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关于光纤陀螺测转动一般情况下的光程差公式推导。
[楼主] 作者:hudemi  发表时间:2008/02/18 21:18
点击:3935次

光纤陀螺是利用Sagnac效应原理制成的,关于Sagnac效应光程差的推导,通常是针对一个特殊情况进行的,即光纤环绕自身轴旋转,如下图左边所示的情况。对这种情况下的公式推导,很简单,这里不再阐述。难的是,更一般情况下的公式推导。

请高手帮忙推导一下下图右边所示情况下的Sagnac效应光程差公式!看最终结果与左边所示情况下的公式是否一致。

下图说明:图中大圆为一旋转圆盘,小圆为一光纤陀螺。左边的情况是:光纤陀螺固定在圆盘的中心,与圆盘同轴。右边的情况是:光纤陀螺固定在圆盘的边缘,与圆盘不同轴。

 

 

 

 

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[楼主]  [2楼]  作者:hudemi  发表时间: 2008/02/18 21:19 

有请建其!
 [3楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2008/02/18 21:30 

是应该请沈建其先生出马,他是光学博士,这正是他的专长。
我认为右边所示情况下的Sagnac效应光程差公式完全一样,我已经分析了,即使光纤圆环与旋转轴不同心,但它其实也在一边进动一边自转(这样描述可能不准确,不过我想不出更准确的),而自转周期就是旋转周期。

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《从真实同时推导出有别于伽利略和洛伦兹的新变换》http://bbs2.xilu.com/cgi-bin/bbs/view?forum=newphysics&message=10472
[楼主]  [4楼]  作者:hudemi  发表时间: 2008/02/18 21:38 

我也知道应该是一样的,但我不知道怎么推得右边情况下的公式。我已和建其联系过,希望他推一推。
 [5楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/02/18 21:39 

老黄,这好象是运动学里面的“牵连运动”,有明确的答案:
小圆角速度=大圆角速度,
不过具体怎么证明我也没细想过,只是照搬的标准答案,


我看了半天不明白你们要推导什么公式,原来如此,这不应该是个问题?
 [6楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2008/02/18 21:41 

对【5楼】说:
我也觉得有明确的答案

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[楼主]  [7楼]  作者:hudemi  发表时间: 2008/02/18 21:50 

老杨:
我也觉得不应该是个很难的问题,但我就是推不出来,笨啊!好多年我搞具体的推导了。
 [8楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/02/18 21:54 

也许不用数学推导吧?只要画一条公共半径,大圆转一周的同时,小圆也刚好转了一周,
这也就可以说明问题了吧?反正是相同的时间内,大、小圆转过的角度相同嘛?
[楼主]  [9楼]  作者:hudemi  发表时间: 2008/02/18 22:00 

一定要数学推导!
我并不是要证明两个环的旋转速度相同!而是要从理论上证明利用SAGNAC效应的光纤陀螺理论上能不能保证从不同点测得该旋转角速度始终是一样的,并从数学推导过程推测出以太风与光纤环之间的相对运动关系。
 [10楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2008/02/18 23:25 

对【8楼】说:
    可以直观地看出的确是这么回事,可是我一直思考的却是光信号在不同时刻和不同圆环位点上的漂移速度,用积分计算时间差。

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相对论一派胡言 物理界混淆是非 时空物绝对独立 “倒相者”返璞归真
 [11楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/02/18 23:45 

可以把陀螺的运动分解成平动与转动两部分来考虑?
平动部分显然不产生sagnac,剩下的就只有转动了,
转动的角速度当然就是地球自转角速度了?
 [12楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2008/02/19 00:05 

对【11楼】说:
    “分解成平动与转动两部分”只是推导过程的“中间产物”,我对迈-盖实验的证明就是如此,而且证明地面任意不在同一纬度之间两点都在引力场中作相互绕转运动。

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 [13楼]  作者:马国梁  发表时间: 2008/02/19 11:10 

咋不请鄙人呢?
 [14楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2008/02/19 11:38 

光纤陀螺仪是怎样利用SAGNAC效应测量地球自转的,可真是一个大难题。前天晚上我提出的解释,还是说不通。
难怪这个问题在2005年提出了,众多高手讨论都没有结果,果然有难度。
上午我又想了一会儿,已经找出一种解决方法,要配合几张图片才能说清楚,下午才能完工,晚上再发。
刘岳泉、沈建其、马国梁和其他人先生能解释吗?定性解释就行,不必严格数学推导。
这可真是一道考人的难题,考考大家,看看谁先给出大家都信服的解释,看看谁的物理理解能力和思维能力最出众。

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[楼主]  [15楼]  作者:hudemi  发表时间: 2008/02/19 13:04 

[13楼] 作者:马国梁 发表时间: 2008/02/19 11:10 [加为好友][发送消息][个人空间]回复 修改 来源 删除

咋不请鄙人呢?
========================================================
谁说不请呢?
有请马先生!
[楼主]  [16楼]  作者:hudemi  发表时间: 2008/02/19 13:06 

[10楼] 作者:刘岳泉 发表时间: 2008/02/18 23:25 [加为好友][发送消息][个人空间]回复 修改 来源 删除对【8楼】说:


可以直观地看出的确是这么回事,可是我一直思考的却是光信号在不同时刻和不同圆环位点上的漂移速度,用积分计算时间差。
=================================
我也想用积分计算,可怎么算呢?没想好!好多数学知识早丢了。
 [17楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2008/02/19 13:22 

