1、光拍頻法測量光速第1頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一背景（意義） 基本物理常數：真空中光速，普朗克常數h、基本電荷e、電子靜止質量me和阿伏伽德羅常數NA等。1. 是其它二級物理常數的基礎，如： 普朗克公式，里德伯常數 ，真空中的介電常數，精細結構常數等等2. 基本單位“米”的定義： 實物基準：20世紀50年代前。受外界物理化學過程環境等影響。 量子計量基準：量子躍遷（1960年11屆規定：“長度單位米(m)等于氪86Kr原子的2P10和5d5能級之間的躍遷所對應的輻射在真空中的1650763.73個波長的長度”；1967年13屆規定的銫原子鐘，即“時間單位秒是銫-1

2、33原子基態的兩個超精細能級之間的躍遷所對應的輻射的9192631770個周期所持續的時間”等），但隨更精確的量子躍遷過程的發現而變化。 物理常數基準：1983年17屆決定：“米是光在真空中(1299 792458)秒的時間間隔內行程的長度”3. 基本物理常數的準確值增加一位，就有可能發現物理學中前所未知的矛盾，或獲得解決目前所存在的某個矛盾的線索。第2頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一光速測量方法：木衛蝕法（1676羅默）光行差法（1727布拉德雷）旋轉齒輪法（1849菲索）旋轉平面鏡法（1851傅科）旋轉棱鏡法（1933邁克爾遜）微波諧振腔法（1950年艾森）激光測

3、速法（1970美國國家標準局和國立物理實驗室）光拍頻法（1966Karolus和Helmberger用聲光頻移技術)第3頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一一、原理1.光拍的產生及特征 根據振動疊加原理，兩列速度相同、振面相同、頻差較小而同向傳播的簡諧波疊加即形成拍。 若有振幅相同為E0、圓頻率分別為1、2(頻差較小)的兩列沿x軸方向傳播的平面光波若這兩列光波的偏振方向相同，則疊加后的總場為：E 的振幅是時間和空間的函數，以頻率f 周期性地變化，稱這種低頻的行波為光拍頻波，簡稱拍頻。 第4頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一拍頻波在某一時刻的波形圖上

4、圖拍頻波頻率為：第5頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一 用光電探測器接收光的拍頻波，探測器光敏面上光照反應所產生的光電流與光強(即電場強度的平方)成正比 將直流成分濾掉，即得頻率為拍頻f 的光拍信號。 2.光拍的接收與光電流第6頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一第7頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一光拍信號的位相與空間位置有關。如果將光拍信號一分為二，分為近程光和遠程光兩部分，設近程光光程為1，遠程光光程為2，光程差為 ，位相差為，根據上式應有 光拍頻波通過不同的光程后入射同一光電探測器，則該探測器所輸出的兩個光拍信號的位

5、相差與兩路光的光程差之間的關系仍由上式確定。當 =2時，L= ，即光程差恰為光拍波長，此時上式簡化為可見，只要測定了f 和，即可確定光速。3.光速公式的導出第8頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一（二）相拍二光波的獲得 通過超聲與光波的相互作用來獲得產生拍頻波的二光波。超聲(彈性波)在介質中傳播，引起介質折射率的周期性變化，就使介質成為一個位相光柵。當入射光通過該介質時發生衍射，其衍射光的頻率與聲頻有關。 具體方法有兩種1.行波法：2.駐波法：式中 L,m = 0,1,2,。可見，即使在同一級衍射光內也含有不同頻率的光波。因此，用同一級衍射光就可獲得不同的拍頻波。 第9頁

6、，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一CG-型光速測定儀光路圖 CG-V 型光速測定儀（南京激光儀器廠生產）三 實驗裝置圖第10頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一CG-V型光速測定儀光路圖 三 實驗裝置圖第11頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一CG-V型光速測定儀光路圖 三 實驗裝置圖第12頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一CG-V型光速測定光路圖CG-V 型光速測定儀光路圖 第13頁，共15頁，2022年，5月20日，17點29分，星期一 重復上述步驟進行多次測量，求其平均值及平均值的標準偏差 ：四實驗步驟（略） 實驗中，用斬光器依次切斷光束和，則在示波器屏上同時顯示光束和的拍頻信號的正弦波形。調節兩路光的光程差，當程差恰等于一個拍頻波長時，兩正弦波的位相差恰為2，波形第一次完全重合，這時有： 從導軌上測得，用數字頻率計測得功率信號源的輸出頻率F，根據上式可得出空氣中的光速c。結果表示： 第14頁，共15頁，2022年，5月20日，17