光速是如何测量出来的

还记得自己曾经在中学课本上看到一个关于伽利略测量光速的故事。他的方法是让两个人分别站在相距一英里的两座山上,每个人拿一个灯,第一个人先举起灯,当第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯,从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间间隔就是光传播两英里的时间。但由于光速传播的速度实在是太快了,以至于光在两英里内传播所需要的时间远远小于人的反应时间,所以这种方法根本行不通。但伽利略的实验揭开了人类历史上对光速进行研究的序幕。

最初在科学界,各个物理学泰斗们对于光到底有没有速度这个问题一直争论不休。开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间,是在瞬时进行的。但伽利略认为光速虽然传播得很快,但却是可以测定的,所以便有了上述伽利略所做的实验。

最初的测量光速都是采用天文学的方法的,比如年科学家利用木星卫星的木食现象来计算光速(这个方法比较复杂,详情请看下图,图片取自网络)。

科学家惠更斯第一次根据这个方法计算出了光的速度:千米每秒。虽然这次所测得的结果和实际相差很远,但是这次实验光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义。它不仅推动了光学实验,也打破了光速无限的传统观念。

下面我们再介绍两个比较简单容易理解的测量光速的方法。

年,旋转齿轮法,由德国物理学家菲索提出。

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,在透镜的另一测较远处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到返回的光,当光恰好遇到齿时就会被遮住。从开始到返回的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,菲索测得的光速是千米/秒。误差只有5.1%。

第二个方法其实是上一个方法的改进,是年由法国物理学家傅科提出的。

傅科只用一个透镜、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千米/秒。误差不到1%。

现在人们通过波长和频率来计算光速。年,埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值:.4±0.1米/秒。

光速的测定在光学的研究历程中有着重要的意义。虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了三百多年的时间,但在这期间光速每精确一点都代表着人类物理学巨大的进步。

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