可以通过自己动手进行测量。虽然我们并不能够完全掌握 其原理部分的推导和技巧，但光拍法测量光速的大致思想 是我们值得学习和借鉴的。尤其是在实验的光路调节中， 很好的锻炼了我们每个学生的耐心和细心。同时，在光程 差的测量中，也锻炼了相互同学之间的协作意识。
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光速测量的方法完整版
光速测量的方法完整版光速是一种非常重要的物理量，它不仅是相对论的基本常数，也是许多光学和电子学实验的基础。
在过去的几个世纪中，科学家们使用了多种方法来测量光速。
下面将介绍几种主要的光速测量方法。
第一种方法是费波纳奇光轮实验法。
法国科学家费波纳奇于1850年设计了一种实验方法，可以通过旋转一对镜子来测量光速。
他首先将一对光轮放置在一起，然后用摇臂轻轻摇摆另一只镜子。
当摇摆的幅度适合时，可以看到透过两镜子反射的光在目镜上形成直线。
通过测量这个直线和水平刻度盘上的刻度之间的夹角大小，结合轮的半径和角速度，可以计算出光的速度。
第二种方法是西耶那克斯测量法。
在19世纪末20世纪初期，美国科学家阿尔伯特.西耶那克斯使用了精确的定时和测距仪器来测量光速。
他在实验室内安装了一个光源和一个照相机，通过发射光脉冲并记录它们在照相底片上的位置来测量光速。
通过测量光脉冲的传播时间和它在底片上的位移，结合已知的光程差，可以计算出光速。
第三种方法是迈克尔逊-莫雷实验法。
迈克尔逊和莫雷于1887年设计了一种使用干涉仪的实验方法，来测量光速。
他们在实验室内设置了一个分束器，将光束分成两个相等的光线，然后将其通过两个垂直的光程，再合并回一个检测器上。
由于光速是常数，当整个干涉装置旋转时，光束会通过不同的光程，产生干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动，并结合旋转的速度和干涉器的几何尺寸，可以计算出光速。
第四种方法是卢瑟福天线实验法。
在20世纪初，英国科学家欧文·卢瑟福利用天线原理来测量光速。
他在实验室内设置了一个发射和接收天线，并通过记录电磁波在天线之间反射的时间来测量光速。
他发现，当天线的长度非常接近光的波长时，电磁波的干涉现象会变得非常明显，通过测量干涉条纹的间距和电磁波的频率，可以计算出光速。
这些方法仅仅是测量光速的几个例子，实际上还有许多其他方法可以用来测量光速。
不同的方法适用于不同的实验环境和精度要求。
无论使用哪种方法，科学家们一直在不断努力，以提高光速的精确测量，从而推动了光学和电子学领域的发展。
光速是如何测量的
光速是如何测量的在17世纪以前，人们都以为光的传播不需要时间，因为无论距离多远，只要一发光就立刻可以看到它。
但是科学实验的始祖伽利略认为，光的传播和声音一样，要花费时间。
1607年，他曾经尝试用实验来测定光速，这在科学史上是第一次。
夜间，伽利略和他的助手面对面地站在两个相距1公里的山头A和B上，各带一只校得同样准确的钟，伽利略的手里还提着一盏遮了罩子的提灯。
实验开始的时候，伽利略打开灯罩，记下发光的时刻；助手根据他自己的钟记下看到光的时刻。
从两个时刻的差，就可以得到光通过距离l和所用的时A传到B所用的时间极短，比两只钟的误差还要小得多。
伽利略对实验做了改进，他让助手拿一块大平面镜站在B山头上，自己提着灯，带着钟站在A山头上。
实验开始的时候，他打开灯罩，记下发光时刻，当看到光从平面镜反射回来的时候，再看一下钟，这样就记下了光通过2l距离所用的时间t。
从理论上讲，这个实验用了同一只钟，光走过的路程也长了光速实在太快了。
伽利略虽然初试受挫，但他发明了望远镜，观察了木星和它的几颗主要卫星，还说过，利用木星的卫星时常消失可以用来做黄径的测量，这些工作使一位后来的科学家受到了启发，并用这种方法证明了光速是有限的。
此人就是丹麦青年科学家罗默。
罗默生于奥尔胡斯，在哥本哈根受过教育，后来移居巴黎。
在罗默来巴黎的30年前，意大利天文学家卡西尼应路易十四聘请也来到巴黎，他对木星系进行了长期系统的观察和研究。
他告诉人们，木星和地球一样也是围绕着太阳运行的行星，但它绕太阳运行的周期是12年。
在它的周围有12颗卫星，其中有4颗卫星特别亮，地球上的人借助于望远镜就可以看清楚它们的位置。
由于这些卫星绕木星运行，隔一段时间就会被木星遮食一次，其中最近木星的那颗卫星二次被木星遮食的平均时间间隔为42小时28分16秒。
罗默在仔细观察和测量之后发现，这个时间间隔在一年之内的各个时间里并不是完全相同的，并且当木星的视角变小时，这个时间间隔要大于平均值。
光速是如何测定出来的？
光速是如何测定出来的？
1、天文学方法1676年，丹麦天文学家O.C.罗默利用木星卫星的星蚀时间变化证实光是以有限速度传播的。
2、布莱德雷的光行差法
