求A.迈克尔逊做的光速测量实验全过程。

如题所述

18世纪,科学界是沉闷的,光学的发展几乎处于停滞状态。继布莱德雷之后,经过一个多世纪的酝酿,到了19世纪中期,才出现了新的科学家和新的反复法来测量光速——法国科学家菲索和傅科,开始用物理的方法测定光速。当时先后产生了旋转齿轮法和旋转镜法这两种方法。

3.1 1849年
旋转齿轮法是法国物理学家菲索 (Armanda Hippolyte Louis Fizeau,1819.9.23-1896.9.18)在1849年发明的。他的方法原理与伽利略的相类似。他将一个点光源放在透镜的焦点处,在透镜与光源之间放一个齿轮,在透镜的另一侧较远的地方依次放置另一个透镜和一个平面镜,平面镜位于第二个透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光,平行光经过第二个透镜后又在平面镜上会聚于一点,在平面镜上反射后按原路返回。由于齿轮有齿隙和齿,当光通过齿隙时观察者就可以看但返回的光,当光恰好遇到齿时就会被遮住。从开始到返回的迈克尔逊光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间,根据齿轮的转速,这个时间不难求出。通过这种方法,菲索测得的光速是315 000Km/s。但由于齿轮有一定的宽度,用这种反复法很难精确的测出光速。

3.2 1850年

1850年,法国科学家傅科(Jean Bernard Keon Foucault,1819.9.18-1868.2.11)

改进了菲索的方法。

他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上,同样用平面镜的转速可以求出时间。傅科用这种方法测出的光速是:298 000Km/s。

另外,傅科还测出了光在水中的传播速度,通过与光在空气中传播的速度的比较,他测出了光由空气中射入水中的折射率。这个实验在微粒说已被波动说推翻之后,又一次对微粒说作出了判决,给光的微粒理论以最后的冲击。

3.3 1878年

美国物理学家迈克尔逊(A.A.Michelson,1852-1931)从1878年开始用旋转镜法对光速进行了持续50年的测定工作。在迈克尔逊在海军学院任教不久,演示了傅科测定光速的方法,由此对测定光速产生了兴趣。起初,他“没有办法保证任何精确的”结果,“仅仅打算去演示这一方法”,为此,“找到了放在实验室中的粗笨的仪器”。

傅科的实验装置是借助定日镜照明一条明亮分划线作为光源,将可旋转平面镜放在透镜L焦距内距L很近处。A和B是当旋转反射镜M1在两个特定位置时S的虚像,它们经透镜L分别成像于A’和B’两点。凹面镜的曲率中心与M1镜的旋转轴重合,使得所有的光束在和之间传播距离相等。S’是经镜反射后待观察的虚像,偏转角a是与之间的S与S’之间的夹角。傅科选取的L与间距离约为20m;他使用的旋转平面镜转速为400r/s。

3.4 1879年

迈克尔逊分析这一装置,发现精度底是由于偏转角太小。他将S改为狭缝光源,使亮度显著提高,并将和之间的距离增大到152m,使适当靠近透镜L的焦点,则轴上光速经L在镜上成的像被限制在与透镜有相同直径的范围内,这样可以改用平面镜;他还将测偏角a的半径由原来的1m改为9m多。

虽然镜转速仅有128r/s,但整个偏转角还是增大了约20倍,因而提高了a角的测量精度。他这次测出空气中的光速为300 140Km/s。

实验取得了成功,促进他继续改进装置,以获得更精确的结果。1878年7月,他将透镜的直径增大到20cm,两反射镜之间距离增大到605m,镜子转速为250r/s,观察到的位移为133mm。实验从1879年6月5日开始,每次测量的数据都不舍掉,对空气的折射率作修正之后,得到在真空中的光速为299 940Km/s,测量精度提高了3倍。

迈克尔逊于1879年秋被纽科姆教授邀请到航海历书局参加由政府资助的光速测定研究。他从欧洲回国后,纽科姆因自己测得的光速值:299 860±30Km/s与迈克尔逊的值相差50Km/s,对这一差异满意,于是迈克尔逊重新进行测定。

3.5 1882年

这次的实验使用了弧光灯,距离由市政工程专家进行测量,测得的值为:624.695m,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,光学仪器就在装在两个水泥柱子上,从1882年10月12日到11月14日这段时间,迈克尔逊进行了23次测量,得出真空中的光速为:299 853±60Km/s,该结果在45年中一直被作为全世界的公认值,直到1926年威尔逊山的测定结果发表。

3.6 1883年

1883年开始,迈克尔逊测定了光在蒸馏水中的速度,两反射镜间距离为5.37m,装水的管子长3.06m,测出真空中与水中光速之比为1.33。以前又阿拉戈建议,傅科和菲索等人证明了光在水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。

他又将管中改装二硫化碳()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1.758±0.02,而的折射率为1.64,发现了两者间的显著差别。他还发现红光与蓝光在中的速度比为1.014。这个实验第一次为瑞利在色散媒质中波速度、群速度理论提供了可靠的实验证据。
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