实验22 光调制法测量光速

实验22 光调制法测量光速

从17世纪70年代伽利略第一次尝试测量光速以来，各个时期人们都采用当时最先进的技术来测量光速。1983年，国际计量局召开第七次米定义咨询委员会和第八次单位咨询委员会决定，以光在真空中1/299792458 s的时间所传播的距离为长度单位米（m），这样光速的精确值被定义为c = 299 792 458 m/s。

光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理常量，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系。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，普朗克黑体辐射公式中的第一辐射常数、第二辐射常数，质子、中子、电子等基本粒子的质量等常数都与光速c相关。正因为如此，许多科学工作者都致力于提高光速测量精度的研究。

【实验目的】

1．了解和掌握光调制的基本原理和技术；

2．学习使用示波器测量同频正弦信号相位差的方法；

3．测量光在空气中的速度。

【预备问题】

1．光波的波长、频率及速度是如何定义的？

2．能否对光的频率进行绝对测量？为什么？

3．等相位测量波长法与等距离测波长法，哪一种方法有较高的测量精度？

【实验仪器】

光速测量仪，示波器等。光速测量仪的介绍见本实验附录22-A。

【实验原理】

1．利用波长和频率测速度

按照物理学定义，任何波的波长λ是一个周期波传播的距离。波的频率f是1 s发生了多少次周期振动，用波长乘以频率得1 s波传播的距离即波速为

=（22-1）

c fλ

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还存在很多技术上的困难，主要是光的频率高达1014Hz，目前的光电接收器无法响应频率如此高的光强变化，迄今仅能响应频率在108 Hz左右的光强变化并产生相应的光电流频率。

2．利用调制波波长和频率测光的速度

如果直接测量河中水流的速度有困难，可以采用如下方法：周期性地向河中投放小木块，投入频率为f，再设法测量出相邻两小木块间的距离λ，则依据式（22-1）即可算出水流的速度。

周期性地向河中投放小木块，目的是在水流上做一个特殊标记。也可以在光波上做一些特殊标记，称为“调制”。由于调制波的频率可以比光波的频率低很多，因此可以用常规器件来接收。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。

本实验用频率为108 Hz的主控振荡对光源进行直接控制，使1014 Hz的光波的光强以108

Hz 的频率变化，得到调制波，（以适应光电接收器的接收响应频率围）这样就可以用光电接收器件来接收了。而调制波的传播速度就是光速，（所以只要测出光调制波的频率f

调和波长λ调，便可间接测出光速C ：调调λ?=f C ）用频率计测调制波的频率，用相位法测调制波的波长，利用式（22-1）就可以测出光速。

3．相位法测调制波的波长

波长为0.65 μm 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

01cos2x I I m f t c ??

??=+π- ??????

?

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（光）波在传播过程中（，）其相位是以2π为周期变化的。设测线上两点A 和B 的位置坐标分别为x 1和x 2，当这两点之间的距离为调制波波长λ的整数倍时，该两点间的相位差为

()?πλλπ

?????=?-=

-x x x 221221调调

21212()2x x n ??λ

π-=-=π （22-3） （可见，只要测出x ?和??便可间接测出调λ。）式中，n 为整数。反过来，如果能在光的传播路径中找到调制波的等相位点，并准确测量它们之间的距离，那么这个距离一定是波长的

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 ，如图22-1(a)所示，则A '点相对于A 点的相移为2ft ?=π。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回A 点，如图22-1(b)所示。由图显而易见，光线由A →B →A 所走过的光程亦为2D ，而且在A 点反射波的相位落后2ft ?=π。

图22-1 相位法测波长原理图

如果以发射波作为参考信号（以下称之为基准信号），它与反射波（以下称之为被测信号）分别输入到相位计的两个输入端，则由相位计可以直接读出基准信号和被测信号之间的相位差。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为2π。因此只要前后移动反射镜，相继找到在相位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，由式（22-1）可以求得光速值。

4．差频法测相位

尽管调制波光强变化的频率降到了108 Hz ，但要用测相器准确测量两点的相位差，频率仍然太高。因为测相器门电路的开关时间一般为40 ns 左右，如果输入信号的频率为108 Hz ，则信号周期T = 1/f = 10 ns ，比电路的开关时间还短，电路根本来不及动作。为了使电路正常工作，就必须大大提高其工作速度。

调制光波

)

10

(8

Hz 光载波

调制光波包络P

P 0

)10(65.014Hz m μ

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。这是因为两信号之间相位差的测量实际上被转化为两信号过零的时间差的测量，而降低信号频率f 则意味着拉长了与待测的相位差?相对应的时间差。当基准信号、被测信号分别与本振信号混频后，所得到的两个差频信号之间的相位差仍保持为?（证明过程请参看附录22-B ）。

本实验为了克服在108 Hz 高频下测相的困难，如图22-2所示，将f = 108 Hz 、位相差为?的高频基准信号u 1和高频被测信号u 2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455 kHz 、位相差依然为?的低频信号1

u '、2u '，然后送到相位计或示波器中去测量相位。(这样调制波信号的相位差测量转换为差频信号的相位差测量。

差频信号相位差??本实验用示波器测量）。

图22-2 光调制法测量光速实验原理方框图

5．示波器测相位

（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（EXT ），“信号”相位信号接至Y 轴的输入端，调节“触发电平”，使波形稳定；调节Y 轴“增益”（偏转因数），使之有一个适合的波幅：调节“时基”（扫描

速率），使在屏上只显示一个完整的波形，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大格即表示基准相位与被测相位之间的相位差变化了36°。有些示波器无法将一个完整的波形正好调至

10大格，此时可以按下式求得基准相位与被测相位的变化量，参见图22-3。

360r

r ??=

?° （22-4）

（2）双踪示波器法

将“参考”相位信号接至Y 1（CH1）通道输入端，“信号”相位信号接至Y 2（CH2）通道，并用Y 1通道触发扫描，显示方式为“断续”（CHOP ）［如采用“交替”（ALT ）方式时，会有附加相移，为什么？］。后面的步骤与单踪示波法操作一样，调节Y 轴输入“增益”挡，调节“时基”挡，使在屏幕上显示一个完整的、大小适合的波形。可以测得“参考”相位与“信号”相位的变化量??。

（3）数字示波器法

数字示波器具有光标卡尺功能，这样比数屏幕上格子的精度要高得多。（将“参考”相

图22-3 示波器测相位

位信号接至Y 1（CH1）通道输入端，“信号”相位信号接至Y 2（CH2）通道），分别调节“参考”相位信号和“被测信号”相位信号波形的垂直位置，使两波形的X 轴（即t 轴）重合（以示波器中心水平轴线为基准），测量信号的周期T 和两信号之间水平相差距离?t ，则相位差 360t

T

???=

?° 0

00

0)(2)(2x t t T x t x x T t i i i i +-'

=

+-'

=

调

调

或λλ （22-5）

（又??=??

