05.11 通俗的說一說:經典的測光速方法

悟空問答上有人問:光速是如何測出來的?

有人回答:在你對面找個人,你拿根手電筒和一個秒錶,對方拿根手電筒,你一按開關,對方看到亮光時,立即按開關,當你看到對方的亮光時,立即掐表,然後用距離的兩倍除以秒錶的時間,就得出了光速。

你別笑,歷史上還真有人這麼測過,還是個大名人,他就叫伽利略!

通俗的說一說:經典的測光速方法

伽利略測光速

不過,當時他是用馬燈來代替手電筒,用手遮光的方法來代替開關。測試是失敗的,但伽利略得出一個結論,光速很大!很大!

李永樂老師介紹了邁克爾遜的八稜鏡測光速方法,李老師可能把大家都當成清華北大的才子了,說得不是很詳細。

我看評論還有很多人不太懂,本人就在此基礎上,通俗的解釋一下,我想大家應該比較容易明白。

通俗的說一說:經典的測光速方法

八稜鏡測光速的原理

邁克爾遜的測光速原理,也是用最原始的速度定義來計算的。

我們知道,速度等於經過的路程除以時間:v=s/t

從加利略的測試可以看出,光經過的路程是比較容易測量出來的,即使距離較遠,當時也是有方法得到非常精確的數字的。

八稜鏡測光速的原理是:

  1. 當A點的光線照射到八稜鏡上時,只有當稜鏡與光線的角度恰好是45°時,才能平直的射向左邊遠處的反光鏡。如果稜鏡角度小了或者大了,就會將光線反射到其它地方,就是上圖的下面兩格小圖所示,這樣光線就沒辦法照射到左邊遠處的反射鏡。

  2. 這樣,從八稜鏡反射出來到遠處反射鏡的光線就是不連續的光點(我們把這段反射光當成是一顆子彈),每兩段光點之間的時間間隔就是稜鏡轉過1/8周的時間。如果我們能測試出兩個光點之間的距離,也可以測試出光速,但是,這實在是太小了。

  3. 當八稜鏡反射的光點a以正確的角度出去,到了左邊反射鏡,兩塊反射鏡把光點a又反射回來。

  4. 光點a回到八稜鏡的時候,如果八稜鏡的角度不正確,光點a也會和上面一樣,被八稜鏡反射到其它地方,而不能正確的射入B點的觀測眼中。

  5. 這樣,只有當光點a從八稜鏡反射出來,再回到八稜鏡的時間恰好是八稜鏡轉了1/8周,也即只轉了一個鏡面時,光點a才能在B點被觀測到。同樣的道理,光點a下一個光點,也只有稜鏡轉過一個面才能看到。

  6. 好了,邁克爾孫就用嘗試的方法,讓八稜鏡的旋轉速度從0慢慢提高,當八稜鏡的速度達到某個值時,剛好可以從B點看到亮光。如果速度高一點或低一點都看不到的時候,這個八稜鏡的轉速就是正確的了。(實際上可以看到亮光的轉速是這個最低轉速的整數倍,這個大家可以腦補一下。)

  7. 八稜鏡的轉速可以很方便的測量出來,轉速ω我們用每秒多少周(ω)來表示,那麼,八稜鏡轉一週的時間就是1/ω。

  8. 八稜鏡到反射鏡的距離L,因為L遠遠大於左邊兩塊鏡子的距離和八稜鏡的直徑,忽略這些距離,可以認為光點a從A到B的距離是2L,而跑過的時間是稜鏡1/8周的時間,也即是1/8ω。因此,s=2L,t=1/8ω,那麼光速就是v=s/t=2L/(1/8ω)=16Lω。

  9. 據說當時邁克爾遜測光速時在兩座相離約35公里的山頭上測的,八稜鏡的轉速達到528轉/秒時,可以看到亮光,他計算出的光速為:299,796±4km/s。

好了,不知道這樣說,你能看懂嗎?


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