齿轮测量光速的原理(齿轮测光速的方法是真的吗)

齿轮测量光速的原理(齿轮测光速的方法是真的吗)

首页维修大全综合更新时间:2024-04-20 14:43:09

齿轮测量光速的原理

1、最早的高精度测量光速的方法,齿轮法。

光在特定的光路上,两次通过齿轮的间隙后被观测者看到。这种情况下,只有齿轮的转速是某一些特定的值的时候,光才可以顺利通过两个间隙,而不被挡住。而这个特定的转速,则与光速有关。这样,就把光速的测量,转化成了测量一个齿轮的转速。

2、迈克尔逊的改进实验。

把齿轮换成了一个八面的镜子。镜子不断旋转,只有在转速是特定的值的时候,光才能顺利被反射,进入观测者的眼睛。由于这里,镜子对光路的影响更大,所以测量的精确度可以更高。

3、现代的光路测量往往会使用干涉法。

通过测量特定频率的激光的波长,再用速度=波长*频率,就能算出来速度。这一方法的精度极高。现在,由于米是从光速定义过来的,所以光速的值也就定死了,就是299792458m/s。

法国物理学家斐佐(Fizeau)首先采用的短距离测定光速的设备。它的主要部件是安在同一根轴上的两个齿轮,两个齿轮的安装正好使我们在沿轴的方向从一头看去时,第一个齿轮的齿对着第二个齿轮的齿缝。这样,一束很细的光沿平行于轴的方向射出时,无论这套齿轮处在那个位置上,都不能穿过这套齿轮。现在让这套齿轮系统以高速转动。从第一个齿轮的齿缝射入的光线,总是需要一些时间才能达到第二个齿轮。如果在这段时间内,这套齿轮系统恰好转过半个齿,那么,这束光线就能通过第二个齿轮了。这种情况与汽车以适当速度沿装有定时红绿灯系统的街道行驶的情况很类似。如果这套齿轮的转速提高一倍,那么,光线在到达第二个齿轮时,正好射到转来的齿上,光线就又被挡住了。但转速再提高时,这个齿又将在光束到达之前转过去,相邻的齿缝恰好在这适当的时刻转来让光线射过去。因此,注意光线出现和消失(或从消失到出现)所相应的转速,就能算出光线在两齿轮间传播的速度。为减低所需的转速,可让光在两齿轮间多走些路程,这可以借助图 上所示的几面镜子来实现。在这个实验中,当齿轮的转速达到 1000 转每秒时,斐佐从靠近自己的那个齿轮的齿缝间看到了光线。这说明在这种转速下,光线从这个齿轮到达另一个齿轮时,齿轮的每个齿刚好转过了半个齿距。因为每个齿轮上有 50 个完全一样的齿,所以齿距的一半正好是圆周的 1/100,这样,光线走过这段距离的时间也就是齿轮转一圈所用时间的 1/100。再把光线在两齿间走的路程也考虑进来进行计算,斐佐得到了光速为 300 000 公里每秒或186 000 英里每秒这个结果。

  按照上面的描述,我们来看看这个计算过程是怎样的。

  假定光从一个齿轮到另一个齿轮所走过的距离为l,齿轮的转速为f,齿轮的齿数为n,光的传播速度为c,那么按照文章中的描述,有下面的公式:

光的传播时间t = l / c

由齿轮的转速f得出齿轮转一圈的时间为1/f,那么转一个齿轮的时间为1/nf,因此转半个齿轮的时间t = 1 / 2nf

  所以,

  得出最终的公式:

  已知c=300 000公里每秒,n=50,f=1000转每秒,我们可以得出要成功测算出光速,这个实验装置中光在两个齿轮间传播的距离应为l = c / 2nf,即3公里。考虑到为了使光在两个齿轮间多走些路程,所以实验装置中使用了几面镜子来反射光线,这样齿轮间的距离可以适当缩短些。

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