第二节、光的速度
光从光源发出，以有限的速度向外传播。光传播得很快，在日常接触到的距离内，光从光源到达我们的眼睛所用的时间很短，凭感觉根本无法察觉出来，所以在历史上很长一段时间里，人们一直认为光的传播是不需要时间的，直到十七世纪才发现光是以有限的速度传播的。
1607 年伽利略最早做了测定光速的尝试。让两个实验者在夜间每人各带一盏遮蔽着的灯，站在相距约 1.6 千米的两个山顶上。第一个实验者先打开灯，同时记下开灯的时间。第二个实验者看到传来的灯光后，立刻打开自己的灯。第一个实验者看到第二个实验者的灯光后，再立刻记下时间，然后根据记下的时间间隔和两山顶间的距离计算光的传播速度。这种测量光速的方法原理虽然正确，却没有得出什么实验结果。这是因为光的速度很大，在相距约 1.6 千米的两山顶间来回一次，所用的时间大约只有十万分之一秒，用这种简单粗糙的方法根本不能测出这样短的时间来。伽利略测定光速的实验虽然失败了，但是它表明了光的速度是很大的，在不太长的距离上不能用粗糙的计时方法测量出来。
要测定光速，必须利用很大的距离，或者用精巧的办法准确地测量出很短的时间间隔。伽利略以后的学者们正是沿着这两个方向探求测定光速的方法的。
1676 年丹麦天文学家罗默（1644—1710）用天文观测的方法，发现了光是以有限的速度传播的。罗默是在观测木星的卫星食的过程中得到这一发现的。如图 5–4 所示，木星的卫星绕木星每转一周都要消失在木星的影内一次，即发生一次卫星食，相继的两次卫星食间隔的时间，就是这个卫星绕木星公转一周的周期，这个周期不大，约为 1.75 天。罗默在整年中连续观测了卫星的公转周期，发现这个周期不是恒定的。当地球在绕日运行的轨道上远离木星而去时，即地球在图中所示由 A 运行到 B 的半年里，卫星的周期长；当地球在轨道上向着木星运行时，即地球在由 B 运行到 A 的半年里，周期短。罗默认为，这是由于光以有限的速度传播而造成的。当地球远离木屋运动时，卫星第二次食毕，从木星的影中出来，卫星发出的光到达地球要多传播一段距离，所以观测到的周期长；当地球向着木星运动时，光到达地球要少传播一段距离，所以观测到的周期短。周期长或短的数值跟光速的大小有关系。利用罗默观测到的数据和地球绕日运行的轨道直径，可以计算出光速的大小。
为了在地面上不太长的距离内测定光速，科学家们设计了各种巧妙的实验方法，以便准确地测出很短的时间间隔，下面我们简略地介绍一下美国物理学家迈克耳孙（1852—1931）的旋转棱镜法。
迈克耳孙选择了两个山峰，测出两山峰间的距离，在第一个山峰上安装一个强光源 S 和一个正八面棱镜 A（图 5–5），光源 S 发出的光，经过狭缝射到八面镜 A 的面 1 上，反射后射到放置在另一个山峰上的凹镜 B 上，经平面镜 M 反射后，再由凹镜 B 反射回第一个山峰。如果八面镜静止不动，反射回来的光就射到八面镜的另一个面 3 上，经面 3 反射后，通过望远镜 C 进入观察者的眼中，看到光源 S 的像。
如果使八面镜转动，那么光经凹镜 B 反射回来时，八面镜的面 3 已经偏离了原来的方向，经面 3 反射后的光将不再进入望远镜中，观察者就观察不到光源 S 的像了。适当调节八面镜的转速，使反射回来的光到达八面镜时，八面镜恰好转过
1970 年以后，开始利用激光测量光速，这种测量方法的原理是测出激光的波长 λ 和频率 ν，利用 c = λν 计算得出光速 c 来（关于光是一种波动的知识将在下一章中学习）。激光测速法大大提高了测量的精确度，根据 1975 年第 15 届国际计量大会决议，真空中的光速值定为
c = 299792458 米/秒
在通常的计算中，可取 c = 3.00×108 米/秒。
练习一
（1）在图 5–6 中，S 是一个点光源，AB 是物体，E 是屏幕，试画出 AB 在屏幕上所成的影的范围。
（2）为什么在发生日食的时候，有的地方能看到日全食，有的地方只能看到日偏食？在什么情况下能看到日环食？画出地球、月球和太阳位置的简图来解释发生这几种日食的原因。
（3）现在需要知道学校里升国旗的旗杆的高度，你能否利用光的直线传播知识想出一种测量的办法来？
（4）边长 5 厘米的正方形卡片，放在小灯泡正前方 15 厘米的地方，在卡片后方放一个跟卡片平行的纸屏，纸屏距卡片 15 厘米，卡片在屏上的影是什么形状？面积多大？
（5）在迈克耳孙测定光速的一次实验中，测得两山峰间的距离为 35373.21 米，八面镜的旋转速度为 528 转/秒，试利用这些数据算出光在空气中的速度。
发布时间：2025/5/1 下午3:58:25 阅读次数：527