??=

?调

调

λλπ

?i

i i i x T t x 22

i i

x t T

???=

2调λ i x ?是反射器移动的距离，2i x ?是由于光来回反射。i t ?是反射器移动i x ?，用示波器测量

的被测调制波信号的相移时间差。） 数据记录表格参考： 1、等距离测量

线性关系，可用作图法、逐差法、最小

二乘法处理数据计算求出光速测量值。

【实验容及步骤】

1．预热：电子仪器都有一个温漂问题，光速仪和频率计须预热半小时再进行测量。在这期间可以进行线路连接、光路调整、示波器调整和定标等工作。

2．光路调整：先把棱镜小车移近收发透镜处，用一小纸片挡在接收物镜管前，观察光斑位置是否居中（处于照准位置）。调节棱镜小车上的左右转动及俯仰旋钮，使光斑尽可能居中，再将小车移至最远端，观察光斑位置有无变化，并做相应调整，使小车前后移动时，光斑位置变化最小。

3．示波器定标：按前述的示波器测相位的方法将示波器调整至有一个适合的测相波形，要求尽可能调出一个周期的波形。

4．测量光速：由频率与波长的乘积来测定光速的原理和方法前面已经做了说明。在实际测量时，主要任务是如何测得调制波的波长，其测量精度决定了光速值的测量精度。一般可采用“等距离”测量法和“等相位”测量法来测量调制波的波长。在测量时要注意两点，一是实验值要取多次多点测量的平均值；二是我们所测得的是光在大气中的传播速度，为了得到光在真空中传播速度，要精密地测定空气折射率后做相应修正。

（1）测量调制频率（就用108Hz ） 为了匹配好，尽量用频率计附带的高频电缆线连接好电器盒上的频率输出端与频率计输入端。调制波是用温补晶体振荡器产生的，频率稳定度很容易达到10-6 Hz ，所以，在预热结束后正式测量前测一次就可以了。

（2）“等距离”法测调制波波长

在导轨上任取若干等间隔点（如图22-4所示），坐标分别为x 0, x 1, x 2, x 3, …, x i ；x 1 - x 0 = D 1, x 2 - x 0 = D 2,…, x i - x 0 = D i 。移动棱镜小车，由示波器依次读取与距离D 1, D 2, …相对应的

相移量i ?，则D i 与i ?间有22i i

D ?λ=π，即

22i i

D λ?π

=

?

（22-6）

求得波长λ后，利用式（22-1）得到光速c 。

图22-4 根据相移量与反射镜距离之间的关系测定光速

也可用作图法，以?为横坐标，D 为纵坐标，作D -?直线，则该直线斜率的4f π倍即为光速c 。

为了减小由于电路系统附加相移量的变化给相位测量带来的误差，同样应采取x 0→x 1

→x 0及x 0→x 2→x 0等顺序进行测量。操作时移动棱镜小车要快、准，如果两次x 0位置时的计数值相差0.1°以上，必须重测。

（3）“等相位”法测调制波波长

在示波器上（或相位计上）取若干整度数的相位点，如36°、72°、108°等；在导轨上任取一点为x 0，并在示波器上找出信号相位波形上一特征点作为相位差0°位置，移动棱镜，至某个整相位数时停（在具体实验操作时，我们可以取示波器上波形移动两格为测量相位距离），迅速读取此时的距离值作为x 1，并尽快将棱镜返回至0°处，再读取一次x 0，并要求两

次0°时的距离读数误差不要超过1 mm，否则须重测。

?对应的距离D i，由式（22-6）求出光调制波长λ，再利用式（22-1）依次读出相移量

i

得到光速c。

【注意事项】

1．操作时移动棱镜小车要快、准，测量所用的时间足够短，以减少电路不稳定给波长测量带来误差。

2．在测量过程中要细心地“照准”，即尽可能截取同一光束进行测量，把照准误差限制到最小程度。

【思考题】

1．本实验中，光速测量的误差主要来源于什么物理量的测量误差？为什么？

2．通过光速测量实验，你认为波长测量的主要误差来源是什么？为提高测量精度需做哪些改进？

3．本实验所测定的是100 MHz调制波的波长和频率，能否把实验装置改成直接发射频率为100 MHz的无线电波，并对它的波长和进行绝对测量？为什么？

4．如何将光速仪改成测距仪？

【附录22-A】LM2000A1光速测量仪

LM2000A1光速测量仪的实验装置方框图如图22-5所示。实验装置全长0.8 m，由电器盒、收发透镜组、棱镜小车、带标尺导轨等组成。其主要技术指标如下。可变光程：0～1 m；移动尺最小读数：0.1 mm；调制频率：100 MHz；测量精度：≤1%（数字示波器测相）或≤2%（通用示波器测相）。

图22-5 光速测量仪的实验装置方框图

电器盒侧面有二排Q9插座，参见图22-6，Q9插座输出的是将收、发正弦波信号经整形后的方波信号，目的是便于用示波器来测量相位差。

图22-6 Q9插座接线图

光拍频法测量光速实验

图1 拍频波场在某一时刻t 的空间分布 光拍频法测量光速实验 一、实验目的 1． 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解。 2． 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。 二、原理 根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E 0、圆频率分别为1ω和2ω（频差 12ωωω?=-较小）的二光束： 1011120222cos()cos()E E t k x E E t k x ωφωφ=-+? ?=-+? （1） 式中112/k πλ=，222/k πλ=为波数， 1?和2?分别为两列波在坐标原点的初位相。若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： 1 2 1212012122cos[ ()]22cos[()](2) 22 x E E E E t c x t c ωω φφ ωωφφ--=+=-+++?-+ 上式是沿轴方向的前进波，其圆频率为12()/2ωω+，振幅为12 02cos[ ()]22 x E t c ωφφ?--+，因为振幅绝对值以频率为12/2f f f ωπ?=?=-周期性地变化，所以被称为拍频波，?f 称为光拍波频率。 实验中拍频波由光电探测器检测，光电探测器上的光电流如图1（b ）和下式 []{} 2 01cos (/))i gE t x c ω?=+?-+ （3） 其中g 是光电探测器的转换常数，2f ωπ?=?，?是初相位。 如果有两路光频波，使其通过不同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差??与两路光的光程差L ?之间的关系 2L f L c c ωπ????????= = （4） 当π? 2=?时，?L =Λ,恰为光拍波长，此时上式简化为 c f =??Λ （5） 可见，只要测定了Λ和f ?，即可确定光速c 。

