光波測距儀 気温 気圧 補正

質問

測定時の気温が高いとなぜ測定距離は
実際より短いですか

また気圧が高いとなぜ実際より長い
ですか

回答No.2

kagakusuki · ベストアンサー

光波測距儀は測距儀が発した光を反射体に反射させ、その反射光が測距儀に戻って来るまでに要する時間に、光の速度を掛け合せる事で、測距儀と反射体との間の距離を測定するものです。
　例えば、空気の無い真空中において、光を発してから反射光が戻って来るまでに0.0001秒要した場合には、真空中における光速は299792458m/sですので、光は"往復で"

299792458[m/s]×0.0001[s]＝29979.2458[m]

の距離を進んだ事になりますから、測距儀と反射体との間の距離は

29979.2458[m]÷2＝14989.6229[m]

という事になります。
　しかし、光速が299792458m/sというのはあくまで真空中においての話で、水やガラス等の物質中を進む光の速度はそれよりも遅くなります。
　それは空気中を進む光の場合も同じ事で、水やガラスと比べれば光速が遅くなる程度は極めて小さいものの、空気中における光速は真空中におけるそれよりもわずかに遅くなります。
　例えば0℃で1気圧の空気は屈折率が1.000292ですので、その中を進む光の速度は約299704944m/sという事になりますが、これは真空中の光速の約99.97081％です。
　普通の光波測距儀は主に空気中で使われるものですので、距離を求める際には、この空気中の光速を使って計算する必要があります。
　処が、同じ媒質の中を進む光であっても、その媒質の密度が高い程、光速の値は遅くなります。
　気体である空気は温度や気圧によって密度が大きく変化し、気圧が一定の条件下では温度が高い程、空気の密度は低くなりますし、温度が一定の条件下では気圧が高い程、空気の密度は高くなります。
　そのため空気中における光速は、気圧が一定の条件下では温度が高い程、速くなりますし、温度が一定の条件下では気圧が高い程、遅くなります。
　光が同じ距離の間を往復した場合であっても、光の速度が速ければ往復に要する時間は短くなりますし、光の速度が遅ければ往復に要する時間は長くなりますので、往復に要する時間が短くなる気温が(その光波測距儀が設計された際に想定していた気温よりも)高い場合には光波測距儀の測定値は実際よりも短くなり、往復に要する時間が長くなる気圧が(その光波測距儀が設計された際に想定していた気圧よりも)高い場合には光波測距儀の測定値は実際よりも長くなる訳です。

　尚、何故、媒質の密度が高い程、光速が遅くなるのかと言いますと、「媒質とはつまり物質であり、物質は原子が集まったもので、原子は原子核とその周りを回っている電子という荷電粒子から構成されている」という事と、「光は電磁波であり、電磁波は電場と磁場の振動である」という事によります。
　電場や磁場の変化は真空中を299792458m/sの速度で伝わります。
　光等の電磁波は繰り返し変動し続ける電場と磁場が空間中を伝わって行くものであるため、電場や磁場の変化が伝わる速度と同じ299792458m/sの速度で伝わる訳です。
　ところで、電子はマイナスの電荷を帯びていますから、プラスの電場には引き寄せられ、マイナスの電場には反発します。
　原子が存在している所に電場が加わりますと、原子核の周りに存在している電子が、電場に引きつけられたり反発されたりする事によって、原子の中で電子がどの辺りに存在している確率が高いのかという、電子の存在確立に偏りが生じます。
　原子内という小さな範囲の中での事ですが、マイナスの電荷が強い所と弱い所が出来る訳ですから、電位差が生じる事になりますので、これは外部の電場からエネルギーを与えられて、原子のエネルギーが高くなったという事になります。
　この現象を原子分極と言い、分極は電場の変動を打ち消す方向に生じます。
　原子が存在している所に振動する電場の波である電磁波が到達した場合にも、電場の変化によって原子分極が起きますが、これは原子が電磁波のエネルギーを吸収して、電磁波の電場の振動を打ち消す方向に分極する事で、(原子の)エネルギーが高くなるという事を意味します。
　原子が多数存在している所では、この原子分極によって電場の振動が打ち消されるため、電磁波は真空中ほど速やかに進む事が出来ません。電磁波が持っていたエネルギーが原子に吸収されてしまう訳です。
　エネルギーが高い状態は不安定ですので、分極した原子は一旦は吸収したエネルギーを、再び電磁波の形に戻して放出します。
　原子が電磁波のエネルギーを吸収してから再放出するまでの間には、僅かながら時間差があります。
　原子と原子の間の空間は真空ですので、原子とその次にある原子との間であれば電磁波も299792458m/sの速度で進む事が出来ますが、原子に出会った所で一時停止しなければならない訳です。
　そのため、透明な物質の中を進む光の速度は、真空中を進む場合の速度よりも遅くなる訳です。

　同じ種類の媒質の場合、媒質の密度が高ければ高い程、原子同士の間隔は狭くなりますので、電磁波が299792458m/sの速度で一度に進む事が出来る距離もそれだけ短くなり、光が一定の距離を進む間に原子に出会って一時停止する回数も多くなるため、媒質の密度が高い程、その中を進む光の速度が遅くなる訳です。

お礼

ていねいに　ありがとうございました

回答No.1

chie65536（@chie65535）

ご参考。
http://www.kinomise.com/sokuryo/shiho/jyuuyou/kijyun/kijyun06-kouhagosa.pdf

お礼

お礼します