光調(diào)制法測光速實驗報告

光調(diào)制法測光速實驗報告實驗22光調(diào)制法測量光速實驗22光調(diào)制法測量光速從17世紀70年代伽利略第一次嘗試測量光速以來，各個時期人們都采用當時最先進的技術(shù)來測量光速。1983年，國際計量局召開第七次米定義咨詢委員會和第八次單位咨詢委員會決定，以光在真空中1/299792458s的時間內(nèi)所傳播的距離為長度單位米（m），這樣光速的精確值被定義為c=299792458m/s。光在真空中的傳播速度是一個極其重要的基本物理常量，許多物理概念和物理量都與它有密切的聯(lián)系。例如，光譜學(xué)中的里德堡常數(shù)，電子學(xué)中真空磁導(dǎo)率與真空電導(dǎo)率之間的關(guān)系，普朗克黑體輻射公式中的第一輻射常數(shù)、第二輻射常數(shù)，質(zhì)子、中子、電子等基本粒子的質(zhì)量等常數(shù)都與光速c相關(guān)。正因為如此，許多科學(xué)工作者都致力于提高光速測量精度的研究?！緦嶒?zāi)康摹?（了解和掌握光調(diào)制的基本原理和技術(shù)；2（學(xué)習(xí)使用示波器測量同頻正弦信號相位差的方法；3（測量光在空氣中的速度。【預(yù)備問題】1（光波的波長、頻率及速度是如何定義的，2（能否對光的頻率進行絕對測量，為什么，3（等相位測量波長法與等距離測波長法，哪一種方法有較高的測量精度，【實驗儀器】光速測量儀，示波器等。光速測量儀的介紹見本實驗附錄22-A?！緦嶒炘怼?（利用波長和頻率測速度按照物理學(xué)定義，任何波的波長?是一個周期內(nèi)波傳播的距離。波的頻率f是1s內(nèi)發(fā)生了多少次周期振動，用波長乘以頻率得1s內(nèi)波傳播的距離即波速為c??f(22-1)利用這種方法，很容易測得聲波的傳播速度。但直接用來測量光波的傳播速度還存在很多技術(shù)上的困難，主要是光的頻率高達1014Hz，目前的光電接收器無法響應(yīng)頻率如此高的光強變化，迄今僅能響應(yīng)頻率在108Hz左右的光強變化并產(chǎn)生相應(yīng)的光電流頻率。2(利用調(diào)制波波長和頻率測光的速度如果直接測量河中水流的速度有困難，可以采用如下方法:周期性地向河中投放小木塊，投入頻率為f，再設(shè)法測量出相鄰兩小木塊間的距離？，則依據(jù)式(22-1)即可算出水流的速度。周期性地向河中投放小木塊，目的是在水流上做一個特殊標記。也可以在光波上做一些特殊標記，稱為“調(diào)制”。由于調(diào)制波的頻率可以比光波的頻率低很多，因此可以用常規(guī)器件來接收。與木塊的移動速度就是水流流動的速度一樣，調(diào)制波的傳播速度就是光波傳播的速度。本實驗用頻率為108148接收器件來接收了。而調(diào)制波的傳播速度就是光速，(所以只要測出光調(diào)制波的頻率f調(diào)和波長入調(diào)，便可間接測出光速C:C?f調(diào)??調(diào))用頻率計測調(diào)制波的頻率，用相位法測調(diào)制波的波長，利用式(22-1)就可以測出光速。3(相位法測調(diào)制波的波長波長為0.65um的載波，其強度受頻率為f的正弦型調(diào)制波的調(diào)制，表達式??x???c???????(22-2)式中，m為調(diào)制度，cos2nf(t??x/c)表示光在測線上傳播的過程中，其強度的變化猶如一個頻率為f的正弦波以光速c沿x方向傳播，我們稱這個波為調(diào)制波。調(diào)制(光)波在傳播過程中(，)其相位是以2n為周期變化的。設(shè)測線上兩點A和B的位置坐標分別為x1和x2,當這兩點之間的距離為調(diào)制波波長？