光速测量调制法实验报告

竭诚为您提供优质文档/双击可除光速测量调制法实验报告 篇一：激光光速测量实验报告 综合物理实验实验报告 实验名称：激光光速的测定 系别专业班号实验日期20XX 年5日 姓名学号交报告日期20XX年6月1日 实验仪器： he-ne激光器及电源适配器，实验基台，透镜及反射平面镜，光接收器，示波器及函数发生器，30米卷尺及平板小车，连接电缆若干 实验简介 利用函数信号发生器，调整激光器输出为高频周期脉冲方波信号，等距改变激光传输光程并用光接收器接收反射信号，利用示波器便可以测定光速。理论基础 在自由空间内光的速度是一个重要而有趣的自然常数，光源的速度与观察者的相对速度无关，且有以下规律

1.光的速度，是宇宙见任何事物速度的上限 2移动物体接近光速，遵循一套物理原则，不符合牛顿定律且超过了我们的直觉假设。 实验预备 1.准备了光接收器和红光激光器 2.在实验基台上，依次放置好激光器，透镜和光接收器，并将反射平面镜放置在另外一个平板小车上。 3.反射平面镜放置的平板小车须有10—20m活动空间。 4.调整平面镜垂直及水平，使反射光和入射光在同一水平高度。 5.使用bnc同轴线缆连接TTL与示波器通道1，使用RcA-bnc线缆连接光接收器与示波器通道2，使用3.5mm耳机线-bnc线缆连接激光器电源与函数发生器输出接口。 6.设置函数发生器为方波，频率设置-3mhZ，调节函数发生器的直流输出和偏移，直至激光器亮度始终为止。 7.调节示波器参数，调整示波器时间轴为25ns/div 实验内容 1.调整激光反射镜透镜位置和接收器，使信号最大化。 2.在示波器上，调整信号以最大限度的显(:光速测量调制法实验报告)示显示信号变化。注意测量全程不要更改示踪的水平位置。 3.记录的反射镜的位置d和示波器信号的相位差T

光速测量实验报告参考

佛山科学技术学院 实 验 报 告 课程名称大学物理实验 实验项目 专业班级 姓 名 学号 指导教师成 绩 日期2010 年月日 一、实验目的 1.了解和掌握光调制的基本原理和技术。 2.学习使用示波器测量同频正弦信号相位差的方法。 3.测量光在空气中的速度。 二、实验器材 光速测量仪，双踪示波器。 三、实验原理 1．利用光的波长和光频率（=1014Hz）测速度 但=1014Hz，太高，目前电路最高只能响应108Hz的频率。 2．用调制波波长和频率(108Hz)测速度 108Hz，容易测量。 3．实验装置如图：

求出D-图像（直线）的斜率k，光速c=4πf?k = （2）“等相位”法测波长 表2 “等相位”法测波长 0123456 t（） ） x（mm） D（mm） （同（1）处理，求出光速）： 六.实验结果 七.分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等） 八.思考题 1．本实验中，光速测量的误差主要来源于什么物理量的测量误差？为什么？ 答：误差主要来源于波长的测量误差。因为频率可以做到很稳定。 2．通过光速测量实验，你认为波长测量的主要误差来源是什么？为提高测量精度需做哪些改进？ 答：波长测量的主要误差来源是相位的测量误差。可采用高精度的相位计改进测量。

实验报告内容：一.实验目的 二.实验仪器（仪器名称、型号、参数、编号） 三.实验原理（原理文字叙述和公式、原理图） 四.实验步骤 五、实验数据和数据处理 六.实验结果 七.分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等） 八.思考题

光拍频法测量光速

光拍法测量光速 光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理量，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系，因此光速的测量是物理学中的一个十分重要的课题。本实验的目的是通过测量光拍的波长和频率来确定光速，掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法。 一、实验目的 1． 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解。 2． 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。 二、原理 根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的 两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅 相同为E 0、圆频率分别为1ω和2ω（频差 21ωωω-=?较小）的二光束： )cos(11101?ω+-=x k t E E )cos(22202?ω+-=x k t E E 式中11/2λπ=k ，22/λπ=k 为圆波数， 1?和2?分别为两列波在坐标原点的初位相。若 这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： 图1 拍频波场在某一时刻t 的空间分布 ]2)(2cos[]2)(2cos[ 221212121021??ωω??ωω++-+?-+--=+=c x t c x t E E E E 上式是沿x 轴方向的前进波，其圆频率为2/)(21ωω+，振幅为]2 )(2cos[2210??ω-+-?c x t E ，因为振幅以频率为πω4/?=?f 周期性地变化，所以被称为拍频波，f ? 称为拍频。如果将光频波分为两路，使其通过不同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差??与两路光的光程差L ?之间的关系仍由上式确定。当π?2=?时，?L=Λ,恰为光拍波长，此时上式简化为：Λ??=f c ，可见，只要测定了Λ和f ?，即可确定光速c 。 为产生光拍频波, 要求相叠加的两光波具有一定的频差, 这可通过超声与光波的相互作用来实现。超声(弹性波)在介质中传播,使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化,就使介质成为一个位相光栅。当入射光通过该介质时发生衍射,其衍射光的频率与声频有关。 具体方法有两种,一种是行波法,如图2（a ）所示,在声光介质与声源(压电换能器)相对的端面敷以吸声材料,防止声反射,以保证只有声行波通过介质。当激光束通过相当于位相光栅的介质时，使激光束产生对称多级衍射和频移,第L 级衍射光的圆频率为L ΩL +=0ωω,其中

光速测量实验报告(实验总结)参考

光速测量实验报告参考 一、光及光速测量的发展史 （一）古代中国对于光的认识 “景，光之人煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足敝下光，故景障内也。”——《墨经》（光的直线传播） “阳艘向日照之?则光聚向内，离镜一二寸，光聚为一点，大如麻寂，着物则火发；阳健面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”一一《梦溪笔谈》（小孔成像） （二）西方人对于光的认识 崐神说，要有光，就有了光。一一《圣经》 光是由发光体向四面八方射出的一种东西，这种东西碰到障碍物上就立刻被弹开。如果它偶然进入人的眼睛，就叫人感觉到看见使它最后被弹开的那个东西。――毕达哥拉斯 （三）光在近代物理学发展过程中的认识 光的颗粒说（1643-1727）——牛顿 光的波动说（1635-1703）——胡克 光是电磁波（1857-1894）――赫兹 粒子说（1879-1955）——爱因斯坦 二、究竟光是什么？ 现代科学的认为：光是一种人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。 三、光速测量的方法

