光速的测量

光速的测量

Speed of Light

光速是一个重要而基本的物理常数，无论在经典物理还是现代物理中，许多物理量都与它有着直接或间接的关系，如光谱学中的里德堡常数、电磁学中的真空电导率和真空磁导率等等。光速的精确测定在光学甚至整个物理学发展史中都有非比寻常的意义。

实验装置

光速测量仪一台。它有光学电路箱、导轨、反射镜滑车、刻度尺和双踪器等五部分组成，如图1所示。

图1　FB801型光速测量仪

现象观察

通过调整反射镜滑车，我们可以从示波器上观察到基准信号和被测信号的位相差改变，如图2所示。

图2　基准信号和被测信号的位相差改变

现象解密

实验工作原理如图3所示，由主控振荡器产生的100MHz调制信号经高频放大器放大后，一路用以驱动光源调制器，使光学发射系统发射经调制的光波信号，另一路与本机振荡器产生的99.545MHz本振信号经混频器1混频，得到频率为455kHz的差频基准信号y₁。调制光波信号在其传播方向上经反射器（该反射器可在刻有标尺的导轨上移动）反射，被光学接收系统接收。经光电转换和放大后，与本振信号经混频器2混频，同样得到频率为455kHz的差频被测信号y₂。将基准信号y₁和被测信号y₂输入相位差仪。当反射器移动Δx，则被测信号的光程改

图3　FB801型光速测量仪工作原理图

变2Δx，基准信号和被测信号的位相差改变：

本实验用双踪示波器作为相位差仪，当反射器移动Δx距离时，在示波器上可观察到被测信号波形的移动。读出Δx所对应的时间Δt，就可求得Δx引起的基准信号和被测信号的位相改变：

其中T为被测信号周期（T=1/455kHz），也可在示波器上读出。因此联立①、②两式，可得调制波波长为

由此可求得光速。

应用拓展

本实验方法亦可用于测量距离，不论在军用还是民用领域，激光测距仪已经得到了广泛的应用。

思考题

1.光源为什么要被调制？

2.调制的物理机理是什么？