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《lm2000a光速测定实验讲义(张1)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、实验一光速测量从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。现在，光在一定时间中走过的距离已经成为一切长度测量的单位标准，即“米的长度等于真空中光在1/299792458秒的时间间隔中所传播的距离.”光速也已直接用于距离测量,在国民经济建设和国防事业上大显身手，光的速度又与天文学密切相关，光速还是物理学中一个重要的基本常数，许多其它常数都与它相关。例如光谱学中的里德堡常数，电子学中真空磁导率与真空电导率之间的关系，普朗克黑体辐公式中的第一辐射常数、第二辐常数、质子、中子、电子、
2、μ子等基本粒子的质量等常数都与光速C相关。一、实验目的图1位相法测波长原理图⒈掌握一种新颖的光速测量方法⒉了解和掌握光调制的一般性原理和基本技术二、实验原理㈠位相法测定调制波的波长波长为0.65μm的载波,其强度受频率为f的正弦型调制波的调制,表达式为式中m为调制度，cos2πf(t-x/c)表示光在测线上传播的过程中,其强度的变化犹如一个频率为f的正弦波以光速c沿x方向传播,我们称这个波为调制波.调制波在传播过程中其位相是以2π为周期变化的.设测线上两点A和B的位置坐标分别为x1和x2,当这两点之间的距离为调制
3、波波长λ的整数倍时,该两点间的位相差为式中n为整数.反过来,如果我们能在光的传播路径中找到调制波的等位相点,并准确测量它们之间的距离,那么这距离一定是波长的整数倍.设调制波由A点出发,经时间t后传播到A′点,AA′之间的距离为2D,则A′点相对于A点的相移为φ=wt=2πft,见图1(a).然而用一台测相系统对AA′间的这个相移量进行直接测量是不可能的.为了解决这个问题,较方便的办法是在AA′的中点B设置一个反射器,由A点发出的调制波经反射器反射返回A点,见图1(b).由图显见,光线由A→B→A所走过的光程亦为2
4、D,而且在A点,反射波的位相落后φ=wt.如果我们以发射波作为参考信号(以下称之为基准信号),将它与反射波(以下称之为被测信号)分别输入到位相计的两个输入端,则由位相计可以直接读出基准信号和被测信号之间的位相差.当反射镜相对于B点的位置前后移动半个波长时,这个位相差的数值改变2π.因此只要前后移动反射镜,相继找到在位相计中读数相同的两点,该两点之间的距离即为半个波长.调制波的频率可由数字式频率计精确地测定,由此可以获得光速C=λ·f(1)(二)影响测量准确度和精度的几个问题用位相法测量光速的原理很简单,但是为了充
5、分发挥仪器的性能,提高测量的准确度和精度,必须对各种可能的误差来源做到心中有数.下面就这个问题作一些讨论.4由式(1)可知图2电路系统的附加相移式中△f/F为频率的测量误差.由于电路中采用了石英晶体振荡器,其频率稳定度为10-5/d-10-6/d,在较短的测量时间内甚至可优于10-7,故本实验中光速测量的误差主要来源于波长测量的误差.下面我们将看到,仪器中所选用的光源的位相一致性好坏、仪器电路部分的稳定性、信号强度的大小以及米尺准确度、噪音等诸因素都直接影响波长测量的准确度和精度。1.电路稳定性我们以主控振荡器的
6、输出端作为位相参考原点来说明电路稳定性对波长测量的影响。参见图3，φ1，φ2分别表示发射系统和接收系统产生的相移，φ3，φ4分别表示混频电路Ⅱ和Ⅰ产生的相移，φ为光在测线上往返传输产生的相移。由图看出，基准信号u1到达测相系统之前位相移动了φ4，而被测信号u2在到达测相系统之前的相移为φ1+φ2+φ3+φ。这样和之间的位相差为φ1+φ2+φ3-φ4+φ=φ′+φ。其中φ′与电路的稳定性及信号的强度有关.如果在测量过程中φ′的变化很小以致可以忽略,则反射镜在相距为半波长的两点间移动时,φ′对波长测量的影响可以被抵消
7、掉;但如果φ′的变化不可忽略,显然会给波长的测量带来误差.设反射镜处于位置B1时U1和U2之间的位相差为△φB1=φB1′+φ;反射镜处于位置B2时,U1与U2之间的位相差为△φB1=φB2′+φ+2π.那么，由于φB1′≠φB2′而给波长带来的测量误差为(φB1′-φB2′)/2π。若在测量过程中被测信号强度始终保持不变，则的变化主要来自电路的不稳定因素。然后，电路不稳定造成的φ′变化是较缓慢的。在这种情况下，只要测量所用的时间足够短，就可以把φ′的缓慢变化作线性近似，按照图4中B2-B1-B2的顺序读取位相值
8、，以两次B2点位置的平均值作为起点测量半波长。用这种方法可以减小由于电路不稳定给波长测量带来的误差。（为什么？）图3消除随时间作线性变化的系统误差2.幅度误差上面谈到φ′与信号强度有关，这是因为被测信号强度不同时，图3所示的电路系统产生的相移量φ1,φ2,φ3，可能不同，因而φ′4发生变化。通常把被测信号强度不同给位相测量带来的误差称为幅相误差。本仪器未设置自动增益控制电
