光强调制法测光速一、实验简介光速是物理学中最重要的基本常数之一，也是所有各种频率的电磁波在真空中的传播速度．历史上光速测量方法可以分为天文学测量方法、大地测量方法和实验室测量方法等。1607年伽利略最早提出大地测量方法来测量光速：1676年，丹麦天文学家罗默通过观察从卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速．1728年，英国天文学家布莱德雷（1693—1762）采用恒星的光行差法测量了光速，这些是天文学测定的方法。1849年，法国人菲索第一次在地面上设计转齿轮装置测定光速。1850年，法国物理学家傅科设计了转镜法测出的光速是298000千米/秒。另外傅科还测出了光在水中的传播速度，它小于光在空气中的速度，彻底否定了光的经典微粒说。1928年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1951年，贝奇斯传德用这种方法测出的光速是299793千米/秒二、实验原理可见光的频率为1014Hz的数量级，超出了所有仪器的响应。在本实验中光源是发光二极管。用50兆赫兹的高频正弦电压信号将光的强度进行调制，对强度调制光检波后就得到周期大大扩展了的电子学信号。发光二极管所发红光在仪器内调制后，分为两路，一束输入到双踪示波器的X通道；另一束从出射孔射出，见图。出射光经过直角反射镜改变传播方向，从接收孔又进入到仪器内，输入到示波器的Y通道。这二个频率相同的强度调制波信号在示波器内相干，屏幕上得到李萨如图形。一般而言，这种图形是椭圆。如果两种信号之间的相位差为0或元，李萨如图形为直线。对应于相位差为0和为元的这两条直线应有不同方向，一个在一、三象限，另一个在二、四象限。这两束调制信号之间的相位差与出射光在空气中传播的距离有关。如果直角反射镜靠近出射孔时，两束信号之间的相位差相等（可通过调节仪器上的相位旋钮做到），示波器上得到一条直线。将反射镜移远的过程中，李萨如图形变化为椭圆。椭圆的方位和椭圆度也随距离而改变。当示波器上再度出现直线时，说明示波器中Y分量相位改变了元。即这束调制光程变化了半个波长。考虑到光经过两次平面镜的反射，半个波长等于直角反射镜移动距离的两倍，或写成入=4l。已知调制频率f，即可得到光在空气中传播速度c = >f = 4lf(1)
光强调制法测光速 一、 实验简介 光速是物理学中最重要的基本常数之一， 也是所有各种频率的电磁波在真 空中的传播速度．历史上光速测量方法可以分为天文学测量方法、 大地测量方 法和实验室测量方法等。 1607 年伽利略最早提出大地测量方法来测量光速． 1676 年,丹麦天文学家 罗默通过观察从卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速．1728 年，英国 天文学家布莱德雷（1693—1762） 采用恒星的光行差法测量了光速，这些是天 文学测定的方法。 1849 年，法国人菲索第一次在地面上设计转齿轮装置测定光 速。 1850 年，法国物理学家傅科设计了转镜法测出的光速是 298000 千米/秒。 另外傅科还测出了光在水中的传播速度，它小于光在空气中的速度， 彻底否定 了光的经典微粒说。 1928 年，卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。1951 年，贝奇斯传德用这种方法测出的光速是 299793 千米/秒. 二、 实验原理 可见光的频率为1014𝐻𝐻𝐻𝐻的数量级，超出了所有仪器的响应。在本实验中光 源是发光二极管。用 50 兆赫兹的高频正弦电压信号将光的强度进行调制，对强 度调制光检波后就得到周期大大扩展了的电子学信号。发光二极管所发红光在仪 器内调制后，分为两路，一束输入到双踪示波器的 X 通道；另一束从出射孔射 出，见图。出射光经过直角反射镜改变传播方向，从接收孔又进入到仪器内，输 入到示波器的 Y 通道。这二个频率相同的强度调制波信号在示波器内相干，屏 幕上得到李萨如图形。一般而言，这种图形是椭圆。如果两种信号之间的相位差 为 0 或π，李萨如图形为直线。对应于相位差为 0 和为π的这两条直线应有不同 方向，一个在一、三象限，另一个在二、四象限。这两束调制信号之间的相位差 与出射光在空气中传播的距离有关。如果直角反射镜靠近出射孔时，两束信号之 间的相位差相等（可通过调节仪器上的相位旋钮做到），示波器上得到一条直线。 将反射镜移远的过程中，李萨如图形变化为椭圆。椭圆的方位和椭圆度也随距离 而改变。当示波器上再度出现直线时，说明示波器中 Y 分量相位改变了π。即这 束调制光程变化了半个波长。考虑到光经过两次平面镜的反射，半个波长等于直 角反射镜移动距离𝑙𝑙的两倍，或写成λ = 4𝑙𝑙。已知调制频率𝑓𝑓，即可得到光在空气 中传播速度: c = λ𝑓𝑓 = 4𝑙𝑙𝑙𝑙 (1)
光速测量装置原理图1.示波器2.光速测定仪3.相位调节旋钮4.频率显示5.透镜6.直角反射镜7.地板8.发射孔A9.接收孔B求出这种光强调制信号在空气中的传播速度，这就是光在空气中的速度。利用这种仪器还可以测量透明介质的折射率以及光在这些介质中的速度。让光透过光路中一定长度L的某种透明介质，臂如水，先将示波器上图形调节为直线。然后移去液体，这时，示波器上图形为一椭圆。移动直角反射镜一段距离△x，直至示波器上又得到直线。这说明强度调制波在空气中通过2x产生的相位变化（空气的折射率为1），相当于波在待测介质中通过L产生的变化。介质的折射率n。根据公式：(n - 1)l = 24x(2)可以求介质的折射率。光在这种介质的速度为：V=S(3)n三、实验内容1.测量光在空气中速度（1）开启光速测定仪，将其两个输出端分别连接到双踪示波器×通道接口和Y通道接口。（2）调节光路共轴：仪器上光的发射孔A和接收孔B外各有一个凸透镜，调节透镜位置，使发射孔处于其焦点附近。这样，光通过透镜后就大体上成为平行光了。在底板上前后移动直角反射镜，使得它反射的光经过另一个透镜会聚到接收孔B。为此，首先调节两个反射镜片背后的螺钉，使镜片垂直于底板且彼此成直角。其次，调节透镜的位置，使光线会聚到仪器的接收孔B。这样，在1.5
光速测量装置原理图 1.示波器 2.光速测定仪 3.相位调节旋钮 4.频率显示 5.透镜 6.直角反射镜 7.地板 8.发射孔 A 9.接收孔 B 求出这种光强调制信号在空气中的传播速度，这就是光在空气中的速度。 利用这种仪器还可以测量透明介质的折射率以及光在这些介质中的速度。让 光透过光路中一定长度L的某种透明介质，譬如水，先将示波器上图形调节为直 线。然后移去液体，这时，示波器上图形为一椭圆。移动直角反射镜一段距离Δ𝑥𝑥， 直至示波器上又得到直线。这说明强度调制波在空气中通过2Δ𝑥𝑥产生的相位变化 （空气的折射率为 1），相当于波在待测介质中通过L产生的变化。介质的折射率 n 。根据公式： (n − 1)𝑙𝑙 = 2Δ𝑥𝑥 (2) 可以求介质的折射率。光在这种介质的速度为： 𝑣𝑣 = 𝑐𝑐 𝑛𝑛 (3) 三、 实验内容 1.测量光在空气中速度 （1）开启光速测定仪，将其两个输出端分别连接到双踪示波器 X 通道接口 和 Y 通道接口。 （2）调节光路共轴：仪器上光的发射孔 A 和接收孔 B 外各有一个凸透镜， 调节透镜位置，使发射孔处于其焦点附近。这样，光通过透镜后就大体上成为平 行光了。在底板上前后移动直角反射镜，使得它反射的光经过另一个透镜会聚到 接收孔 B。为此，首先调节两个反射镜片背后的螺钉，使镜片垂直于底板且彼此 成直角。其次，调节透镜的位置，使光线会聚到仪器的接收孔 B。这样，在 1.5
