一种新的光速测量方法

　　0　引言

　　光在真空中的传播速度是自然界的基本常数,说明麦克斯韦关于光的电磁理论是正确的。准确测定光在不同介质中的传播速度,特别是在真空中的传播速度,引出了群速的概念,它在现代量子物理学中也很重要。真空中光的传播速度与频率、光源和观测者的运动无关,是一切物体运动速度的极限速度,它为建立狭义相对论奠定了一定基础。光速的测定是光学乃至整个物理学的重要课题。最早进行光速测量的实验,是由伽利略于1607年提出并实施的。他的实验没有获得任何结果而失败了,但实验表明:如果光速是有限的,那么其速度是非常之大的。

　　于是测定非常大的光速的数值问题,就变成了准确地测量非常小的时间间隔问题。1849年菲佐(Fazeiu)利用旋转齿轮机构,测得光速值约为3.15×10 ⁸ m/s,是第一次在地球上测得的比较正确的值。

　　传统的光速测定的基本途径有两条,一是利用光是电磁波的性质,测出光波的波长和频率再算出光速。由于可见光的频率高,波长短,测频技术难度非常大,所以在1950年以前都未能在实验上实现[3]。另一是利用基本的速度—位移—时间关系式,通过测定光波波包中心所通过的光程及所需的时间,从而求得波包的传播速度,即群速度。早期科学家们利用天文学的方法测定光速,既困难又不准确。若在地面上用一般的方法测量,光的传播时间非常短暂,测准它又实在不易。

　　目前实验使用的光速测量仪器大多测量微小的时间间隔,这种测量归因于精密的仪器,而且其测量的也仅仅是光在光纤中的速度,而非真空中的速度。并且实验中缺少动手操作的过程,仅仅是读取一些数据[4]。

　　本文提出的光速测量设计性实验全新思路,通过示波器测定RLC电路的谐振频率从而导出光速的表达式。

　　1　实验原理

　　2　边缘效应的修正

　3　实验器材及步骤

　　实验所用仪器及器材:

　　(1)选用两根不同直径的金属管套装而成的圆柱形电容器,为提高测量精度选择长度近2米。

　　(2)单层密绕空心长直螺线管。

　　(3)DF1631C信号发生器。

　　(4)Tektronix双通道数字示波器。

　　图4为实验线路示意图,电阻R、螺线管式电感L、圆柱形电容器C串联接在信号发生器两端,示波器检测电阻R的阻值两端电压。取电阻R大于1万欧姆,即可抵消由于信号发生器内阻对谐振频率测量的影响。

　　Tektronix双通道数字示波器接在大阻值电阻两端,因为阻值大,品质因素小,这对示波器的精度要求较高。调节信号发生器的输出频率,当输出频率与RLC电路的谐振频率一致时,示波器所测得的电阻两端电压幅值达到最大。记录此时的信号发生器输出频率值。