反射法测量光速中的不确定度分析.pdfVIP

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一般工业技术

诗《量与测试技术》2D1o年第37卷第6期 反射法测量光速 中的不确定度分析 InReflectionMe~odSurveySpeedofLightUncertaintyAnalysis 黄曙江 (杭州电子科技大学理学院,浙江 杭州310018) 摘 要:反射法测光速主要是通过测量光的调制参考信号和反射信号之间的相位差和信号频率。两信号的相位差是通过示波器上同时显示的两信号 波形之间的距离来测量的,这种用示波器测量位相差的不确定度较大。实验发现如果用数字示波器测量可直接获得两个信号的时间差,可以提高测 量的精度 。 关键词:反射;波长;光速 光速的测量方法有多种,实验中常采用相位差法来 波长的整数倍时,该两点之间的相位差为 。一 2= 测量。在相位差法测光速 中有光拍法和反射法。光拍法 是利用了晶体的声光效应,激光经过声光晶体后产生多 ( 一 )=2n丌,n为整数, ,XB为A、B位置坐标 。如 级衍射,并产生频移。从一级衍射光中可以合成出频率 果A、B之间的相位差为 △ ,则调制波的波长为 :: · l∞ 为声频一倍的拍频波,拍频波的频率为 108Hz左右,比光 2D,通过 c= 就可以求出速度。 的频率 10HHz要小很多。实验测出拍频波经不同光程 的相位差和光程差就可以得到光速。这种实现方法很 好,当拍频达到 150Hz时,波长可以降到 2米 。但这种测 量仪器的调节不易,它需要调整经外光路 (4个反射面) 的光和内光路(8个反射面)的光到达光电接收器的位置 重合,难度较大。另一种方法是直接利用光的调制波,使 其频率也达到 108I-Iz,当调制过的出射光到达某一棱镜后 图2 参考波和反射波之间的相位差 反射,出射光和经过棱镜反射后的反射光的光程就不同, 2 测量方法 它们之间就存在着相位差,通过测量相位差和光程差就 以发射信号作为参考信号,将反射信号通过光电转 可以求光速。它的优点是仪器的调节很方便。但 由于测 换后与参考信号同时经差频处理分别接人示波器的输入 量是通过示波器上显示地出射信号和反射信号的波形间 通道,在示波器上可显示出这两个信号的波形,如图2所 隔来得到相位差的,所以测量的不确定度较大。实验发 示。由差频处理后的两信号降低了频率,但相位差与参 现如果采用数字式示波器来测量是可以提高测量的精度 考波和反射波的相位差相同。实验测出示波器上两信号 的。 的相位差(即图中A和A’之间的相位差)和AB之间的 1 测量原理 距离,就可以得到光速。实验装置见图3。 物理学告诉我们,任何波的波长是一个周期内波传 播的距离。波的频率是 1秒钟 内发生了多少次周期振 动,用波长乘频率得 1秒钟内波传播的距离即波速 C= , 如果已知频率和波长就可以求得速度。 光以速度 c在大气中传播,在A、B两点间往返一次 图 3 测量装置 所需时间与距离的关系可表示为:2D=ct (I) 2.1 普通示波器测量 式中:D为两点 A、B之间的直线距离,c光在大气 (1)相位差和光速的测定 中传播的速度,t为光往返A、B一次所需要的时问。 首先将参考信号的一个完整周期 (2re或 360)调整 到刚好 占示波器横轴十格,那么在示波器上每一格为

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