4-4 光真的是電磁波嗎？ - Week 4 電與磁的完美結合| Coursera

Video created by 国立台湾大学for the course "普通物理學-電磁學、光學及近代物理(General Physics (1))". 第四講的主題是「電磁波」，這一講描述十九世紀下半葉， ... List4-4光真的是電磁波嗎？Loading...普通物理學-電磁學、光學及近代物理(GeneralPhysics(1))国立台湾大学FilledStarFilledStarFilledStarFilledStarFilledStar4.8（23個評分） | 8.1K名學生已註冊免費註冊此課程視頻腳本物理學是描述世上質量與能量交互作用的學問，在這門課中我們將為大家介紹近代物理對於世界的認識。

我們會從電磁學出發，進展到光學，並進而說明近代物理對人類觀念的突破。

查看授課大綱審閱FilledStarFilledStarFilledStarFilledStarFilledStar4.8（23個評分）5stars91.30%4stars4.34%1star4.34%從本節課中Week4電與磁的完美結合第四講的主題是「電磁波」，這一講描述十九世紀下半葉，由馬克士威領軍，對人類理解世界的概念產生重大影響的過程，非常精彩。

雖然會用稍微多一點數學，但是希望各位能夠從中間看出對稱性的美妙。

以及能夠理解馬克士威如何透過對於數學形式的思考，發現電磁可以形成波動的概念。

因此可以知道，數學真的是描述物理非常重要的語言。

4-0關於人生的追求8:554-1電與磁的交互作用19:194-2什麼是波？10:484-3電磁波16:144-4光真的是電磁波嗎？15:414-5電磁波紀元的誕生18:34教學方朱士維教授(Professor)以免費的價格試聽課程大家好，歡迎回到電磁學的部分。

那麼我們剛剛呢跟各位提的部分呢是Maxwell透過他的方程式呢來預測了光可能是一種電磁波。

那麼他的預測的概念呢是因為他的方程式所推導出來的波速跟量出來的光速非常接近。

所以呢這一節裡面要為各位介紹到底怎麼量光速，還有Maxwell的比較使得他獲得了一個非常重要的一個對電磁波的一個理解。

那麼光到底需不需要時間來傳播呢？在十七世紀以前呢絕大部分的人呢都認為光速是無限快的，所以一些早期的物理學家呢，包括培根，包括科普勒，包括笛卡爾這些人呢他們事實上都認為光速是無限的。

不過呢到了Galileo的時代呢，伽利略認為光速可能是有限的，所以他純粹只是這樣猜想而已。

那麼呢他試圖量光的速度，怎麼做呢？他找了兩個人呢提燈籠爬上一個相距大概一公里的山頂上面，那麼呢第一個人呢先開燈籠，然後開始計時，那個時候計時就是-把沙漏轉過來，另外一個人呢看見亮光之後呢他就也把燈籠打開，然後換第一個人呢，等到他看到對面那個人的燈籠放亮之後呢他就把計時停下來，把沙漏擺平，這樣就不會再計時了，這個呢是Galileo對於測量光速的一個所謂的掩燈的方法。

但是因為呢他們距離很短，而且光速實在太快，所以這個實驗呢並沒有成功。

不過Galileo大概是第一個猜想認為光速可能不是無限快的人。

那麼呢在我們在說明後面的量測方法之前呢，我們先這樣停下來想想看，如果是你要量一個跑得很快的東西的速度譬如說像子彈好了，有沒有什麼可能的方法可以量到這麼高速的東西呢？可能最簡單的方法是讓它跑很遠，如果跑很遠呢，然後我又有一個蠻準的碼表，量時間，譬如說我在遠方放一個靶，然後很精準地量子彈"砰"射出去的時間跟"磅"打到那個靶的時間，然後把槍跟靶的距離呢用來除上這個時間呢我就得到這個子彈的速度，這個可能是一個做法。

那麼有另外一個很神奇的方法呢，可能平常比較沒有聽過的，叫做所謂的頻閃觀測，stroboscope，那什麼意思呢？這個概念有點像這個示意圖一樣，在這個示意圖裡面呢，最左邊有一個物體不斷地在旋轉，那麼右邊呢有兩個暗的屏幕，然後偶爾會閃光一下。

