【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

第一章光的传播（一）

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】

§1-5光的传播速度

【01】我们在前面已经讨论了光在同一种均匀媒质里传播的规律，现在要讨论光的传播速度有多大。

【02】在很早以前，人们都以为光的传播是不需要时间的，随着科学的发展，人们开始不满足于这种光速是无限大的看法，直到十七世纪末期，终于测出了光的有限速度的数值。

【03】意大利物理学家伽利略(1564~1642)首先作了测定光速的尝试：他叫一个人带着有开关的灯和计时的装置，站在一个山顶上，另一个合作者带着一个同样的灯，站在另一山顶上，两山顶之间的距离是经过实际测定的（图1·21）。实验开始时，这个人先开亮他的灯，同时记录下开灯的时刻 t₁；另一座山上的合作者看见他发来的灯光时，也马上开亮自已的灯；当他再看到对方发还的灯光时，马上记下这个时刻 t₂，这样他就知道了灯光来回经过两座山之间所需要的时间 t₂－t₁  。根据已知的两座山之间的距离 L 和时间 t₂－t₁，原则上就可以计算出光的速度   。但是，他的测定实际上并没有获得成功，因为伽利略所选择的两座山之间的距离只有 1.5 公里左右，而光的速度是非常大的，它往返这两座山之间所经历的时间，现在知道只需要十万分之一秒左右，这样短暂的时间，不是一个钟或表所能测量得出的；即使有这样精确的钟表，由于开灯、看表这些动作不可避免地也要引起误差，这些误差本身会比光在这两座山中间传播的时间大几万倍，所以，实验的结果也是不准确的。

【04】伽利略的实验给人们的启发是：光的速度是很大的，要测定它，一定需要更大的空间距离，或者用更精巧的实验装置。十七世纪中叶以后，科学家们沿着这两个方向继续探索测定光速的方法，果然获得了成功。

【05】第一个用增大距离的方法来测定光速获得成功的是丹麦的天文学家勒麦(1644~1710)，他是利用观测天体上的光现象和已知天体间的距离来测出光速的。

【06】第一个用改进实验装置和技巧的方法来测定光速获得成功的是法国的物理学家斐索(1819~1896)。和伽利略的方法相似，他也是利用光线在地面间来回传播来进行测定的，不过，他采用了以高速均匀转动的仪器装置来代替开灯、看表等动作，同时解决了计时上的困难，终于在地面上第一次测出了光的速度。

【07】继他们之后，还有许多学者不断改进方法，进一步精确地测出了光的速度，其中最重要的是实验物理学家迈克耳逊(1852~1931)所进行的测定。迈克耳逊的实验装置如图1·22所示。

【08】整个实验装置分别安装在两座距离已经精确测定好了的山顶上，在一座山顶上有：强光源 S，电动的旋转八面镜 M，望远镜筒 T 和直径是 60 厘米的大凹面镜 M' 等；在另一座山顶上安装一个平面镜。从强光源 S 发出的光，射到八面镜的一个镜面<1>上（这时八面镜是静止的），反射以后到达凹面镜 M'，经过凹面镜反射就到达另一座山顶的平面镜，再反射回凹面镜 M'，最后又射回到八面镜的另一个镜面<4>上，调节望远镜筒 T，使从镜面<4>反射回来的光线，恰好能进入望远镜筒被看见，这样实验装置就算调节好了。这时让带动八面镜的电动机转动起来，原来从望远镜筒中看得见的光线便立刻消失了，因为光线从镜面<1>、凹面镜和平面镜等反射回到八面镜上来时，镜面<4>已经转过去了一个角度，原来能够通过镜面<4>的反射而进入望远镜筒的光线，现在不再能够准确地射入望远镜筒 T 中；继续加快电动机的转动速度，使从镜面<1>反射出去的光线，经过一系列镜面的反射回到八面镜上来时，八面镜恰好转过去 1/8 周，即镜面<3>恰好转到原来静止时镜面<4>的位置上，这样，经过镜面<3>的反射，光线又能够进入望远镜筒中，于是在望远镜中又能够看见从 S 发出的光，记下这时候电动机每分钟的转数，就知道了转动 1/8 周所需要的时间，迈克耳逊根据这段时间和两山顶间的已知距离，就计算出了光在空气中的速度，进一步进行计算，就得出了光在真空中的传播速度：c＝299,796±4公里/秒【c＝299,796±4公里/秒，表示所测定出的数值是个近似值，这个近似值误差的绝对值，最大不超过 4 公里/秒】。

【09】迈克耳逊以后又有许多科学家对测定方法作了改进，根据近来 (1955 年) 比较准确的测定，在真空中光的传播速度是：c＝299,792.8±0.4公里/秒。随着人类认识的发展和科学技术的进步，测定光速的方法还将不断地改进，测定的结果也将更加精确；光的速度 c 是自然界重要的常数之一，准确地测定出它的数值是很重要的。

【10】在一般的情况，光在真空里的传播速度，可以约取作 300,000 公里/秒。可以看出，光的速度是很大的，它在 1 秒钟内所能通过的距离，在数值上大约相当于地球赤道周长的七倍半。

【11】实验和计算指出：光在透明媒质里的传播速度，比在真空里的小，法国物理学家傅科 (1819~1868) 曾经用很长的水管，测出了光在水里传播的速度，测得的数值约等于光在真空里传播速度的 3/4，即  。现在知道，光在空气里的传播速度比在真空里小 67 公里/秒 左右，这个数值比光速本身小许多，所以它们可以看成是近似相等的。光在水晶里的传播速度大约是在真空里传播速度的 2/3，光在金刚石里的传播速度大约是真空里的 2/5  。

习题1-5

1、太阳离开地球的距离是 1.5×10⁸ 公里，问太阳光射到地球上来需要多少时间？【500秒】

2、织女星离开地球的距离约等于 2.6×10¹⁴ 公里，当我们仰望天空，看见织女星所发出的光，实际上是多少年前发出的？【约27.5年前】

3、天文学上常用 1 光年（就是光在一年内所经过的距离）来做长度的单位，试用厘米把光年表示出来。北极星离开我们约 44 光年，问它离我们有多少公里？【4.16×10¹⁴公里】