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高中物理必知:光在空气中速度约3×10^8 m/s,超光速了解下?

2025-12-25 10:59:54辅导探讨0

制作:陈星GpL物理好资源网(原物理ok网)

监制:中国科学院计算机网络信息中心GpL物理好资源网(原物理ok网)

想来大家于平常生活里都存有这般经验,在雷雨天时,我们老是先瞧见闪电之光,而后过了好些时候才听闻轰隆隆的雷声。这当中的缘由也并非难以明白,那便是由于光的速度比声音的速度快了许多。GpL物理好资源网(原物理ok网)

闪电GpL物理好资源网(原物理ok网)

(图片来自@/--test-is-it-a--)GpL物理好资源网(原物理ok网)

对于声音而言,在空气中其速度大体约是340m/s,而一马赫作为一种速度衡量,所代表的正是声音于空气中行进的速度。就光说来,它的速度好像呈现出无限的态势,于日常的生活当中,光仿佛能够在刹那间从一处抵达另一处,比如当我们把手电筒开启,差不多在同一时刻,我们便瞧见了手电筒发射出的光已然传播至很远的地方。实际上光的速度亦是存在限度的,只是这个限度极大 。GpL物理好资源网(原物理ok网)

光于空气中速度约为3乘10这幂8米每秒,此速度哪般之快呢,光于一秒以内往前行进距离大概就能绕地球赤道7圈半,也便是在几乎一眨眼的工夫光就能毫无费劲地环游世界,从地球至月球距离约为38万公里,光往返一回仅是需要两秒多,实际上地球和月球之间准确距离是通过计算激光一来一回所耗用的-time而得出的,而人类于1969年首次登上月球,耗费三天多时间才抵达月球,由这便能看出光速何等之快 。处于目前人类已知速度上限状态的是光速,不存在能比光速运行得还快的事物。鉴于光速这般快,那么科学家们究竟是通过怎样的方式知晓光速的精准数值的呢?GpL物理好资源网(原物理ok网)

激光测距GpL物理好资源网(原物理ok网)

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光速测量史GpL物理好资源网(原物理ok网)

在1676年,人类历史上出现了首次对光速的测量,那时丹麦天文学家奥勒·罗默,借助对木星卫星木卫一的研究,发现光速并非无限,而是有限的,并且凭借此得出了对光速值的估计,其估算过程如下所示 :GpL物理好资源网(原物理ok网)

光速的估量GpL物理好资源网(原物理ok网)

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高中物理光速是多少GpL物理好资源网(原物理ok网)

当中那大环乃是地球环绕太阳运行的轨道,那小环乃是木卫一环绕木星运行的轨道。当地球与木星距离变远即从 L 到 K 时,同时当地球靠近木星即从 F 到 G 时,木卫一从木星阴影区域也即是从 C 到 D 那般穿越出来的时间将会发生变化,依据这种变 化能够知晓光速是具有限定性的,再把木卫一环绕木星的公转周期以及地球的公转周期连同公转速度一并考量,便能够估算出光速。经由这种办法估测的光速所存在的误差非常巨大,大约为 2.2x10 ^8m/s,此数值相比实际数值要小 26%。GpL物理好资源网(原物理ok网)

在公元1728年的时候高中物理光速是多少起步网校,英国的天文学家詹姆斯·布拉德利将光速的准确度进一步予以了提高,他所运用的是恒星的光行差,光行差呈现为如下图示的情况高中物理光速是多少,标点不同为,光的行差,如下图示中的样子 。GpL物理好资源网(原物理ok网)

光行差示意图GpL物理好资源网(原物理ok网)

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光行差,简单讲,是地球的运动致使恒星方位发生变化。举例而言,假定在无风天气下雨,雨滴会垂直落到你身上,当你以一定速度奔跑时,雨滴会从另一个角度落到你身上,不再垂直。把这个角度的改变与你的速度相结合,就能估计出雨滴下落速度。同样,运用恒星光行差,将地球公转速度与恒星角度变化相结合,便可估算出光速。用这种方法估算出的光速约为3.01*10^8 m/s,误差仅为0.4% 。GpL物理好资源网(原物理ok网)

新思路:如何提升光速测量精度?GpL物理好资源网(原物理ok网)

1849年,由法国物理学家阿曼德·斐索实行了一个实验,该实验首次在地球上准确测量了光速,而非依靠天体运动来进行测量,他所使用的方法,叫做齿轮测速法。GpL物理好资源网(原物理ok网)

齿轮法测光速GpL物理好资源网(原物理ok网)