假設你說在閃光的那個瞬間才看得到物體，所以呢如果加上不同頻率的閃光你就可以看到物體在不同瞬間的位置，那麼在中間這個panel呢，在中間這個熒幕呢看得出來是它的閃光的頻率呢跟這個物體轉的週期一樣，所以每次閃的時候呢看到的都是那個物體在正上方的位置。

而在最右邊呢它閃的時間呢就不是剛好是週期的整數倍，所以你每次閃的時候就看到這個物體呢在不同的位置。

那麼如果呢你可以知道非常精準的閃光間隔的時間，然後再加上看到它不同的位置呢，有了這個位置跟時間的關係你就可以，也可以求出物體的速度。

那麼例如呢現在有很多講自由落體的圖，譬如說在網路上也可以找到像這樣的圖，這裡面呢你就會看到水滴"嘟嘟嘟"一個一個掉下來，為什麼會看到一個一個的水滴呢？這就-是利用頻閃攝影的概念，所以我們高速的閃光去拍攝的時候呢只會看到閃光亮的那個瞬間物體在哪裡，那麼從分析物體的位置跟你知道閃光的頻率這件事情你就可以得到這個物體跑的速度。

那麼頻閃觀測這個概念呢也可以用來做動畫的效果，基本上呢早期有些所謂的電影動畫就是用這個方式做的，所以呢這邊呢放一個鏈接是Pixar教大家怎麼樣用這個頻閃的概念來做影片，歡迎大家來參考。

那麼我們剛剛講這個概念呢從這個裡面我們可以想出來，如果你要量到一個非常高的速度呢你需要幾個重要的參數？第一個是呢你的時間要量的準，第二個是你的距離要量的準，第三個是你要看得見那個東西-在哪裡。

對不對？所以我們要從這些要素呢我們來想想看，要怎麼樣可以測量光速。

那麼在前面有提過說最簡單的方法還不是頻閃的概念，最簡單的方法是讓它跑很遠，然後我們來量所以跑很遠，要讓光跑很遠，最簡單的場域就在天空上所以我們可以觀察天空上的星體，來看看能不能從這裡邊推斷出來光的一個行進速度。

不過剛剛有三個要求是你要看得見，要有時間，要有距離。

所以以天空上的星體來說，看得見沒問題，可是你要怎麼知道時間跟距離呢？所以呢這個就是1676年呢法國天文學家羅默他利用木星的衛星來測定光速的一個概念。

他怎麼知道時間跟距離？他發現呢木星有一顆衛星，它的公轉軌道呢大概是42.5小時，所以呢這個公轉軌道可以幫助你來計算時間。

那麼它會有一個軌道的原因是它可以計算時間的原因呢是因為這個行星在轉的時候呢會跑到木星的陰影後面去，就像這個CD這個位置一樣，所以呢這個衛星轉轉轉轉會不見，然後過一段時間之後又出現，然後再過42.5小時後又不見，所以呢他可以用這個不見的這個週期呢來當作時間的標準，那麼那距離怎麼知道呢？那麼羅默的距離的概念是這樣子，他觀測到一個很有趣的現象，當地球在不同的位置的時候呢，在這個圖裡面呢這個大圈是地球繞太陽的公轉的軌道。

那麼他發現呢當地球在最靠近木星的位置的時候，譬如說是H這個位置最靠近的時候呢，這個公轉每次不見的這個週期呢剛剛好是42.5小時，可是呢當地球遠離木星的時候呢，就譬如說LK這個位置，當地球已經跑到別的地方離木星比較遠的時候呢，這個週期竟然就會慢慢的變長。

所以他認為呢這個就是因為木星跟地球的距離增加，使得光這個信號跑到地球要花更多的時間。

所以用這樣非常巧妙的想像呢他推論出呢光速是地球公轉軌道速度的九千三百倍。

我們現在知道的呢是光的速度是地球公轉速度的一萬零壹佰倍，這兩個之間呢差不到10percent，所以已經是非常非常接近了，那麼你要想像這件事情他在當年是沒有任何先進的儀器，純粹就靠簡單的望遠鏡觀察一個星體的現象，所以在研究一件事情的時候呢最重要的往往不是你有多少錢能夠買多好的儀器，而是你有沒有那個巧思跟那個觀察的能力，能夠從生活中找尋到可能的解-決方案。

