光的传播速度_范文大全网

范文一：光的传播速度

光的传播速度

真空中电磁波的传播速度。真空中电磁波的传播速度是一个重要的物理量，人们最初通过测量可见光的传播速度得到它的数值，因此称为光速。

目前，国际公认的真空中光速c 的数值为：с＝299792458米/秒。

17世纪前，天文学家和物理学家以为光速为无限大，宇宙中恒星的光都是瞬时到达地球的。意大利物理学家伽利略首先对上述论点提出怀疑，为了证明光速的有限性，他在1600年左右曾做过粗糙的实验，但未获得成功。

1676年，丹麦天文学家O．C．罗默利用观测木星第一个卫星的星食到达时间的变化，首次测量了光速。因为木星和地球的轨道运动周期不同，木星和地球两者之间的距离在不断变化，最大距离与最小距离之差等于地球轨道的直径。罗默发现星食变化周期为13个月，角度起伏约为20秒。这个周期正是地球从距离木星的一个最近位置运行到下一个最近位置的时间。从上述一个位置出发可以估计六个半月后地球到达与木星最远距离时发生星食的时间。罗默发现，在最远距离时比最近距离处星食发生的时间延迟了22分钟，他认为这是因为光飞行需要有限速度引起的。但这个解释当时并未被人们接受。 1727年，英国天文学家J．布拉得雷观测到光行差现

象，即星的表观位置在地球轨道速度方向上的位移。根据

光行差角α＝v/c(v是地球轨道速度)，可以估算光速值，

这项独立观测使科学家确认了罗默当年所观测的木星卫

星食的延迟就是光速有限的有力论据。

1849年，法国物理学家菲索用齿轮法首次在地面实验

室中成功地进行了光速测量。他的实验装置如图所示。图

中光源S发出的光束在半镀银的镜子G上反射，经透镜

L1聚焦到O点，从O点发出的光束再经透镜L2变成平行

光束。经过8.633千米后通过透镜L3会聚到镜子M上，

再由M返回原光路达G后进入观测者的眼睛。置于O点

的齿轮旋转时把光束切割成许多短脉冲，他用的齿轮有

720个齿，转速为25转／秒时达到最大光强，这相当于每

个光脉冲往返所需时间为1/18000秒，往返距离为17．34千米，由此可得с＝312000千米／秒。 1926年，美国实验物理学家迈克尔逊用旋转镜法改进了斐索实验，他用了一个八面体的转镜，测量的光速平均值为299796±4千米／秒。1929年，他又在真空中重复了上述实验，平均值为299774千米／秒。后来，有人用光电开关代替齿轮转动来改进斐索实验，称为克尔盒法。这种方法比旋转镜法的准确度 (10-5量级)又有所提高，达到了10-7量级。

1952年，英国实验物理学家K．D．弗罗姆用微波干涉仪法测量光速值，得到数值为 c＝299792．50±0．10（千米/秒）。

1957年，国际无线电科学协会(URSI)、国际大地测量学和地球物理学协会(IUGG)分别推荐上述结果作为国际推荐值使用，一直沿用到1973年为止。

1972年，美国标准局的K．M．埃文森等人采用直接测量激光频率和真空波长值的方法，用两者的乘积得出真空中光速值，即c=fλ。他们建立了从铯频率基准经过一系列激光器直至由甲烷稳定的氦氖激光器的激光频率链，经过逐级倍频和差频的检测，最终测得甲烷谱线 v3带P(7)支F2分量的频率值为 f(CH4)=88376181627±50（千赫），

测量不确定度为±6×10-10;用干涉法测得甲烷谱线的真空波长值为

λ(CH4)＝3392231．40×10-15(米)，

不确定度为±4×10-9。由此可得

с＝=299792458±1．2（米/秒）。

1973年召开的第 5届米定义咨询委员会和1975年召开的第15

届国际计量大会先后确认上述光速值(2)

作为国际推荐值使用，它的不确定度为±4×10-9，与当时米定义氪－86橙黄谱线复现不确定度相同。由于真空中光速值的准确测量以及激光频率稳定和粗密测频技术的发展，促使米的定义发生了根本性的变革。

1983年10月召开的第17届国际计量大会已经通过了新的米定义为：“米是光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内行程的长度。”在规定的三种复现方法中均明确指出，真空中光速的数值为c=299792458米／秒。在上述新的米定义中，真空中光速的数值已是一个定义值，通过这个定义值，长度单位米与时间单位秒直接联系在一起，而不再是一个与其他基本单位无关的独立基本单位。由于光速已成为定义值，它的不确定度为零，不需要再进行任何测量，从而结束了300多年精密测量光速的历史。

狭义相对论曾提出两个著名的原理──相对性原理和光速不变原理。后者是指光在不同惯性系中速度相同。新的米定义已把光速值固定为一个定义值，这与光速不变原理当然是相适应的。目前复现米定义的准确度还处于10-10～10-11量级。如果科学家们要在更高的精度下去检验光速是否恒定的规律，进行光速恒定性实验仍然将是具有重要意义的。