对【13楼】说:
    有请,相信你会另有方法计算,让你先发,我用微分几何再积分的方法,直到今天上午才弄清这些坐标变换关系,计算过程也就简单了。只要我在网上看到你的结果我就马上也发主题帖。

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 [18楼]  作者:xxriver  发表时间: 2008/02/19 15:54 

如果将角速度视为矢量,就没有问题了。
旋转的车轮并不是只绕轴转动的。如果能深层次的理解角速度,应该就不存在问题了。
与陀螺仪是不是过轴线没有关系,实验结果也是这样的。静止于地球上的任何一点,有相同的角速度。
只是矢量的方向从不同地方看,会有所不同。
 [19楼]  作者:马国梁  发表时间: 2008/02/19 17:03 

黄新卫的问题等以后再说,我先全力解决德民老兄的问题。
德民的问题应该是观测者在圆盘下边,不随同转动才是。这样以来光纤偏心和在正中时的情况将稍有不同。
设 r是光纤半径 R是光纤偏心距离 f = 1-1/nn ωr<< c ωR<< c
则在单周光纤中,正反向光的时间差是
Δt = 2πr{1/sqrt[(c/n + fωr)^2 - (fωR)^2]- 1/sqrt[(c/n - fωr)^2 - (fωR)^2]} < 0
这是准确公式。但因积分过程较繁琐,我就先不写了吧!
从公式中可见,(fωR)^2都是在分母中的同一位置,且都是减。但它的存在使前项值增加的少,使后项值增加的多,故Δt 将变大一点。例 设c/n = 0.79 fωr = 0.01 那么
当fωR = 0 时 Δt = 2πr{1.25 – 1.28205 } = -2πr{ 0.03205}
当fωR = 0.02 时 Δt = 2πr {1.25039 – 1.28247 } = - 2πr {0.03208}
用光纤陀螺因为人与设备一起转动,故情况与上不同。
我因为上午才看到帖子,所以不可能马上给出公式。可不是我耍脾气哟!
 [20楼]  作者:马国梁  发表时间: 2008/02/19 17:09 

“用光纤陀螺因为人与设备一起转动,故情况与上不同。”一句应为“用光纤陀螺测地球转动时因为人与设备一起转动,故情况与上不同。”
 [21楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2008/02/19 19:21 

对【19楼】说:
    唉,也算长见识了,还是稍后看我的吧!

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[楼主]  [22楼]  作者:hudemi  发表时间: 2008/02/19 19:28 

回马先生19楼:
感谢您热心给出推导!但您似乎没有弄清光纤陀螺的原理,或者没有明白我主题的问题。
1、该问题中是不需要另外的观察者的,所以您不必说“德民的问题应该是观测者在圆盘下边,不随同转动才是”。图中的小圆光纤陀螺就是观察者;
2、对光纤来说,有空芯光纤也有实芯光纤。为使问题简化,推导容易。我们完全可以假设为是空芯光纤,这样可以不必考虑介质的推曳问题。
其它的我就不再说了。
图中右边的情况要和左边的情况得到一致的公式,如果得不到,基本上可以判定是错误的。
 [23楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2008/02/19 19:43 

从不随同转动的观测者角度推导出结果不难,我昨天就是这样分析的。
难就难在如何站在随同转动的观测者角度解释,进入光纤的两反向光线为什么相对光纤运动速度不同。这是黄德民的疑问,我昨天还没有考虑到,今天上午思考了一下,还是有遗漏。
下午又想了一下,好像能找到解决方法,但又带来新问题,还没有解决好。
看来这个问题能难住众多高手,确实有难度啊。

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[楼主]  [24楼]  作者:hudemi  发表时间: 2008/02/19 19:47 

新卫:
对光纤陀螺测地球自转仅从定性解释,是没有一点难度的,难的是一般情况下的公式推导。可你反倒说“从不随同转动的观测者角度推导出结果不难,我昨天就是这样分析的。”我就奇怪了!
 [25楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2008/02/19 19:56 

从不随地球自转的K系分析,可以把光纤圆环的运动分解为平动和转动,平动不产生sagnac效应,转动才产生。
单纯研究转动,和普通SAGNAC效应一样分析,很容易推导出输出相位差和角速度的关系啊?

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[楼主]  [26楼]  作者:hudemi  发表时间: 2008/02/19 20:05 

新卫:

我也知道可以把光纤圆环的运动分解为平动和转动,但到底怎么推导出公式啊!
 [27楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2008/02/19 20:13 

德民兄可能是考虑太多,所以把问题复杂化了。
转动很好推导啊,按照书上的方法不就行了?

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 [28楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/02/19 20:15 

也许可以把小圆的某一半径作为一个矢量来分析,分析其运动轨迹,
大概就可以分解出平动部分和转动部分了?
[楼主]  [29楼]  作者:hudemi  发表时间: 2008/02/19 20:19 

老杨,
单纯的光纤轨迹问题好说,问题是还有一个光纤内的受以太风影响的光速问题,这才是难点。只有两者结合才能求出时间值。
 [30楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2008/02/19 20:20 

对【28楼】说:
    看来大家都是意犹未尽,我还是先“观战”,看八仙过海,各位尽情发挥吧。

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