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光速测定的意义


□ 杨起胜

  在物理学中,物理恒量的测定,不仅为人们认识物理规律、物理定律提供了重要依据,而且还推动了新理论的建立。其中光速的测定就是如此。光速的测定深入为了解光的本性和建立新的物理规律提供了宝贵的资料,在光学的发展史以及物理学发展史上有其特殊的意义。这里简要地介绍光速的测定及在物理学理论发展中的重要作用。
  
  一、光速的测定
  
  光在真空中传递的速度叫作光速。从物理学中,我们都知道光速的精确值是299,792,458m/s。它是怎样测出来的呢?
  由于光速的值非常大,过去的许多物理学家都认为光的传播是瞬时进行的,不需要时间。开普勒和笛卡尔都是持这种观点的。但伽利略却认为,光即使传播得很快,也一定需要时间。他在著名的《两种新科学的对话》一书中,讨论了光是不是瞬间的问题,并且首先提出测定光速的方法——两个观察者从两个相距甚远的山头,各执一能够闪光的灯作信号来测定光的速度的设想。测定过程是:观察者甲先举灯,经过一定时间后光到达观察者乙;乙马上举灯,过若干时间后,此信号回到甲。于是甲可以记下从自己举灯到信号返回的时间间隔T,若两观察者间的距离为D,则光的速度C=2D/T。伽利略曾在1英里的距离上做过这种测量,由于光速极高,在相距1英里的两点间往返一次只需要十万分之一秒。这样短的时间,比观察者的反应时间要短得多,伽利略的测定没有获得任何结果。但他所提出的确定光速的问题,却启示了这一研究的发展。他在实验中所采用的原理,却几乎保留在后来的一切测定光速的实验方法中。
  
  二、光速的测定方法
  
  1、罗默法
  首先证明光以有限的速度传播的科学家是丹麦天文学家罗默。他在巴黎天文台随皮卡尔参加了、木星卫星食的观测工作,发现了它们周期的不规则性,当地球运行到太阳与木星之间(E1、E4)时,木星食提早几分钟,当地球运行到太阳的另一侧(E2、E3)时,隐食则迟几分钟,他指出这种误差是由于没有把光从木星传到地球的时间计算在内而造成的,也即是光有一定速度的缘故(如图1)。罗默根据光线穿过地球绕太阳运行的轨道时间和地球的直径估算出光速为C=225000km/s。用这种方法算出的光速虽不准确,但它表明光速是可以测出的。
  2、斐索齿轮法和傅科的旋转镜法
  1948年,斐索设计了一个“劈开光速”的巧妙实验。他让一束光先通过某两齿轮之间的空隙,经过远处的的反射镜反射后,再让这束光先通过下一个空隙返回到观察镜里来。将光束在紧挨的两齿轮之间 来回所花的时间去除齿轮到反射镜的距离,就能得出光速值。(如图2)
  设轮的齿数为n。轮在每秒内的转数为N,那第光往返一次所需的时间t=1/2Nn;如果光速为C,齿轮与平面镜间的距离为L,那么, C=4NnL。 ......
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