斐索，A．H．L

法国实验物理学家。1819年 9月23日生于巴黎。早年在法国斯塔尼斯拉学院攻读医学，后转入法兰西学院学习光学。1860年被选为法国科学院院士、1878年任物理学科的副主席，同年被选入经度局，1856年获得特里埃尼亚尔奖。1866年英国皇家学会授予他朗福德勋章、1875年被选任为英国皇家学会的国外会员。1896年 9月18日在楠特伊勒欧杜安逝世。

1849年9月斐索利用旋转齿轮机构，在实验室中测定了光速，其数值约为3.15×108m/s，这是第一次在地球上测得比较正确的光速数值。1850年 5月他又利用这一实验方法，测定了光在水中的速度，并证实了光在水中的速度小于光在空气中的速度，这成了光的微粒说与波动说之间决定争论胜负的判决性实验，在历史上对光的波动本性的确立曾起过很大的作用。1851年斐索测量了运动媒质中的光速，证实光要部分被运动媒质曳引，肯定了菲涅耳的部分曳引公式（1-1/n2，n为媒质的相对折射率）。

斐索和傅科合作开创了天文照相术，用溴替代达盖尔照相术中的碘，从而改善了达盖尔照相术。在1845年他们第一次摄得清晰的太阳表面像。用分光仪观察了天体光谱，又使用起偏振器从而独立地发现光波的多普勒效应。根据这一效应可用来测定天体的视向速度，因此又称为多普勒－斐索效应。J．C．多普勒对此虽有预言，但他还不知道光是横波、又缺乏设备，以致未得到令人信服的结果。

在1845～1849年间，斐索和傅科用干涉仪发现太阳光红外一端的不可见辐射和可见光服从同一规律，并曾测定过星体的运动速度和星体的直径。

傅科，J．B．L．

法国实验物理学家。1819年9月19日生于巴黎。早年学医，后转入实验物理学的研究。

1850年傅科采用旋转镜法，比较光在空气中和水中的速度，测定了光速。他几乎和菲索同时宣布他的实验结果：在空气中的光速比在水中的大，但未宣布其数值。1853年即以测量光在空气和水中的速度比较的论文获得物理学博士学位。1862年傅科改进了实验仪器设备，才进一步准确地测定空气中的光速为 289000±500km/s。

1851年，傅科曾在巴黎成功地进行了傅科摆的实验（见彩图），直接验证了地球自转，因此被授予荣誉骑士五级勋章。

傅科其他方面的贡献主要是：1845～1847年和斐索合作改善达盖尔照相术，并用于天文摄影;1847年把惠更斯的锥摆钟的设想付之实现，用被称为傅科钟的装置测地球的转动；1848年从分析日光通过含钠盐碳弧焰所得的光谱中，观察到在弧焰的两条黄线（即钠光D线）处出现两条黑线，他认为弧焰能吸收它发出的光（这个事实直到1859年由基尔霍夫的辐射理论才得到解释）；1855年发现了放在强磁场中的运动圆盘因电磁感应而产生涡电流，后被称为傅科电流；同年设计了光度计;1857年创制了偏振仪器，被称为傅科棱镜;1858年设计了反射式望远镜的椭球面镜；1860年创制了定日镜的跟踪装置。

傅科于1855年曾获得英国皇家学会的科普利奖章，1864年被选为会员。1862年被授予法国荣誉骑士二级勋章并受聘为经度局的成员。1865年被选为法国科学院院士。此外，傅科还是柏林科学院和圣彼得堡

科学院院士。1868年2月11日在巴黎逝世。

迈克耳孙，A．A．

美国物理学家。1852年12月19日生于普鲁士斯特雷诺(今波兰斯特尔诺)，两岁时全家移居美国。他在1869年入安那波利斯国立海军学院学习，1873年毕业后留校任基础课讲师。1879年转到华盛顿的航海年历局工作。1880年去欧洲进修，先后在柏林、海德堡、巴黎等地受教于亥姆霍兹等名家。1882年回国，受聘为克利夫兰的开斯应用科学学院物理学教授，1889年任伍斯特的克拉克大学物理学教授，1892年起担任新建的芝加哥大学第一任物理系主任，直到1929年退休。1907年获得了诺贝尔物理学奖。1923～1927年还担任美国科学院院长。1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。

迈克耳孙以毕生精力从事光速的精密测量。1879年他用自己改进了的傅科方法，利用凹面镜和透镜把光路廷长到600m，旋转镜使返回光位移133mm，获得光速值为299910±50km／s。访欧归来后，他又把测量精度提高，获得的数值为 299853±30km／s。这都是当时最新纪录。后来到1923年他又重新专心致志地从事光速测量，在加利福尼亚的两个相距约35公里的山头之间，测得的数值为 299798±4km/s。在他有生之年，他一直是光速测定的国际中心人物，直到逝世前还念念不忘这项工作。

1879年3月，麦克斯韦写信给美国航海年历局的D．P．托德讨论测定地球相对于以太的速度问题。信中提到，地球上所有测定光速的方法，由于精度所限，都不足以检验地球的绝对运动。这封信被迈克耳孙看到，激起了他从事这类实验的热情。为了提高测量精度，在柏林期间，他设计了一种干涉仪（这就是今天最常用的迈克耳孙干涉仪，（见彩图）来测定地球相对于以太的运动。