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1849年,阿曼德·斐索借助此类装置测得了光速为3.15*10^8m/s,误差是5%,而后,法国科学家莱昂·傅科,也就是用傅科摆演示地球自转的那位科学家,提升了这一装置的精确度,用旋转镜面替换了运转的之轮,测得了2.98*10^8m/s的光速数值,误差缩减至0.5%。旋转齿轮法与旋转镜面法对光速的精确测量造成了极为深远的影响,这种方式简便易行,结果极具说服力。一直到1926年,这种方法都始终被当作测量光速的首选方式,其精度持续提升到了大概0.001%的水平。GpL物理好资源网(原物理ok网)

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20世纪50年代往后,伴随电子工业技术的发展,各类测量光速的新技术相继涌现出来,像是谐振腔法(1950年),和无线电干涉法(1958年),以及激光干涉法(1972年)等等。接下来我们逐个进行介绍。GpL物理好资源网(原物理ok网)

谐振腔法的物理原理所依据的主要是,光属于电磁波,任意波长的电磁波速度相同,电磁波速度与波长、频率存在这样的关系:速度等于波长乘以频率。谐振腔法能通过腔的尺寸精确计算出其内电磁波的波长,电磁波频率是已知的,所以,能够直接运用上述公式算出光的速度,也就是电磁波的速度。GpL物理好资源网(原物理ok网)

那么接下来要讲的便是激光干涉法了。当前从各类资料中所查到的光速的那个值 /s,乃是借助激光干涉法测量而得的。无线电干涉跟激光干涉在本质层面是一样的,这是由于它们运用的皆是电磁波,只不过对应的波长不一样罢了。所以我们仅对激光干涉法予以介绍。GpL物理好资源网(原物理ok网)

设想一下水波,就如同下面所呈现的图示这般,当两个水波相互遭遇的时候,就会出现干涉的情况。当波峰跟波峰(又或者是波谷与波谷)碰到一起的时候,会产生相加干涉,当波峰和波谷碰面的时候,就会产生相消干涉。相同的原理对于光或者激光而言也是适用的。GpL物理好资源网(原物理ok网)

水波干涉和波峰波谷示意图GpL物理好资源网(原物理ok网)

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激光干涉条纹GpL物理好资源网(原物理ok网)

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激光是一种具备高度相干特性的光,所以它相当适宜被用于开展干涉,而从激光器射出的光,其频率是已知的,精度能够达到大约10的负9次方赫兹,波长的测量是借助法布里 - 珀罗干涉仪来测量,并且与基准波长86 - 氪605纳米的光谱线进行对比从而获得的,精度同样能够达到大约10的负9次方米。鉴于激光干涉对于波长的要求极为高,所产生的干涉条纹与激光的波长紧密相关,因而能够通过干涉条纹极其准确地计算得出激光的波长。若具备了激光的频率以及波长,那么便能够计算得出光速,其计算方式为:光速等于频率乘以波长 。GpL物理好资源网(原物理ok网)

1972年,求出的光速值是运用激光干涉法测出来的,其数值为.4562 ± 0.0011m/s ,这样的精度在当时是所能达到的最高精度了,这是由于当时米的定义是基于86 - 氪605nm的光谱线给出的,该光谱线的精度制约了光速精度获得进一步提升。GpL物理好资源网(原物理ok网)

在不久之后的1983年,有这样一回计量大会,是国际性质的那种,它针对光速的值进行了直接规定,规定其为/s,随后,是运用这个已经给定的光速再去对米进行重新定义。这就意味着,当下的光速值处于已给定的状态,不会再有改变的余地了,其精度也不会接着往高处提升了,是什么缘由造成这种情况?是因为它已然成为了“米”这个基本单位所依据的基准。那所谓的基准,究竟指的是什么?就是说“米”这一个单位所能达到的最高精度是依靠光速的值来给出的,这又是为什么?因为光速的值具备很不错的稳定性以及重复性。GpL物理好资源网(原物理ok网)

我们能够瞧出,从光速测量的历史来讲这个事实的话,科学取得的进步并非一下子就全部成功从而快速达成的,有的时候是需要好多好代科学家用尽全部精力不辞辛劳地持续努力才能够得以实现的。光速测量被予以不断提升的精准程度,到如今已然变成了一个确定下来的值。这对于物理学的发展而言意义是非常重大的。因为将光速作为物理里面一个占据着很重要地位的常数来看待,著名的质能方程E=mc^2,狭义相对论当中的“尺缩钟慢”这种效应,广义相对论里面的引力波以及时空弯曲等诸多情况,全部都是和光速有着紧密关联的。GpL物理好资源网(原物理ok网)