王林茂，甘文勝，班冬梅

（海南師范大學 物理與電子工程學院，海南 ?？?571158）

光拍法測量光速實驗的改進

王林茂，甘文勝，班冬梅

（海南師范大學 物理與電子工程學院，海南 ?？?571158）

針對CG-Ⅲ光速測定儀測量光速存在實驗誤差大的不足，分析了誤差產生的原因，介紹了實驗改進的方法，并進行了實測，得到了滿意的實驗結果.

光速；光拍；光程差

光拍法測量光速實驗是一個實驗方法非常巧妙的實驗[1]，然而在實驗中由于半反鏡反射率低、光拍波形穩(wěn)定性和清晰度低以及示波器X軸刻度分辨率低等原因造成實驗結果不理想，用CG-Ⅲ型光速測定儀進行測量時，實驗誤差在2%～5%之間，不確定度在數(shù)量級.針對這種情況，有文獻提出通過加裝游標、用攝像頭采集波形以及利用圖像處理軟件進行測量，光速計算公式為[2]：

式中，F(xiàn)為超聲波信號頻率，ΔL為兩次測量光程的改變量，X為光拍波形相鄰同相點的距離，Δx為兩次測量波形同相點的平移量.

不難發(fā)現(xiàn)，文獻[2]的實驗方法雖然避免了半反鏡造成的光能量損失和斬光器轉動的影響，但需要增加較多的實驗設備，操作繁瑣.

1 誤差原因分析

設 δΔL、δΔx、δΔX和 分別是 ΔL、Δx、X和F測量值的絕對誤差，δc和γc分別為c實驗值的絕對誤差和相對誤差，由誤差理論可知[3]：

可以忽略不計，則

由（3）式可知，要減小實驗誤差應盡量增大Δx和 δΔx減小.

2 實驗改進和操作步驟

2.1 實驗改進

增大ΔL和提高光拍波形的穩(wěn)定性和清晰度是增大Δx和減小δΔx的有效方法，為此，卸掉CG-Ⅲ型光速測定儀的斬光器，將半反鏡全部換成全反鏡，增加一個全反鏡11，實驗光路見圖1.

2.2 操作步驟

1）按圖1（a）光路調節(jié)，用示波器時基長光標測出A、B間的距離X，見圖2.

2）移動可移鏡9和改變光反射次數(shù)改變光程（建議 ΔL要大于100cm），光路如圖1（b）（c）所示，用時基長光標測量出波形標記點A移動的距離Δx，用米尺測出ΔL，用頻率計測出F.

3）重復步驟（2）.

3 實驗數(shù)據和結果

實驗用SP3165A型頻率計，SS-7802A型示波器，測得F=14.76565×106Hz，X=2.885×10-6s，其他數(shù)據見表1.

表1 實驗數(shù)據Tab.1Experimental data

根據公式（1），用最小二乘法[1]處理得：

c=（2.977±0.012）×108m/s.

取空氣的折射率n=1.000 27，測得光在真空的速度為：co=（2.977±0.013）×108m/s

4 結論

實驗證明，經過改進后，實驗充分利用了儀器的空間，確保了Δx有較大的取值，儀器全部使用全反鏡，光拍波形穩(wěn)定性和清晰度大大提高，減小了δΔx.實驗結果相對誤差減小到1%以內，不確定度減小到106m/s數(shù)量級，實驗結果比較理想.

[1]吳先球,熊予瑩,黃佐華,等.近代物理實驗教程[M].北京:科學出版社,2009:26-27;134-142.

[2]蔡秀峰,蔡德發(fā).光速測量方法的改進[J].大學物理,2007,26(3):44-48.

[3]陳尚松,郭慶,雷加.電子測量與儀器[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:43-44.

[4]楊述武,趙立竹,沈國土.普通物理實驗1[M].4版.北京:高等教育出版社,1997:23-24.

Improvement of the Experiment of Light Speed Measurement by Light-beat Approach

WANG Linmao，GAN Wensheng，BAN Dongmei
（College of Physics and Electronic Engineering，Hainan Normal University，Naikou571158，China）

Aiming at the excessive error in light speed measurement with the CG-Ⅲ light meter,we analyzed the causes of the experiment error in detail,improved the measuring methods,and obtained the satisfied results finally.

light speed；light beat；Optical path difference

O 4-33；O 4-34

A

1674-4942（2011）02-0166-02

2011-01-22

黃 瀾