光速测定指导书

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1、光速测定一、实验目的1、掌握一种新颖的光速测量方法2、了解和掌握光调制的一般性原理和基本技术二、实验原理（一）利用波长和频率测速度物理学告诉我们，任何波的波长是一个周期内波传播的距离。波的频率是1秒种内发生了多少次周期振动，用波长乘频率得1秒钟内波传播的距离即波速C=^・f图1中，第1列波在1秒内经历3个周期，第2列波在1秒内经历1个周期,在1秒内二列传播相同距离，所以波速相同，仅仅第2列波的波长是第1列的3倍。利用这种方法，很容易测得声波的传播速度。但直接用来测量光波的传播速度，述存在很多技术上的困难，主要是光的频率高达10,4Hz,日前的光电接收器Q中无法响应频率如此鬲的光强变化，迄今仅

2、能响应频率在10Hz左右的光强变化并产生相应的光电流。（二）利用调制波波长和频率测速度如果直接测量河中水流的速度冇困难，可以采用一种方法，周期性地向河中投放小木块（f）,再设法测量出相邻两小木块间的距离（入），侧依据公式波速C=X.f即可算出水流的速度。周期性地向河中投放小木块，为的是在水流上作一特殊标记。我们也町以在光波上一些特殊标记，称作“调制”。调制波的频率町以比光波的频率低很多，就可以用常规器件未接收。与木块的移动速度就是水流流动的速度一样，调制波的传播速度就是光波传播的速度。调制波的频率可以用频率计精确的测定，所以测量光速就转化为如何测量调制波的波长，然厉利用公式C二入・f即可计算

3、出光传播的速度。(三)相位法测定调制波的波长波长为0.65um的载波，其强度受频率为f的止弦型调制波的调制，表达式为「(xY/=/01+mcos2肘t——LIc)_式中m为调制度，cos2nf(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的止弦波以光速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相位是以2兀为周期变化的.设测线上两点A和B的位置处标分别为Xi和X2,当这两点之间的距离为调制波波长入的整数倍时，该两点间的相位差卩一池晋亿-心2呵为式中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相位点,并准确测暈它们Z间的即•离,那么这距离一定

4、是波长的整数倍。(a)(b)图2相位法测波长原理图设调制波由A点出发，经时间t后传播到"点,AT之间的距离为2D,则A，点相对于A点的相移为0二wt二2Jift,见图2(a).然而用一台测相系统对AA'间的这个相移暈进行直接测暈是不nJ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冋A点，见图2(b).由图显见,光线由A―—>A所走过的光程亦为21),而且在A点,反射波的相位落后如果我们以发射波作为参考信号(以下称Z为基准信号)，将它与反射波(以下称Z为被测信号)分別输入到相位计的两个输入端，则市相位计可以直接读出基准信号和被测信号Z间

5、的相位差.当反射镜相对于B点的位置前后移动半个波长时，这个相位差的数值改变2兀.因此只耍前后移动反射镜,相继找到在相位计屮读数相同的两点,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C二入•f可以获得光速值。（四）差频法测位相在实际测相过程屮，当信号频率很高时，测相系统的稳定性、工作速度以及电路分布参量造成的附加相移等因素都会直接影响测相精度，对电路的制造工艺要求也较苛刻，因此高频下测相困难较大。为了避免高频下测相的困难，人们通常采用差频的办法，把待测高频信号转化为中、低频信号处理。这样做的好处是易于理解的，因为两信号之间位相差的测量实际上被转化为两信号过零的时间

6、差的测量，而降低信号频率f则意味着拉长了与待测的相位差e相对应的时间差。经过证明得到差频前后两信号Z间的相位差保持不变。本实验就是利用差频检相的方法，将f=100MHZ的高频基准信号和高频被测信号分别与本机振荡器产生的高频振荡信号混频，得到两个频率为455KIIZ、位相差依然为4＞低频信号，然厉送到位相计中去比相。（五）示波器测相1、单踪示波器法将示波器的扫描同步方式选择在外触发同步，极性为+或-，“参考”相位信号接至外触发同步输入端，“信号”相位信号接至Y轴的输入端，“信号”相位接至Y轴的输入端，调节“触发”电平，使波形稳定；调节Y轴增益，使有一个适合的波幅：调节“时基”，使在屏上只显示一

7、个完整的波形，并尽可能地展开，如一个波形在X方向展开为10大格，即10大格代表为360°,每1大格为36%可以估读至0.1大格，即3.6。。开始测量时，记住波形某特征点的起始位置，移动棱镜小车，波形移动，移动1人格即表示参考相位与信号相位之间的相位差变化了36°o有些示波器无法将一个完整的波形正好调至10人格，此时可以按下式求得参考相位与信号相位的变化量，参见图3。△防工•360°图3示波器测相位2、双踪示波