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一个电磁波速度变不变的实验
[楼主] 作者:混天下第一  发表时间:2011/08/15 23:01
点击:465次

                 一个电磁波速度变不变的实验

       我们学过的波长,频率和波速之间的关系式,即λ=VT,对电磁波(包括光)同样适用。光速等于波长与频率的乘积即c=λf.根据c=λf,知道频率不变时,波长变长时,光速变大,波长变短时,光速变小;波长不变时,频率变大,光速变大,频率变小,光速变小。

    我们不改变电磁波的频率,改变电磁波的波长使其变长或者变短,,波速(包括光速)会变大或变小吗?举例,光在真空中的速度c=3×10^8米/秒,空气里的光速跟真空里的相差很少;水里的光速大约是真空里的四分之三;水晶里的光速大约是真空里的三分之二;金刚石里的光速大约是真空里的五分之二。电磁波的频率不变时,改变电磁波的波长,可以使电磁波的速度变大或变小。同样,电磁波的波长不变时,电磁波的频率变大或变小时,可使电磁波的速度变大或变小。

    根据经典电磁理论,电磁波的频率与光源的振动有关,光源的振动频率就是电磁波的频率,与另外的物体例如远离光源的观察者无关;而光是符合多普勒效应的,根据多普勒效应,(当光源向你快速运动时,光的频率会增加,表现为光的颜色向蓝光方向偏移(因为在可见光里,蓝光的频率高),即光谱出现蓝移;而当光源快速离你而去时,光的频率会减小,表现为光的颜色会向红光方向偏移(因为在可见光里,红光的频率低),即光谱出现红移。当光源静止,观察者向光源运动时候,光的频率会增加;而观察者远离光源运动时光的频率会减小。)光波的频率会发生变化。所以经典电磁理论说的是物体发出的光的频率,而多普勒效应说的是相对于观察者的光波的频率,两者都是对的。那么在多普勒效应中,如果,光波的波长不变,物体发出的光在观察者看来速度就会发生变化,是不是?是的。

    那么,在多普勒效应中,波长发生变化吗?我们可以做个实验。

    根据光速不变原理,多普勒效应中,波长应发生变化。我认为不变(对光速不变更多的理解见《从时间角度看光速》)。可根据不同频率的电磁波有没有同一波长,验证光速变不变。这里的不同频率指的是相对于光源发出的光的频率是一样的。光波的波长是多大呢?我们可以利用光的干涉来测定光波的波长。

  • 在双缝干涉实验中,我们知道,被光照射的两条狭缝s1和s2相当于两个波源(图18-8),两列相干的光波在狭缝右边的空间叠加。s1和s2到屏上p点的距离相同,所以两列波在这点同时出现波峰或波谷,p点的光波得到加强,在这里出现一个亮条。(高二物理155页)在p点上方,例如p1,它距s2比距s1远一些,两列波的波峰或波谷不再同时到达p1,时间差依路程差d的大小而变。如果路程差正好是半个波长,也就是说,时间差正好是半个周期,那么当一列波的波峰到达p1时,另一列波正好在这里出现波谷,两列波叠加的结果是相互削弱,于是这里出现暗条。对于更远一些的点,例如p2,来自两个狭缝的光波的路程差d更大。如果路程差正好等于波长λ,那么两列光波的波峰或波谷又是同时到达这点,它们又在这里互相加强,这里再次出现亮条。距离屏幕的中心越远,路程差越大。每当路程差等于0,λ,2λ,3λ时,两列光就得到加强,屏幕上出现亮条。

       我们可以根据双缝干涉实验得出,x=λh/s1s2 。x为相邻两条明条纹或暗条纹间的距离,h是双缝到屏的距离,s1为双缝间的距离,由此我们可得出单色光的波长。

      如果光源向屏运动,我们也可由此得出波长λ的大小。也可比较屏上明暗条纹间的距离的变化。

      根据光的多普勒效应我们得出光的频率发生变化,根据光速不变原理,c=fλ,得出波长λ发生变化实验结果,波长没变,屏上明暗条纹间距离没变化。(当然有可能操作失误,又可能光源运动速度过慢。)假设光源向屏运动速度v等于光速三分之二,四分之三,二分之一,等于c,这时波长应该变化很大,我却认为波长还是不会变,还是观察到波长不变。这与经典的或相对论的多普勒效应公式不符。

      如何解释波长不变呢?根据爱因斯坦相对性原理,惯性系里电磁规律都一样,光源的运动对波长没有影响。根据经典电磁理论,光在不同透明媒质中,波长不同;在同一透明媒质(或真空中)中波长不变。(对于确定的介质,波的传播速度V是一个定值。所以,当波在某一确定的介质中传播时,它的波长λ与它的周期成正比(与频率成反比)。即波的频率越高,周期越小,其波长越短;反之,波的频率越低,周期越大,其波长越长。波的频率一定时,波长一定。这里波的频率指的是相对于波源说的,与波源的频率同.)

  • 多普勒效应中,光的频率为什么会变化呢?为了了解多普勒效应,可以做这样一个模拟实验。让一队人沿街行走,观察者站在街边不动,每秒有9个人从他身边通过。这种情况下的"过人频率"是9人/秒.如果观察者逆着队伍行走,每秒和观察者相遇的人数增加,也就是频率增加;反之,如果观察者顺着队伍行走,频率降低。对于声波说,当观察者与声源相对静止时,声源的频率不变;然而观察者与声源之间相对运动时,则听到的声源频率发生变化。最后他总结:观察者与声源的相对运动决定了观察者所收到的声源频率。在声源移向观察者时接收频率变高,而在声源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。因此,定量分析得到f1=(v+v0)/(v-vs)f ,其中v表示静止声源的声波在介质中的传播速度,vs为声源相对于介质的速度,v0为观察者相对于介质的速度,f表示声源的固有频率. 当观察者朝波源运动时,v0取正号;当观察者背离波源(即顺着波源)运动时,v0取负号. 当波源朝观察者运动时vs前面取负号;前波源背离观察者运动时vs取正号. 从上式易知,当观察者与声源相互靠近时,f1>f ;当观察者与声源相互远离时,f1<f.有v=λf,λ=v/f,得λ=λ,即波长相等。有模拟实验知道,正是由于波长不变,两个波峰之间的波段不变,经过观察时所用时间才发生变化,波源的频率在观察者看来会不同,波的速度会不同,并且速度与频率之比相等。

    电磁波(微波)传向观察者,a,b两观察者在同一点上,a静止,b向后运动。 根据多普勒效应,b要比a晚收到波信号。b单位时间内收到的波峰(或波谷)数减少,好比a收到三个波峰时,b收到两个;a收到两个波峰时候,b收到一个波峰;a收到一个波峰时,b没有收到波峰.由光双缝干涉实验得光速会变,符合经典速度合成定律。

     以上光双缝干涉实验结果,属个人行为,不是真理。需要大家验证。

 

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