【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過(guò)我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。?

第一章光的傳播（一）

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳；電荷的單位靜庫(kù)（1庫(kù)倫=3×10?靜庫(kù)）；電勢(shì)的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的。】

§1-5光的傳播速度

【01】我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)討論了光在同一種均勻媒質(zhì)里傳播的規(guī)律，現(xiàn)在要討論光的傳播速度有多大。

【02】在很早以前，人們都以為光的傳播是不需要時(shí)間的，隨著科學(xué)的發(fā)展，人們開始不滿足于這種光速是無(wú)限大的看法，直到十七世紀(jì)末期，終于測(cè)出了光的有限速度的數(shù)值。

【03】意大利物理學(xué)家伽利略(1564~1642)首先作了測(cè)定光速的嘗試：他叫一個(gè)人帶著有開關(guān)的燈和計(jì)時(shí)的裝置，站在一個(gè)山頂上，另一個(gè)合作者帶著一個(gè)同樣的燈，站在另一山頂上，兩山頂之間的距離是經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)定的（圖1·21）。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，這個(gè)人先開亮他的燈，同時(shí)記錄下開燈的時(shí)刻?t?；另一座山上的合作者看見他發(fā)來(lái)的燈光時(shí)，也馬上開亮自已的燈；當(dāng)他再看到對(duì)方發(fā)還的燈光時(shí)，馬上記下這個(gè)時(shí)刻 t?，這樣他就知道了燈光來(lái)回經(jīng)過(guò)兩座山之間所需要的時(shí)間 t?－t?? 。根據(jù)已知的兩座山之間的距離 L 和時(shí)間 t?－t?，原則上就可以計(jì)算出光的速度 ? 。但是，他的測(cè)定實(shí)際上并沒(méi)有獲得成功，因?yàn)橘だ运x擇的兩座山之間的距離只有 1.5 公里左右，而光的速度是非常大的，它往返這兩座山之間所經(jīng)歷的時(shí)間，現(xiàn)在知道只需要十萬(wàn)分之一秒左右，這樣短暫的時(shí)間，不是一個(gè)鐘或表所能測(cè)量得出的；即使有這樣精確的鐘表，由于開燈、看表這些動(dòng)作不可避免地也要引起誤差，這些誤差本身會(huì)比光在這兩座山中間傳播的時(shí)間大幾萬(wàn)倍，所以，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。

【04】伽利略的實(shí)驗(yàn)給人們的啟發(fā)是：光的速度是很大的，要測(cè)定它，一定需要更大的空間距離，或者用更精巧的實(shí)驗(yàn)裝置。十七世紀(jì)中葉以后，科學(xué)家們沿著這兩個(gè)方向繼續(xù)探索測(cè)定光速的方法，果然獲得了成功。

【05】第一個(gè)用增大距離的方法來(lái)測(cè)定光速獲得成功的是丹麥的天文學(xué)家勒麥(1644~1710)，他是利用觀測(cè)天體上的光現(xiàn)象和已知天體間的距離來(lái)測(cè)出光速的。

【06】第一個(gè)用改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和技巧的方法來(lái)測(cè)定光速獲得成功的是法國(guó)的物理學(xué)家斐索(1819~1896)。和伽利略的方法相似，他也是利用光線在地面間來(lái)回傳播來(lái)進(jìn)行測(cè)定的，不過(guò)，他采用了以高速均勻轉(zhuǎn)動(dòng)的儀器裝置來(lái)代替開燈、看表等動(dòng)作，同時(shí)解決了計(jì)時(shí)上的困難，終于在地面上第一次測(cè)出了光的速度。

【07】繼他們之后，還有許多學(xué)者不斷改進(jìn)方法，進(jìn)一步精確地測(cè)出了光的速度，其中最重要的是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家邁克耳遜(1852~1931)所進(jìn)行的測(cè)定。邁克耳遜的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1·22所示。

