声速与光速是怎样测量

Question

如题所述

Answer 1

光速测量： 早光速准确数值通观测木星其卫星掩食测量.转齿轮、转镜、克尔盒、变频闪光等光速测量.
1．罗默卫星蚀
光速测量,首先文获功,宇宙广阔空间提供测量光速所需要足够距离．早1676丹麦文家罗默（1644— 1710）首先测量光速．由于任何周期性变化程都作钟,功找离观察者非遥远相准确钟,罗默观察所用木星每隔定周期所现卫星蚀．观察注意：连续两卫星蚀相隔间,球背离木星运,要比球迎向木星运要些,用光传播速度限解释现象．光木星发（实际木星卫星发）,球离木星运,光必须追球,面观察木星两卫星蚀相隔间,要比实际相隔间些；球迎向木星运,间短些．卫星绕木星周期（约1.75）,所述间差数,合适间（图球运行轨道AA’两点）致超15秒（球公转轨道速度约30千米/秒）．,取靠结,观察曾整连续进行．罗默通观察卫星蚀间变化球轨道直径求光速．由于知道球轨道半径近似值,故求光速214300km/s．光速值尽管离光速准确值相差甚远,却测定光速历史第记录．用照相测量木星卫星蚀间,并球轨道半径测量准确度提高,用罗默求光速299840±60km/s．
2．布莱德雷光行差
1728,英文家布莱德雷（1693—1762）采用恒星光行差,再光速限物理量．布莱德雷球观察恒星,发现恒星视位置断变化,内,所恒星似乎都顶绕着半轴相等椭圆运行周．认种现象产由于恒星发光传面需要定间,间内,球已公转发位置变化．由测光速：
C=299930千米/秒
数值与实际值比较接近．
仅利用文现象观察数值光速测定,实验室内限于条件,测定光速尚能实现．
二、光速测定测量
光速测定包含着光所通距离所需间量度,由于光速,所必须测量距离短间,测量围绕着何准确测定距离间设计各种．
1．伽利略测定光速
物理发展史,早提测量光速意利物理家伽利略．1607实验,让相距甚远两观察者,各执盏能遮闭灯,图所示：观察者A打灯光,经定间,光达观察者B,B立即打自灯光,某间,信号A,于A记自灯瞬间,信号B返A瞬间所经间间隔t．若两观察者距离S,则光速度
c=2s/t
光速,加观察者要定反应间,所伽利略尝试没功．用反射镜代替B,情况所改善,避免观察者所引入误差．种测量原理远保留切测定光速实验．甚至现代测定光速实验仍采用．信号接收间测量,要采用靠．使用些甚至能太距离测定光速,并达足够高精确度．
2．旋转齿轮
用实验测定光速首先1849由斐索实验．用定期遮断光线（旋转齿轮）进行自记录．实验示意图．光源s发光经聚透镜L1射半镀银镜面A,由反射齿轮W齿aa’间空隙内聚,再经透镜L2L3达反射镜M,再反射．通半镀镜A由 L4集聚射入观察者眼睛E．使齿轮转,光达M镜再反射所经间△t内,齿轮转角度．a与a’间空隙齿 a（或a’）所占据,则反射光遮断,观察者看光．齿轮转角度,使由M镜反射光另齿间空隙通,观察者重新看光,齿轮转更快,反射光另齿遮断,光消失．,齿轮转速由零逐渐加快,E处看闪光．由齿轮转速v、齿数n与齿轮M间距L推光速c=4nvL．
斐索所做实验,具720齿齿轮,秒钟内转12.67,光首挡住消失,空隙与轮齿交替所需间
间内,光所经光程2×8633米,所光速c=2×8633×18244=3.15×108（m/s）．
信号发返接收刻能作自记录遮断除旋转齿轮外,现代采用克尔盒．1941安德孙用克尔盒测：c=299776±6km/s,1951贝格斯格兰用克尔盒测c=299793.1±0.3km/s．
3．旋转镜
