光速的测定
初中物理光学-光速的测量
初中物理光学-光速的测量
光速是物理学中最重要的基本常数之一，也是所有各种频率的电磁波在真空中的传播速度．狭义相对论认为：任何信号和物体的速度都不能超过真空中的光速．在折射率为n的介质中，光的传播速度为：v=c/n．在光学和物理学的发展历史上，光速的测定，一直是许多科学家为之探索的课题．许多光速测量方法那巧妙的构思、高超的实验设计一直在启迪着后人的物理学研究．历史上光速测量方法可以分为天文学测量方法、大地测量方法和实验室测量方法等
一、光速测定的天文学方法
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（16441710）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。
高中物理实验教案：测定光速的方法探究
高中物理实验教案：测定光速的方法探究一、引言在高中物理课程中，学生们经常会遇到实验探究的任务。
其中一个重要的实验就是测定光速的方法探究。
光速是光在真空中传播的速度，它具有极高的数值（约为300,000,000米/秒），对于科学研究和现代技术发展具有重要意义。
本文将介绍几种测定光速的方法，并分析其原理与步骤。
二、第一种方法：菲涅尔透镜法1. 实验原理菲涅尔透镜法利用透镜成像的特性，通过测量物体移动的距离和时间来计算出光速。
2. 实验步骤a. 准备一块平面玻璃，上面放置一个小孔，以使光线从小孔射入。
b. 在玻璃上竖直固定一个透明尺垂直于光线方向。
c. 放置一个可移动标志物，如纸片，在尺上。
d. 使用一台钟表记录标志物在移动过程中所需时间。
e. 通过改变尺与玻璃板之间的距离来改变焦距。
f. 测量不同焦距下标志物所需时间。
3. 结果分析根据焦距和时间的数据，可以绘制出一条直线，通过这条直线找到焦距为零时标志物所需要的时间。
此时，光线射入玻璃板之前被透明尺阻挡一段时间，而在通过玻璃板后又被阻挡相同的时间。
因此，在推导公式中可以剔除这部分时间。
最终，根据测量得到的数据计算出光速。
三、第二种方法：费曼反射法1. 实验原理费曼反射法利用光在不同介质中传播时发生折射和反射现象的特点进行测定光速。
2. 实验步骤a. 准备一块平行透明介质（如平行板）。
b. 在平行介质上放置一个小孔，并将其作为起始点。
c. 向小孔方向射入一束光线，使其与平行板碰撞。
d. 观察经过平行板后形成的反射和折射现象。
e. 根据观察结果记录下相应数据，并注意测量过程中可能产生的误差。
3. 结果分析通过实验观察可以得到光在不同介质中传播的现象，其中包括光线的折射和反射。
根据折射公式和反射公式，可以推导出光在两个介质之间传播速度的比值。
从而得到光速。
四、第三种方法：李萨如图法1. 实验原理李萨如图法是一种通过利用频率和波长之间关系测定光速的方法。
2. 实验步骤a. 准备两个正交的振动电极。
测定光速的实验方法
31. 测定光速的实验方法1． 1．斐索齿轮法1849年，斐索第一个不用天文观察，而在地面上的实验装置中测得光速。
此法实质上与伽利略提出的方法一致，不过用反射镜代替了第二个观察者，旋转的齿轮代替了用手启闭的开关。
换言之，即用反射镜保证行至第二观察者〔直〕的信号能立即返回。
并用齿轮来较准确的测定时间。
齿轮法的装置如图4所示。
光自垂直于图面的狭缝状光源s 出发，经过透镜L 和有半镀银面的平板M 1，而会聚于F 点。
在F 点所在的平面内，有一个旋转速度可变的齿轮W ，它的齿隙不遮光，而它的齿却能遮住所有会聚于F 点的光。
通过了齿隙的光，经过透镜L 1后成为平行光，透镜L 2将此平行光会聚在它自己焦点上的凹面反射镜M 2的外表上。
光至反射镜M 2后被反射沿原路回来。
如果在光由F 到M 2的一个往返的时间间隔Δt 内，齿轮所旋转的角度正好使齿隙被齿所代替，那么由M 2反回的光受阻，在透镜L 3后E 处看不见光；反之，如果齿隙被另一齿隙所代替，那么在E 处能看见由M 2反回来的光。
这样，当齿轮转速由零而逐渐加快时，在E 处将看到闪光。
当齿轮旋转而达第一次看不见光时，必定是图4中的齿隙1为齿a 所代替。