（一）伽利略首先提出了光速的测量，但失败了。（1607） （二）天文测定光速 1.罗默的卫星蚀法（1676） 2.布莱德雷的光行差法（1728） 点评：由于当时天文仪器并无现在先进，且凭肉眼观察误差较大，所以测得的值都不精确 （三）大地测定光速（以光行过的路程和时间得出速度c=s/t） 1.斐索旋转齿轮法（1849） 2.惠更斯旋转镜法（1834） 3.迈克尔逊旋转棱镜法（1926） 点评：想要得到越精确的值，就要尽量增大s和t，故实际操作繁琐和精确度不大是必然的。 （四）实验室测光速法（c= X ?） 1.埃森微波谐振腔法（1950） 2.激光法测光速 点评：是目前最普遍也是最准确测量光速的方法，也是本实验的思想方法 拍光法测光速 【学习目标】 1.进一步理解光拍频的概念、掌握光拍频法测量光速的技术，了解声光调制器的应用； 2.体会到光速也是一个有限值，并了解光年是一个空间量； 3.进一步学习光路的调整和熟练示波器的使用。 【实验原理及装置】 2. 1光拍的产生和传播血* 报摇掾劲迭扯廈逗.频蚤较小、速旻咱司的二司向传塔的就谐戒施迭扯即形或拍*考空预華分别为齐和f2傍差# = 並软小）的光束〔玫门假定它汨具有叩同閔振疇）“ E l=Ea^（ - 5=加邪心八-它们的迭加“ 爲話讣心胡巴二环丿卜红纠“半g 卜令型也 出I a 丿￡■V C J ■ （1）是烧频率为僚;饯振碍为ZEcos +的前进浚.注 意到巴的拽逼以频宴#二翌严周歩摊变化，所以我们称它为拍频忍“就是拍4' E：+E 汁

最新光拍法测光速

光拍法测光速

光拍法测量光速 前言 光在真空中的传播速度是一个重要的基本物理常数，许多重要的物理概念和物理量都与它有密切的关系。麦克斯韦的光的电磁理论中的常数c,一方面等于电荷的电磁单位与静电单位的比值,另一方面它又预示了电磁场的传播速度,即电磁波以光速传播,光是一种电磁波.此后首先被赫兹的实验所证实。历史上围绕运动介质对光的传播速度的影响问题，曾做过许多重要实验；同时在实验上和理论上作过各种探讨，最终导致了爱因斯坦相对论的建立。 光的速度与许多物理量有关，例如电磁学中的真空电容率ε0与真空磁导率μ0，里德伯常数R，质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等。因此光速值的精确测量将关系到许多物理量值精度的提高，它是一项十分重要的课题。自17世纪伽利略第一次测定光速以来，在各个时期，人们都用当时最先进的技术和方法来测量光速。 1941年美国人安德森用电光调制法，即利用克尔盒作为一个光开关，调制光束，使光强产生1.9×107赫的变化，测得光速值为2.99766×108m/s。此值的前四位与现在的公认值一致。 1966年卡洛路斯，赫姆伯格用声光频移法，产生光拍频波，测量光拍频波的波长和频率，测得光速c=(299,792.47±0.15)×103m/s。 1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先用激光作了光速测定。根据波动基本公式c=λυ，之间测量光波波长与光波频率而求得c的数值。光的波长是用迈克耳孙干涉仪来直接测定;光波的频率是通过一系列混频、倍频、差频技术，利用较低频率的电磁波去测量较高频率，再以较高频率测量更高频率，最后达到测得光频的目

的。因此，于1975年第十五届国际计量大会提出了真空中光速为：c=(299,792,458±1) m/s。 1983年国际计量局召开的第七次米定义咨询委员会和第八次单位咨询委员会决定，以光在真空中?Skip Record If...?秒时间间隔内所传播的距离，作为长度单位米的定义。这样，光速c=(299,792,458m/s就成了定义性常数，这个值被定义为精确值。 直到现在，不少科学发达的国家仍集中了一批优秀的科学家，在提高光速的精确度方面进行着工作。 本实验是用声光频移法获得光拍，通过测量光拍的波长和频率，来确定光速。通过实验，学习光拍法测光速的原理和实验方法，同时对声光效应有一初步的了解。 一、实验目的： 通过光拍的波长和频率来确定光速，掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法，并对声光效应有初步了解。 二、实验仪器： GSY-IV型光速测定仪、示波器、数字频率计。 三、原理和方法： （一）仪器装置图： 1、GSY-IIIV型光速测定仪原理方框图：

光速测量实验报告

光速测量实验报告 光拍法测量光速 【实验名称】光拍法测量光速 【实验目的】1( 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法。 2( 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。 【实验仪器】CG-IV型光速测定仪，示波器，数字频率计 【实验原理】根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E0、圆频率分别为和(频差较小)的二光 束: ,,,,,,,,1212 E,Ecos(,t,kx，,) E,Ecos(,t,kx，,) 1011120222 式中，为波数，和为初位相。若这两列光波的偏振方向相同， k,2,/,k,2,/,,,112212 则叠加后的总场为: ,,，，,,,,,,,,xx，，，，12121212EEEEtt ,，,2cos(,)，，cos(,)，120,,,,cc2222，，，，上式是沿x轴方向的前进波，其圆频率为，振幅为(,，,)/212 ,,,x,,，，12Et，因为振幅以频率为周期性地变化，所以 E2cos(,)，,f,,,/4,0,,c22，， 被称为拍频波，称为拍频，为拍频波的波长。 ,,,,,c/,f,f 实验通过实验装置获得两束光拍信号，在示波器上对两光拍信号的相位进行比较，测出两光拍信号的光程差及相应光拍信号的频率，从而间接测出光速值。假设两束光的光程差为L，对应的光拍信号的相位差为，当二光拍信号的相位差为2π时，即光程差为光拍波,,'

