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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(nèi)例如在地球表面上，測量同一個慣性系內(nèi)物體的運動速度，理論上是可以準(zhǔn)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(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，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(jīng)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(zhǔn)確測量出來了。
光是電磁波，沒有質(zhì)量和慣性。光速達到每秒約30萬千米，速度很高要準(zhǔn)確測量比較困難。但是這都不是問題，人們已經(jīng)巧妙地利用各種方法，比較準(zhǔn)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(yuǎn)測不準(zhǔn)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(jīng)發(fā)生了改變。當(dāng)光到達B點時，已經(jīng)不是原來宇宙空間的B點。光經(jīng)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(zhǔn)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(yuǎn)測不準(zhǔn)。

###早的較高準(zhǔn)確度的光速測量來自1851年，法國科學(xué)家傅科。當(dāng)時他采用的方法是旋轉(zhuǎn)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(fā)出的光經(jīng)A的反射，進入齒輪N的輪齒之間。齒輪旋轉(zhuǎn)，于是就會時不時遮擋光束。通過齒輪N后，光束經(jīng)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(shù)已知，轉(zhuǎn)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(dāng)時傅科得到的光速是298*10^8米/秒，已經(jīng)是很不錯的準(zhǔn)確度了。

在1924年，美國科學(xué)家邁克爾遜對這一實驗裝置進行了改進，用旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，只有當(dāng)1面正對左上45度角方向的時候才能將光送入光路系統(tǒng)B；光經(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速度和光路長度，即可簡單計算出光速。當(dāng)時的實驗得到了299796±4 千米/秒的結(jié)果，已經(jīng)非常準(zhǔn)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(nèi)所經(jīng)路程的長度”。加之時間已經(jīng)被###定義（銫133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)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(xiàn)在已經(jīng)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(zhì)。之后又發(fā)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(dǎo)出光速計算的方法。


上圖為之*乎用戶TDurden推導(dǎo)的光速計算方法。由###終式易得，真空介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，有這兩個常數(shù)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(chǔ) > 日期：2022-6-25 來源：Internet 作者：yq 瀏覽量：