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光的速度是怎么計算出來的

光的速度不是靠計算出來的,是靠實測光通過的距離和時間,速度=距離÷時間,計算出來的。
在慣性系內例如在地球表面上,測量同一個慣性系內物體的運動速度,理論上是可以準確測量出來的。例如飛機,火車和汽車的速度。因為在地球表面上,任取兩點A和B,不管地球自轉和公轉,地球在宇宙靜止空間怎么樣改變位置,A,B兩點相對位置是不變的,距離是一個固定值。同一個慣性系物體,經過這兩點的距離和時間可以###測量出來。物體運動速度理論上就可以準確測量出來了。
光是電磁波,沒有質量和慣性。光速達到每秒約30萬千米,速度很高要準確測量比較困難。但是這都不是問題,人們已經巧妙地利用各種方法,比較準確地測量出光速。齒輪法,激光頻率波長法等。
但是不管用任何辦法,光速是永遠測不準的。因為光是電磁波,離開光源就獨立存在了,不屬于任何慣性系。例如在地球表面任取A,B兩點。光從A射向B。光在A,B兩點傳播過程中,A,B兩點在宇宙空間位置已經發生了改變。當光到達B點時,已經不是原來宇宙空間的B點。光經過A,B兩點距離就不是原來慣性系測定的距離。
用激光頻率和波長法,測量光速。頻率測量不受慣性系影響是非常準確的,但是波長的測量仍然要用到慣性系。
光速的測量,理論上永遠測不準。

###早的較高準確度的光速測量來自1851年,法國科學家傅科。當時他采用的方法是旋轉鏡法,大致原理如上圖所示:A為一面鍍膜的半透光的鏡子,光源S發出的光經A的反射,進入齒輪N的輪齒之間。齒輪旋轉,于是就會時不時遮擋光束。通過齒輪N后,光束經平面鏡M的反射,再次回到齒輪。如果這時齒輪恰好又在一個間隙,則光束可以齒輪,進而在半透鏡A之后的觀測者就可以觀測到光。齒輪的齒數已知,轉速已知,則兩個齒通過的時間差就已知,進而可以算出光從###次通過齒輪,到反射后回到齒輪,所用的時間。齒輪到平面鏡M的距離可以簡單測量出來,有時間有距離,也就有了速度。當時傅科得到的光速是298*10^8米/秒,已經是很不錯的準確度了。

在1924年,美國科學家邁克爾遜對這一實驗裝置進行了改進,用旋轉的八面鏡代替了齒輪,大大提高了實驗精度。原理如上圖所示:有八個面的反射鏡A不斷旋轉,只有當1面正對左上45度角方向的時候才能將光送入光路系統B;光經過B的一系列反射后,攝像鏡面3的位置,而此時只有鏡面3正對左下45度角方向的時候,光可以被觀測鏡看到。由于條件十分苛刻,因此只有反射鏡旋轉的速度為非常###的某些特定值的時候,才能在觀察鏡中看到光斑。再由旋轉速度和光路長度,即可簡單計算出光速。當時的實驗得到了299796±4 千米/秒的結果,已經非常準確了。
再之后,在1983年10月的第十七屆國際計量大會上,米被重新定義為:“光在真空中1/299792458秒的時間間隔內所經路程的長度”。加之時間已經被###定義(銫133原子基態的兩個超精細能階之間躍遷時所輻射的電磁波的周期的9,192,631,770倍 的時間),光速的值也就這樣被“確定”了下來:299792458米/秒,一絲一毫也不差。換言之,米這個概念,現在已經是源于光速的了。
但如果談到計算,那就更有趣了。1865年,麥克斯韋###次完成了麥克斯韋方程組,全面描述了宏觀電磁場的性質。之后又發展了這一方程組的各種形式。而從這4條方程中,我們就完全可以推導出光速計算的方法。


上圖為之*乎用戶TDurden推導的光速計算方法。由###終式易得,真空介電常數和磁導率,有這兩個常數就可以直接計算光速。這也是“光速不變”這一概念的起源之地。

首頁 > 電工基礎 > 日期:2022-6-25 來源:Internet 作者:yq 瀏覽量: