基本介紹
- 中文名：拍頻效應
- 外文名：Beat effect
- 拼音：paipinxiaoying
- 套用：光速的測量
光速的測量**
光速是有限還是無限，到17世紀還有爭議，笛卡爾認為是無限的，伽利略認為是有限的。17世紀初，伽利略用測量聲速的方法來測量光速，他讓兩個人各提一盞有遮光板的燈，並分別站在相距約1．6千米的地方，令第一個人先打開他的燈，同時開始計時；第二個人見到第一個人的燈亮時，立刻打開自己的燈；當第一個人看見第二個人的燈亮時，停止計時，這樣測出光從第一個人到第二個人再返回所用的時間，再測出兩地的距離，就可以計算出光的速度。從原理上講，伽利略的方法是對的，但是實驗失敗了。這是因為光速很大，1/7秒能繞地球一周多，靠當時的條件在地球上用通常測聲速的方法測光速是難以實現的。於是，人們把測光速的場地移到太空。在伽利略去世後約30年，丹麥王文學家羅默在觀察木星的衛星食中，於1676年指出光速是有限的。
木星是一個周期為12年的太陽行星，它有11個衛星——木星的月亮，其中4個最亮的可用合適的望遠鏡看到，它們繞木星旋轉的軌道平面幾乎重合於地球和木星繞太陽旋轉的軌道面。因而木星的衛星每繞木星一周將在進入木星影處發生一次蝕。最接近於木星的衛星，其周期是42小時28分16秒（約為7/4天），它走過自己直徑那樣的距離約需3．5分鐘，因而用望遠鏡可以觀察到它剛發生蝕的瞬間，在這個系統里，木星的衛星蝕，一方面作為一個信號供地球上人來觀察，同時，此衛星蝕的周期過程又是一個準確的時鐘，如果地球相對於木星的距離不變，或者光速為無限大（信號由木星那裡傳到地球不需要時間），則每隔42小時28分16秒自然就看到該衛星的蝕一次。但是，眾所周知，光速不是無限大，並且地球每時都在改變著它與木星的距離，所以在地球上看到的木星的衛星相鄰蝕之間的時間間隔是變化的。顯然這個變化與地球相對於木星的距離的變化和光速的大小有關。
羅默經過長期細心的觀察，他發現：在圖4－4中，若地球在E1和木星在J1看到一次木星衛星蝕，再用平均周期推算此後任一次蝕的時間，則後一次蝕一般地並不剛好發生在所推算的時間。例如當地球在經過E1之後約三個月行至E2處，實際看到蝕的時間較推算出的時間延遲了約10分鐘。這是因為當地球在作自E1向E2而達E3的運動時，地球與木星的距離在逐漸增大，自木星來的任一信號都必須比前一信號多走一些距離才到達地球。經過由E1到E2的三個月，所有相鄰蝕的時間延遲的總和約為10分鐘。當地球繼續由E2經過E4而向E5運動時，地球與木星的距離在逐漸減小，自木星來的任一信號都比前一信號少走一些距離。羅默從他的測量得出，光走過與地球軌道半徑等長的距離所需的時間約為11分鐘。在羅默的時代只知道地球軌道半徑的近似值，當取此半徑為149．7×106千米時，算得光速c=215000千米/秒。
羅默經過長期細心的觀察，他發現：在圖4－4中，若地球在E1和木星在J1看到一次木星衛星蝕，再用平均周期推算此後任一次蝕的時間，則後一次蝕一般地並不剛好發生在所推算的時間。例如當地球在經過E1之後約三個月行至E2處，實際看到蝕的時間較推算出的時間延遲了約10分鐘。這是因為當地球在作自E1向E2而達E3的運動時，地球與木星的距離在逐漸增大，自木星來的任一信號都必須比前一信號多走一些距離才到達地球。經過由E1到E2的三個月，所有相鄰蝕的時間延遲的總和約為10分鐘。當地球繼續由E2經過E4而向E5運動時，地球與木星的距離在逐漸減小，自木星來的任一信號都比前一信號少走一些距離。羅默從他的測量得出，光走過與地球軌道半徑等長的距離所需的時間約為11分鐘。在羅默的時代只知道地球軌道半徑的近似值，當取此半徑為149．7×106千米時，算得光速c=215000千米/秒。
在地球上較短的距離內用實驗的方法測出光速是19世紀中葉的事了。1849年德國物理學家菲索用“齒輪法”測出光速。如圖4－5所示，從光源S發出的光，射到半鍍銀的平面鏡A上，經A反射後，從齒輪N的齒間空隙射到反射鏡M上，然後再反射回來，通過半鍍銀鏡射入觀察者眼中。如果使齒輪轉動，那么在光從齒間到達M再反射回齒間的時間Δt內，齒輪將轉過一個角度。如果這時齒a和a′間的空隙恰好被a所占據，則反射回來的光被遮斷，因而觀察者將看不到光。但如果這時齒輪恰好轉到下一個齒間空隙，由M反射回來的光從齒間空隙通過，觀察者就能重新看到光。齒輪的齒數已知，測出齒輪的轉速，可算出齒輪轉過一個齒的時間Δt，再測出M、N間的距離，就可以算出光速。菲索當時測得空氣中的光速：c=315300千米/秒。1851年，法國物理學家傅科用旋轉鏡法測得空氣中的光速：c=298×108米/秒。傅科還第一次測出了光在水中的傳播速度為2．23×108米/秒，相當空氣中光速的四分之三。
1924—1927年，美國科學家麥可孫綜合菲索和傅科測光速方法的優點，用旋轉稜鏡法，在美國海拔5500米、相距35千米的威爾孫山和聖安東尼奧山進行實驗，精確地測得光速：c=299796±4千米/秒。非常接近1975年第15屆國際計量大會決議採用的光速值c=299792．458±0．001千米/秒。他就在這次測量過程中中風，於1931年去世。
在雷射得以廣泛套用以後，開始利用雷射測量光速。其方法是測出雷射的頻率和波長，套用c=λν計算出光速c，目前這種方法測出的光速是最精確的。根據1975年第15屆國際計量大會決議，把真空中光速值定為c=299792458米/秒。在通常套用多取c=3×10^8米/秒。