的整數(shù)倍時，該兩點間的相位差為2??x2?x1???調(diào)？2???x?2??1?2?(x2?x1)?2n?(22-3)?1??2??調(diào)???(可見，只要測出？x和??便可間接測出？調(diào)。)式中，n為整數(shù)。反過來，如果能在光的傳播路徑中找到調(diào)制波的等相位點，并準確測量它們之間的距離，那么這個距離一定是波長的整數(shù)倍。設(shè)調(diào)制波由A點出發(fā)，經(jīng)時間t后傳播到A?點，AA?之間的距離為2D，如圖22-1(a)所示，則A?點相對于A點的相移為??2?ft。然而，用一臺測相系統(tǒng)對AA?間的這個相移量進行直接測量是不可能的。為了解決這個問題，較方便的辦法是在AA?的中點B設(shè)置一個反射器，由A點發(fā)出的調(diào)制波經(jīng)反射器反射回A點，如圖22-1(b)所示。由圖顯而易見，光線由A?B?A所走過的光程亦為2D，而且在A點反射波的相位落后？？2?ft。圖22-1相位法測波長原理圖如果以發(fā)射波作為參考信號（以下稱之為基準信號），它與反射波（以下稱之為被測信號）分別輸入到相位計的兩個輸入端，則由相位計可以直接讀出基準信號和被測信號之間的相位差。當反射鏡相對于B點的位置前后移動半個波長時，這個相位差的數(shù)值改變?yōu)?n。因此只要前后移動反射鏡，相繼找到在相位計中讀數(shù)相同的兩點，該兩點之間的距離即為半個波長。調(diào)制波的頻率可由數(shù)字式頻率計精確地測定，由式（22-1）可以求得光速值。4（差頻法測相位盡管調(diào)制波光強變化的頻率降到了108Hz，但要用測相器準確測量兩點的相位差，頻率仍然太高。因為測相器門電路的開關(guān)時間一般為40ns左右，如果輸入信號的頻率為108Hz，則信號周期T=1/f=10ns，比電路的開關(guān)時間還短，電路根本來不及動作。為了使電路正常工作，就必須大大提高其工作速度。為了避免高頻下測相的困難，人們通常采用差頻的辦法把待測高頻信號轉(zhuǎn)化為中、低頻信號處理。這是因為兩信號之間相位差的測量實際上被轉(zhuǎn)化為兩信號過零的時間差的測量，而降低信號頻率f則意味著拉長了與待測的相位差?相對應(yīng)的時間差。當基準信號、被測信號分別與本振信號混頻后，所得到的兩個差頻信號之間的相位差仍保持為？（證明過程請參看附錄22-B）。本實驗為了克服在108Hz高頻下測相的困難，如圖22-2所示，將f=108Hz、位相差為?的高頻基準信號u1和高頻被測信號u2分別與本機振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號混頻，得到兩個?、u2?，然后送到相位計或示波器中去測量相頻率為455kHz、位相差依然為？的低頻信號u1位。(這樣調(diào)制波信號的相位差測量轉(zhuǎn)換為差頻信號的相位差測量。差頻信號相位差??本實驗用示波器測量)。圖22-2光調(diào)制法測量光速實驗原理方框圖5(示波器測相位單蹤示波器法將示波器的掃描同步方式選擇在“外觸發(fā)同步”，極性為“+”或“？”，“參考”相位信號接至外觸發(fā)同步輸入端(EXT)，“信號”相位信號接至Y軸的輸入端，調(diào)節(jié)“觸發(fā)電平”，使波形穩(wěn)定;調(diào)節(jié)Y軸“增益”(偏轉(zhuǎn)因數(shù))，使之有一個適合的波幅:調(diào)節(jié)“時基”(掃描速率)，使在屏上只顯示一個完整的波形，并盡可能地展開，如一個波形在X方向展開為10大格，即10大格代表為360?，每1大格為36?