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光速不变

光的思考 04物理一班 江峰 P光 光是一种普遍存在的物质,它也是人类最早关注的物质之一;每当人类对光有了新的认识,人类对大自然的认识也就上了一个新的台阶。 对光的认识是在不断的实验和摸索中发展起来的。难免的会有很多不是太清楚的地方等待我们去开拓,钻研。 光 众所周知,光在不同介质中的运动速度有所不同,它在真空中的速度大约为每秒30万公里,而在其他介质中的速度则略低于其在真空中的速度。 根据现代实验,光在真空中的传播速度为2.997×1010厘米/秒,它围绕地球赤道转一圈的时间还不到1/7秒 。 光速不变原理 1905年爱因斯坦发表狭义相对论。他阐述了一个通用原则:相对任何以恒定速度运动的观察者 来说,不管这个速度是多少,物理原理及光速都是一样的。这也就强调了光速在物理学的根本地位。 事实上,爱因斯坦在物理学上的重大贡献在于提出了相对论,而相对论之所以引入关注的原因之一,则在于爱因斯坦提出的相对论中,有一项基本原理,即光速不变原理。 光速不变原理 光速不变原理涉及到光这种物质与其他物质的关系问题.所谓的“光速不变”是一种通俗的、不够严谨的说法。 正确的表述应该是:“光以其特有的速度运动,它的运动速度与发光体的运动速度无关,也与观测者的运动速度无关。” 光速不变原理 在爱因斯坦的学术观念里,有许多未加证明的内容,其中与光有关的内容涉及到: 1,物体可以经由常规方式加速到光速(也不排除超过光速),从而推导出高速运动的物体存在着时间和空间的尺度变化现象; 2,光是可以由发光体生成出来的; 3,光是可以被吸光体吸收并消失或转化到吸光体之内的。 测量光速 那我们来看看,在历史上,光速都是怎么样被测出来的。 由于光速太大了,所以大多数古代的学者(包括原则上不承认瞬时作用原理的亚里士多德)都认为光速是无限大的。近代的开普勒和笛卡尔也持这种看法。 测量光速 伽利略首次测量 但是伽利略认为光速是有限的,他第一次去测量光速。 根据速度(v)=距离(s)/时间(t)就可以从理论上测出光线传播的速度。 在这个测光速的实验中,存在着两次反应时间,假定每次反应时间为0.5秒,则整个实验中反应时间为1秒钟,在这段时间内光线已绕地球赤道转许多圈了。 在19世纪以前,没有一个人在地面上成功地测量了光速的。 测量光速 木星周期为12年,卫星中有4颗最亮的可用望远镜看到.而且它们绕木星旋转的轨道平面几乎重合于地球和木星绕太阳旋转的轨道面。因而木星的卫星每绕木星一周将在进入木星影处发生一次蚀。 最接近于木星的卫星,其周期是42小时28分16秒(约为7/4天),它走过自己直径那样的距离约需3.5分钟,因而用望远镜可以观察到它刚发生蚀的瞬间. 测量光速 天文测量法 1676年丹麦天文学家罗默指出光速是有限的 。 在这个系统里,木星的卫星蚀一方面作为一个信号供地球上人来观察,;另一方面此卫星蚀的周期过程又是一个准确的时钟.如果地球相对于木星的距离不变,或者光速为无限大。则两次蚀之间的时间间隔是一定的。 但是,众所周知,光速不是无限大,并且地球每时都在改变着它与木星的距离,所以在地球上看到的木星的卫星相邻蚀之间的时间间隔是变化的。显然这个变化与地球相对于木星的距离的变化和光速的大小有关。 测量光速 如图,若地球在E1和木星在J1看到一次木星卫星蚀,再用平均周期推算此后蚀的时间,一般并不刚好发生在所推算的时间。 当地球从E1到E2时,看到蚀的时间较推算出的时间迟。这是因为当地球运动时,地球与木星的距离增大,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。当地球由E4到E5时,地球与木星的距离在减小,自木星来的任一信号都比前一信号少走一些距离。 测量光速 齿轮法 1849年德国物理学家菲索用“齿轮法”测出光速。 如图所示,从S发出的光,射到半镀银的平面镜A上,经A反射后,从齿轮N的齿间空隙射到反射镜M上,再反射回来,通过半镀银镜A射入观察者眼中。 测量光速 如果使齿轮转动,那么在光从齿间到达M再反射回齿间的时间Δt内,齿轮将转过一个角度。 如果这时齿a和a′间的空隙恰好被a所占据,则反射回来的光被遮断,因而观察者将看不到光。但如果这时齿轮恰好转到下一个齿间空隙,由M反射回来的光从齿间空隙通过,观察者就能重新看到光。 齿轮的齿数已知,测出齿轮的转速,可算出齿轮转过一个齿的时间Δt,再测出M、N间的距离,就可以算出光速。 测量光速 旋转棱镜法 1924—1927年,美国科学家迈克尔孙综合菲索和傅科测光速方法的优点,用旋转棱镜法,测得了光速.其结果非常接近后来用极其精密的仪器测出的结果. 测量光速 左边是凹面镜将从右面射过来的光线反射到平面镜,经平面镜反射凹镜再反射变成与原方向相反的光线。 右边是八面棱镜将位于上方的光源射到

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