透明介質(zhì)中光速測(cè)定方法的研究-論文.pdf

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1、第35卷第3期韓山師范學(xué)院學(xué)報(bào)V01．35No．32014年6月Jun．2O14透明介質(zhì)中光速測(cè)定方法的研究李卓凡(韓山師范學(xué)院物理與電子工程系，廣東潮州521041)摘要：對(duì)LM2000C2光速測(cè)量?jī)x進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)輔助器件，增加了測(cè)量透明介質(zhì)中光速的功能．進(jìn)行了有關(guān)公式的推導(dǎo)，得到了透明介質(zhì)中光速的計(jì)算公式．實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，表明了改進(jìn)方案的可行性．關(guān)鍵詞：光拍；透明介質(zhì)；光速；光程中圖分類號(hào)：0435文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007—6883(2014)03—0030—04檢測(cè)器光敏面只能對(duì)頻率10Hz以下的光信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)，獲得光電流．光的頻率很高(1廠>10Hz)，因

2、此只能通過(guò)間接的方法來(lái)測(cè)得光速，利用光拍使光信號(hào)的頻率“降低”到儀器可以產(chǎn)生響應(yīng)的頻率段，這就是近代物理實(shí)驗(yàn)中的光拍頻法測(cè)光速實(shí)驗(yàn)．但是目前實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)只對(duì)空氣中的光速進(jìn)行了測(cè)量，現(xiàn)對(duì)本校所使用的LM2000C2光拍法光速測(cè)量?jī)x進(jìn)行改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)拓展到可以測(cè)透明介質(zhì)中的光速．1實(shí)驗(yàn)原理采用聲光調(diào)制方法使激光束產(chǎn)生同定的頻移，形成兩列速度相同、振動(dòng)方向相同、振動(dòng)頻率相差較小、同向傳播的簡(jiǎn)諧振動(dòng)波的疊加，這就獲得了拍信號(hào)u．利用分光鏡將這兩束光拍分成遠(yuǎn)近兩光路，兩路光到達(dá)光電二極管，經(jīng)信號(hào)處理可在示波器上形成兩個(gè)正弦波形．調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程光路上的棱鏡小車，使遠(yuǎn)近兩光波相位差為0和2竹，即兩

3、次重合，記下小車移動(dòng)的距離和①②⑧④一內(nèi)(近)光路全反射鏡⑤⑥⑦@一外(遠(yuǎn))光路令反射鏡光拍的頻率，即可計(jì)算獲得空氣中的光速，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示，圖1光拍頻法測(cè)光速實(shí)驗(yàn)光路圖收稿日期：2013—10—09作者簡(jiǎn)介：李卓凡(1979一)，女，廣東揭陽(yáng)人，韓山師范學(xué)院物理與電子工程系實(shí)驗(yàn)師，碩士·30·1．1空氣中光速測(cè)量如圖1所示，將棱鏡小車定位在軌道最左端某處的位置，使示波器上的近遠(yuǎn)兩程的兩條正弦波完全重合，這時(shí)兩束光波的相位差為0，記下棱鏡小車的位置；接著向右移動(dòng)棱鏡小車，使遠(yuǎn)程光與近程光的相位差為2，即示波器上兩條正弦波再次重合，記下棱鏡小車的位置．前后兩次波形重合棱

4、鏡小車移動(dòng)的距離為△．，光程差為2AL，即為光波的波長(zhǎng)．已知光拍的頻率為／，所以空氣中的光速為】：C=Af=2AL廠(1)1．2透明液體介質(zhì)中光速的測(cè)量由于儀器設(shè)計(jì)的限制，無(wú)法將棱鏡小車放在透明液體介質(zhì)中移動(dòng)2耵相位的光程，因此空氣中光速的測(cè)量方法不再適用于液體介質(zhì)中光速的測(cè)量．為了測(cè)量液體介質(zhì)中的光速，對(duì)儀器進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)物圖如圖2所示，自制了一個(gè)30cm長(zhǎng)的水槽固定在遠(yuǎn)程光路的導(dǎo)軌上，原理圖如圖3所示．設(shè)光在空氣中的速度為C，在液體中的速度為，測(cè)量放上水槽之前，光在空氣中傳播時(shí)，遠(yuǎn)近兩程光波相位差從0到21T時(shí)，兩棱鏡小車移動(dòng)的距圖2透明介質(zhì)中光速測(cè)定儀器實(shí)物圖離(L．

5、+L：)，這時(shí)光行進(jìn)的時(shí)間為=—————些—!(2Z)Jt：C沿光路方向放上Z=30cm的水槽，裝入透明液體(折射率n>1)，調(diào)整水槽的高度使光線穿過(guò)液體介質(zhì)．放人液體介質(zhì)后，遠(yuǎn)程光路的光程將增加，因此示波器上原來(lái)與近程光重合的遠(yuǎn)程光的位置會(huì)發(fā)生變化，移動(dòng)棱鏡小車2，縮短遠(yuǎn)程光路的光程，使遠(yuǎn)近兩束光波重新重合，假設(shè)此時(shí)棱圖3液體中光速測(cè)定原理圖鏡小車移動(dòng)的距離為△厶，則再次重合后，光行進(jìn)的時(shí)間仍為t，有：t：：————些—：_二—些——-_二一!+型(l3)由(1)(2)(3)式可得=砸／(L4)(4)式中。表示放入液體介質(zhì)前示波器上遠(yuǎn)近兩束光波兩次重合時(shí)小車移動(dòng)的距離；A

6、L：表示放入液體介質(zhì)前后示波器上遠(yuǎn)近兩束光波兩次重合時(shí)，棱鏡小車2移動(dòng)的距離；f是水槽的長(zhǎng)度；f是光拍的頻率．2實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析2．1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)樣品選擇清水和濃度18％鹽水．(1)將棱鏡小車(下統(tǒng)稱為：小車)定位于軌道的左端，調(diào)節(jié)并記錄示波器上兩條正弦波第一次重合時(shí)兩小車在軌道A、13Jz的位置讀數(shù)d(0)、d(0)；向軌道的右端推動(dòng)小車，使示波器上兩條正弦波第二次重合，記下兩小車在軌道A、B上的位置讀數(shù)d(2"rr)、d(2"rr)．計(jì)算小車移動(dòng)的距·31·其離△(即△=IdA(21T)一d．4(0)l+IdB(2竹)一d(0)I)．中(2)向水槽(長(zhǎng)度為z)里倒進(jìn)液體，

7、使入射光線能順利通過(guò)介質(zhì)，將水槽放在軌道B的左端．調(diào)整水槽的位置及光路，使示波器上的波形保持清晰和穩(wěn)定．(3)小車1的位置不變，讀數(shù)為DA(2叮r)；將小車2向左移動(dòng)，當(dāng)示波器上的兩條正弦波再次重合時(shí)，記下小車2在導(dǎo)軌B上的讀數(shù)D2-rr)，計(jì)算加入液體前后小車2移動(dòng)的距離△L(即△￡：=IDa(2霄)一d21T)])．1^r7(4)根據(jù)=．廠計(jì)算光在液體中光速．+／．~L22．2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析按上述實(shí)驗(yàn)步驟分別對(duì)清水和濃度為18％的鹽水中的光速進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表l所示．對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表2所示，水中