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在大学物理教学中引入非线性物理的探索与探索 第3期剂战存等:迈克耳孙的光速测定实验3 圈I傅科测光速用过的一种宴验装置 同的夹角傅科选取的L与M:问的距离约为20m;他 使用的旋转平面镜M转速为400s 迈克耳孙分析这一装置,发现精度低是由于偏转 角太小他将S改为狭缝光源,使亮度显着提高,并将 M.和M问的距离增大为152m;使M适当靠近透镜 L的焦点,划轴上光速经L在M镜上成的像被限制在 与透镜有相同直径的范围内,这样M可以改用平面镜 (昆图2);他还将测偏转角n的半径由原来的1m改为 9盯1多,虽然M,镜转速仅有l28r/5,但整个偏转角还 是增大了约20倍.因而提高了角的测量精度他这 次测出空气中的光速为300140ks L 固2迈克耳孙改进后的光速测量装置 2,2维续努力.提高精度 实验取得了成功,促使迈克耳孙继续改进装置.以 获得更精确的结果l878年7月他用岳父资助的2000 美元,将透镜的直径增大到2O恤.两反射镜闻的距离 增大到605m,镜子转速为250s,观察到的位移为133 mm实验从1879年6月5日开始,每次测量数据都 不台掉.对空气的折射率作修正后,得到在真空中的光 速为299940kⅡ,测量精度提高3倍这年秋天,纽 科姆教授请迈克耳孙秘航海历书局参加由政府资助的 光遵测定研究. 2.3不斯改进,不断创新 迈克耳孙从欧洲回国后,纽科姆因自己测得的光速 值(299860±30)km/s与迈克耳孙的值相差50ks,对 这一差异不满意,于是迈克耳孙重新进行测定 这次实验使用了弧光灯作光源,距离由市政工程 专家进行精密测量,测得值为624695m,反射镜的转 速经过更精确的校准测量场地选在校园后一段铁道 的北边,光学仪器就装在两个水泥柱子上.从1882年 l0月l2日到l1月l4日这段时间,迈克耳孙进行了23 次测量,得出真空中的光速为(299853±60)km/s该 结果在45年中一直被作为全世界的公认值,直到1926 年威尔孙山的测定结果发表. 2.4光在液体中的速虞 1883年开始,迈克耳孙测定了光在蒸馏水中的速 度.两反射镜间距离537r/l,装水的管子长306lrt涮 出真空中与水中光速之比为133以前由珂辟j曳(Ara— go)建议,傅科和菲佐等人证明了光在承中速度比在空 气中慢.此结果成为光的波动理论的有力证据,但定量 测量还没有人做过 迈克耳孙又将管中改装二硫化碳(CS).测出了白 光,红光和蓝光在该媒质中的传播速度,得到了意外的 结果.测得光在真空中与(中的速度之比为1758± 002,而c的折射率为164.发现了两者间的显着差 别他还发现红光与蓝光在CS中的速度比为1.014 这十实验第一扶为瑞利在色散蝶质中波速度,群速度 理论提供了可靠的实验证据 2.5不懈的努力,毕生的奋斗 1920年前后,迈克耳孙应威尔孙山天文台台长黑 尔(G.EHale)之邀,来到加利福尼亚,看到靠近帕萨迪 纳的山上大气适于长距离测量他从未进行过这样大 规模的实验,机会是很难得的用5年时间做了准备和 预测量,1926年怍了正式测量他用多面反射镜中的一 面发射光而从另一面接收光(见图3).使光经过相当长 的路径,提高了反射镜的转速这一光学装置的对称性 和光在旋转反射镜近乎垂直入射,反射.增加了返回光 束的光强.因而性能优越得多两反射镜问的距离为 3537321km,因山路陡峭崎岖,且高达3070rn.两镜 间距离不可能直接测量,迈克耳孙便请专家利用三角 方法测出,全部距离的可能误差不大干5mm迈克耳 孙分别用八面,十二面和十六面的玻璃反射镜,八面和 十二面的钢反射镜做实验,得到的结果相当一致.所有 图3疆克耳孙在戚尔孙山上用过的一种光速定装置 大学物理第20卷 这些测量的加权平均值为(299796±4)km[s,这也许是 用光学仪器测得的光速值中最精确的 』,们对这个实验的批评主要是空气折射率不确 定.促使他设计了一个在真空中测量的实验,在直径91 cm,长16km的真空管道中放置反射镜.两镜之间经 多次反射,光的路径长达13~16km该实验从1929年 开始,当时迈克耳孙年事已高.两次手术后.身体已经 很差.只能对助手做一些指导尽管如此,他对实验的 热情却丝毫未减听说管道的密封不严,他不顾医生劝 阻,亲自去检查接头数据送来后.他发现温度问题未 予考虑.就告诉助手需要夜间工作,以杜绝温度变化带 来的影响测量在迈克耳孙逝世后才完成 3迈克耳孙测定光速实验给我们的启示 迈克耳孙为光速测量毕生奋斗.20多岁改善博 科的实验方法起.到30多岁时测出全世界公认的光速 值;年过七甸以后仍为提高测量精度UlgJ~,沥血直至1931 年逝世,给了我们以深刻的启示这里主要讨论几点: 1)他对科学实验实事求是,一丝不苟的作风是科学 创新

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