范文二：[讲稿]光的传播速度

光的传播速度

真空中电磁波的传播速度。真空中电磁波的传播速度是一个重要的物理量，人们最初通过测量可见光的传播速度得到它的数值，因此称为光速。

目前，国际公认的真空中光速c 的数值为:с,299792458米/秒。

1676年，丹麦天文学家O(C(罗默利用观测木星第一个卫星的星食到达时间的变化，首次测量了光速。因为木星和地球的轨道运动周期不同，木星和地球两者之间的距离在不断变化，最大距离与最小距离之差等于地球轨道的直径。罗默发现星食变化周期为13个月，角度起伏约为20秒。这个周期正是地球从距离木星的一个最近位置运行到下一个最近位置的时间。从上述一个位置出发可以估计六个半月后地球到达与木星最远距离时发生星食的时间。罗默发现，在最远距离时比最近距离处星食发生的时间延迟了22分钟，他认为这是因为光飞行需要有限速度引起的。但这个解释当时并未被人们接受。

1727年，英国天文学家J(布拉得雷观测到光行差现

象，即星的表观位置在地球轨道速度方向上的位移。根据

光行差角α,v/c(v是地球轨道速度)，可以估算光速值，

这项独立观测使科学家确认了罗默当年所观测的木星卫

星食的延迟就是光速有限的有力论据。

1849年，法国物理学家菲索用齿轮法首次在地面实验

室中成功地进行了光速测量。他的实验装置如图所示。图

中光源S发出的光束在半镀银的镜子G上反射，经透镜

L聚焦到O点，从O点发出的光束再经透镜L变成平行12

光束。经过8.633千米后通过透镜L会聚到镜子M上，3

再由M返回原光路达G后进入观测者的眼睛。置于O点

图为菲索用齿轮法光速测量实验的齿轮旋转时把光束切割成许多短脉冲，他用的齿轮有

720个齿，转速为25转,秒时达到最大光强，这相当于每

个光脉冲往返所需时间为1/18000秒，往返距离为17(34千米，由此可得с,312000千米,秒。

1926年，美国实验物理学家迈克尔逊用旋转镜法改进了斐索实验，他用了一个八面体的转镜，测量的光速平均值为299796?4千米,秒。1929年，他又在真空中重复了上述实验，平均值为299774千米,秒。

-5后来，有人用光电开关代替齿轮转动来改进斐索实验，称为克尔盒法。这种方法比旋转镜法的准确度 (10

-7量级)又有所提高，达到了10量级。

1952年，英国实验物理学家K(D(弗罗姆用微波干涉仪法测量光速值，得到数值为

?0(10(千米/秒)。c,299792(50

1957年，国际无线电科学协会(URSI)、国际大地测量学和地球物理学协会(IUGG)分别推荐上述结果作为国际推荐值使用，一直沿用到1973年为止。

1972年，美国标准局的K(M(埃文森等人采用直接测量激光频率和真空波长值的方法，用两者的乘积得出真空中光速值，即c=fλ。他们建立了从铯频率基准经过一系列激光器直至由甲烷稳定的氦氖激光

(2)器的激光频率链，经过逐级倍频和差频的检测，最终测得甲烷谱线 v带P(7)支分量的频率值为 F32

f(CH)=88376181627?50(千赫)， 4-10测量不确定度为?6×10;用干涉法测得甲烷谱线的真空波长值为

-15λ(CH),3392231(40×10(米)， 4-9不确定度为?4×10。由此可得

с,=299792458?1(2(米/秒)。

1973年召开的第 5届米定义咨询委员会和1975年召开的第15届国际计量大会先后确认上述光速值

-9作为国际推荐值使用，它的不确定度为?4×10，与当时米定义氪,86橙黄谱线复现不确定度相同。

由于真空中光速值的准确测量以及激光频率稳定和粗密测频技术的发展，促使米的定义发生了根本性的变革。

1983年10月召开的第17届国际计量大会已经通过了新的米定义为:“米是光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内行程的长度。”在规定的三种复现方法中均明确指出，真空中光速的数值为c=299792458米,秒。在上述新的米定义中，真空中光速的数值已是一个定义值，通过这个定义值，长度单位米与时间单位秒直接联系在一起，而不再是一个与其他基本单位无关的独立基本单位。由于光速已成为定义值，它的不确定度为零，不需要再进行任何测量，从而结束了300多年精密测量光速的历史。

狭义相对论曾提出两个著名的原理??相对性原理和光速不变原理。后者是指光在不同惯性系中速度相同。新的米定义已把光速值固定为一个定义值，这与光速不变原理当然是相适应的。目前复现米定义的