设齿轮此时的转速为每秒v 圈，齿数为n ，那么a 转到1所需的时间间隔另一方面，在此时间内光由F 到M 2，又由M 2返回到F ，走了路程2L,即 c L t 2=∆ vt η 2 1= ∆比拟所得的两式，那么有C = 4nL v。
〔4〕斐索用齿数720的齿轮，取2L等于1.7266×105米，发现第一次看不见光时齿轮的旋转速度为每秒12.6圈，测得光速为3.15×108米／秒。
这个实验中主要的误差是很难准确地定出看不见光的条件，因为齿有一定的宽度，当F不正好在齿的中央时光也能被遮住。
斐索之后，还有考纽〔1874〕，福布斯〔Forbes〕，以及珀罗汀〔Perotin〕等人先后改良了这个实验，所得结果均在2.99×l08和3.01×108米／秒的范围内。
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。
测定光速的方法及精度分析
测定光速的方法及精度分析光速是一个具有重要物理特性的常数，它被定义为在真空中光在单位时间内通过的距离。
光速的准确测定对于物理学领域的研究至关重要。
本文将介绍一些测定光速的方法，并分析它们的精度。
第一种方法是利用干涉仪测光速。
干涉仪是一种能够利用光的波动性进行测量的仪器。
我们可以利用干涉仪的原理，将一束光分成两束，并使它们在不同的光程差下重新相遇。
通过测量这些重新相遇的条件，我们可以计算出光速。
这种方法的精度较高，可以达到百万分之一的准确度。
然而，该方法需要精密的仪器和实验设置，并且对实验环境的要求非常高。
第二种方法是利用频率和波长的关系进行测量。
根据光速的定义，光的速度等于光的频率乘以波长。
因此，我们可以通过测量光的频率和波长来计算光速。
这种方法在实际应用中非常常见，例如，通过激光测量器测量光的频率和波长，然后利用光速的定义求解光速。
这种方法的精度依赖于测量频率和波长的仪器的精度。
对于高精度的设备，可以达到百万分之几的准确度。
第三种方法是利用光的折射现象进行测量。
光在媒质中传播时会发生折射，其折射率与光速有直接关系。
通过测量光在不同介质中的传播速度，我们可以计算出光的速度。
这种方法不需要太多复杂的仪器和实验设置，因此更容易实施。
然而，它需要准确测量光的入射角度和折射角度，所以精度相对较低。
除了这些直接测量方法，还有一些间接方法可以用来测定光速，例如利用电磁波传播的速度等。
这些方法在特定领域有着重要的应用，并且也为测定光速提供了一些参考值。
在进行光速测量时，我们还需要考虑误差源和精度。
光速的测量结果可能受到实验仪器的精度、环境因素、人为误差等多种因素的影响。
因此，为了提高测量结果的精度，我们需要仔细控制这些误差源，并进行适当的修正。
此外，光速的精确测量对于科学研究和技术发展具有重要意义。
它不仅能帮助我们更好地理解光的本质和相对论物理，还可以应用于天文学、光学技术和通信工程等领域。
通过不断改进测量方法和提高测量精度，我们可以更加准确地获得光速的数值，为相关领域的发展贡献力量。
光速测定实验报告数据
一、实验目的1. 了解光速的测量原理和方法。
2. 通过实验验证光速的数值。
3. 培养学生实验操作技能和数据处理能力。
二、实验原理光速的测量通常采用光在真空中传播的距离与时间的关系来计算。
根据光速公式 c = d/t，其中 c 为光速，d 为光在真空中传播的距离，t 为光传播所用的时间。
本实验采用光在空气中的传播速度来近似真空中的光速，通过测量光在空气中的传播距离和时间，从而计算出光速的数值。
三、实验器材1. 红外线激光器2. 秒表3. 光电门4. 线路连接线5. 实验桌四、实验步骤1. 将红外线激光器固定在实验桌上，调整激光器的方向，使其激光束通过光电门。
2. 将光电门与秒表连接，并确保连接牢固。
3. 打开秒表，让激光束通过光电门，记录下秒表的起始时间。
4. 再次打开秒表，让激光束通过光电门，记录下秒表的结束时间。
5. 重复步骤3和4，共进行5次实验，记录每次实验的起始时间和结束时间。
6. 计算每次实验的光速值，取平均值作为最终结果。
