7.1光速的测定光的相速度和群速度.pptVIP

世界上最早用实验方法测定光速的是伽利略。他在1607年做了一个实验。当时，他叫甲乙两个人在夜间各带一只灯，分立在两个山顶上，甲先迅速取去灯罩对乙发出信号，乙在看到信号后，立即取去灯罩，对甲发出信号。两山的距离和光往返的时间来计算光速。由于当时的技术条件限制，测得的光速很不精确。　　 后来，法国科学家傅科用一只旋转的镜子测定光速。他让镜子以一定的速度转动，使它在光线发出并从一面静止镜子反射回来这段时间内，恰好旋转一周。傅科在物理学史上以其“傅科摆”的实验著名于世。 在光速测定的研究中，他是采用旋转平面镜的方法来测量光速的。其测得的光速为29.8×107米/秒，并分析实验误差不可能超过5×105米/秒。 真空中光速c不仅是重要的光学常数，也是整个物理学以及天文学中几个最基本的普适常数之一，对其数值的精确测定，无疑具有十分重大意义的。 另一个天文学方法是1728年布喇德雷用的光行差法。在地面上进行光束测定的工作直到十九世纪上半叶才开始，特别值得提起的有斐索的齿轮法，傅科的旋转镜法和迈克耳孙的旋转棱镜法。 鉴于光速这一基本常数的重要性，对它的测量工作几十年来从未中断，在此期间方法不断改进，精确度不断提高。 根据光的微粒说，光在两种媒质界面上折射时，傅科做实验测定空气和水中光速之比近于4:3，此数值与空气到水的折射率相符，从而判定光的波动说的正确性。 虽然在傅科实验完成之前，光的波动说已为大量事实（如干涉、衍射、偏振等）所证明，但傅科的实验仍被认为是对惠斯原理最直接和最有力的支持，然而随着测定光速方法的改进，问题又复杂化了. 1885年迈克耳逊以较高的精度重复了傅科实验的同时，还测定了空气和CS2光速之比为1.758，但是用折射法测定的CS2折射率为1.64，两数相差甚大，绝非实验误差所致，这矛盾直到瑞利提出“群速”的概念之后才解决。　 为简单起见，我们考虑由两列波组成“波包”。设两列波分别为 即两波的频率（或波长）很接近，它们合成的波列为 7.1 光速的测定 光的相速度和群速度 1 实验室方法 伽利略（Galileo Galilei，1564-1642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。 后来，法国物理学家斐索于1849年用一只旋转的齿轮测量光走过某一给定距离的时间，齿轮以一定的速度运动并让光通过齿间。斐索测得的光速为313000公里／秒。斐索先后研究了光的干涉、热膨胀等，发明了干涉仪。他在研究和测量光速问题上作出了贡献，是第一个不用天文常数、不借助天文观察来测量光速的人。他是采用旋转齿轮的方法来测定光速的。测出的光速为 342539.21千米/秒，这个数值与当时天文学家公认的光速值相差甚小。 斐索（1819-1896）法国物理学家 傅科（Jean Bernard Leon Foucault 1819～1868）法国实验物理学家 1834年，英国物理学家惠斯通利用旋转镜来测定电火花持续的时间，也想用此法来测定光速，同时也想确认一下在拆折射率更大的介质中，光速是否更大。惠斯通的思想方法是正确的，但是他没有完成。 迈克耳逊继承了傅科的实验思想，用旋转八面棱镜法测得光速为299796千米/秒。 惠斯通（CharlesWheatstone 1802～1875）英国物理学家、发明家 迈克耳孙，阿尔伯特·亚伯拉罕(A.Michelson1852—1931)，德国出生的美国物理学家 随着科学科技的不断发展，人们不断地改进实验装置和技术，直到1932年用旋转棱镜测得光速为299774±2公里／秒。20世纪60年代，激光器的出现，使光速的测定越发精确，1972年测定的光速值为299792公里／秒。目前国际计量委员会承认的光速是299792458米±1.2米／秒。　　从伽利略开始，中间经过斐索和傅科等人，一直到20世纪80年代，用来测定光速的实验都是一种定量实验。 2 光速的测量与长度单位“米”的定义 自从1958年绅鲁姆利用微波干涉仪法得到当时公认的光速值c=299792.5±0.1km/s以来，所有的光速精密测量均以公式c=λν为基础，即电磁波在真空中的传播速度等于其频率与相应真空波长之乘积。当时的不确定度是3×10的7次方，其主要原因是使用的波长较长（4mm），因此波长测量的准确度较低，衍射效应带来的误差也较大。 用双缝干涉测光的波长 激光器的出现把光速的测量推向一个新阶段。特别是饱和吸收技术的采用，使我们可以得到频率的稳定性和复现性均十分优良的激光辐射，