「近代物理三个实验(理论物理基础A)」.pdf

实验一 光速的测量 对作为最基本的物理量之一的光速进行精确测定,能证实光的电磁本性。从 17 世纪伽利略第一次尝试测量光速以来,各个时期人们都采用最先进的技术来测量光速。由于光速的数值很大,所以早期的测量都是用天文学的方法。由于测量仪器的精度限制,其精度不高。而1世纪0 年代以后,对光速的测量都采用测量光波波长和它的频率。由c得出光的传播速度。到了 20 世纪 60 年代，随着激光作为一种高稳定的崭新光源的出现,使光速测量精度得到很大的提高。目前公认的光速度为(299、9、581）sm/。【实验目的】.理解光拍频的概念,从而确定光速测定的原理;2掌握光拍法测光速的实验方法和技术。【仪器设备】1.LM200C 光速测定仪 2.示波器 .频率计【实验原理】1光拍的产生和传播：根据振动迭加原理,频差较小、速度相同的二同向传播的简谐波相迭加即形成拍。考虑频率分别为1和2(频差21较小）的光束(为简化讨论,我们假定它们具有相同的振幅）：)2cos(1111xtEE)2cos(2222xtEE 它们的迭加 22cos22cos22121212121cxtcxtEEEEs ()是角频率为221，振幅为22cos22121cxtE的前进波。注意到sE的振幅以频率221周期地变化，所以我们称它为拍频波，就是拍频,如图所示：我们用光电检测器接收这个拍频波。因为光检测器的光敏面上光照反应所产生的光电流系光强（即电场强度的平方）所引起，故光电流为 2sogEi (2）为接收器的光电转换常数。把（l)代入(2）,同时注意：由于光频甚高(Hzo1410）,光敏面来不及反映频率如此之高的光强变化，迄今仅能反映频率Hz810左右的光强变化,并产生光电流；将0i对时间积分，并取对光检测器的响应时间)11(tto的平均值。结果，0i积分中高频项为零,只留下常数项和缓变项。即：tocxtgEdtiti)(cos112 （3)其中是与相应的角频率,21为初相。可见光检测器输出的光电流包含有直流和光拍信号两种成分。滤去直流成分，即得频率为拍频，位相与初相和空间位置有关的输出光拍信号。图 2 是光拍信号0i在某一时刻的空间分布，如果接收电路将直流成分滤掉，即得纯粹的拍频信号在空间的分布。这就是说处在不同空间位置的光检测器，在同一时刻有不同位相的 光电流输出。这就提示我们可以用比较相位的方法间接地决定光速。事实上，由（）可知,光拍频的同位相诸点有如下关系：ncx2 或 ncx t图 1 光拍频的形成 E1+E()为整数,两相邻同相点的距离c即相当于拍频波的波长。测定了和光拍频,即可确定光速c。.相拍二光束的获得 光拍频波要求相拍二束具有一定的频差。使激光束产生固定频移的办法很多。一种最常用的办法是使超声与光波互相作用。超声（弹性波）在介质中传播，引起介质光折射率发生周期性变化，就成为一位相光栅。这就使入射的激光束发生了与声频有关的频移。利用声光相互作用产生频移的方法有二：一是行波法,在声光介质与声源(压电换能器）相对的端面上敷以吸声材料，防止声反射，以保证只有声行波通过，如图 3 所示。互相作用的结果,激光束产生对称多级衍射。第l级衍射光的角频率为 l01。其中0为入射光的角频率，为声角频率，衍射级21、l ,如其中1级行射光频为101,衍射角为,和分别为介质中的光和声波长。通过仔细的光路调节，我们可使1与零级二光束平行迭加,产生频差为的光拍频波。i。图 2 光拍的空间分布/c g2E x 0 声行波 入射光+3+2 0+1-1-3-2 图 3 行波法 声反射面 入射3 2 0 1 1 3 2 图 4 驻波法