-10-11准确度还处于10,10量级。如果科学家们要在更高的精度下去检验光速是否恒定的规律，进行光速恒定性实验仍然将是具有重要意义的。

斐索，A(H(L

8 1849年9月斐索利用旋转齿轮机构，在实验室中测定了光速，其数值约为3.15×10m/s，这是第一次在地球上测得比较正确的光速数值。1850年 5月他又利用这一实验方法，测定了光在水中的速度，并证实了光在水中的速度小于光在空气中的速度，这成了光的微粒说与波动说之间决定争论胜负的判决性实验，在历史上对光的波动本性的确立曾起过很大的作用。1851年斐索测量了运动媒质中的光速，证实光要

2部分被运动媒质曳引，肯定了菲涅耳的部分曳引公式(1-1/n，n为媒质的相对折射率)。

斐索和傅科合作开创了天文照相术，用溴替代达盖尔照相术中的碘，从而改善了达盖尔照相术。在1845年他们第一次摄得清晰的太阳表面像。用分光仪观察了天体光谱，又使用起偏振器从而独立地发现光波的多普勒效应。根据这一效应可用来测定天体的视向速度，因此又称为多普勒,斐索效应。J(C(多普勒对此虽有预言，但他还不知道光是横波、又缺乏设备，以致未得到令人信服的结果。

在1845,1849年间，斐索和傅科用干涉仪发现太阳光红外一端的不可见辐射和可见光服从同一规律，并曾测定过星体的运动速度和星体的直径。

傅科，J(B(L(

法国实验物理学家。1819年9月19日生于巴黎。早年学医，后转入实验物理学的研究。

1850年傅科采用旋转镜法，比较光在空气中和水中的速度，测定了光速。他几乎和菲索同时宣布他的实验结果:在空气中的光速比在水中的大，但未宣布其数值。1853年即以测量光在空气和水中的速度比较的论文获得物理学博士学位。1862年傅科改进了实验仪器设备，才进一步准确地测定空气中的光速为 289000?500km/s。

1851年，傅科曾在巴黎成功地进行了傅科摆的实验(见彩图)，直接验证了地球自转，因此被授予荣誉骑士五级勋章。

傅科其他方面的贡献主要是:1845,1847年和斐索合作改善达盖尔照相术，并用于天文摄影;1847年把惠更斯的锥摆钟的设想付之实现，用被称为傅科钟的装置测地球的转动;1848年从分析日光通过含钠盐碳弧焰所得的光谱中，观察到在弧焰的两条黄线(即钠光D线)处出现两条黑线，他认为弧焰能吸收它发出的光(这个事实直到1859年由基尔霍夫的辐射理论才得到解释);1855年发现了放在强磁场中的运动圆盘因电磁感应而产生涡电流，后被称为傅科电流;同年设计了光度计;1857年创制了偏振仪器，被称为傅科棱镜;1858年设计了反射式望远镜的椭球面镜;1860年创制了定日镜的跟踪装置。

傅科于1855年曾获得英国皇家学会的科普利奖章，1864年被选为会员。1862年被授予法国荣誉骑士二级勋章并受聘为经度局的成员。1865年被选为法国科学院院士。此外，傅科还是柏林科学院和圣彼得堡科学院院士。1868年2月11日在巴黎逝世。

迈克耳孙，A(A(

美国物理学家。1852年12月19日生于普鲁士斯特雷诺(今波兰斯特尔诺)，两岁时全家移居美国。他在1869年入安那波利斯国立海军学院学习，1873年毕业后留校任基础课讲师。1879年转到华盛顿的航海年历局工作。1880年去欧洲进修，先后在柏林、海德堡、巴黎等地受教于亥姆霍兹等名家。1882年回国，受聘为克利夫兰的开斯应用科学学院物理学教授，1889年任伍斯特的克拉克大学物理学教授，1892年起担任新建的芝加哥大学第一任物理系主任，直到1929年退休。1907年获得了诺贝尔物理学奖。1923,1927年还担任美国科学院院长。1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。

迈克耳孙以毕生精力从事光速的精密测量。1879年他用自己改进了的傅科方法，利用凹面镜和透镜把光路廷长到600m，旋转镜使返回光位移133mm，获得光速值为299910?50km,s。访欧归来后，他又把测量精度提高，获得的数值为 299853?30km,s。这都是当时最新纪录。后来到1923年他又重新专心致志地从事光速测量，在加利福尼亚的两个相距约35公里的山头之间，测得的数值为 299798?4km/s。在他有生之年，他一直是光速测定的国际中心人物，直到逝世前还念念不忘这项工作。

1879年3月，麦克斯韦写信给美国航海年历局的D(P(托德讨论测定地球相对于以太的速度问题。信中提到，地球上所有测定光速的方法，由于精度所限，都不足以检验地球的绝对运动。这封信被迈克耳孙看到，激起了他从事这类实验的热情。为了提高测量精度，在柏林期间，他设计了一种干涉仪(这就是今天最常用的迈克耳孙干涉仪，(见彩图)来测定地球相对于以太的运动。

范文三：另论“光的传播速度不变”

另论“光的传播速度不变原理不变”

