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光的速度是怎么計(jì)算出來(lái)的

光的速度不是靠計(jì)算出來(lái)的，是靠實(shí)測(cè)光通過(guò)的距離和時(shí)間，速度＝距離÷時(shí)間，計(jì)算出來(lái)的。
在慣性系內(nèi)例如在地球表面上，測(cè)量同一個(gè)慣性系內(nèi)物體的運(yùn)動(dòng)速度，理論上是可以準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)的。例如飛機(jī)，火車和汽車的速度。因?yàn)樵诘厍虮砻嫔�，任取兩點(diǎn)A和B，不管地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，地球在宇宙靜止空間怎么樣改變位置，A，B兩點(diǎn)相對(duì)位置是不變的，距離是一個(gè)固定值。同一個(gè)慣性系物體，經(jīng)過(guò)這兩點(diǎn)的距離和時(shí)間可以###測(cè)量出來(lái)。物體運(yùn)動(dòng)速度理論上就可以準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)了。
光是電磁波，沒(méi)有質(zhì)量和慣性。光速達(dá)到每秒約30萬(wàn)千米，速度很高要準(zhǔn)確測(cè)量比較困難。但是這都不是問(wèn)題，人們已經(jīng)巧妙地利用各種方法，比較準(zhǔn)確地測(cè)量出光速。齒輪法，激光頻率波長(zhǎng)法等。
但是不管用任何辦法，光速是永遠(yuǎn)測(cè)不準(zhǔn)的。因?yàn)楣馐请姶挪�，離開(kāi)光源就獨(dú)立存在了，不屬于任何慣性系。例如在地球表面任取A，B兩點(diǎn)。光從A射向B。光在A，B兩點(diǎn)傳播過(guò)程中，A，B兩點(diǎn)在宇宙空間位置已經(jīng)發(fā)生了改變。當(dāng)光到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，已經(jīng)不是原來(lái)宇宙空間的B點(diǎn)。光經(jīng)過(guò)A，B兩點(diǎn)距離就不是原來(lái)慣性系測(cè)定的距離。
用激光頻率和波長(zhǎng)法，測(cè)量光速。頻率測(cè)量不受慣性系影響是非常準(zhǔn)確的，但是波長(zhǎng)的測(cè)量仍然要用到慣性系。
光速的測(cè)量，理論上永遠(yuǎn)測(cè)不準(zhǔn)。

###早的較高準(zhǔn)確度的光速測(cè)量來(lái)自1851年，法國(guó)科學(xué)家傅科。當(dāng)時(shí)他采用的方法是旋轉(zhuǎn)鏡法，大致原理如上圖所示：A為一面鍍膜的半透光的鏡子，光源S發(fā)出的光經(jīng)A的反射，進(jìn)入齒輪N的輪齒之間。齒輪旋轉(zhuǎn)，于是就會(huì)時(shí)不時(shí)遮擋光束。通過(guò)齒輪N后，光束經(jīng)平面鏡M的反射，再次回到齒輪。如果這時(shí)齒輪恰好又在一個(gè)間隙，則光束可以齒輪，進(jìn)而在半透鏡A之后的觀測(cè)者就可以觀測(cè)到光。齒輪的齒數(shù)已知，轉(zhuǎn)速已知，則兩個(gè)齒通過(guò)的時(shí)間差就已知，進(jìn)而可以算出光從###次通過(guò)齒輪，到反射后回到齒輪，所用的時(shí)間。齒輪到平面鏡M的距離可以簡(jiǎn)單測(cè)量出來(lái)，有時(shí)間有距離，也就有了速度。當(dāng)時(shí)傅科得到的光速是298*10^8米/秒，已經(jīng)是很不錯(cuò)的準(zhǔn)確度了。

在1924年，美國(guó)科學(xué)家邁克爾遜對(duì)這一實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，用旋轉(zhuǎn)的八面鏡代替了齒輪，大大提高了實(shí)驗(yàn)精度。原理如上圖所示：有八個(gè)面的反射鏡A不斷旋轉(zhuǎn)，只有當(dāng)1面正對(duì)左上45度角方向的時(shí)候才能將光送入光路系統(tǒng)B；光經(jīng)過(guò)B的一系列反射后，攝像鏡面3的位置，而此時(shí)只有鏡面3正對(duì)左下45度角方向的時(shí)候，光可以被觀測(cè)鏡看到。由于條件十分苛刻，因此只有反射鏡旋轉(zhuǎn)的速度為非常###的某些特定值的時(shí)候，才能在觀察鏡中看到光斑。再由旋轉(zhuǎn)速度和光路長(zhǎng)度，即可簡(jiǎn)單計(jì)算出光速。當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)得到了299796±4 千米/秒的結(jié)果，已經(jīng)非常準(zhǔn)確了。
再之后，在1983年10月的第十七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，米被重新定義為：“光在真空中1／299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路程的長(zhǎng)度”。加之時(shí)間已經(jīng)被###定義（銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階之間躍遷時(shí)所輻射的電磁波的周期的9,192,631,770倍 的時(shí)間），光速的值也就這樣被“確定”了下來(lái)：299792458米/秒，一絲一毫也不差。換言之，米這個(gè)概念，現(xiàn)在已經(jīng)是源于光速的了。
但如果談到計(jì)算，那就更有趣了。1865年，麥克斯韋###次完成了麥克斯韋方程組，全面描述了宏觀電磁場(chǎng)的性質(zhì)。之后又發(fā)展了這一方程組的各種形式。而從這4條方程中，我們就完全可以推導(dǎo)出光速計(jì)算的方法。


上圖為之*乎用戶TDurden推導(dǎo)的光速計(jì)算方法。由###終式易得，真空介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，有這兩個(gè)常數(shù)就可以直接計(jì)算光速。這也是“光速不變”這一概念的起源之地。

首頁(yè) > 電工基礎(chǔ) > 日期：2022-6-25 來(lái)源：Internet 作者：yq 瀏覽量：