，可以估讀至0.1大格，即3.6?。開始測量時，記住波形某特征點的起始位置，移動棱鏡小車，波形移動，移動1大格即表示基準相位與被測相位之間的相位差變化了36?。有些示波器無法將一個完整的波形正好調(diào)至圖22-3示波器測相位10大格，此時可以按下式求得基準相位與被測相位的變化量，參見圖22-3。???r?360?r0(22-4)雙蹤示波器法將“參考”相位信號接至Y1(CH1)通道輸入端，“信號”相位信號接至Y2(CH2)通道，并用Y1通道觸發(fā)掃描，顯示方式為“斷續(xù)”(CHOP),如采用“交替”(ALT)方式時，會有附加相移，為什么，，。后面的步驟與單蹤示波法操作一樣，調(diào)節(jié)Y軸輸入“增益”擋，調(diào)節(jié)“時基”擋，使在屏幕上顯示一個完整的、大小適合的波形。可以測得“參考”相位與“信號”相位的變化量?？。數(shù)字示波器法數(shù)字示波器具有光標卡尺功能，這樣比數(shù)屏幕上格子的精度要高得多。(將“參考”相位信號接至Y1(CH1)通道輸入端，“信號”相位信號接至Y2(CH2)通道)，分別調(diào)節(jié)“參考”相位信號和“被測信號”相位信號波形的垂直位置，使兩波形的X軸(即t軸)重合(以示波器中心水平軸線為基準)，測量信號的周期T和兩信號之間水平相差距離?t，則相位差??？?t?360?Tti?2T??調(diào)(xi?x0)?t0或xi?(又？？i??調(diào)2T?(22-5)(ti?t0)?x02?調(diào)?2?xi??ti?xi??T?調(diào)線性關(guān)系，可用作圖法、逐差法、最小二乘法處理數(shù)據(jù)計算求出光速測量值。?調(diào)？T?2?xi?ti?xi是反射器移動的距離，2?xi是由于光來回反射。？ti是反射器移動?xi，用示波器測量的被測調(diào)制波信號的相移時間差。）數(shù)據(jù)記錄表格參考：1、等距離測量2、等相位測量【實驗內(nèi)容及步驟】1（預(yù)熱：電子儀器都有一個溫漂問題，光速儀和頻率計須預(yù)熱半小時再進行測量。在這期間可以進行線路連接、光路調(diào)整、示波器調(diào)整和定標等工作。2（光路調(diào)整:先把棱鏡小車移近收發(fā)透鏡處，用一小紙片擋在接收物鏡管前，觀察光斑位置是否居中（處于照準位置）。調(diào)節(jié)棱鏡小車上的左右轉(zhuǎn)動及俯仰旋鈕，使光斑盡可能居中，再將小車移至最遠端，觀察光斑位置有無變化，并做相應(yīng)調(diào)整，使小車前后移動時，光斑位置變化最小。3（示波器定標:按前述的示波器測相位的方法將示波器調(diào)整至有一個適合的測相波形，要求盡可能大地調(diào)出一個周期的波形。4（測量光速：由頻率與波長的乘積來測定光速的原理和方法前面已經(jīng)做了說明。在實際測量時，主要任務(wù)是如何測得調(diào)制波的波長，其測量精度決定了光速值的測量精度。一般可采用“等距離”測量法和“等相位”測量法來測量調(diào)制波的波長。在測量時要注意兩點，一是實驗值要取多次多點測量的平均值;二是我們所測得的是光在大氣中的傳播速度，為了得到光在真空中傳播速度，要精密地測定空氣折射率后做相應(yīng)修正。測量調(diào)制頻率(就用108Hz)為了匹配好，盡量用頻率計附帶的高頻電纜線連接好電器盒上的頻率輸出端與頻率計輸入端。調(diào)制波是用溫補晶體振蕩器產(chǎn)生的，頻率穩(wěn)定度很容易達到10?6Hz，所以，在預(yù)熱結(jié)束后正式測量前測一次就可以了?！