文锦伟，潼湖中学，516239

摘要:文中从新的角度考察“迈克尔逊——莫雷干涉实验”的零结果，提出一个有别于爱因斯坦 “光速不变原理”的新理论:“存在一个而且是唯一一个惯性系K，在这个惯性系里观察，光以相同的速度c在真空中向各个方向传播”。并尝试应用这一理论解释一些现象。

关键字:“迈克尔逊——莫雷干涉实验” 麦克斯韦方程唯一惯性系光的传播速度不变时间坐标变换多普勒原理光行差理论

我在之前研究有关测量中的通讯工具的问题中，从波的传播的性质，讨论了电磁波和机械波作为通讯工具的有关问题。在这一论题中，我沿用了爱因斯坦所提出的“光速不变原理”，提出“在任何参考系中观察，波动的传播过程中，都以相同的波速向各个方向传播”。但在研究一列波从一种介质射到另一种介质时，我在思考波在界面的性质会如何,另外，我对“迈克尔逊——莫雷干涉实验”零结果的解释也不是很赞同。这些问题引起我极大的兴趣，去寻找新的理论。

一、对“迈克尔逊——莫雷干涉实验”零结果的重新考察

我们知道，从麦克斯韦方程组可得出一个推论:至少存在一个确定的惯性系K，在这个惯性系里观察，光以速度c在真空中传播。我认为确实存在一个而且是唯一一个惯性系K，在这个惯性系里，光以相同的速度c在真空中向各个方向传播，而这一性质与光源的运动状态无关。并且这一假设在均匀线性的介质中，也应该是成立的。

假设:在真空中，存在一个而且是唯一一个惯性系K，在这个惯性系里观察，光以相同的速度c在真空中向各个方向传播，而这一性质与光源的运动状态无关。

延伸:在均匀线性的介质中，也存在一个而且是唯一一个惯性系K，这个惯性系相对于介质是静止的，在这个惯性系里观察，光以相同的速度c’在介质中向各个方向传播，而这一性质与光源的运动状态无关。

到这里，我们好像应该承认有一个绝对惯性系。但是在宇宙真空中这一个惯性系是怎么确定,以银河系的中心,这显然是行不通的。或许我们可以这样考虑，我们可以把真空设想为一个湖，宇宙的星系就相当于湖上面的船，星球相当于船上的人，光就像水波一样传播。就好像当船在河流中顺流而行，并且使船的速度等于流水的速度，那么在船上往水中扔块石头，石头激起的水波，就会以石头扔下去的地方为圆心，向四面八方圆形的传播出去。这跟船静止在静止的湖水中，从船上扔石头情形一样。也就是说，只要船相对水是静止的话，不管水有没有运动，我们观察到的水波的传播是一样的。事实上，现代天文观察表明，太空并不是真空，而是充满暗物质，有可能这些暗物质就充当着湖里的水的角色。

我们现在来考察“迈克尔逊——莫雷干涉实验”零结果。首先我们必须清楚知道，“迈克尔逊——莫雷干涉实验”是在地球上完成的，在地球上有一层大气压，太阳光射到地球上，跟在宇宙中传播就有了区别，就相当重新有一个相对于大气静止的光源，这个光源发出的光在大气的速度c’向各方向以相同的速度传播。因为根据前面的理论，在相对于空气是静止的惯性系中观察，光在空气中是以相同速度c’向各个方向传播。因为地球在宇宙中是运动的，相对于宇宙真空来说不是静止的，从地球表面观察，光在真空中的各个方向上的传播是以不

相同的速度传播的，但当光从宇宙真空中射到空气中时，它的状态已发生了改变，已经不再是不等速传播了。所以静止在地面上的研究想通过观察光的传播来确定地球是否运动，结果都是无法观察到我们预想的结果的。这跟伽利略的“相对性原理”很像，在封闭的匀速行驶的船上是观察不到船相对地面的运动的，同样，在相对于系统(如空气、水等)静止的参考系中只能观察到光以相同的速度c向各个方向传播，而观察不到系统外面的光的传播情况。光从真空传到介质时，或从介质传到另一介质时，在界面传播情况就会发生改变，将要遵循新的系统所要求的规律传播。把前面的理论去分析“迈克尔逊——莫雷干涉实验”中干涉条纹移动的数学推导，就可看出问题所在了。由于干涉仪是静止在地面，所以沿AD方向并不存在顺流、逆流的问题，沿AD和沿AC进行所需要的时间

0是相同的。两臂转过90以后，光在两臂中进行所需要的时间仍然是相同的，时间差为零，因此根本不会出现干涉条纹的移动。

若要使这一实验能成功观察到干涉条纹的移动，我们必须把这个干涉仪搬到太空上，比如说固定在人造卫星的外壳上。另外值得注意的是，我们现在常使用的迈克尔逊干涉仪是密封的，内部是抽成真空，若使用这种干涉仪在人造卫星上完成这一实验，一样会得到零结果，因为当光进入干涉仪后，光的状态同样会发生改变，这时我们要把干涉仪内部的真空当作一个系统来考虑。因为要观察到干涉条纹的移动，干涉仪必须是个开放的系统，相对于我们要研究的系统来说。如果月球上空不存在空气的话，在月球上完成这个实验倒是理想的选择。

