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光速及光速的測定中考物理輔導
發(fā)現(xiàn)光以有限速度傳播，是17世紀的一個偉大成就。伽利略首先認識到這個問題，并試圖測量光的傳播速度，但沒有成功。丹麥天文學家羅默則用天文觀測的結(jié)果證明了光是以有限速度傳播的。他曾長期觀察過木星的衛(wèi)星(木衛(wèi)一)食的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在一年中各個不同的時期里觀察到的衛(wèi)星食的周期并不相同。當木星的視大小變小(即地球距木星的距離增大)時，觀測到的衛(wèi)星食的周期大于平均值；當木星的視大小變大時，觀測到的衛(wèi)星食周期小于平均值�？紤]到木衛(wèi)的實際運動，極少可能有這種不均勻性，觀察到的現(xiàn)象只能證明光速有限的假設。因為，當?shù)厍蚺c木星的距離逐漸增大(減小)時，來自木星的任一光信號到達地球時要比前一信號多(少)走一段距離。1676年，羅默從他的觀測結(jié)果中推出，光穿過地球軌道直徑需要22分鐘。也就是說，從地球位于距木星最近T點觀測到的木衛(wèi)食的時刻推算出的半年后地球位于距木星最遠的T′點應該發(fā)生的衛(wèi)星食的時刻，要比實際觀測到的結(jié)果早22分鐘(參看圖1-3，根據(jù)現(xiàn)代觀測，這個值為994±2秒)。
由于當時尚不知道地球軌道大小的準確數(shù)值，而且羅默的觀測也不夠精確，所以沒有可能求出光速的精確值來。后人用相同的方法進行測量，根據(jù)地球軌道半徑為1.497×108千米，得到的光速為C=(3.010±0.06)×105千米/秒。
1849年法國學者斐索第一個在地面上測出了光速。他用的裝置如圖1-4所示。
光從光源S發(fā)出，經(jīng)玻璃片K表面反射后，通過靜止齒輪A的齒間空隙，經(jīng)過相當長的距離(約幾千米)后，從平面鏡Z反射回來，再經(jīng)齒輪A的齒間空隙，透過玻璃片到達觀察者的眼中�，F(xiàn)在使齒輪開始轉(zhuǎn)動，并且逐漸加快轉(zhuǎn)速，就會出現(xiàn)從齒隙0穿過的光線，反射回來時又被齒b擋住……。從而使觀察者始終看不到Z反射回來的光。當然轉(zhuǎn)速再加快，由齒隙0過去的光反射回來時剛好由齒隙1通過進入人眼，而由齒隙1穿過的光反射回來時又剛好從齒隙2通過進入人眼，人又可以見到Z的反射光了。知道了A的齒數(shù)、齒輪的轉(zhuǎn)速以及AZ間的距離，就可算出光速了。例如：AZ間距離為8.6千米，A有720齒，第一次見不到Z的反射光的齒輪轉(zhuǎn)速為12.6轉(zhuǎn)/秒。齒a轉(zhuǎn)到隙0，即轉(zhuǎn)過半個齒間距離
×720×12.6千米/秒=3.12×105千米/秒。當時斐索測得的光速為3.16×105千米/秒。
1851年傅科又設計了另外一種方法旋轉(zhuǎn)鏡法測定了光速。1927年邁克耳遜又改進了前人的裝置。采取旋轉(zhuǎn)八面鏡的方法，很大地提高了測量的準確度。
【例1】 ?如圖1-5所示，A是直徑為10cm的發(fā)光球，B是直徑為5cm的遮光板，C為光屏，三者中心共軸。AB之間相距20cm。當C離B為多遠時，B在屏上的本影消失只有半影？這時半影球的半徑是多少？本影可取得的最大直徑是多少？
【思路分析】?由光的直線傳播規(guī)律畫出遮光板B的本影區(qū)和半影區(qū)，本影區(qū)的長度可由幾何知識求出，半影環(huán)的半徑也可由相似三角形知識求出。
【解題方法】光的直線傳播和幾何知識。
【解題】由題意作出示意圖如圖1-6
有半影
由ΔAPO～ΔBQO，
當光屏從O點向右平移時，屏上本影消失而只存在半影。當光屏從O點向左平移時，屏上本影區(qū)增大，當屏靠至B時，本影可取得最大直徑5cm。
【例2】 ?一人自街上路燈的正下方經(jīng)過，看到自己頭部的影子正好在自己腳下。如果人以不變的速度v朝前走，則他頭部的影子相對于地的運動情況是
A．勻速直線運動； ?B．勻加速直線運動；
C．變加速直線運動； ?D．曲線運動。
【思路分析】本題考查的主要是光的直線傳播和運動學的有關知識。該題易犯的錯誤是僅憑主觀想象進行猜測：認為人是勻速運動的，而人運動得越遠，人的影長越長，所以頭影的運動應該是加速的，而勻加速很難保證，于是認為應是變加速直線運動，而錯選C答案。
正確的思路應是根據(jù)光的直線傳播和幾何知識，先確定任意時刻人頭影的位置，再應用運動學知識推導其位移或速度表達式即可得解。
【解題方法】光的直線傳播規(guī)律，幾何知識和運動學知識的綜合應用。
【解題】設燈高SO=H，人高AO=h。當人從S正下方向右勻速運動時，在t秒末、2t秒末、3t秒末、……?nt秒末，A點分別位于A1、A2、A3、……An處；A點的影子的位置分別位于C1、C2、C3、……Cn處，如圖1-7所示。因人做勻速運動，故有
AA1=A1A2=A2A3=……=vt
由幾何關系可得
因為H、h、v均為常量，
所以，影子做勻速運動，
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