,,的波长时，示波器荧光屏上的二光束的波形就会完全重合。由公，，c,,,,,f,L,2F便可测得光速值c。式中L为光程差，F为功率信号发生器的振荡频率。【实验步骤】1，观察实验装置，打开光速测定仪，示波器，数字频率计电源开关。 2，调节高频信号源的输出频率(15MHZ左右)，使产生二级以上最强衍射光斑。 3，用斩光器挡住远程光，调节全反射镜和半反镜，使近程光沿光电二极管前透镜的光轴入射到光电二极管的光敏面上，这时，示波器上应有与近程光束相应的经分频的光拍波形出现。 4，用斩光器挡住近程光，调节半反镜、全反镜和正交反射镜组，经半反射镜与近程光同路入射到光电二极管的光敏面上，这时，示波器屏上应有与远程光光束相应的经分频的光拍波形出现。 5，示波器上这时有两列波出现，移动导轨上A的滑块，记下此时A的位置，然后移动滑块B，让两列波完全重合，记下滑块B的位置。 6，重复步骤5，然后再记下数据。 【实验数据与处理】 f=75.0035MHZ (mm) (mm) ，，，，D0D0AB 80.0 548.0 548.1 548.2 548.0 548.0 (mm) (mm) ，，，，D2,D2,AB 420.0 209.1 208.8 209.0 209.3 208.8 ，，，，，，，，，，，，L,2，D2,,D0，2，D2,,D0BBAA ，，D2,=(209.1+208.8+209.0+209.3+208.8) 5=209.0mm ,B ，，D0=(548.0+548.1+548.2+548.0+548.0)5=548.06mm ,B 1.88mm ，，，，L,2，209.00,548.06，2，420.0,80.0, 68c==1.88，，，2，75.0035，10=m/s ，，L，2F2.820，10 883.0，10,2.820，10,,=6.0% 83.0，10

光拍法测量光速(教案)

光拍法测量光速 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299792458/1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来上大显身手，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的常数，许多其它常数都与它有关，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，普朗克黑体辐射公式中的第一辐射常数，第二辐射常数，质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等都与光速c 相关。正因为如此，巨大的魅力把科学工作者牢牢地吸引到这个课题上来，几十年如一日，兢兢业业地埋头于提高光速测量精度的事业。 [目的] 1.了解声光频移法获得光拍的方法。 2.掌握光拍法测光速的原理和实验方法。 3.熟练掌握用光速测定仪测量光速的技术。 本实验是采用高频声光器件，利用声光频移效应产生150MHz 的拍频波，移动反光镜，用示波器比较近程光与远程光的相位差，求得拍频波的波长和频率，测得光的传播速度。 [仪器] 光速测量仪（LM2000C ）（包括光学系统及光路系统）、多功能等精度频率计（HC-F1000L ）、示波器（YB4320）。 [原理] 1．光拍的产生和传播 根据振动的迭加原理，频差较小、速度相同的二同向传播的简谐波相迭加即形成拍。考虑频率分别为1f 和2f （频差21f f f -=?较小）的光束（为简化讨论，我们假定它们具有相同的振幅）： )cos(1111?ω+-=x k t E E )cos(2222?ω+-=x k t E E 它们的迭加 ]2 )(2cos[]2)(2cos[ 22 121212 121??ωω??ωω++-+?-+--=+=c x t c x t E E E E s （1） 是角频率为 2 2 1ωω+，振幅为]2 )(2 cos[ 22 12 1??ωω-+--c x t E 的前进波。 注意到s E 的振幅以频率π ωω22 1-= ?f 周期地变化，所以我们称它为拍频波，f ?就是拍频，如图一所示：

光速测量实验报告

光速测量实验报告 实验目的： 1. 了解和掌握光调制的基本原理和技术 2. 学习和使用示波器测量同频正弦方波信号相位差的方法 3. 测量光在空气中的速度 实验仪器： 激光器、信号发生器、光接收器、示波器、反射镜等 实验原理 相位φ=κ*d ，其中φ为相位差，κ为波数，d 为光程差。实验采用平面镜改变光程差d,实验中可以通过测量平面镜之间的距离来确定光程差d 。信号发生器为直流方波输出，则激光器发出激光脉冲。激光接收器收到激光信号后输出基频信号，且输出的信号为一正弦波，前后移动平面反射镜的距离，并测出移动的距离进而测出光程差Δd,由于光程差的改变，则信号反射光的信号的相位发生变化，由示波器上可以确定时间t1和t2，计算出时间差Δt=∣t1-t2∣，所以光速c=Δd/Δt 。下面是测量图： 1. 预习实验的内容，了解实验的目的，理解实验的原理，思考应当怎样把实验 做好，实验过程中都要做什么，同时，复习一下示波器一些基本的使用和各个按键的功能。为实验做好准备工作。 2. 实验前，认真读完实验仪器的操作说明，了解实验仪器的基本结构，以及实 验仪器各部分在实验中的功能和作用，分析实验中应该怎样正确的使用仪器，进入实验状态。 3. 在对实验分析的基础上，正确的连接线，把实验仪器连接摆放好 4. 调试实验仪器，由于如果反射镜离的太远，不利于实验中对实验仪器的调试， 因此，在调试仪器阶段应当使反射镜离激光器近。同时，反射镜，激光器，信号接收器应该保持在同一水平面上。由信号发生器发出一矩形方波，作用在激光器上使激光器发出光脉冲，由反射镜反射的信号由接收器转换成正弦波，把正弦波与方波同时输入示波器，由于方波是很稳定的不随反射镜位置的变化，把触发信号选择成方波。 5. 选择合适的反射镜位置作为基点，然后移动反射镜的位置，测量实验数据Δd 和Δt ，处理实验数据，可以用线性来求。 示波器 信号发生器 激光接收器 激光器 平面反射镜 Δd