那麼另外一個利用天文學上非常巧妙的方法呢叫做天文光行差，光行差是什麼意思呢？光行差意思是說如果遠方有個光源，那麼靜止的觀察者看到光的角度可能是十度，可是呢如果這個觀察者同時還在往前進，在跑的話呢這個在往前進的觀察者，有一個速度的觀察者，他所看到的那個遠方光源進來的角度呢就會跟靜止觀察者的角度有一點點偏差，這個現象叫做光行差。

那麼在1728年呢Bradley他就利用這樣的一個光行差的概念來推論光的速度，他也是先猜如果光速是有限的話，那麼地球，因為地球在公轉，這個時候那時候已經知道這件事情了，地球在公轉的時-候在軌道速度呢會使得抵達地球的星光會有一個小角度的偏折，這就是光行差的概念。

而他真的量到大概只有兩百分之一度這麼大的差異，就是一點點這樣的角度的差異，然後他根據這個一點點角度這個差異呢他推論呢光速應該是地球公轉速度的12100倍，也就是說光從太陽到地球，他那時候推論的概念是光從太陽到地球呢大概要跑八分十二秒，我們現在知道的事情是光從太陽到地球大概要跑八分二十秒，這兩個數值之間差不到1percent，也就是說這個對光速度的理解相對於我們跟太陽之間的距離呢，這個在三百年前就已經量出來了。

那麼你可以發現呢這些在天文學上面量到的光速呢，因為事實上我們並不知道絕對的距離，在那個時代。

所以呢他都只能做一個相對的量測，也就是說時間這個可以量得到，可是距離上面呢他只能認為說，譬如說我是跟太陽到地球的之間的距離來做一個比較，來作為光速的標準。

所以呢這個是用天文學上量測的一個難處，就是你看得見沒問題，時間量得到沒問題，但是絕對的距離很難知道，所以都是一個相對的量測，所以在那個年代提出來的光速-都是一個相對的速度。

那麼要怎麼樣知道絕對的距離呢？最簡單的方法一定就是在地面上量測。

所以地面上量測會遇到的問題是，那我怎麼知道絕對的時間？因為它如果跑的很快的話，我需要非常，量的非常非常精準的時間。

所以距離我雖然會知道，但是我對於量測時間就有問題，那看到光大概不是問題。

所以這裡面在地面量的時候最大問題就是那我怎麼知道時間多準確？所以顯然用沙漏、用水滴等等的方法都不是一個很準確，可以量非常短時間的方法，也就是說這個時候卡住的問題是怎麼樣量到一-個很準的短時間。