二、坐标和时间从一个静止系统到另一个平称系统的新变换理论

爱因斯坦从“迈克尔逊——莫雷干涉实验”零结果得到启示，从而提出光速不变原理，并在这个原理的基础上对坐标和时间进行变换，发展出相对论。现在我们看来这个理论有不足之处的，因此我们必须发展新的坐标和时间的变换理论。当然我在这里并不是完全否定相对论，在相对论中有很多可取的方法还是值得我们学习的。

在我的另一篇文章“关于测量手段中的通讯工具的选用”里面，我曾阐述电磁波和机械波它们作为波动的一种性质，都可以作为测量过程中的一种通讯信号。在这里我仍然把光认为是一种通讯工具。当考虑从一个静止参照系到另一个平移参照系的坐标和时间的变换，为了简单讨论，我们假设这两个参照系的Y轴和Z轴分别是平行的，而X轴重合，两个参照系的相对速度v，光信号的速度为c。如右图， 0

考虑到信号传播的方向，我们假设发生两个

事件a和b，事件发生时，向空间各个方向

发射信号，就像邮递员送信一样，送信的过

程中需要时间，经过了一段时间后，观察者

在参考系的坐标原点接收到信号，从而得知

某地发生了某事。

假设量杆是刚性的，时钟是校准的，那么在参考系k观察到a事件，有

或 a(1) 而在参考系k’中观察到a事件，有

(c+) 或 a(2)

由于这是同一个事件发出的同一个光信号给两个观察者接收到，那么能满足a(1)条件的事

件必须同时满足a(2)，则有

(c+) (1) 观察b事件，同理有

(2) 其中和为常数。将(1)式和(2)式中的x’和t’分离出来

令，上两式改写为

(3)

(4)

对于参考k’的坐标原点有x’=0，则由(3)式得

由于参考系k’相对参考k以速度v运动，也就是说，在参考系k中观察到参考系k’的坐标原0

点在以速度v运动，则有 0

得

(5)

考察到不管在k系还是在k’系中，我们所有的生活习惯或者对周围的观察和理解必须是一样的，不会因为所处的参考系的不同而不同，因此对量杆和时钟的单位的规定也必须要相同，否则长度和时间对于我们来说就没意义了。就好像《西游记》所描述的天上一天地上一年，不管在天上还是在地上，一天都是十二个时辰，天上的一天不会比地上的一天多上几个时辰;另外做同样一件事，若在地上完成需要半个时辰，在天上完成也是需要半个时辰，时间观念应该是一样的，只不过在天上看起来地上的时间过得很快而已。

取t=0时刻，将(5)代入(3)得

令,则

(6)

再取t’=0时刻，从(3)和(4)式中消去t，将(5)代入得

令，则

(7)

因，从(6)式和(7)式解得

代入(5) 式解出b后，再代入(2)式和(3)式，再令

和

解得坐标和时间从一个静止系统到另一个平移系统的变换为

逆变换为

我们现在来讨论所得到的这些方程所描述的物理意义。设有两个相对平移的系统k和k’，X轴重合，相对速度为v，有一条长度为L的刚性棒放在k’系统中，并且这棒的摆放与X00

轴平行，假设在t=0时对这棒进行测量，那么在k’系统中测量

应用前面得到的坐标变换有

那么在k系统中测量得

将和代入，得

从此式可知，在不同系统中测量的结果是不一样的，其长度按的比率发生收缩。同样，假设动系统k’中有一个校准的钟，此钟相对k’系静止，而k’系相对k系以v的速度运动，0在两个平移系统中分别测量同一个时钟的时间，在k’系中测得时间，在k系中测得t时间，有

可知，在测量一个运动的钟，其时间会按的比率延缓，慢。在此需要说明的，从上面的讨论，我们将发现在不同的参考系中所测出的长度和时间都是不相同的，我们应该怎么去理解这个现象，是不是物体的长度真的变短，时钟真的变慢,我的观点:不是～这只是因为我们所选用的通讯信号的传播需要一定的时间，就像邮递员送报纸，报纸送到我们手上时，“新闻”其实已经变成“旧闻”了，从而造成我们的测量出现了跟真实情况发生偏差，使我们测量出的长度好像变短、时钟好像变慢。但实际上物体的长度和时钟的走动并没有发生改变。当一对孪生兄弟，哥哥留在地球，弟弟坐火箭飞向宇宙，在地球上看哥哥已经变老了，弟弟看起来好像仍相当年青，但实际上弟弟跟哥哥是一样老～我们所看到年青的弟弟只不过是过去式的弟弟而已。另外，虽然在光的传播的性质上，我的观点与爱因斯坦的有些差别，但所得出的长度和时间效应有些相似，这都是因为我们在测量时所用的光通讯是以有限的速度传播而造成的，而不是我们世界的原本性质～在我接触《狭义相对论》时，就不赞同某些学者没有了解爱因斯坦的长度和时间效应的本意，而主观地扭曲了《相对论》时空观的这种做法～穿越时空或想通过高速旅行来保持年青的做法只是痴人说梦话罢了～