【08】整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置分別安裝在兩座距離已經(jīng)精確測(cè)定好了的山頂上，在一座山頂上有：強(qiáng)光源 S，電動(dòng)的旋轉(zhuǎn)八面鏡 M，望遠(yuǎn)鏡筒 T 和直徑是 60 厘米的大凹面鏡 M' 等；在另一座山頂上安裝一個(gè)平面鏡。從強(qiáng)光源 S 發(fā)出的光，射到八面鏡的一個(gè)鏡面<1>上（這時(shí)八面鏡是靜止的），反射以后到達(dá)凹面鏡 M'，經(jīng)過(guò)凹面鏡反射就到達(dá)另一座山頂?shù)钠矫骁R，再反射回凹面鏡 M'，最后又射回到八面鏡的另一個(gè)鏡面<4>上，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡筒 T，使從鏡面<4>反射回來(lái)的光線，恰好能進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡筒被看見，這樣實(shí)驗(yàn)裝置就算調(diào)節(jié)好了。這時(shí)讓帶動(dòng)八面鏡的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，原來(lái)從望遠(yuǎn)鏡筒中看得見的光線便立刻消失了，因?yàn)楣饩€從鏡面<1>、凹面鏡和平面鏡等反射回到八面鏡上來(lái)時(shí)，鏡面<4>已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)去了一個(gè)角度，原來(lái)能夠通過(guò)鏡面<4>的反射而進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡筒的光線，現(xiàn)在不再能夠準(zhǔn)確地射入望遠(yuǎn)鏡筒 T 中；繼續(xù)加快電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使從鏡面<1>反射出去的光線，經(jīng)過(guò)一系列鏡面的反射回到八面鏡上來(lái)時(shí)，八面鏡恰好轉(zhuǎn)過(guò)去 1/8 周，即鏡面<3>恰好轉(zhuǎn)到原來(lái)靜止時(shí)鏡面<4>的位置上，這樣，經(jīng)過(guò)鏡面<3>的反射，光線又能夠進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡筒中，于是在望遠(yuǎn)鏡中又能夠看見從 S 發(fā)出的光，記下這時(shí)候電動(dòng)機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，就知道了轉(zhuǎn)動(dòng) 1/8 周所需要的時(shí)間，邁克耳遜根據(jù)這段時(shí)間和兩山頂間的已知距離，就計(jì)算出了光在空氣中的速度，進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算，就得出了光在真空中的傳播速度：c＝299,796±4公里/秒【c＝299,796±4公里/秒，表示所測(cè)定出的數(shù)值是個(gè)近似值，這個(gè)近似值誤差的絕對(duì)值，最大不超過(guò) 4 公里/秒】。

【09】邁克耳遜以后又有許多科學(xué)家對(duì)測(cè)定方法作了改進(jìn)，根據(jù)近來(lái)?(1955?年)?比較準(zhǔn)確的測(cè)定，在真空中光的傳播速度是：c＝299,792.8±0.4公里/秒。隨著人類認(rèn)識(shí)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測(cè)定光速的方法還將不斷地改進(jìn)，測(cè)定的結(jié)果也將更加精確；光的速度 c 是自然界重要的常數(shù)之一，準(zhǔn)確地測(cè)定出它的數(shù)值是很重要的。

【10】在一般的情況，光在真空里的傳播速度，可以約取作?300,000?公里/秒?？梢钥闯?，光的速度是很大的，它在?1?秒鐘內(nèi)所能通過(guò)的距離，在數(shù)值上大約相當(dāng)于地球赤道周長(zhǎng)的七倍半。

【11】實(shí)驗(yàn)和計(jì)算指出：光在透明媒質(zhì)里的傳播速度，比在真空里的小，法國(guó)物理學(xué)家傅科?(1819~1868)?曾經(jīng)用很長(zhǎng)的水管，測(cè)出了光在水里傳播的速度，測(cè)得的數(shù)值約等于光在真空里傳播速度的?3/4，即? ?，F(xiàn)在知道，光在空氣里的傳播速度比在真空里小 67 公里/秒 左右，這個(gè)數(shù)值比光速本身小許多，所以它們可以看成是近似相等的。光在水晶里的傳播速度大約是在真空里傳播速度的 2/3，光在金剛石里的傳播速度大約是真空里的 2/5? 。

習(xí)題1-5

1、太陽(yáng)離開地球的距離是 1.5×10? 公里，問(wèn)太陽(yáng)光射到地球上來(lái)需要多少時(shí)間？【500秒】

2、織女星離開地球的距離約等于 2.6×101? 公里，當(dāng)我們仰望天空，看見織女星所發(fā)出的光，實(shí)際上是多少年前發(fā)出的？【約27.5年前】

3、天文學(xué)上常用 1 光年（就是光在一年內(nèi)所經(jīng)過(guò)的距離）來(lái)做長(zhǎng)度的單位，試用厘米把光年表示出來(lái)。北極星離開我們約 44 光年，問(wèn)它離我們有多少公里？【4.16×101?公里】