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当前位置:第一节 光的直线传播 光速
作者：未知来源：中央电教馆时间：2006/4/5 10:03:01阅读：nyq
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最早测出光速的人
光学里有一个常数，即光在真空（或空气）中的传播速度为3 ×105千米/秒,你知道这个常数最早是怎样测出的吗?
1609年，意大利科学家伽利略制造出了世界上第一架天文望远镜，并用这架望远镜发现了大量新天体，其中有木星的四颗卫星．后来经过探测证实，每颗卫星绕木星运行的周期都是不变的．
1676年，法国天文学家罗默观察木星的卫星的运动达6个月之久．他仔细地测定其中一颗卫星出现在轨道每个位置上的时间，发现这颗卫星在预定位置上出现的时间逐渐推迟．后来，他又发现木星的卫星到达预定位置的时间要比开始观察时晚了16分钟，此后他又惊奇地发现木星的卫星出现时间又逐渐提前了．这究竟是怎么回事呢？罗默经过认真思考，终于揭开了这个谜底．他认为木星的卫星绕它运行一周的时间是不变的，卫星每次出现在预定位置上的时间也应该一样，之所以会发生时间推迟和提前的现象，是因为木星反射出的光传播到地球需要时间．当地球离木星近时，木星及它的卫星反射光就到得早；当地球离木星远时，其反向光到达地球的时间就晚．而6个月正好是地球绕太阳运行半周的时间．地球对应这段时间的位置移动为地球到太阳距离（93×106英里）的2倍，于是他得出这样的结论：光大约花16分钟才走完这段距离差．罗默据此推算出光在真空（或空气）中的传播速度．
这个结果与用现代科学技术所测定的值是很接近的，罗默由此而成为第一个测得光速的人．
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最早的光学实验
世界上最早的光学实验，是我国二千四五百年前，由杰出科学家墨翟和他的学生进行的．
在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就出现了一个倒立的人影．为什么会出现这奇怪的现象呢？墨家解释说，这是因为光线像射箭一样，是直线进行的．人体下部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在上边；人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在下边，就成了倒立的影．并且还指出，人的位置离墙壁由远及近，暗室里的影也由小变大，倒立在墙上．这在世界上是对光直线传播的第一次科学解释．
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首次测量地球的大小
自从人类知道自己居住的大地是一个巨大的圆球后，就有人试图测量地球的大小．世界上第一个给地球测量“身材”的人，是埃及图书馆馆长埃拉托色尼．他利用太阳光线在两个地方“一正一斜”照射的现象，不仅说明了大地是球形的，而且巧妙地计算出了地球的大小．
埃拉托色尼测量地球大小的方法既简单又科学．在6月21日（夏至日）这一天，阳光直射埃及南部小镇塞恩的时候，他在埃及北部海滨亚历山大城的地面上竖立一根杆子，由于这里的阳光是斜射的，因此杆子在地面上留一段影子．把阴影的顶点和杆子的顶端连接起来，影子、杆子和连线就成了一个直角三角形．青少年朋友们不妨画一画，这个三角形的顶角十分接近地球中心与塞恩和亚历山大城连线所夹的圆心角．
他测出这个顶角等于7°，大约是地球圆心角360°的1／50．那么从塞恩到亚历山大城这段圆弧也应是地球圆周的1／50．当时已知两城的距离是800千米，这样就能算出整个地球的周长是800千米×50=40000千米，据此他又算出了地球的直径是12800千米．为什么？
埃拉托色尼计算出这些数据，他自己也大吃一惊．地球真有这么大吗？是不是计算错了．当时还有很多人不相信大地是球形的，因而他的计算结果也就石沉大海了．直到1522年，麦哲伦的船队完成了环球航行后，人们才发现，埃拉托色尼在1000多年前算出的地球大小是对的．
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激光准直
激光由于具有亮度高、方向性强、单色性好，相干性强等特点，在工程、医疗等方面得到了广泛的应用。这里仅就基本建设工程的施工测量中的应用作简单介绍。
在基建工程中，为保持施工作业的质量，常常需要提供较高精度的横向、竖直基准线。以激光束作基准线精度在±1毫米以内的作业，称为激光准直。
激光准直，需要激光发射角控制得很小，使光束尽量集中，以获得尽可能长的准直距离。
1、在开凿地下隧道工程中，过去用普通光学经纬仪等仪器，在人工照明条件下，设立桩标，建立基准线。这种方法一方面需要不断停工，影响掘进速度；另一方面在照明不足、粉尘浓度大的情况下，测程短，需要测的次数多，质量也不易得到保证。而在地铁、隧道工程中，应用激光准直，激光束可达300米远，并且亮度大，看得清楚；也便于用光电检测自动控制调整掘进机的方向。在大型掘进中，还可增加激光束的数量，当激光束较多时，可形成开掘面的轮廓，保证工程质量。
2、在大型建筑施工中，经常有大面积饰面板安装工程，如大理石贴面、地板安装等。在这种情况下，利用激光束作基准线，可以提高精度。
毛主席纪念堂柱廊有44根柱子，每边12根，用大块的经过刨床加工过的花岗石作饰面，为了使12根廊柱外饰面共在一个铅直面上，采用了激光准直仪为最下面的两列石板准直。施工中，先使仪器发出的激光束与柱列中心线平行（如图），再以激光束作为检查每根柱上花岗石板共铅直面的基准，可保证各石板共铅直面精度达到毫米量级。
在面积大、人员多、交通频繁的施工场合，激光准直线不怕碰、不怕风、不妨碍交通，使用方便、准确可靠。
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巧用光影关系的无影灯
影子是光照射物体形成的．地球上各处的影子是不同的．北极圈里是影子的“大人国”，因为那里的太阳光斜照，影子在茫茫雪原上伸展得很远；赤道地带是影子的“小人国”，因为那里的太阳高悬天空，影子变得很小．
仔细观察电灯光下的影子，还会发现影子中部特别黑暗，四周稍浅．影子中部特别黑暗的部分叫本影，四周稍浅．影子中部特别黑暗的部分叫本影，四周灰暗的部分叫半影．这些现象的产生都和光的直线传播有密切关系．
假如把一个柱形茶叶筒放在桌上，旁边点燃一支蜡烛，茶叶筒就会投下清晰的影子
．如果在茶叶筒旁点燃两支蜡烛，就会形成两个相叠而不重合的影子．两影相叠部分完全没有光线射到，是全黑的，这就是本影；本影旁边只有一支蜡烛可照到的地方，就是半明半暗的半影．如果点燃三支甚至四支蜡烛，本影部分就会逐渐缩小，半影部分会出现很多层次．物体在电灯光下能生成由本影和半影组成的影子，也是这个道理．电灯是由一条弯曲的灯丝在发光，不只限于一点．从这一个点射来的光给物体遮住了，从另一些点射过来的光并不一定全被挡住．很显然，发光物体的面积越大，本影就越小．如果我们在上述茶叶筒周围点上一圈蜡烛，这时本影完全消失，半影也淡得看不见了．
科学家根据上述原理制成了手术用的无影灯．它将发光强度很大的灯在灯盘上排列成圆形，合成一个大面积的光源．这样，就能从不同角度把光线照射到手术台上，既保证手术视野有足够的亮度，同时又不产生明显的本影，所以取名无影灯．