光拍法测光速

光拍法测量光速 前言 光在真空中的传播速度是一个重要的基本物理常数，许多重要的物理概念和物理量都与它有密切的关系。麦克斯韦的光的电磁理论中的常数c,一方面等于电荷的电磁单位与静电单位的比值,另一方面它又预示了电磁场的传播速度,即电磁波以光速传播,光是一种电磁波.此后首先被赫兹的实验所证实。历史上围绕运动介质对光的传播速度的影响问题，曾做过许多重要实验；同时在实验上和理论上作过各种探讨，最终导致了爱因斯坦相对论的建立。 光的速度与许多物理量有关，例如电磁学中的真空电容率ε0与真空磁导率μ0，里德伯常数R ，质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等。因此光速值的精确测量将关系到许多物理量值精度的提高，它是一项十分重要的课题。自17世纪伽利略第一次测定光速以来，在各个时期，人们都用当时最先进的技术和方法来测量光速。 1941年美国人安德森用电光调制法，即利用克尔盒作为一个光开关，调制光束，使光强产生1.9×107赫的变化，测得光速值为2.99766×108 m/s 。此值的前四位与现在的公认值一致。 1966年卡洛路斯，赫姆伯格用声光频移法，产生光拍频波，测量光拍频波的波长和频率，测得 光速c=(299,792.47±0.15)×103 m/s 。 1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先用激光作了光速测定。根据波动基本公式c=λυ，之间测量光波波长与光波频率而求得c 的数值。光的波长是用迈克耳孙干涉仪来直接测定;光波的频率是通过一系列混频、倍频、差频技术，利用较低频率的电磁波去测量较高频率，再以较高频率测量更高频率，最后达到测得光频的目的。因此，于1975年第十五届国际计量大会提出了真空中光速为：c=(299,792,458±1) m/s 。 1983年国际计量局召开的第七次米定义咨询委员会和第八次单位咨询委员会决定，以光在真空中 458 ,792,2991 秒时间间隔内所传播的距离，作为长度单位米的定义。这样，光速 c=(299,792,458m/s 就成了定义性常数，这个值被定义为精确值。 直到现在，不少科学发达的国家仍集中了一批优秀的科学家，在提高光速的精确度方面进行着工作。 本实验是用声光频移法获得光拍，通过测量光拍的波长和频率，来确定光速。通过实验，学习光拍法测光速的原理和实验方法，同时对声光效应有一初步的了解。 一、 实验目的： 通过光拍的波长和频率来确定光速，掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法，并对声光效应有初步了解。 二、 实验仪器： GSY-IV 型光速测定仪、示波器、数字频率计。 三、 原理和方法： （一） 仪器装置图：

光拍频测量光速实验

近代物理学实验报告 —光拍频法测量光速 实验组员：付静静091204121 陈聪091204120 实验班级：电信科学091班 指导老师：李鸣 2011-12-15

一、实验目的 1、掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一定初步了解； 2、通过测量光拍的波长和频率来确定光速。 二、实验原理 根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加若有振幅相同为E0，圆频率分别为E1和E2（频差较小）的两光束 ： 这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： , 上式是沿x 轴方向的前进波，其振幅为 ?? ??? ?++ ??? ?? -+?????? ?-+??? ?? --=+=22cos 22cos 22121212 1 021????????c x t c x t E E E E

因为振幅以频率为 ，周期性地变化，所以被称为 拍频波，称为拍频，如果将光拍频波分为两路，使其通过 同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差 ， 两路光的光程差，之间的关系仍由上式确定， 当 时，恰为光拍波长，则： 三、实验安装 1. 滤波放大器 由于He-Ne 激光器的噪声（噪声谱在25MHz 以下）和频移光束之 中频率成分很复杂，致使光拍信号被淹没在噪声中，无法观察。采用声表面波滤波器有效地抑制噪声，获得纯净的中心角频率为2Ω的光拍信号。滤波放大器方框图如图五所示。 ?? ? ???-+??? ??-?22cos 2210???c x t E π ? 4?=?f f ???L ?π ?2=?Λ=?L f c 图五 滤波放大器方框图

光拍频波和光速测量

一、实验目的 1．理解光拍频概念及其获得。 2．掌握光拍法测量光速的技术。 二、实验原理 光拍频法测量光速是利用光拍的空间分布,测出同一时刻相邻同相位点的光程差和光拍频率,从而间接测出光速。 1、光拍的产生和接受 根据振动迭加原理，两列速度相同,振面和传播方向相同,频差又较小的简谐波迭加形成拍。假设有两列振幅相同(只是为了简化讨论)、角频率分别为ω1和ω2的简谐拨沿x 方向传播。 10111cos()E E t k x ω?=-+ 20222cos() E E t k x ω?=-+ k 1=2π/λ1，k 2=2π/λ2称为波数，?1和?2称为初位相，这两列简谐波迭加后得： 1 2 1212 121202cos cos 2222x x E E E E t t c c ωω??ωω??--++????? ?? ?=+=-+ -+ ? ???? ? ? ? ? ?? ?? ? （1） E 是以角频率为12 2 ωω+，振幅为12122cos 022x E t c ωω??--?? ??-+ ?? ????? 的前进波。注意到其振幅是 以角频率12 2 ωωω-?= 随时间作周期性的缓慢变化。所以称E 为拍频波，其中 12 2 F ωωωπ-?==?,F ?称为拍频。s λ?是拍的波长。 2、相拍二光束的获得 假设超声波()(),cos 0u y t u t k y s s ω=-沿y 方向以行波传播,它引起介质在y 方向的应变为： ()() 00sin sin s s s s s u S u k t k y s t k y y ωω?= =-=-? （2） 若介质y 方向的宽度b 恰好是超声波半波长的整数倍,且在声源相对的端面敷上反射材料,使超声波反射,在介质中形成驻波声场,(),2cos cos 0u y t u t k y s s ω=g ，它使介质在y 方向的应变为： 002cos sin 2cos sin s s s s s u S u k t k y s t k y y ωω?=- ==? （3） 即用同样的超声波源激励,驻波引起的应变量幅值是行波的两倍,这样光通过介质产生衍射的强度比行波法强的多,所以本实验采用驻波法。

大学物理实验报告-声速的测量

声速的测量 【实验目的】 1.学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中的声速 2.学会用逐差法进行数据处理； 3.了解声速与介质参数的关系。 【实验原理】 由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行 声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。 超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常 见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。本实验采用的是压电陶瓷制 成的换能器(探头)，这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。 声波的传播速度与其频率和波长的关系为： v f λ=? (1) 由(1)式可知， 测得声波的频率和波长，就可以得到声速。同样，传播速度亦可用 /v L t = (2) 表 示，若测得声波传播所经过的距离L 和传播时间t ，也可获得声速。 1. 共振干涉法 实验装置如图1所示，图中和为压电晶体换能器，作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当和的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L 为半波长的整倍数，即 (3) 时，发出的声波与其反射声波的相位在处差(n=1，2 ……)，因此形成 共振。 因为接收器的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显

增大。从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。 图中各极大之间的距离均为，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只要测出各极大值对应的接收器的位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。 2.相位比较法 波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。沿波传播方向的任何两点同相位时，这两点间的距离就是波长的整数倍。利用这个原理，可以精确的测量波 长。实验装置如图1所示，沿波的传播方向移动接收器，接收到的信号再次与 发射器的位相相同时，一国的距离等于与声波的波长。 同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号，它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信 号的位相差有关，当两信号之间的位相差为0或时，椭圆变成倾斜的直线。 3.时差法 用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器。由信号源提供一个脉冲信号经发出一个脉冲波，经过一段距离的传播后，该脉冲信号被接收，再将该信号返回信号源，经信号源内部线路分析、比较处理后输出脉冲信号在、之间 的传播时间t，传播距离L可以从游标卡尺上读出，采用公式(2)即可计算出声速。 4.逐差法处理数据 在本实验中，若用游标卡尺测出个极大值的位置，并依次算出每经过个 的距离为 这样就很容易计算出。如测不到20个极大值，则可少测几个(一定是偶数)，用类似方法计算即可。