米长的底板上前后移动直角反射镜，示波器上的李萨如图形都会发生变化，如果在底板远端移动反射镜时，图形无变化，说明光线尚未充分聚焦到接收孔，仍需继续调节光轴。（3）完成了步骤2，反射镜在远端附近移动时李萨如图形呈椭圆，其大小与方位与的镜位置有关。这时可调节仪器上相位旋钮，令李萨如成为一直线。记录这时直角反射镜的坐标X1（4）将反射镜向着仪器方向移动，注意观察示波器上的图形，椭圆会越来越大（为什么？），方向也逐渐改变。如果图形太大，可调节波器的电压灵敏度旋钮，使图形大小适当。当反射镜靠近接收孔时，波器的上的李萨如图形有成为一条直线，它的斜率应与开始时直线在不同象限。记录反射镜坐标X2。当然，也可将反射镜从靠近仪器的位置逐渐移远，方向同上。（5）计算出反射镜移动的距离，根据调制波的频率，按（1）式计算出光在空气中的速度。2.测量光在水中的速度将专用的1米左右的圆管内装满水，密封两端透明的盖子后，放在光路中。测量管长。光经过管内的水照到放置在其后的直角反射镜。这时示波器上应有椭圆状李萨如图形。调节相位旋钮，使李萨如图成为一条直线。记录反射镜的坐标X1。然后去掉水管，移动反射镜的位置，直至示波器上的图形又成为一条直线。记录此时反射镜的坐标X2。这说明光强调制信号在空气中经过2倍|X1一X2的距离与该信号经过水中L距离产生的相位变化相等。根据（2）式计算水的折射率，根据（3）式计算光在水中的传播速度。四、实验仪器光强调制法测光速实验装置包括：光速测定仪、示波器、信号发生器、透镜2个、直角反光镜、1米长的水管光速测定仪：100分领款0.10MHzLT爱您#1车50.05MHx一大一测量仪器原理图
米长的底板上前后移动直角反射镜，示波器上的李萨如图形都会发生变化，如果 在底板远端移动反射镜时，图形无变化，说明光线尚未充分聚焦到接收孔，仍需 继续调节光轴。 （3）完成了步骤 2，反射镜在远端附近移动时李萨如图形呈椭圆，其大小 与方位与的镜位置有关。这时可调节仪器上相位旋钮，令李萨如成为一直线。记 录这时直角反射镜的坐标X1 （4）将反射镜向着仪器方向移动，注意观察示波器上的图形，椭圆会越来 越大（为什么？），方向也逐渐改变。如果图形太大，可调节波器的电压灵敏度 旋钮，使图形大小适当。当反射镜靠近接收孔时，波器的上的李萨如图形有成为 一条直线，它的斜率应与开始时直线在不同象限。记录反射镜坐标X2 。当然， 也可将反射镜从靠近仪器的位置逐渐移远，方向同上。 （5）计算出反射镜移动的距离，根据调制波的频率𝑓𝑓 ，按（1）式计算出光 在空气中的速度。 2.测量光在水中的速度 将专用的 1 米左右的圆管内装满水，密封两端透明的盖子后，放在光路中。 测量管长L。光经过管内的水照到放置在其后的直角反射镜。这时示波器上应有 椭圆状李萨如图形。调节相位旋钮，使李萨如图成为一条直线。记录反射镜的坐 标X1 。然后去掉水管，移动反射镜的位置，直至示波器上的图形又成为一条直 线。记录此时反射镜的坐标X2 。这说明光强调制信号在空气中经过 2 倍|X1 − X2| 的距离与该信号经过水中L距离产生的相位变化相等。根据（2）式计算水的折射 率，根据（3）式计算光在水中的传播速度。 四、 实验仪器 光强调制法测光速实验装置包括：光速测定仪、示波器、信号发生器、透镜 2 个、直角反光镜、1 米长的水管 光速测定仪： 测量仪器原理图
由晶体振荡器将频率约为50MHZ的高频正弦电压信号，该信号被分为两路：一束输入到双踪示波器的×通道；另一束加在发光二极管上，使它所发射的光被调制成频率约为50.0MHZ的光强调制波。出射光信号经由外光路后，最终反射到光速测定仪接收孔的光电二极管上，由光电二极管接收到的光调制信号进行光电转换，输出与发光二极管同频的信号送入混频器2，与加在该混频器上的晶体振荡器G1所产生的50.50MHz的晶振信号进行混频，最后得到50KHz的差频信号，该信号经过移相器送至示波器的Y轴。与此同时，由G2产生的50.10MHz的晶振信号送入混频器1，与加在该混频器上的由G1所产生的50.05MHz的晶振信号进行混顿，产生50KHz的差频信号送入示波器的X轴，这一路信号是没有经过移相的，可作为参考信号。这样，加在示波器X轴和Y轴的两路具有相同频率不同幅度的信号，实验中就可以通过比较李萨如图形来判断它们所产生的相位差。AOOTTN图1真实仪器图图2实验场景图使用方法：电源开关：鼠标点击开关按钮，可以打开或关闭电源开关；相位调节旋钮：鼠标左击或右击相位调节旋钮，可以改变通道×与通道Y输出信号的相位差。示波器：双击实验桌上示波器小图标弹出示波器的调节窗体，在示波器调节窗口上可以对示波器进行调节、操作。真实仪器和程序中仪器如图：
由晶体振荡器将频率约为 50MHZ 的高频正弦电压信号，该信号被分为两路： 一束输入到双踪示波器的 X 通道；另一束加在发光二极管上，使它所发射的光被 调制成频率约为 50.0MHZ 的光强调制波。出射光信号经由外光路后，最终反射 到光速测定仪接收孔的光电二极管上，由光电二极管接收到的光调制信号进行光 电转换，输出与发光二极管同频的信号送入混频器 2，与加在该混频器上的晶体 振荡器 G1 所产生的 50.50MHz 的晶振信号进行混频，最后得到 50KHz 的差频信 号，该信号经过移相器送至示波器的 Y 轴。与此同时，由 G2 产生的 50.10MHz 的晶振信号送入混频器 1，与加在该混频器上的由 G1 所产生的 50.05MHz 的晶 振信号进行混顿，产生 50KHz 的差频信号送入示波器的 X 轴，这一路信号是没 有经过移相的，可作为参考信号．这样，加在示波器 X 轴和 Y 轴的两路具有相 同频率不同幅度的信号，实验中就可以通过比较李萨如图形来判断它们所产生的 相位差。 图 1 真实仪器图 图 2 实验场景图 使用方法：电源开关：鼠标点击开关按钮，可以打开或关闭电源开关； 相位调节旋钮：鼠标左击或右击相位调节旋钮，可以改变通道 X 与通道 Y 输出信号的相位差。 示波器： 双击实验桌上示波器小图标弹出示波器的调节窗体，在示波器调节窗口上可 以对示波器进行调节、操作。真实仪器和程序中仪器如图：
图3示波器真实仪器图4场景中的示波器19414039383637TB3233空31453029卡202712O中2511QoC913141618172122242620图5实验中示波器调节界面功能及其用法介绍：1.主机电源（9）电源开关（POWER）将电源开关按键弹出即为“关”位置，将电源接入，按电源开关，以接通电源。仿真实验中使用方法：点击进行打开和关闭进行切换。（8）电源图标（2）辉度旋钮（INTENSITY）顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。接通电源之前将该旋钮逆时针方向旋转到底。仿真实验中使用方法：单击左键或右键进行调节
图 3 示波器真实仪器 图 4 场景中的示波器 图 5 实验中示波器调节界面 功能及其用法介绍： 1．主机电源 （9）电源开关（POWER） 将电源开关按键弹出即为“关”位置，将电源接入，按电源开关，以接通电 源。 仿真实验中使用方法：点击进行打开和关闭进行切换。 （8）电源图标 （2）辉度旋钮（INTENSITY） 顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。接通电源之前将该旋钮逆时针方向旋转到 底。 仿真实验中使用方法：单击左键或右键进行调节