透明介质中光速测定方法的研究-论文.pdf

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1、第35卷第3期韩山师范学院学报V01．35No．32014年6月Jun．2O14透明介质中光速测定方法的研究李卓凡(韩山师范学院物理与电子工程系，广东潮州521041)摘要：对LM2000C2光速测量仪进行改进，设计辅助器件，增加了测量透明介质中光速的功能．进行了有关公式的推导，得到了透明介质中光速的计算公式．实验结果误差较小，表明了改进方案的可行性．关键词：光拍；透明介质；光速；光程中图分类号：0435文献标识码：A文章编号：1007—6883(2014)03—0030—04检测器光敏面只能对频率10Hz以下的光信号产生响应，获得光电流．光的频率很高(1厂>10Hz)，因

2、此只能通过间接的方法来测得光速，利用光拍使光信号的频率“降低”到仪器可以产生响应的频率段，这就是近代物理实验中的光拍频法测光速实验．但是目前实验的设计只对空气中的光速进行了测量，现对本校所使用的LM2000C2光拍法光速测量仪进行改进，使实验拓展到可以测透明介质中的光速．1实验原理采用声光调制方法使激光束产生同定的频移，形成两列速度相同、振动方向相同、振动频率相差较小、同向传播的简谐振动波的叠加，这就获得了拍信号u．利用分光镜将这两束光拍分成远近两光路，两路光到达光电二极管，经信号处理可在示波器上形成两个正弦波形．调节远程光路上的棱镜小车，使远近两光波相位差为0和2竹，即两

3、次重合，记下小车移动的距离和①②⑧④一内(近)光路全反射镜⑤⑥⑦@一外(远)光路令反射镜光拍的频率，即可计算获得空气中的光速，实验原理图如图1所示，图1光拍频法测光速实验光路图收稿日期：2013—10—09作者简介：李卓凡(1979一)，女，广东揭阳人，韩山师范学院物理与电子工程系实验师，硕士·30·1．1空气中光速测量如图1所示，将棱镜小车定位在轨道最左端某处的位置，使示波器上的近远两程的两条正弦波完全重合，这时两束光波的相位差为0，记下棱镜小车的位置；接着向右移动棱镜小车，使远程光与近程光的相位差为2，即示波器上两条正弦波再次重合，记下棱镜小车的位置．前后两次波形重合棱

4、镜小车移动的距离为△．，光程差为2AL，即为光波的波长．已知光拍的频率为／，所以空气中的光速为】：C=Af=2AL厂(1)1．2透明液体介质中光速的测量由于仪器设计的限制，无法将棱镜小车放在透明液体介质中移动2耵相位的光程，因此空气中光速的测量方法不再适用于液体介质中光速的测量．为了测量液体介质中的光速，对仪器进行了改进，实物图如图2所示，自制了一个30cm长的水槽固定在远程光路的导轨上，原理图如图3所示．设光在空气中的速度为C，在液体中的速度为，测量放上水槽之前，光在空气中传播时，远近两程光波相位差从0到21T时，两棱镜小车移动的距图2透明介质中光速测定仪器实物图离(L．

5、+L：)，这时光行进的时间为=—————些—!(2Z)Jt：C沿光路方向放上Z=30cm的水槽，装入透明液体(折射率n>1)，调整水槽的高度使光线穿过液体介质．放人液体介质后，远程光路的光程将增加，因此示波器上原来与近程光重合的远程光的位置会发生变化，移动棱镜小车2，缩短远程光路的光程，使远近两束光波重新重合，假设此时棱图3液体中光速测定原理图镜小车移动的距离为△厶，则再次重合后，光行进的时间仍为t，有：t：：————些—：_二—些——-_二一!+型(l3)由(1)(2)(3)式可得=砸／(L4)(4)式中。表示放入液体介质前示波器上远近两束光波两次重合时小车移动的距离；A

6、L：表示放入液体介质前后示波器上远近两束光波两次重合时，棱镜小车2移动的距离；f是水槽的长度；f是光拍的频率．2实验与结果分析2．1实验内容实验样品选择清水和浓度18％盐水．(1)将棱镜小车(下统称为：小车)定位于轨道的左端，调节并记录示波器上两条正弦波第一次重合时两小车在轨道A、13Jz的位置读数d(0)、d(0)；向轨道的右端推动小车，使示波器上两条正弦波第二次重合，记下两小车在轨道A、B上的位置读数d(2"rr)、d(2"rr)．计算小车移动的距·31·其离△(即△=IdA(21T)一d．4(0)l+IdB(2竹)一d(0)I)．中(2)向水槽(长度为z)里倒进液体，

7、使入射光线能顺利通过介质，将水槽放在轨道B的左端．调整水槽的位置及光路，使示波器上的波形保持清晰和稳定．(3)小车1的位置不变，读数为DA(2叮r)；将小车2向左移动，当示波器上的两条正弦波再次重合时，记下小车2在导轨B上的读数D2-rr)，计算加入液体前后小车2移动的距离△L(即△￡：=IDa(2霄)一d21T)])．1^r7(4)根据=．厂计算光在液体中光速．+／．~L22．2实验结果及数据分析按上述实验步骤分别对清水和浓度为18％的盐水中的光速进行测量，结果如表l所示．对原始数据进行处理，结果如表2所示，水中