激光光束分析实验报告

激光光束分析实验报告 引言 1960年，世界上第一台激光器诞生。激光作为一种相干光源，以其高亮度、高准直性、高单色性的优点，一直在各种生产和研究领域发挥着重要的作用。b5E2RGbCAP 虽然激光具有上述优点，然而严格地说，激光并不是平面光束，而是一种满足旁轴近似的旁轴波。由稳定谐振腔发出的激光束大多为高斯光束，其主要参数为光束宽度、光束发散角和光束传播因子。由于这几个参数不同，不同激光束的质量也就有了差别，因此就需要制定评价光束质量的普适方法。常用来评价光束质量的因 子有：衍射极限倍数因子、斯特列耳比、环围能量比、因子和 因子的倒数K因子<通常称为光束传播因子）。其中因子为国际ISO组织推荐的评价标准，也是我们在实验中采用的评价标准。p1EanqFDPw 因子的定义为： 其中为实际光束束腰宽度，为实际光束远场发散角。 采用因子时，作为光束质量比较标准的是理想高斯光束。基 模(模> 高斯光束有最好的光束质量，其，可以证明对于 一般的激光光束有。因子越大，实际光束偏离理想高斯光束越远，光束品质越差。当高斯光束通过无像差、衍射效应可忽略的透镜、望远镜系统聚焦或扩束镜时，虽然光腰尺寸或远场发散角

会发生变化，但光束宽度和发散角之积不变，是几何光学中的拉格朗日守恒量。DXDiTa9E3d 实验原理 如图选定坐标系。设光束的束腰位置为，束腰直径为，远 场发散角为。为了简化问题，假设光束关于束腰对称，则可求出传播轴上任一垂直面上的光束直径。光束传播方程的一级近似为：RTCrpUDGiT 光束的因子为： 其中n为传播介质折射率，为光束波长。对于束腰宽度和远场发散角，可用如下方法测得。 本实验中，我们采用的CCD能够测量在柱坐标系中传播轴上任 一垂直面上的光束能量密度函数。由于能量密度函数关于传 播轴中心对称，故在分布函数中没有自变量。对于高斯光束，可以证明：5PCzVD7HxA 其中：

用光拍频法测量光速

用光拍频法测量光速 光速一般是指光在真空中的传播速度，实验测得各种波长的电磁波（广义的光）在真空中的传播速度都相同。据近代的精确测量，光速为。它是自然界重要常数之一。近代物理学理论的两大支柱之一——爱因斯坦的相对论，是建立在两个基本“公设”之上的，这两个公设之一就是“光在空虚空间里总是以确定的速度v 传播着”s m /102.997924588×1，即通常所说的真空中光速不变。由麦克斯韦电磁理论得到电磁波在真空中的传播是一个恒量，通过电磁学测出的这一恒量与实际测定的光速十分接近，于是麦克斯韦提出了光的电磁理论，认为光是在一定频率范围内的电磁波。1887年的“迈克尔逊——莫雷实验”表明光速在任何惯性系都是不变的。爱因斯坦采用了麦克斯韦的理论作为他相对论的基础之一，而迈克尔逊——莫雷实验是相对论的重要实验基础。 目前光速测量技术，如光脉冲测量法、相位法等，还用于激光测距仪等测量仪器。 实验目的 1. 理解光的拍频概念。 2. 掌握拍频法测量光速的技术。 实验原理 1．光拍的产生和传播 两个同方向传播、同方向振动的简谐波，如果其频率差远小于它们的频率时，两波迭加即形成拍。 考虑满足上述条件的两束光，频率为f 1 和f 2 ,且f f f 12?<<1 及f f f 12?<<2 ，设两光强相等，初相为 0，沿 x 方向传播： )(cos )(cos 202101c x t E E c x t E E ?=?=ωω （1） 1 爱因斯坦 “论动体的电动力学”，1905年9月

可推导出合成波E s 的方程： )](22cos[)](22cos[2 )](2cos[)](2cos[ 212120121 202 1c x t f f c x t f f E c x t c x t E E E E s ?+???=?+???=+=ππωωωω （2） 可见合成波是频率为 2)(12f f + ，振幅为222021E f f t x c cos[()]π?? 的行波。 注意到在传播方向x 上，任何一个确定点上E s 的振幅以频率()f f 212? 周期地变化，所以我们称它为光拍频波，如图（1）所示。 图（1）拍频波 使用光敏二极管接收任何光信号时，光敏二极管输出的光电流与光强的平方，即电场强度的平方成正比。对于合成波E s ，光敏二极管在空间一点检测，其输出的光电流为 20s kE i = (3) 其中k 为由光敏二极管特性所决定的系数。将式（2）代入式（3），可以得到光电流 i 0 )](2cos 2 1)(2cos 21 ) )(cos( ) )(cos(1[2112122 00?ω?ω?ωω?ωω?+?+?+????=t t t t kE i （4） 其中?=x c 。 由式（4）可知，光电流 应由直流分量、i 012f f ?、、 和等频率成分组成。但由于光敏二极管能够输出的光电流信号频率远远低于、2 和12f 22f 12f 12f f +2f f f 2+1，因此这些项不会在光电流 中出现。滤去直流分量后得到的光电流为 i 0

大学物理实验报告声速的测量

实 验 报 告 声速的测量 【实验目的】 1.学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中的声速 2.学会用逐差法进行数据处理； 3.了解声速与介质参数的关系。 【实验原理】 由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行 声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。 超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常 见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。本实验采用的是压电陶瓷制 成的换能器(探头)，这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。 声波的传播速度与其频率和波长的关系为：v f λ=? (1) 由(1)式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。同样，传播速度亦可用 /v L t = (2) 表 示，若测得声波传播所经过的距离L 和传播时间t ，也可获得声速。 1. 共振干涉法 实验装置如图1所示，图中和为压电晶体换能器，作为声波源，它被低频信

号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当和的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即 (3) 时，发出的声波与其反射声波的相位在处差(n=1，2 ……)，因此形成共振。 因为接收器的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。 图中各极大之间的距离均为，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只要测出各极大值对应的接收器的位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。

