光的速度是怎么计算出来的

光的速度不是靠计算出来的,是靠实测光通过的距离和时间,速度=距离÷时间,计算出来的。
在惯性系内例如在地球表面上,测量同一个惯性系内物体的运动速度,理论上是可以准确测量出来的。例如飞机,火车和汽车的速度。因为在地球表面上,任取两点A和B,不管地球自转和公转,地球在宇宙静止空间怎么样改变位置,A,B两点相对位置是不变的,距离是一个固定值。同一个惯性系物体,经过这两点的距离和时间可以###测量出来。物体运动速度理论上就可以准确测量出来了。
光是电磁波,没有质量和惯性。光速达到每秒约30万千米,速度很高要准确测量比较困难。但是这都不是问题,人们已经巧妙地利用各种方法,比较准确地测量出光速。齿轮法,激光频率波长法等。
但是不管用任何办法,光速是永远测不准的。因为光是电磁波,离开光源就独立存在了,不属于任何惯性系。例如在地球表面任取A,B两点。光从A射向B。光在A,B两点传播过程中,A,B两点在宇宙空间位置已经发生了改变。当光到达B点时,已经不是原来宇宙空间的B点。光经过A,B两点距离就不是原来惯性系测定的距离。
用激光频率和波长法,测量光速。频率测量不受惯性系影响是非常准确的,但是波长的测量仍然要用到惯性系。
光速的测量,理论上永远测不准。

###早的较高准确度的光速测量来自1851年,法国科学家傅科。当时他采用的方法是旋转镜法,大致原理如上图所示:A为一面镀膜的半透光的镜子,光源S发出的光经A的反射,进入齿轮N的轮齿之间。齿轮旋转,于是就会时不时遮挡光束。通过齿轮N后,光束经平面镜M的反射,再次回到齿轮。如果这时齿轮恰好又在一个间隙,则光束可以齿轮,进而在半透镜A之后的观测者就可以观测到光。齿轮的齿数已知,转速已知,则两个齿通过的时间差就已知,进而可以算出光从###次通过齿轮,到反射后回到齿轮,所用的时间。齿轮到平面镜M的距离可以简单测量出来,有时间有距离,也就有了速度。当时傅科得到的光速是298*10^8米/秒,已经是很不错的准确度了。

在1924年,美国科学家迈克尔逊对这一实验装置进行了改进,用旋转的八面镜代替了齿轮,大大提高了实验精度。原理如上图所示:有八个面的反射镜A不断旋转,只有当1面正对左上45度角方向的时候才能将光送入光路系统B;光经过B的一系列反射后,摄像镜面3的位置,而此时只有镜面3正对左下45度角方向的时候,光可以被观测镜看到。由于条件十分苛刻,因此只有反射镜旋转的速度为非常###的某些特定值的时候,才能在观察镜中看到光斑。再由旋转速度和光路长度,即可简单计算出光速。当时的实验得到了299796±4 千米/秒的结果,已经非常准确了。
再之后,在1983年10月的第十七届国际计量大会上,米被重新定义为:“光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所经路程的长度”。加之时间已经被###定义(铯133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9,192,631,770倍 的时间),光速的值也就这样被“确定”了下来:299792458米/秒,一丝一毫也不差。换言之,米这个概念,现在已经是源于光速的了。
但如果谈到计算,那就更有趣了。1865年,麦克斯韦###次完成了麦克斯韦方程组,全面描述了宏观电磁场的性质。之后又发展了这一方程组的各种形式。而从这4条方程中,我们就完全可以推导出光速计算的方法。


上图为之*乎用户TDurden推导的光速计算方法。由###终式易得,真空介电常数和磁导率,有这两个常数就可以直接计算光速。这也是“光速不变”这一概念的起源之地。

首页 > 电工基础 > 日期:2022-6-25 来源:Internet 作者:yq 浏览量: