华东理工大学相位差法测光速实验讲义

《华东理工大学相位差法测光速实验讲义》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、相位差法测量光速光速是物理学中最重要的基本常数之一，也是各种频率的电磁波在真空中的传播速度，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系，光速值的精确测量将关系到许多物理量值精确度的提高，所以长期以来对光速的测量一直是物理学家十分重视的课题。许多光速测量方法巧妙的构思、高超的实验设计一直在启迪着后人的物理学研究。光的偏转和调制，则为光速测量开辟了新的前景，并已成为当代光通信和光计算机技术的课题。【目的与要求】1.掌握相位法测量光的传播速度。2.了解调制和差频技术。3.熟悉和掌握数字存储示波器的使用。【原理】采用频率为f的正弦型调制波，调制波长为0.65m的载波的强度，调制波在传播过程中

2、其位相是以2为周期变化的，表达式为：xII＋Icos(2ft()(1)00cs如光接收器和发射器的距离为s，则光的传播延时为t，其中c为光速。在sct的距离上产生的相位差为＝2ft2。T被光电检测器接收后变为电信号，该电信号被滤除直流后可表示为：Uacos(2ft)(2)可得光速：sc2f(3)如果光的调制频率非常高，在短的传播距离s内也会产生大的相位差。如果光的调制频率f60.000MHz，当s＝5m时，就会使光信号的相位移达到一个周期＝2。然而高频信号的测量和显示是非常不方便的，普通的教学

3、示波器不能用于高频信号的相位差测量。设在接收端还有一个高频信号f59.900MHz作为参考信号，表示为：Uacos(2ft)(4)将U和U相乘得到：UU[acos(2ft)][acos(2ft)]11aacos[2(ff)t]aacos[2(ff)t]22可见经乘法器后将得到和频f＋f＝60.00059.900119.000MHz＝及差频fff＝60.00059.900100KHz＝的混合信号。将该混合信号通过一个中心频率为1100KHz、带宽为10KHz的滤波器后，和频信号

4、将被滤除，差频信号将保留。上式将变为：Uacos(2ft)111该信号频率仅为100KHz，很容易被低频示波器观测到。此式中没有被改变与(2)式相同，与信号f的传播时间t相关，t可以从示波器上观测到。设f的周期为T，11111则：t1＝2ft2（5）11T1将（5）式带入（3）式得光速：scTf（6）1t1根据上面的条件：1T＝＝10s，f＝60.000MHz。1100KHz测得s，t即可由（6）式计算出光速。1使用比较法测量光在非空气介质中图1比较法测量光在不同介质中传播速度的传播速度cm，如图1所示在光路中加入玻璃

5、或水等介质（长度为L）进行第一次测量，总光程为L，传播时m1间为t，反光棱镜位置为x；第二次测量时，将介质拿掉，信号的相位会发生变化，移动11反光棱镜到位置x处（即移动距离为xxx），使测量信号相位回到第一次测量的位221置，即使光的传播时间和第一次相同为t，此时总光程为L2x；由此可以得出光在空11气中传播距离L2x和在介质中传播距离L所需时间相同。mm由上述可以得出介质的折射率：2xLmn（8）mLm因此介质中的光速为：cc（9）mnm【仪器】DHLV-2光速测定仪、UTD2102CEX数字存储示波器。图2光速测定仪测试架1．激光发射装置，2.光电探测装置

6、，3.水或石英玻璃装置，图3光速测定仪面板图4.直线导轨，1.J1：59.9MHz参考频率信号输出，5.滑块及反射棱镜，2.J2：60MHz调制频率信号输出，6.棱镜调节螺杆3.J3：60MHz光电接收信号输出，4.J4：100KHz参考信号输出，5.J5：100KHz测量信号输出【实验内容与步骤】实验装置如图2和图3所示。1.熟悉数字示波器主要旋钮的功能，观测光速测定仪面板图中各输出端口的信号。观测光速测定仪面板图中J1和J2信号的乘积，了解调制和差频技术。2.测量光在空气中的传播速度ca（1）参考信号输出J4接示波器通道1，测量信号输出J5接示波器通道2。（2）示波器设置：触发

7、信号设置为CH1。（3）光路调节：棱镜全程滑动时，反射光完全射入接收端，从示波器上观察测量信号，全程幅度变化小于1V。一般情况调节棱镜仰角便可将光路调合适。（4）建议用频率计测量参考信号和测量信号的频率，因为晶振是有误差的，得到的100K信号往往有近1%的误差，这样的话用实测频率就会减小测量误差。（5）用测量时间差法测空气中光速：通过移动滑块及反射棱镜的位置，用示波器测量相应测量信号与参考信号的时间差，改变滑块及反射棱镜的位置重复测量6次，测量结果记入表1。（6）用测