光拍频法测光速

实验名称：光拍频法测光速 一、实验目的 1. 理解光拍概念及其获得 2. 掌握光拍频法测量光速技术。 二、实验原理 光拍频法测量光速实验装置如图六所示。高频信号源产生角频率为Ω的超声波信号输入声光频移器，在声光介质中形成驻波声场，介质成为超声相位光栅，632.8nmHe-Ne 激光在通过介质时发生衍射。任一级衍射光都可用来作本实验的工作拍频光束，一般用一级光，因为信号成分较强。分近程和远程二路光到达光电检测器，不同光程的光拍频波具有不同的相位。光程差为零，则相位差为零，即同相。逐渐增加至相位差又为零时， 则光程差恰为一个光拍波长，即L S ?=?λ。又F f 2=?（F 是与Ω相应的频率），则L F c ?=2。光电检测和显示系统任一时刻都只检测和显示二光路之一的光拍频波信号。 我们用一小电机驱动旋转式斩光器，它任何时刻只让一束光通过达到光电检测器，截断另一束。斩光器的旋转，使两路光交替达到光电检测器并显示出波形。利用示波管的余辉，示波器单通道上可“同时”看到两路光拍频波波形，以达到比较两路光拍频波相位的目的。应当指出，为了正确比较相位，必须统一时基，示波器工作切不可用内触发同步，要用高频信号作为示波器外触发同步信号，否则将会引起较大测量误差。 三、实验步骤 1. 仪器连接 光速测定仪高频信号源插孔连至函数信号发生器输入插孔，分频器Y 、EXT 插孔分别连至示波器Y 、EXT 插孔。 2. 仪器调整 接通仪器电源开关。 高频信号源 示波器 滤波放大器 数字计数器 半反镜 半反镜 1级 驻波型 声光频移器 ② He-Ne 激光器 ① ① ② ② 0级 0 ωEXT Y 图六 光拍频法测量光速实验装置 Ω Ω 2

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光拍法测量光速 光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理量， 许多物理概念和物理量都与它有 密切的联系， 因此光速的测量是物理学中的一个十分重要的课题。 本实验的目的是通过测量 光拍的波长和频率来确定光速，掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法。 一、实验目的 1． 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法 ,并对声光效应有一初步了解。 2． 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。 二、原理 根据振动叠加原理， 频差较小， 速度相同的 两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。 若有振幅 相 同 为 E 、 圆 频 率 分 别 为 1 和 2 （ 频 差 1 2 较小）的二光束： E 1 E 0 cos( 1t k 1 x 1 ) E 2 E 0 cos( 2 t k 2 x 2 ) 式中 k 1 2 / 1 ， k 2 / 2 为圆波数， 1 和2 分别为两列波在坐标原点的初位相。 若 这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： 图 1 拍频波场在某一时刻 t 的空间分布 E E 1 E 2 2E 0 cos[ 1 2 x ) 1 2 1 2 (t x ) 1 2 (t ] cos[ 2 ] 2 c 2 c 2 上 式 是 沿 x 轴 方 向 的 前 进 波 ， 其 圆 频 率 为 ( 1 2 ) / 2 ， 振 幅 为 2E 0 cos[ (t x ) 1 2 f / 4 ] ，因为振幅以频率为 周期性地变化，所以 2 c 2 被称为拍频波， f 称为拍频。如果将光频波分为两路，使其通过不同光程后入射同一光 电探测器， 则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差 与两路光的光程差 L 之间的关 系 仍 由 上 式 确 定 。 当 2 时 ， L= , 恰 为 光拍 波 长 ， 此 时 上 式 简 化 为 ： c f ，可见，只要测定了 和 f ，即可确定光速 c 。 为产生光拍频波 , 要求相叠加的两光波具有一定的频差 , 这可通过超声与光波的相互作 用来实现。超声 (弹性波 )在介质中传播 ,使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化 , 就使介质成为一个位相光栅。 当入射光通过该介质时发生衍射 ,其衍射光的频率与声频有关。 具体方法有两种 ,一种是行波法 ,如图 2（a ）所示 ,在声光介质与声源 (压电换能器 )相对的端面 敷以吸声材料 ,防止声反射 ,以保证只有声行波通过介质。当激光束通过相当于位相光栅 的介质时， 使激光束产生对称多级衍射和频移 ,第 L 级衍射光的圆频率为 L 0 L Ω,其中

光拍法测定光速

光拍法测定光速 光速是一个重要的物理量，准确测量光速一直是物理量测量中的一个十分重要的课题。光速测量通常是设法测量光通过两个基点之间的长度Ｄ和所用的时间t ，从而得到光速c=D/t 。这里的长度和时间单位都是独立定义的。国际单位制中长度的基本单位为米（m ）,长度单位米的定义为“光在真空中在１/(２９９７９２４５８)秒的时间间隔内行进路程的长度。”国际单位制中时间的基本单位为秒（s ）。“秒是铯（ Se 133 ）原子基态的二个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的９１９２６ ３１７７０个周期的持续时间。”根据米和秒的定义，真空中的光速具有确定的固定数值，c=299792458m/s 。 本实验是用光拍法在实验室进行光速的测定，通过测量拍频频率和用相位比较法测量拍频波 长，从而求得光速。 一、实验目的 １．了解光的拍频概念； ２．掌握拍频法测量光速的技术。 二、实验仪器 光速测定仪，双踪示波器，频率计等。 三、实验原理 １．光拍的产生和传播 根据振动叠加原理，频差较小、速度相同的二同向传播的简谐波叠加会形成“拍”。设两束光的频率分别为f 1和f 2（频差Δf=f 1-f 2较小），则它们的振动方程为 E 1=E 10cos(ω1t-k 1x+φ 1 ) E 2=E 20cos(ω2t-k 2x+φ2 ) 式中E 10、E 20分别为两束光的振幅。ω1=2πf 1、ω2=2πf 2分别为角频率。c c f k 111 122ωπλπ = == ， c c f k 222 222ωπλπ = == 为波矢。φ1 、φ 2 分别为两束光振动的初相位，c 为光速。 为简化讨论，假定它们的振幅相同，即E 10=E 20=E 0,它们叠加后为 ()122cos 22cos 221212121021? ? ? ???++??? ??-+??????-+??? ??--=+=ωωωωωωωωc x t c x t E E E E s 式中 2 2 1ωω+为合振动的角频率。?? ? ? ??-+??? ??--22cos 221210ωωωωc x t E 为合振动的振幅，可见振幅项不仅仅是空间x 的函数，而且还是时间t 的函数，它以频率π ωω22 1-= ?f 作周期性地变化， 这里只有当|ω1-ω2|《ω1+ω2时，才产生“拍”现象。 从式（１）可看出，合成的振动基本上是一种频率等于两个分振动频率的平均值，而振幅是随