LabVIEW在光速測定實驗中的應用*

冉俊霞 葛大勇

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

張少朋

(河北大學體育教學部 河北 保定 071002)

1 引言

光的傳播速度是一個極其重要的物理量，因此光速的測定也是物理學中一個十分重要的課題.最初的測量光速都是采用天文學的方法的，比如1676年科學家利用木星衛星的木食現象來計算光速；在實驗室中，由于受場地和空間的限制，測量光速的實驗室方法主要有旋轉齒輪法、旋轉棱鏡法、微波諧振腔法等[1].隨著激光的問世，目前實驗室中一般采用的測量光速的方法是光拍頻法[2,3].但是實驗誤差主要產生在遠光程的測量過程和利用示波器觀察相位時人眼判斷的過程[4,5]，一般認為示波器觀察相位時人眼判斷產生的誤差一般在1%～3%.根據我們實驗室學生的測量結果，示波器觀察相位時人眼判斷產生的誤差一般在4%以上，甚至更高. 本文針對這一問題，在數據讀取和處理上進行了創新研究.

2 實驗原理

本實驗中采用的儀器為南京浪博科教儀器廠生產的LM2000C，如圖1所示.

圖1 LM2000C光速測量儀

光拍頻法測量光速的基本原理是利用施加在聲光晶體上頻率為F的超聲波，形成一個超聲位相光柵.激光束通過時發生衍射，從而產生頻差較小的不同頻率的光波，選取其中兩種頻率的光波，根據振動疊加原理，即兩列頻差較小，速度相同、同向傳播的簡諧波疊加即可形成拍.通過光探測器接收光的拍頻波，收到的光電流乃是一個平均值，即

(1)

式中g為探測器的光電轉換常數，Δω是與拍頻Δf=2F相應的圓頻率，(Δφ1-Δφ2)為初位相.由式(1)可知，光拍信號的位相與空間位置x有關，利用此關系，可以測量空間某兩點之間的光程差為ΔL，及兩點的光拍信號的位相差Δφ，根據式(2)即可測量出光速c

(2)

當Δφ=2π時，ΔL=Λ，即光程差恰為光拍波長，此時式(2)簡化為

c=ΔfΛ

(3)

使用LM2000C進行測量時，可以通過觀測李薩茹圖形或光波波形的變化來判斷，這就需要兩光波位相相差2π.實際測量中很難調節棱鏡小車使示波器上兩光波完全重合，這使最終測量結果出現較大的誤差.

實際測量時，遠程光和近程光的波形通常如圖2所示，即其位相差小于2π，此時二波形光程差小于Λ，光速可由式(4)計算.

圖2 二光拍信號波形的比較

(4)

3 利用LabVIEW進行數據處理

LabVIEW軟件中提供了多種波形處理函數，可以利用這些函數編程進行自動處理數據[4].如圖3所示，是我們編制的處理光速測定數據的前面板界面，圖4是后面板的程序.利用該程序，不管遠程光和近程光的位相差是否是整周期都可以進行處理.實驗時，改變棱鏡小車位置時，只需要將兩次的波形和小車移動的距離記錄下來就可以.將數據輸入前面板，將兩光波的波形數據存放到相應目錄，程序會自動讀取數據并進行處理.如圖3測量得到的光速為2.993 56×108m/s，其相對誤差為0.15%，而學生通過肉眼觀察位相差一次測量得到光速低時可達(2.61～2.94)×108m/s ，高時可達(3.05～3.20)×108m/s，其相對誤差一般在5%以上，甚至達到10%.因此，利用LabVIEW編程處理數據，大大降低了誤差.

圖3 數據處理前面板

圖4 后面板程序設計圖

程序中主要用到了濾波器、波峰檢測、單頻測量函數.如圖5、圖6所示.

圖5 波峰檢測函數

圖6 濾波器函數和單頻測量函數

濾波器可以將輸入的波形數據進行平滑濾波處理，提高信噪比；波峰檢測可以檢測波形數據的波峰及位置，單頻測量函數可以將波形數據的頻率計算出來，這樣就可以根據波峰和頻率直接計算出兩波形的位相差.

4 結束語

利用LabVIEW編制的光速測量數據處理程序，不僅減少了人為因素引起的誤差，使測量結果的精度大大提高，還鍛煉了學生計算機編程能力和利用計算機處理數據的科學素養.利用該方法還可以進一步改良光速測量儀，使其光程長度大大縮減，縮小儀器尺寸，使其更適宜在實驗室中運行.