一种基于LC振荡电路的光速测量方法与流程

本发明属于物理常数测量技术领域，尤其涉及一种基于lc振荡电路的新型光速测量方法。

背景技术：

光速的测定在光学的发展史上具有非常重要的意义，它不仅推动了光学实验的反站，也打破了光速无限的传统观念；在物理学理论研究的发展里程中，它不仅为粒子说和波动说的争论提供了判定的依据，而且最终推动了爱因斯坦相对论理论的发展。

光速测量的历史最早可追溯至1629年艾萨克·毕克曼(beeckman)提出一项试验，一人将遵守闪光灯一炮反映过一面镜子，约一英里。伽利略认为光速是有限的，1638年他请二个人提灯笼各爬上相距仅约一公里的山上，第一组人掀开灯笼，并开始计时，对面山上的人看见亮光后掀开灯笼，第一组看见亮光后，停止计时，这是史上著名的测量光速的掩灯方案，这种测量方法实际测到的主要只是实验者的反应和人手的动作时间；1676年，奥勒·罗默从木星卫星的观测，得出光速为有限值的结论。观测证实了他的预言，据此，惠更斯推算出光速约为2×108m/s；1728年，布拉德雷根据恒星光行差求得c＝3.1×108m/s；1849年，斐索用旋转齿轮法求得c＝3.153×108m/s；1862年，傅科用旋转镜法测空气中的光速，原理和斐索的旋转齿轮法大同小异，他的结果是c＝2.98×108m/s；第三位在地面上测到光速的是考尔纽(m.a.cornu)。1874年他改进了斐索的旋转齿轮法，得c＝2.9999×108m/s；之后迈克耳逊改进了傅科的旋转镜法，多次测量光速，并于1879年得c＝(2.99910±0.00050)×108m/s，1882年得c＝(2.99853±0.00060)×108m/s，后来，他综合旋转镜法和旋转齿轮法的特点，发展了旋转棱镜法，1924～1927年间，得c＝(2.99796±0.00004)×108m/s，迈克耳逊在推算真空中的光速时，应该用空气的群速折射率，可是他用的却是空气的相速折射率，这一错误在1929年被伯奇发觉,经改正后,1926年的结果应为c＝(2.99798±0.00004)×108m/s＝2997984±4km/s；后来，由于电子学的发展，用克尔盒、谐振腔、光电测距仪等方法，光速的测定，比直接用光学方法又提高了一个数量级；60年代雷射器发明，通过使用稳频雷射器大大降低了光速测量的不确定度；1973年达0.004ppm，终于在1983年第十七届国际计量大会上作出决定，将真空中的光速定为精确值，即c＝299792458m/s。

然而，上述光速测量方法均比较复杂，无法快速有效地进行光速测量和计算，并且受测量装备影响测量精度有待提高。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种基于lc振荡电路的光速测量方法，该方法包括如下步骤：

a、根据所述lc振荡电路获取lc振荡周期t、电感l、电容c：其中n为lc振荡电路中电感的匝数、a为lc振荡电路中电感的横截面积、l为lc振荡电路中电感的长度、ε0是真空介电常数、μ0是真空磁导率、r1为lc振荡电路中电容的内半径、r2为lc振荡电路中电容的外半径；

b、根据所述步骤a中振荡周期t、电感l、电容c计算关系获得其中斜率

c、对所述lc振荡电路的振荡周期t、电感参数(n²/l)取样，对振荡周期的平方值(t²)、电感参数(n²/l)进行线性拟合，获得所述斜率k的取值；

d、根据公式及所述步骤c中获得的所述斜率k的取值计算ε0μ0的值，基于所述ε0μ0的值计算光速

进一步地，所述lc振荡电路包括函数信号发生器、电感器、电容器、示波器，所述函数信号发生器为方波发生器，所述电容器为球形电容。

本发明基于lc振荡电路对光速进行测量，有效降低了对光速测量的复杂度，提高了测量精度，降低了误差率。由于采用球形电容，没有边缘效应，降低了实验误差。方法简单，成本低廉。

附图说明

图1是本发明中的lc振荡电路

图2是振荡周期t的平方值与电感参数的线性拟合关系示意图

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。光是一种电磁波，根据麦克斯韦方程组可以推出电磁波的速度为ε0是真空介电常数μ0是真空磁导率(μ0＝4π×10^-7)，本发明技术方案就是间接测出ε0μ0的积，再根据计算出光速。

实验电路如图1所示，图1为一个lc振荡电路，其包括函数信号发生器、电感l、电容c和示波器，其振荡周期其中n为lc振荡电路中电感的匝数、a为lc振荡电路中电感的横截面积、l为lc振荡电路中电感的长度、ε0是真空介电常数、μ0是真空磁导率、r1为lc振荡电路中电容的内半径、r2为lc振荡电路中电容的外半径；根据得出下式(1)：

t²＝4π²lc——(1)

将l和c代入，得

改变(2)式中的t²将随之线性变化，可知直线的斜率为

如图2所示，通过示波器读出lc电路的振荡周期t，改变lc电路中电感l的参数，再次从示波器上读出周期t，改变一次电感的参数对应读出一个周期t，这样就可以取出多个点用matlab编程拟合出一条直线，得到斜率k的取值。示波器读数/单位：微秒

接入球形电容：

不接入球形电容：

数据处理：

纵轴：

t²＝[41.986463.764185.5143100.7579116.8159]

横轴：

试验中数据的处理用到了matlab软件，得到直线的斜率k＝8.399×10^-17，最终计算得到实验结果c＝2.9845×10⁸m/s。

实验证明本方法测量光速方便快捷，误差较小。误差主要是球形电容的直径测量带来的误差和波形衰减所带来的示波器上读数误差。实验结果表明，实验的误差控制在理想预期的范围内，通过lc电路间接测量光速的方法是可行的。上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。