暗染嚯x”法測調(diào)制波波長在導(dǎo)軌上任取若干等間隔點(如圖22-4所示)，坐標分別為x0,x1,x2,x3,?,xi;x1??x0=D1,x2??x0=D2,?,xi??x0=Di。移動棱鏡小車，由示波器依次讀取與距離D1,D2,?相對應(yīng)的?2D相移量？i，則Di與？i間有i?i，即2????2??i?2Di(22-6)求得波長?后，利用式(22-1)得到光速c。圖22-4根據(jù)相移量與反射鏡距離之間的關(guān)系測定光速也可用作圖法，以?為橫坐標，D為縱坐標，作D-?直線，則該直線斜率的4?f倍即為光速c。為了減小由于電路系統(tǒng)附加相移量的變化給相位測量帶來的誤差，同樣應(yīng)采取x0?x1?x0及x0?x2?x0等順序進行測量。操作時移動棱鏡小車要快、準，如果兩次x0位置時的計數(shù)值相差0.1?以上，必須重測。（3）“等相位”法測調(diào)制波波長在示波器上（或相位計上）取若干整度數(shù)的相位點，如36?、72?、108?等;在導(dǎo)軌上任取一點為x0，并在示波器上找出信號相位波形上一特征點作為相位差0?位置，移動棱鏡，至某個整相位數(shù)時停（在具體實驗操作時，我們可以取示波器上波形移動兩格為測量相位距離），迅速讀取此時的距離值作為x1，并盡快將棱鏡返回至0?處，再讀取一次x0，并要求兩篇二:實驗22光調(diào)制法測量光速實驗22光調(diào)制法測量光速1（能否對光的頻率進行絕對測量，為什么，（目前沒有儀器能直接測量，要測量先要轉(zhuǎn)換為電信號，目前也沒有光電轉(zhuǎn)換接收器能響應(yīng)頻率如此高的光強變化）提示:如果已知光波長如（0.65微米，波長可以用光干涉（如邁克爾遜干涉）測量），再應(yīng)用本實驗的測量方法測出光速，便可間接測出光的頻率（C=f*入）。絕對測量是什么意思，指的是直接測量，2（儀器中光源的波長為0.65微米，為什么還要測量波長，提示:因為實驗是對光波進行調(diào)制后，通過測量光調(diào)制波波長入調(diào)和頻率f調(diào)來測量光速:C二f調(diào)*入調(diào)，但調(diào)制波的波長并不等于原光波波長0.65微米。3（什么是位相法測定調(diào)制波的波長，在本實驗中是如何實現(xiàn)的，提示:看教材。（1）通過測量調(diào)制波傳播距離上兩點位置處的位相差來間接測量調(diào)制波波長入調(diào)方法就叫做位相法測定調(diào)制波的波長。實驗通過對原紅光光波進行調(diào)制使其變成光電接收器能響應(yīng)的100MHz調(diào)制光波（調(diào)制光波光速不變），再通過差頻法把高頻基準調(diào)制波和接受到的高頻待測調(diào)制波兩信號分別變?yōu)?55KZH的兩低頻信號（變頻后兩信號相差不變），然后根據(jù)（P.133，（22-3）式），應(yīng)用“等距離法”或“等相位法”來實現(xiàn)）。4（紅光的波長為0.65微米，在空氣中只走0.325微米就會產(chǎn)生相位差n。而我們在實驗中卻將棱鏡小車移動了0.75米左右的距離，才能產(chǎn)生相位差n。這是為什么，提示:，對波長為0.65微米的載波（紅光）傳播中相位改變一個n所走過的距離0.325微米，而實驗是通過測量調(diào)制波波長來測量光速，調(diào)制波波長并不等于0.65微米，而是約米。5（本實驗所測定的是100MHz調(diào)制波的波長和頻率，能否把實驗裝置改成直接發(fā)射頻率為100MHz的無線電波并對它的波長和頻率進行絕對測量。為什么，6.針對“等距法”用作圖法處理數(shù)據(jù)，過程包括正確的畫圖，如作D-6直線或D-At直線，和相關(guān)計算，最后得到待測量C。