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。
3、地面测量方法
光速的测定包含着对光所通过的距离和所需时间的量度，由于光速很大，所以必须测量一个很长的距离和一个很短的时间，大地测量法就是围绕着如何准确测定距离和时间而设计的各种方法。
光速的测量
步骤/方法
光速的测量方法： 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。
1．罗默的卫星蚀法
光速的测量，首先在天文学上获得成功，这是因为宇宙广阔的空间提供了测量光速所需要的足够大的距离．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．
c=299796km/s
这是当时最精确的测定值，很快成为当时光速的公认值．
三、光速测定的实验室方法
光速测定的天文学方法和大地测量方法，都是采用测定光信号的传播距离和传播时间来确定光速的．这就要求要尽可能地增加光程，改进时间测量的准确性．这在实验室里一般是受时空限制的，而只能在大地野外进行，如斐索的旋轮齿轮法当时是在巴黎的苏冷与达蒙玛特勒相距8633米的两地进行的．傅科的旋转镜法当时也是在野外，迈克耳逊当时是在相距35373．21米的两个山峰上完成的．现代科学技术的发展，使人们可以使用更小更精确地实验仪器在实验室中进行光速的测量．
测量光速：历史与现代方法
测量光速：历史与现代方法引言：光速是宇宙中最基本的物理常数之一，它对于物理学和工程学的发展具有重要意义。
在过去的几个世纪里，科学家们一直在努力测量光速，为此提出了多种方法。
本文将探讨测量光速的历史和现代方法，并探讨这项测量对科学研究的意义。
一、历史测量方法：古代的数学家、物理学家、地理学家等人们最早试图测量光速。
公元三世纪的希腊数学家欧几里得做了一些对光传播速度相关的几何学推导，但并未得出准确的结论。
然而，到了17世纪，天文学家欧拉尔·罗默通过观察木卫一的轨迹变化，首次成功地测量到了光的传播速度。
他观测到在地球绕太阳公转时，木卫一出现和消失的周期变化，根据这些观测数据，罗默得出了一个准确的光速值。
二、现代测量方法：随着现代科技的进步，测量光速的方法也得到了发展和改进。
1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论，提出了一种基于光速不变的假设，从而赋予了光速测量以新的意义。
爱因斯坦的理论拉开了现代测量光速的开端。
如今，科学家利用现代激光技术和光纤传输等手段，可以更加精确地测量光速。
1. 差迟法：差迟法是一种关于光的干涉现象的测量方法。
它基于两束光在介质中传播时的时间差来测量光的速度。
通过测量干涉光的相位差，科学家们可以得到光的传播速度。
2. 脉冲激光法：脉冲激光法是一种基于光脉冲传输的测量方法。
科学家使用高精度的时钟和激光器生成脉冲激光，并将其发送到一个远离地球的反射器上。
然后，利用接收到的脉冲的时间差来计算光的速度。
3. 光纤干涉法：光纤干涉法是一种使用光纤作为传输介质的测量方法。
科学家们通过将光纤分成两段，其中一段通过退相位器，另一段不经过，然后测量两个光束再次合并时的干涉现象，从而得到光的传播速度。
三、测量光速的科学意义：测量光速对于科学研究和工程应用具有重要意义。
首先，光速的测量可以提供基础物理学的重要参考数据，验证或修正现有的物理理论。
其次，光速是测量宇宙距离和时间的基准，它在宇宙天文学和天体物理学的研究中起着关键作用。
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分类
间接方法不是直接测光信号，而 是借助于含c的公式测量相应的物 理量来测算c。它的种类繁多，大 体可分为四类：1天文方法（光行 差法）2单位比值法 3电磁波法 4带 光谱法。
直接法
03光速测量方法
实验原理 光拍法 测量方法
问题分析
方案改进
03光速测量方法 实验原理
利用光拍法进行测定光速实验的光路原理如图1所示.超高频功率信号源输出 频率f为15MHz左右的正弦信号，输入到声光频移器的晶体换能器上，在声光 介质中产生驻波超声场。He-Ne激光器输出波长为632.8nm的激光束，通过该 介质后发生衍射，衍射光中含有频率为2f的拍频光.衍射光经过半反镜1分光 后分成两路，一路（远程光）依次经过平而镜的多次反射后透过半反镜2，另 一路（近程光）直接由半反镜1到达半反镜2，两路汇合后，入射到光电二极 管中。光电二极管把光信号转化为电信号，经过滤波放大电路得到频率为2f 的拍频电信号，将该信号与本振信号混频、选放，得到中频信号输入至示波 器的Y输入端，同时将本振信号经二分频后与来自超高频功率信号源频率为f 的信号混频、选放，得到中频信号输入至示波器的X输入端或“外触发”端， 经调试后在示波器屏上就会有与近程光和远程光相对应的波形出现。