五、实验数据实验次数 | 起始时间（s） | 结束时间（s） | 光速（m/s）--------------------------------1 | 0.00 | 0.0032 | 31250002 | 0.00 | 0.0031 | 31250003 | 0.00 | 0.0030 | 31250004 | 0.00 | 0.0033 | 31250005 | 0.00 | 0.0032 | 3125000六、数据处理根据实验数据，计算每次实验的光速值，并取平均值：平均光速 = (3125000 + 3125000 + 3125000 + 3125000 + 3125000) / 5 = 3125000 m/s七、实验结果分析本次实验中，通过测量光在空气中的传播距离和时间，计算出光速的平均值为3125000 m/s。
由于实验条件限制，实际光速可能与该值存在一定误差。
光速的测定光的相速度和群速
随着光速测定技术的不断发展，其应用领域也将 不断拓展，有望在更多领域实现应用。
光速测定在科学研究中的应用前景
01
02
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验证物理理论
光速的测定结果对于验证 物理理论具有重要意义， 例如验证相对论中的光速 不变原理等。
推动光学研究发展
光速的测定有助于推动光 学研究的发展，例如研究 光的传播特性、光的干涉 和衍射等现象。
群速的测量
脉冲延迟法
利用脉冲光在介质中传播时的延迟现象来测 量群速。通过测量脉冲光在介质中传播的时 间延迟，并根据光速与延迟时间的关系计算 群速。这种方法需要使用脉冲光源和高速探 测器等设备。
频率扫描法
通过改变光的频率并测量其在介质中的传播 速度来得到群速。使用可调谐激光器或光谱 仪等设备，在不同频率下测量光的传播速度， 并根据速度与频率的关系计算群速。
激光干涉法
利用激光的干涉现象来测量光速。将激光分为两路，一路作为参考光路，另一路经过待测距离后返回 与参考光路发生干涉，通过测量干涉条纹的移动来推算光速。
光纤法
利用光纤中光的传输特性来测量光速。将光信号通过光纤传输一段已知距离后，测量其传输时间并计 算光速。这种方法具有高精度和可重复性好的优点。
04 相速度和群速的测量技术
光速的测定光的相速度和群速
目 录
• 引言 • 光速测定的基本原理 • 光速测定的实验方法 • 相速度和群速的测量技术 • 光速测定在现代物理学中的应用 • 总结与展望
01 引言
光的速度概念
相速度
光在介质中传播时，其电磁波的 相位变化的速度，即相速度。相 速度与光的频率和介质的折射率 有关。
群速度
02 光速测定的基本原理
光的波动性质
光速的测定
实验目的
一、理解光拍频的概念。
二、掌握光拍法测光速的技术 。
实验原理
当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的。 光拍频原理测光速是指利用频率不同的光波平行迭加形成 光拍频波，用光电检测信号处理电路接受和处理被分束器分成 的两束拍频波，从而获得拍频波的电信号，利用荧光屏的余辉， 在一台普通低档单道示波器上同时观察和比较两束光的波形和 相位，通过测量光程差和相应拍频波的相位差，从而方便地计 算出光的传播速度。
实验原理 频率分别为f1和f2（频差较小）的光束叠加：
ω − ω2 x ϕ1 − ϕ 2 ω + ω2 x ϕ1 + ϕ2 Es = E1 + E2 = 2 E cos 1 t − + × cos 1 t − + 2 2 2 c 2 c
实验步骤
10．摇动手柄17，使二路光的光程差刚好是λ。 11. 测量光拍的波长λ和对应的超声波的频率f。 12．重复10、11步骤五次，测量五组数据。 13．由c=∆f λ（∆f=2f） 计算光速，并计算均方误差。
实验注意事项
调节“1”、“2”两路光时，要使最 后进入光电接收二极管的光束与导轨槽平 行，并沿接收器的光轴入射到光电二极管 的光敏面上。
实验步骤
7．仔细调节光电接收管的位置调节螺丝，使示波器上看到的 信号最大。 8． 用斩管器挡住近程光，调节半反射镜5以及全反射镜8―13 和正交反射镜组14，使远程光束“2”也经透镜的光轴入射到光 电接收管的光敏面上。仔细调节正交反射镜组14的左右位置和 仰角，使示波器上显示的信号最大。 9．接通斩光器开关S3，使斩光器旋转，可在示波器上同时观 察到远、近程光及零信号的图形，微调光路和光电接收管的位 置调节螺丝，使示波器上显示的二路光信号均有一定的幅度。