作圖法處理數(shù)據(jù)示例:等間距測量法一等間距移動反射棱鏡，從示波器讀出待測波對基準波的相移時間ti。調(diào)制信號波頻率f調(diào)=108Hz（100MHz），差頻信號頻率f'=452.6KHz，T'=1/f'=1/452.6KHz=2.210uS,反射棱鏡移動位置:xi,相應(yīng)的待測波對基準波的相移時間:ti測量數(shù)據(jù)記錄于下表一表一儀器:數(shù)字示波器M:250nSCH1:500mVCH2:500mV說明:xi從導(dǎo)軌上標尺讀出，ti從測量數(shù)據(jù)計算得到，其中各由算出。作圖法處理數(shù)據(jù)：由有和圖線斜率由得所以光速由？由6得所以光速由?得所以光速篇三:光調(diào)制法測量光速實驗要求與指引《光調(diào)制法測量光速》實驗要求與指引?實驗預(yù)習(xí)要求：（實驗前完成）1、明確本實驗要求做的內(nèi)容（根據(jù)c?f??測量光在空氣中的速度，其中?分別用“等間距法”和“等相位法”測量）；2、閱讀實驗原理部分，弄懂光調(diào)制的一般性原理，掌握本實驗光波長的測量方法一一測相位法（“等間距法”和“等相位法”）；3、閱讀【注意事項】；4、寫好預(yù)習(xí)報告（預(yù)先寫好實驗報告里的實驗?zāi)康?、實驗儀器、實驗原理（要有文字描述、有關(guān)公式）、實驗主要步驟等部分以及在預(yù)習(xí)報告紙上設(shè)計畫好實驗數(shù)據(jù)的記錄表格和做好要求做的預(yù)習(xí)思考題（P.132）的預(yù)備問題（1）、（3）。?實驗測量要求1、示波器預(yù)熱打開示波器及測量儀開關(guān)，預(yù)熱儀器。2、光路調(diào)整及連線?置反射鏡于450.0mm處，調(diào)好光路:用一白紙放于反射光接收口處，調(diào)節(jié)反射鏡的螺絲使反射光斑剛好落在接收口上，然后移動反射鏡看反射光斑是否還在接收口上，否則反復(fù)調(diào)整反射鏡，直到反射光斑始終落在接收口上為止。最后把反射鏡移到50.0mm處以此作為開始測量點。?用信號線連接示波器與測量儀:基準信號（正弦波）接入數(shù)字示波器CH1通道，測相信號接入CH2通道。3、示波器調(diào)節(jié)?按下“自動量程”方形按鈕（最上方第一排按鈕第一個），使屏幕出現(xiàn)兩個波形；？打開示波器兩通道:分別按下彩色按鈕“CH1MENU”和“CH2MENU”，記下差頻基準信號的頻率f'（在屏幕右下角處顯示），并計算出周期T';?調(diào)節(jié)兩通道基準線于屏幕中心:先按下彩色按鈕“CH1MENU”，再按下相應(yīng)的耦合按鈕（位于屏幕右方第一個）選擇“接地”，然后調(diào)節(jié)垂直位置旋鈕（位于彩色按鈕“CH1MENU”上方）使基準線置于屏幕中心，最后耦合按鈕選回“直流”；CH2通道基準線的調(diào)節(jié)重復(fù)CH1通道的步驟。?調(diào)節(jié)示波器面板右方水平“秒/格”旋鈕，使屏幕顯示盡可能大的整波形（屏幕下方M值顯示為250ns）;?調(diào)節(jié)兩通道垂直光標：按光標按鈕（位于面板上方第二排第三個），接著按屏幕右上方第一個按鈕，使之類型顯示為“時間”；分別選屏幕右方第四、第五個按鈕，使屏幕上相應(yīng)的光標1和光標2成反白顯示，再調(diào)節(jié)面板左上角大旋鈕，將光標1、光標2的垂直標線置于右圖示位置，讀出并在數(shù)據(jù)表上記錄兩光標的時間差ti值（此即為待測信號對于基準信號的相移時間差，用于計算兩信號的相位差△①）。4、實驗測量?等距離測量法移動反射鏡每增加50.0mm，旋轉(zhuǎn)面板左上角