旋转镜主要特点能信号传播间作精确测量．1851傅科功运用测定光速．旋转镜原理早18341838已惠更斯阿拉提,主要用高速均匀转镜面代替齿轮装置．由于光源较强,且聚焦较．能极其精密测量短间间隔．实验装置图所示．光源s所发光通半镀银镜面M1,经透镜L射绕O轴旋转平面反射镜M2O轴与图面垂直．光M2反射聚凹面反射镜M3, M3曲率恰O轴,所光线由M3称反射,并s′点产光源像．M2转速足够快,像S′位置改变s〃,相于视M2转位置移△s距离推导光速值：
式wM2转角速度．l0M2M3间距,l透镜L光源S间距,△ss像移距离．直接测量w、l、l0、△s,便求光速．
傅科实验：L=4米,L0=20米,△s=0.0007米,W=800×2π弧度/秒,求光速值c=298000±500km/s．
另外,傅科利用实验基本原理,首测光介质（水）速度v＜c,波说力证据．
3．旋转棱镜
迈克耳逊齿轮旋转镜结合起,创造旋转棱镜装置．齿轮所够准确,由于仅齿央光遮断变暗,且齿边缘遮断光．能精确测定象消失瞬．旋转镜够精确,该象位移△s太,0.7毫米,易测准．迈克耳逊旋转镜克服些缺点．用八面钢质棱镜代替旋转镜旋转平面镜,光路增,并利用精确测定棱镜转速度代替测齿轮齿轮转速测光走完整路程所需间,减少测量误差．1879至1926,迈克耳逊曾前事光速测量工作近五十,面付极劳． 1926光速测定值
c=299796km/s
精确测定值,快光速公认值．
三、光速测定实验室
光速测定文测量,都采用测定光信号传播距离传播间确定光速．要求要尽能增加光程,改进间测量准确性．实验室般受空限制,能野外进行,斐索旋轮齿轮巴黎苏冷与达蒙玛特勒相距8633米两进行．傅科旋转镜野外,迈克耳逊相距35373．21米两山峰完．现代科技术发展,使使用更更精确实验仪器实验室进行光速测量．
1．微波谐振腔
1950埃森先采用测定微波波频率确定光速．实验,微波输入圆柱形谐振腔,微波波谐振腔几何尺寸匹配,谐振腔圆周πD波比关系：πD=2.404825λ,通谐振腔直径测定确定波,直径则用干涉测量；频率用逐级差频测定．测量精度达10-7．埃森实验,所用微波波10厘米,所光速结299792.5±1km/s．
2．激光测速
1790美家标准局美立物理实验室先运用激光测定光速．原理同测定激光波频率确定光速（c=νλ）．由于激光频率波测量精确度已提高,所用激光测速测量精度达10-9,比前已精密实验提高精度约100倍．
四、光速测量览表
除介绍几种测量光速外,许十精确测定光速．现同测定光速值列光速测量览表供参考．
根据1975第十五届际计量决议,现代真空光速靠值：
c=299792.458±0.001km/s
声速测量仪必须配示波器信号发器才能完测量声速任务.实验产超声波装置图所示.由压电陶瓷管或称超声压电换能器与变幅杆组；交变电压加压电陶瓷管,由于压电体逆压电效应,使其产机械振.压电陶瓷管粘接铝合金制变幅杆,经电线路放,即超声波发器,由于压电陶瓷管周期性振,带变幅杆做周期轴向振.所加交变电压频率与压电陶瓷固频率相同,压电陶瓷振幅,使变幅杆振幅.变幅杆端面空气激发纵波,即超声波.本仪器压电陶瓷振荡频率40kHz,相应超声波波约几毫米,由于波短,定向发射性能,本超声波发射器比较理想波源.由于变幅杆端面直径般20mm左右,比波,近似认离发射器定距离处声波平面波.超声波接受器则利用压电体压电效应,接收机械振,转化电振,使电振增强.特加选频放器加放,再经屏蔽线输给示波器观测.接收器安装移机构,机构包扩支架、丝杆、移底座（其装指针,并通定位螺母套丝杆,丝杆带作平移）、带刻度手轮等.接收器位置由主、尺刻度手轮位置决定.主尺位于底座面；尺位于底坐面；尺1mm,手轮与丝杆相连100格,每转周,接收器平移1mm,故手每格0.01mm,估0.001mm.