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12
“光行差”现象． 光速并非无限，地球也有一定的速度，光行差就是两种 速度叠加的结果． 布拉德雷对此写道：“假想CA是一条光线，垂直地落到直 线BD上，如果研究（指观察者）静止于A点，那么不管光的传 播需要时间还是只需瞬间，物体必然出现在AC方向上．但是， 如果眼睛（观察者）从B向A运动，而光的传播又需要时间， 而光的传播速度与眼睛（观察者）的速度之比等于CA与BA之 比，则当眼睛（观察者）从B运动到A时，光从C传播到A……” 光行差原理图
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1862年，傅科改进了装置，用于直接测量光在空气中的行进速度．其装置及原
理如下:
原理：光从S发出，穿过半镀银膜M1和会聚透镜L，到达旋转镜M2，经反射到 凹面镜M3，再沿原路返回．被M1再反射并成像S ；如果旋转镜M2作高速旋转，则 光线由M3返回到M2时，M2在这一段时间内有稍许偏转，由此引起的像S”产生一个 位置差△S，借此可以算出光速值． 傅科用五架庞大的凹面镜，以延长 光路，即使如此光程也只有20米，旋 转镜转速为400米/秒，因此产生的位 移只有0.7毫米，由此测出的光速值为 298 000千米/秒．
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1850年，法国科学家傅科（Jean Bernard Leon Foucault,1819-1868）利用旋转镜
比较水中和空气中的光速．他的装置及原理如图:
原理大致是：光线经旋转镜m反射到M和M，，T管中装有水．一束光经空气返回，
一束光经水返回． 结果证明，光线通过水所用时间大于通过空气所用时间，即光速在水中变慢，这 与托马斯· 杨的预见相符合． 傅 科 比 较 光 速 的 实 验
5
布拉德雷用地球公转的速度与光速的比估算出了太阳光到达地
球需要8分13秒．这个数值较罗默法测定的要精确一些．布拉德雷
测定值证明了罗默有关光速有限性的说法．
应用光行差法测得光速为301 000千米/秒．天文学家测量光速
的成功，也极大地鼓舞了物理学家去发明实验室测光速的方法．
6
二、斐索与傅科的测量
1849年，斐索首先在地面上测得光速值，其值为315 300千米/秒．他的装置及原理如下 ： 原理大致是：在透镜与光源之间放一个齿轮，在透镜的另一测较远处依次放置另一个透镜 和一个平面镜，平面镜位于第二个透镜的焦点处．光源发出的光经半镀银膜镜m反射后，经第
这种测量光速的方法原理是什么？是否正确? 但这个实验能不能测出光的速度，为什么？
2s v = t
（从原理上讲，伽利略实验采用类似测量声速的方法v=2s/t来测量光速是对的。伽利略实验的 失败，说明光速如果是有限的，它必定是十分巨大的，在相距约1.6km的两山顶间来回一次， 所用的时间大约只有十万分之一秒，比实验者的反应时间短得多.这样短的时间,即使用精密计 时仪器也很难测出,更不用说当时用的原始计时装置了。）
光速的测定
1607年伽利略最早做了测定光速的尝试。让两个实验者在夜间每人各带一盏遮蔽 着的灯，站在相距约1.6km 两个山顶上，实验者A先打开灯，同时记下开灯的时间， 实验者B看到传来的灯光后，立刻打开自己的灯，实验者A看到实验者B的灯光后， 再立刻记下时间，然后根据记下的时间间隔t和两山顶间的距离s计算光的传播速度。
4
1728年英国天文学家布拉德雷（James Bradley,1693-1762）发现在一年中，恒星会
发生一个极小的椭圆形位移．开始，他无法解释这一现象．
据说，布拉德雷在泰晤士河上航行时，偶然发现一种现象，当船转弯时，桅杆上的
风向标会改变方向．这使得他联想到观测到的现象，这种椭圆运动与此很像，他叫做
过望远镜C进入观察者的眼中，看到光源S的像．
11
如果使八面镜转动，那么光反射回来时，八面镜的面3已经偏离了原来 的取向，经面3反射后的光不再进入望远镜中，观察者就观察不到光源S的像 了．适当调节八面镜的转速，使反射回来的光到达八面镜时，八面镜恰好转
过，面2正好转到面3原来的位置，经面2反射后的光进入望远镜中，就可以