那麼這個呢就是法國的物理學家Fizeau，他在1849年提出一個非常妙的方法，怎麼做呢？他的概念跟前面我們跟各位說有一個Pixar的影片呢，如果你有點進去看的話呢，裡面有一段在跟你說在一個圓盤上面呢切很多小縫，把這個小縫拿來轉的話呢，你透過小縫看裡面哦，這裡面的圖像就變成影片，變成像動畫一樣，而不是一段弧在寫東西，那是一個頻閃觀-測的概念斐索提出來的概念呢，就是一個頻閃觀測的概念，他的方法呢我們現在稱之為齒輪法，設-計是這樣他在光源的前面呢放了一個齒輪，那麼這個齒輪可以旋轉地很快，而光呢，光是連續發出來的，所以呢這個齒輪在連續轉的時候呢，就會把連續發出來的光呢切成-一小段一小段的就好像脈衝一樣，有的時候被齒輪擋住，有的時候沒有被齒輪擋住，光就過去，又被齒輪擋住又過不去，又沒有被擋住又過去，所以產生一個一個短短的光脈衝，這樣的概念，而這個產生出來一段一段短短的光脈衝呢他讓它傳到很遠很遠的一個鏡子，然后呢這個鏡子呢再把這個脈衝反射回來，回到齒輪如果光傳播要時間的話，這個時候呢，齒輪因為會一直轉動，所以如果當光回來的時候齒輪還沒轉到下一個洞的話，回來光就被擋住了一定要光回來的時候，齒輪已經轉到下一個洞，或是下兩個洞、或是下三個洞它才能夠進得來觀察者的眼睛裡面，回來的光才能夠進得來也就是說透過這個快速轉動的齒輪呢，斐索有一個非常好的時間上面的精準度，它可以找得出來過去回來的光，會不會剛好穿過這個齒輪，那麼它只要控制這個齒輪轉動的速度，就可以-用來估計這個光速，所以呢他用這個方法量到的光速呢大概是3.15乘10的8次方meterpersecond，這一個數字已經和我們現在量到的數字非常非常接近了，這個是世界上第一個在地面上直接量測的光速，而且非常重要的事情是，他這時候得到的光的速度，跟在天空上量-測的結果是非常像的那麼接下來呢又有很多科學家呢，不斷地試圖改進斐索的光速測量的精準度不過概念上都是一樣的，就是利用轉動的物體呢來增加這個時間的解析度，所以呢接下來在1862年的時候呢，法國的物理學家傅科呢他改良了斐索的方式呢，他用了旋轉鏡來做這件事情，來取代那個齒輪，原理基本上相同，也是這個頻閃攝影的這個概念，那麼只是改成旋轉的鏡子呢，使得這個頻率呢可以得的更精準，因此他可以量到更準確的光速他量到的結果呢是2.998乘10的8次方meterpersecond這就非常非常就近現在所謂的準確值了，那麼再接下來呢，有一位非常重要的物理學家邁克生，他結合了旋轉鏡法和旋轉齒輪法那麼他在1879年呢，提出了一個所謂的旋轉棱鏡的方法，更進一步呢，把光速的精準度再-往上提高了一點，成為2.99798乘10的8次方meterpersecond，所以呢你可以發現呢在十九世紀的中後段這個時候呢，有很多人呢在試圖把光速這個量測push的越來與準確的一個過程，那麼邀請各位猜猜看，你知道如果是現在科學家想要量光速的話會怎麼量呢？尤其是如果我們已經知道光是一種波的話，是一種電磁波的話有沒有不同的量速度方法，而不要像前面這樣旋轉鏡子或是旋轉齒輪的方法呢？可以讓它更準確嗎？那么事實上呢，現代呢對於光速量測呢已經準確到我們長度的定義，已經變成用光走的距離來定義，也就是說現在一公尺的定義呢是光在自由空間中走299,792,458分之1秒的距離，所以呢我們現在對光速的量測呢，事實上已經達到非常非常高準確度的一個部分，那-麼邀請大家猜猜看要怎麼量好，那麼剛剛呢我們在前一期裡面講的事實上是馬克士威的equation呢告訴我們說這個電場和磁場的傳播速度速度呢相當於是μ0乘上ε0分之一那麼他估計出來的數值呢，他大概是3乘10的8次方meterpersecond所以呢我們剛剛這一段再告訴各位就是說，透過十八世紀下半葉到十九世紀中葉這段時間呢，馬克士威是在1861年提出來的一個速度到了馬克士威提出來這個之前呢，事實上當時的人已經知道光的速度大概就是3乘10的8次方meterpersecond，也就是說呢馬克士威在提出來這個電磁波的速度的時候，他已經知道光的速度，大概跟他所推論出來的速度是一樣快的於是呢馬克士威就做了一個非常大膽的假設這個是非常難證明的事情，它的假設是說，光可能就是一種電磁波傳遞光波的介質呢，跟傳遞電磁波的介質呢是同一個介質這是當時他所提出來的概念，就是當時他認為電磁波是需要介質的所以呢這個是馬克士威equation呢透過他自己承襲法拉第的概念呢，在電跟磁振動的時候呢，產生的擾動傳遞出去呢，他認為這個叫電磁波那麼他算出來的電磁波的波速呢，跟光速，量測的光速的結果是一樣的，所以他推論是光或許是一種電磁波，這是馬克士威留給人類一個非常重要的一個猜測[聲音]探索我們的目錄免費加入並獲得個性化推薦、更新和優惠。

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