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2 # 泉水叮咚的泉水泉
1、最早的高精度測量光速的方法,齒輪法。
光在特定的光路上,兩次透過齒輪的間隙後被觀測者看到。這種情況下,只有齒輪的轉速是某一些特定的值的時候,光才可以順利透過兩個間隙,而不被擋住。而這個特定的轉速,則與光速有關。這樣,就把光速的測量,轉化成了測量一個齒輪的轉速。
2、邁克爾遜的改進實驗。
把齒輪換成了一個八面的鏡子。鏡子不斷旋轉,只有在轉速是特定的值的時候,光才能順利被反射,進入觀測者的眼睛。由於這裡,鏡子對光路的影響更大,所以測量的精確度可以更高。
3、現代的光路測量往往會使用干涉法。
透過測量特定頻率的鐳射的波長,再用速度=波長*頻率,就能算出來速度。這一方法的精度極高。現在,由於米是從光速定義過來的,所以光速的值也就定死了,就是299792458m/s。
法國物理學家斐佐(Fizeau)首先採用的短距離測定光速的裝置。它的主要部件是安在同一根軸上的兩個齒輪,兩個齒輪的安裝正好使我們在沿軸的方向從一頭看去時,第一個齒輪的齒對著第二個齒輪的齒縫。這樣,一束很細的光沿平行於軸的方向射出時,無論這套齒輪處在那個位置上,都不能穿過這套齒輪。現在讓這套齒輪系統以高速轉動。從第一個齒輪的齒縫射入的光線,總是需要一些時間才能達到第二個齒輪。如果在這段時間內,這套齒輪系統恰好轉過半個齒,那麼,這束光線就能透過第二個齒輪了。這種情況與汽車以適當速度沿裝有定時紅綠燈系統的街道行駛的情況很類似。如果這套齒輪的轉速提高一倍,那麼,光線在到達第二個齒輪時,正好射到轉來的齒上,光線就又被擋住了。但轉速再提高時,這個齒又將在光束到達之前轉過去,相鄰的齒縫恰好在這適當的時刻轉來讓光線射過去。因此,注意光線出現和消失(或從消失到出現)所相應的轉速,就能算出光線在兩齒輪間傳播的速度。為減低所需的轉速,可讓光在兩齒輪間多走些路程,這可以藉助圖 上所示的幾面鏡子來實現。在這個實驗中,當齒輪的轉速達到 1000 轉每秒時,斐佐從靠近自己的那個齒輪的齒縫間看到了光線。這說明在這種轉速下,光線從這個齒輪到達另一個齒輪時,齒輪的每個齒剛好轉過了半個齒距。因為每個齒輪上有 50 個完全一樣的齒,所以齒距的一半正好是圓周的 1/100,這樣,光線走過這段距離的時間也就是齒輪轉一圈所用時間的 1/100。再把光線在兩齒間走的路程也考慮進來進行計算,斐佐得到了光速為 300 000 公里每秒或186 000 英里每秒這個結果。

按照上面的描述,我們來看看這個計算過程是怎樣的。
假定光從一個齒輪到另一個齒輪所走過的距離為l,齒輪的轉速為f,齒輪的齒數為n,光的傳播速度為c,那麼按照文章中的描述,有下面的公式:
光的傳播時間t = l / c
由齒輪的轉速f得出齒輪轉一圈的時間為1/f,那麼轉一個齒輪的時間為1/nf,因此轉半個齒輪的時間t = 1 / 2nf
所以,

得出最終的公式:

已知c=300 000公里每秒,n=50,f=1000轉每秒,我們可以得出要成功測算出光速,這個實驗裝置中光在兩個齒輪間傳播的距離應為l = c / 2nf,即3公里。考慮到為了使光在兩個齒輪間多走些路程,所以實驗裝置中使用了幾面鏡子來反射光線,這樣齒輪間的距離可以適當縮短些。