光的速度是怎麼計算的?貳蛋i2019-08-22 02:12:01

1607年,伽利略進行了最早的測量光速的實驗。

伽利略的方法是,讓兩個人分別站在相距一英里的兩座山上,每個人拿一個燈,第一個人先舉起燈,當第二個人看到第一個人的燈時立即舉起自己的燈,從第一個人舉起燈到他看到第二個人的燈的時間間隔就是光傳播兩英里的時間。但由於光速傳播的速度實在是太快了,這種方法根本行不通。但伽利略的實驗揭開了人類歷史上對光速進行研究的序幕。

1676年,丹麥天文學家羅麥第一次提出了有效的光速測量方法。1676年9月,羅麥預言預計11月9日上午5點25分45秒發生的木衛食將推遲10分鐘。巴黎天文臺的科學家們懷著將信將疑的態度,觀測並最終證實了羅麥的預言。

羅麥的理論沒有馬上被法國科學院接受,但得到了著名科學家惠更斯的贊同。惠更斯根據他提出的資料和地球的半徑第一次計算出了光的傳播速度:214000千米/秒。

1725年,英國天文學家布萊德雷發現了恆星的“光行差”現象,以意外的方式證實了羅麥的理論。剛開始時,他無法解釋這一現象,直到1728年,他在坐船時受到風向與船航向的相對關係的啟發,認識到光的傳播速度與地球公轉共同引起了“光行差”的現象。他用地球公轉的速度與光速的比例估算出了太陽光到達地球需要8分13秒。這個數值較羅麥法測定的要精確一些。菜德雷測定值證明了羅麥有關光速有限性的說法。

光速的測定,成了十七世紀以來所展開的關於光的本性的爭論的重要依據。但是,由於受當時實驗環境的侷限,科學家們只能以天文方法測定光在真空中的傳播速度,還不能解決光受傳播介質影響的問題,所以關於這一問題的爭論始終懸而未決。

十八世紀,科學界是沉悶的,光學的發展幾乎處於停滯的狀態。繼布萊德雷之後,經過一個多世紀的醞釀,到了十九世紀中期,才出現了新的科學家和新的方法來測量光速。

1849年,法國人菲索第一次在地面上設計實驗裝置來測定光速。他的方法原理與伽利略的相類似。他將一個點光源放在透鏡的焦點處,在透鏡與光源之間放一個齒輪,在透鏡的另一測較遠處依次放置另一個透鏡和一個平面鏡,平面鏡位於第二個透鏡的焦點處。點光源發出的光經過齒輪和透鏡後變成平行光,平行光經過第二個透鏡後又在平面鏡上聚於一點,在平面鏡上反射後按原路返回。由於齒輪有齒隙和齒,當光透過齒隙時觀察者就可以看到返回的光,當光恰好遇到齒時就會被遮住。從開始到返回的光第一次消失的時間就是光往返一次所用的時間,根據齒輪的轉速,這個時間不難求出。透過這種方法,菲索測得的光速是315000千米/秒。由於齒輪有一定的寬度,用這種方法很難精確的測出光速。

1850年,法國物理學家傅科改進了菲索的方法,他只用一個透鏡、一面旋轉的平面鏡和一個凹面鏡。平行光透過旋轉的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心上,同樣用平面鏡的轉速可以求出時間。傅科用這種方法測出的光速是298000 千米/秒。另外傅科還測出了光在水中的傳播速度,透過與光在空氣中傳播速度的比較,他測出了光由空氣中射入水中的折射率。這個實驗在微粒說已被波動說推翻之後,又一次對微粒說做出了判決,給光的微粒理論帶了最後的衝擊。

1928年,卡婁拉斯和米太斯塔德首先提出利用克爾盒法來測定光速。1951年,貝奇斯傳德用這種方法測出的光速是299793千米/秒。

光波是電磁波譜中的一小部分,當代人們對電磁波譜中的每一種電磁波都進行了精密的測量。1950年,艾森提出了用空腔共振法來測量光速。這種方法的原理是,微波透過空腔時當它的頻率為某一值時發生共振。根據空腔的長度可以求出共振腔的波長,在把共振腔的波長換算成光在真空中的波長,由波長和頻率可計算出光速。

當代計算出的最精確的光速都是透過波長和頻率求得的。1958年,弗魯姆求出光速的精確值:299792。5±0。1千米/秒。1972年,埃文森測得了目前真空中光速的最佳數值:299792457。4±0。1米/秒。

光沿直線傳播的前提是在同種均勻介質中。光的直線傳播不僅是在均勻介質,而且必須是同種介質。可以簡稱為光的直線傳播,而不能為光沿直線傳播。光在兩種均勻介質的接觸面上是要發生折射的,此時光就不是直線傳播了。

用波動學解釋光的傳播:傳播途中每一點都是一個次波點源,發射的是球面波,對光源面(一個有限半徑的面積)發出的所有球面波積分,當光源面遠大於波長時結果近似為等面積、同方向的柱體,即表現為直線傳播,實際上也有發散(理想鐳射除外)。比如手電發出的光有很明顯的發散。光的亮度越強大,離照明參照物越近,光的單色性越好,發散越不明顯。當光源半徑與波長可比擬時積分時的近似條件不成立,積分結果趨向球面波,即表現為衍射。

光是直線傳播(均勻介質中)的,但當光遇到另一介質(均勻介質)時方向會發生改變,改變後依然緣直線傳播。而在非均勻介質中,光一般是按曲線傳播的。以上光的傳播路徑都可以透過費馬原理來確定。光是沿前後左右上下各個方向傳播的,光的亮度越亮,越不明顯看出,當光亮度較暗時,由發光體到照明參照物的光會擴大,距離越遠,擴散的越大,由最初的形狀擴散到消失為止,而當發光體離照明參照物零距離時,光的形狀是發光體真正的形狀大小,所以光傳播的方向與光的亮度、光與照明參照物的距離有關。