罗默的理论没有马上被法国科学院接受，但得到了著名科学家惠更斯的赞同．惠更
斯根据罗默的数据和地球轨道直径（近似值）的数据，计算出科学史上第一个光速值为
227 000千米/秒．
虽然这个数值与目前测得的最精确的数据相差甚远，但它启发了惠更斯对波动说的研
究；更重要的是这个结果的错误不在于方法的错误，只是源于罗默对光跨越地球的时间 的错误推测，现代用罗默的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒，很接近于 现代实验室所测定的精确数值．
一个透镜的焦点射向齿轮和透镜后变成平行光，平行光经过第二个透镜后又在平面镜上聚于一
点，在平面镜上反射后按原路返回．当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光．由齿轮的转 速，可计算从开始到返回的光第一次消失的时间，也就是光往返一次所用的时间，从而计算出
光速值．
为了延长光行的时间，菲索的旋轮装置放在一个山顶，反射镜M放பைடு நூலகம்另一个山顶，二者 相距8633米，光程超过17千米．菲索测得的光速是315000千米/秒．由于齿轮有一定的宽度， 用这种方法很难精确的测出光速．
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旋转棱镜法：迈克耳逊选择了两个山峰，测出两山峰间的
距离，在第一个山峰上安装一个强光源S和一个正八面棱镜A
（见下图）光源S发出的光，经过狭缝射到八面镜A的面1上，反 射后射到放置在另一个山峰上的凹镜B上，又反射到平面镜M上， 经过M反射后，再由B反射回第一个山峰．如果八面镜静止不动， 反射回来的光就射到八面镜的另一个面3上，经面3反射后，通
重新看到S的像．根据八面镜转过1/8转所用的时间和两山峰间的距离．就可
以算出光在空气里的速度．迈克耳逊经过校正，得出光在真空中的传播速度
（299796±4）km/s． 1878年开始实验时测得的光速值为300 140千米/秒；1882年，他测得的光
速值为（2.99860±0.00030）×108米/秒．这个值被作为国际标准沿用了40年
在当时的实验条件下，伽利略的尝试是失败的，但他要测定光速的思想，却激励了许多科学家。
1
要想测出光速,必须利用足够大的距离,或者设法测出极短的时间间隔.伽利略以 后的学者们正是沿着这两个方向探求测定光速的方法的，其中比较成功的有：
一、天文上的测量
丹麦天文学家罗默（Olaf Romer,1644-1710）第一个用天文的实验方法证 明了光以有限的速度传播． 由于行星的有规律的运动，卫星蚀也是周期性发生的．例如，离木星最近 的一颗卫星-----木卫1的卫星蚀周期约为1.76昼夜． 但在长期的天文观测中，罗默注意到，一年之中，当地球在自己的轨道上 朝向木星运动时，木卫蚀的时刻就逐渐提早；而背离木星运动时，木卫蚀的时
9
,
三、迈克耳逊的测量
美国实验物理学家迈克耳逊(AlbertAbraham
Michelson,1852-1931)的一生几乎都花在测量光速
上了, 他不断改进测量方法, 以提高测量精确度．他
的精确测量为狭义相对论的建立打下实验基础. 迈克耳逊由于在光学精密测量和光谱学上的 研究，获得了1907年的诺贝尔物理奖，成为美国历 史上第一个获此殊荣的科学家．
罗 默 测 光 速 的 原 理 图
3
罗默认为这种现象是由于光具有速度造成的，进而推断光速是有限的．罗默从他的 测量推断出，光走过与地球轨道半径等长的距离所需的时间约为11分钟（现代值为8分 钟）． 据此，1676年9月，罗默成功地预计了11月9日发生的木卫蚀要推迟10分钟．巴黎天
文台的科学家们怀着将信将疑的态度，观测并最终证实了罗默的预言．
刻就逐渐推迟．
2
如图，若地球在E1和木星在J1看到一次木卫蚀，当地球在作自E1向E2运动
时，地球与木星的距离在逐渐增大，自木星来的任一信号都必须比前一信号多 走一些距离才到达地球．罗默观察到，由E1到E2的三个月时间里，所有相邻蚀 的时间延迟的总和约为10分钟．当地球继续由E3经过E4而向E5运动时，地球与 木星的距离在逐渐减小，自木星来的任一信号都比前一信号少走一些距离．