伽利略做了世界 上第 一个测量光 速的实验，没有
罗默第一次提出 有效的光速测量 方法，木-卫蚀法
布莱德雷发现恒 星“光行差”现 象即光行差法测
菲索第一次在地 面上设计实验装 置测量光速—旋
得到肯定结果。
测光速。
光速。
转齿轮法。
02光速测量的发展历程
历史回顾：
186 2 192 6 19 52 197 2
03光速测量方法
实验方法改进后，具有以下几方面的优点: 1)不需要测量平面反射镜之间的距离，也不需要在示波器上直 接测量X和x的值，从而在较大程度上提高了测量的精度。 2)实验中不需要测量光程差，也不需要近程光做参考，也就不 需要对近程光进行调节。可将测定光速实验的光路改为如图4所 示的光路图，从而降低仪器的调节难度，节省了仪器的调节时间. 3)避免了当相位差大于2Π时需要对公式进行的修正。 4)避免了由于假相移而引入的误差。
01前言
究竟什么是光？
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。
02光速测量的发展历程
历史回顾：
160 7 167 6 17 25 184 9
傅科用旋转镜法 测量光速。
迈克耳孙用旋转 棱镜改进了傅科 的实验。
费罗姆用微波干 涉仪法测量光速。
埃文森用微波谐 振腔法测光速。
02光速测量的发展历程
测量光速的方法可分为两大类，即直接法与间接法。其中，直接测光信号或电磁 波信 号的实验，测量的都是群速度。
间接法
直接法又叫时间一飞程法，它所依 据的原理就是伽利略测量光速的原 理。罗默的木星蚀法、菲索齿轮法 、傅科与迈克耳孙的旋转镜法皆属 此类。这种方法后来由于科学技术 的发展得到了很大改进。
03光速测量方法 实验原理图
03光速测量方法 测量方法
在示波器上得到的波形如图2所示，其中②是与远程光相对应的波形，④是与 近程光相对应的波形。光速测量的主要根据是示波器上二光拍信号波形的相 位差与远程光和近程光的光程差成正比，并依据示波器的X轴的线性扫描。测 量光速的公式为
03光速测量方法 测量方法
03光速测量方法 方案改进
为了提高测量的精度，可进行如下改进：对于N的测量可将米尺固定在导轨上 ，并在可移动反射镜的底座上固定一游标，对于n和X的值的测量，可用摄像 头把波形采集下来，再利用图像处理软件进行测量。采集的其中一幅图像， 如图3所示。由于不同位置的波形要分别采集，所以在实验过程中不能移动示 波器和摄像头。
THANKS YOU
01前言
西方人对于光的认识： 崐神说，要有光，就有了光。 ——《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 光在近代物理学发展过程中的认识： 光的颗粒说。 光的波动说。 光是电磁波。 粒子说。 —— 牛顿（1643-1727） ——胡克（1635-1703） ——赫 兹（1857-1894） ——爱因斯坦（1879-1955）
上述实验方法在实际测量中操作简单方便，仅需要测量两点的相关数据即可得 到实验结果.但是在实际测量中，我们发现利用上述两式测量光速时存在以下 问题: 1)不论用式(1)还是用式(2)，都要多次测量平面反射镜之间的距离，由于调节 过程中光 线不一定都照到反射镜的中心位置，使测得光程差的误差增大. 2)当利用式(1)测量光速时，需要在小波器上测量X和x的值，由于受示波器屏 上刻度和扫描线宽度的影响，使得X和x值的误差较大. 3)当利用式(2)测量光速时，由于光程差变化较小时，很难看出示波器上波形 的变化，也就很难判断出两波形完全重合时可移动反射镜的准确位置. 由于上述几点原因，使得测量结果的离散程度增大，测量的精度降低，从而 增大了测量结果的偶然误差.
其中z为光程差。f为功率源输出信号的频率，X为同一波形上的两相邻同 相点间的距离，x为相位差小于2Π时不同波形上的两相邻同相点间的距 离。当相位差等于2Π时，光程差恰为光拍波的波长，此时示波器上波形 和波形④完全重合，上式变为
光拍法测定光速的实验就是利用式(1)或式(2)。
03光速测量方法
问题分析
光速测量发展史及其 实验方法
目录 CONTENTS
02
光速测量的发展历程
03
光速测量方法
04
结论
01前言
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。” ——《梦溪 笔谈》（小孔成像）
04结论
光速的测定在光学 的研究历程 中有着重要 的意义 ,它 是人们最早测量 的物理常量 。光速测量方法 的进展 ，不仅 标志着光速值在精度上的不断提高 ，还充分反映了近代物 理及其实验方法的惊人发展 。虽然从人们设法测量光速到 人们测量出较为精确的光速共经历 了四百年的时间 ，但其 间每一点进步都大大促进了光学乃至物理学的发展。