当有一物体相对k系以速度u运动，那么在k’系中观察到这个物体的速度

三、多普勒原理和光行差理论的讨论

首先我们来考察真空中的麦克斯韦方程的变换。为了方便讨论，我们使用麦克斯韦微分形式的对称式

设真空中的麦克斯韦方程式在静止系k中仍然成立， (E,E,E)表示电场矢量，(B,B,B)表示xyzxyz

磁感矢量，利用麦克斯韦方程对称式的前两式得

，

，若这一电磁辐射发生在动系统k’中，动系统k’以速度v相对静系统运动，应用前面所得到0

的变换，则有

根据我们的经验，不管那哪个系统中观察，同一个电磁现象应该具有同一个规律，麦克斯韦

方程保持相同的形式，若这一经验需要保留，那么在动系统k’中观察，则有

现在我们来具体考察上面所得到的变换的一些性质。假设在离静系统k的坐标原点很远处，有一电磁波源，我们用下列方程来表示

，

其中

这里用(E,E,E)和(B,B,B)来确定这列波的振幅矢量，()表示波面法线的方向x0y0z0x0y0z0

余弦。若由一个静止在动系统k’中的观察者来观察，根据前面所得的所得到的电磁变换和坐标、时间的变换进行计算，则有

其中

从角频率的方程可推出，如果一个观察者相对于无穷远处频为f的光源以速度v运0动，设“光源——观察者”之间的联线与观察者的速度之间的夹角为，则观察者接收到的频率f’由下列方程确定

如果把动系统k’中的电磁波的波面法线(光的方向)与“光源——观察者”之间的联线的夹角设为，则由下列方程确定

此式表示一般形式的光行差理论，当，将代入，则

此方程简化为

我们来解释此式，如右图，在观察者的角度看，光沿着AC通过望

远镜而不是沿AB，由于地球的运动，望远镜倾斜了角，有

由此式可知，跟古典光行差理论相比有一修正数值。

范文四：关于声音的传播速度和光的传播速度的教学反思

关于声音的传播速度和光的传播速度的教学反思

车王中学阮仁垒

一、关于教材中声音在空气中的传播速度340m／s是什么温度下的。如果从物理学方面较严格的说，这是指15℃时在空气中的传播速度，但对一般生活或科普来说，不在温度上进行苛求，只要说到空气中的声速就指的是340m／s，除非有特别说明或要求，都用这一数值，就如我常说，飞行（飞机或火箭等）速度的马赫数（或简单的说超音速）其指的就是在空气中飞行速度超过声音速度的倍数，而声音的速度基数通常取的也是上面的数值。我查了一下教材，在教材中并没有指明这一数值是什么温度下的，教参和学生用书中好像也没有涉及声音速度与温度关系的数值问题，这就是教材有意迴避这一问题，降低难度。至于您说的在教参中有，不知是否上海科技社出的配套教参。可以告诉学生，在以后遇到用到声音速度值时，除有特别要求外，可大胆用此数值。

二、关于声音在空气中传播速度与温度的关系问题，在教学时我只片面的考虑了空气的密度，而没有全面考虑其弹性模量等因素，正确的是：声音在空气中传播速度随温度的升高而升高，它们的关系大约可用下式表达： v=331+0.6t （m／s），式中的t为摄氏温标的空气温度，如果代入15℃计算，可得到速度近似为常用的340m／s。声音在空气中传播的速度与压强基本无关，这一点在教材中说法有误。 1

其三，关于课本中的栏目“请提问”，只是为了拓展学生思路，培养学生多思维、善思维素养的，不是必教的内容，其中的问题是不需回答的，也可能不只这些问题，更不能用此进行命题考试。

为什么红光与紫光的速度不一样？但确切的是：在真空中，各种颜色的光的速度都是一样的，都近似为3×108km／s，光在透明介质中传播时，速度才会产生差异，其产生差异的原因按不同的要求可有如下几种解释：

在初中阶段，不谈色光在介质中传播速度的差异；

因为同一种透明介质对不同的色光折射率n不同，光速v＝c／n（c为真空中的光速）。这是在高中阶段的解释。

因为光是电磁波，电磁波在真空中的折射率，式中ε和μ分别是介质的介电常数和磁化率，它们对不同频率的色光的值是不同的，特别是介电常数，因此介质对不同频率的色光折射率不同。这大约是高校普通物理阶段的解释。

至于为什么介质对不同频率的色光折射率不同，这将要渉及到原子和分子内部去讨论，可能要专门的论及了。

以上内容参考的资料取自：

《物理8年级》义务教育物理课程标准实验教科书编写组编著上海科技出版社

《物理学辞典》阮图南、佘守宪、梁昆淼主编安徽教育出版社《物理常数》 W.H.恰而斯著科学普及出版社

《中学物理教师手册》中学物理教师手册编写组编上海科技教育出版社

阮老师：

邮件收到。我要更正您所提的问题，您问为什么红光与紫光的速度不一样？但确切的是：在真空中，各种颜色的光的速度都是一样的，都近似为3×108km／s，光在透明介质中传播时，速度才会产生差异，其产生差异的原因按不同的要求可有如下几种解释：

在初中阶段，不谈色光在介质中传播速度的差异；

因为同一种透明介质对不同的色光折射率n不同，光速v＝c／n（c为真空中的光速）。这是在高中阶段的解释。

至于为什么介质对不同频率的色光折射率不同，这将要渉及到原子和分子内部去讨论，可能要专门的论及了。

范文五：光的传播速度，相速度，群速度

光的传播速度，相速度，群速度

发布日期: 20050825 浏览次数:1027

jiahzhang : 发表于 20020108.09:28:38

这3个概念我不明白:假如光是在光纤中传播，那么它的传播速度，是(c/n),这是高中的时候学物理书上说的。我又看到群速度:是脉冲包络的传播速度(the pulse envelope moves at

the group velocity,names Vg) 那么Vg, c/n有什么区别呢, 我还不知道相速度有什么具体的含义，希望大家帮忙～～

shaben :这个东西傻笨也是一知半解的，傻笨的理解是:

平时在不考虑色散的时候说的从 c/n是指的群速度，严格意义上来说c/n是相速度，但对于相速度来说，应该是指单色光，而在我们实际用的光源中没有单色光，是一“群”单色光的组合，所以实际中都是群速度。

从不严格的角度上说，相速度是相位的速度，可以大于c(因为反常色散区可能n<1)。群速度是能量的速度，是一个包络。>

hawk :

Vg的定义为:

1/Vg=dβ/dω

由于β=N’k0/c=N’ ω/c

所以得到:

Vg=c/Ng’

Ng’为群折射率

N’为模折射率

Ng’=N’+c(dN’/ dω)

pupil :相速度是等相面传播的速度。

群速度是等振幅面的传播速度。

在真空中无色散，群速度等于能量传播速度，也等于相速c。

介质中，群速度在色散不太大，能大致保持波形时有意义，也就是包络传播速度，或能量传播速度(远离吸收带的正常色散区)。

在光纤中的群速度就可以看作能量传播速度。

自在02 :我不认为群速度是能量的速度，且把它等同于等振幅面的传播速度。

shaben :傻笨觉得群速度是能量的速度，但谁要说不是，傻笨可不敢和别人强辩，因为傻笨自己没底，不敢说～呵呵

coer :相速是位相的传播速度，群速是能量的传播速度。这在晶体光学里有很详细的推倒呀。

shaben :傻笨的理解是这样的，如果是单色光，能量速度就没有意义了，因为没有单色光，如果有，那么他本身就是一个无限长，没有起点没有终点，怎么有能量速度呢,相速度还是有的。

估计我们任何时候看到的能量速度都是群速度，傻笨是这样理解的，在数学上，一个无限长

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坐标轴上，一个光脉冲实际上是很多个无限长的正弦波的组合，注意每个无限长的正弦波的振幅，大家也都知道为什么这些正弦波在组合起来后，只有包络内部有数值，其他部分几乎为零了。这个包络就是光脉冲的数学表达形式了，这个包络的速度也就是Vg，产生这个包络的运动是相速度(相速度,群速度)，如果没有色散，这个包络的传播速度就是c/n，有了色散以后，因为各正弦波的位置错开了，这个包络要变形，这时候不同的波长相速度不同了，只好只有群速度，不定义相速度了。

sophia :sophia认为有效频率范围dw是有关波群的一个重要参量(也就是组成能量包络的光波频率差)。如果媒质没有强烈的色散，一个波群将能传播相当远的距离而不发生显著的“扩散”。只有在这种情况下，才可以认为群速是波群作为一个整体传播的速度，它将代表波能量传播的速度。因此，如果脉冲非常窄(意味着谱很宽)，则在色散较大的介质中传输会很快散开，这时讨论它的群速度是没有意义的。

pupil :虽然群速度经常可以作为能量传播的测度(其实严格地说也就真空中对，其余的要考虑sophia说的有效频率)。但是还是有一些情况无效的。相信大家都学过物理光学，里面说得很清楚，在反常色散区(注意，是折射率意义上的反常)区，也就是与物质吸收有关的区域，群速度是不能代表能量传播速度的，因为可能超过光速或为负。

我还是比较同意shaben的观点。单纯的讨论能量的传播是没有意义的。不管怎么说，能量只是一种信号的一种，它总得小于光速(如果同意相对论)。我认为群速度之所以可以代表能量速度，首先必须能真实地反映某种信号的传播情况。否则，就像色散导致各波长相速不同而使相位传播失真(不再真实地传递前距离点处的相位情况)一样，群速度在吸收区附近由于各波长损耗情况不同而导致振幅面传递的失真，从而不再有信号传递的意义，也就不是能量速度了。我的表达力太差，也不知道大家有没有看懂我的意思。不过以上多半是我的臆断，希望大家批评指正。

另外我学过的晶体光学部分，推导的对象是单色波，得出的是相速与光线速度的关系，没有提及群速，我想应该也没有特殊之处。反正按书上的关系，简化为各向同性时，光线速度等于相速。可能coer学的晶体光学更全，希望能再说明一下。

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