Скорость света: методы определения (Реферат)
Содержание:
- Астрономические методы измерения скорости света
- Метод Ремера
- Метод легкой аберрации
- Метод прерывания (метод Физо)
- Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)
- Заключение
| Предмет: | Физика |
| Тип работы: | Реферат |
| Язык: | Русский |
| Дата добавления: | 28.07.2019 |
- Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
- Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.
Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!
По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:
Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:
Введение:
Скорость света является одной из важнейших физических констант, которые называются фундаментальными. Эта константа имеет особое значение как в теоретической, так и в экспериментальной физике и смежных науках. Точное значение скорости света необходимо знать по радио и локации света, при измерении расстояний от Земли до других планет, при управлении спутниками и космическими кораблями.
Определение скорости света наиболее важно для оптики, в частности, для оптики движущихся сред и физики в целом. Давайте познакомимся с методами определения скорости света.
Астрономические методы измерения скорости светаМетод РемераПервые измерения скорости света были основаны на астрономических наблюдениях.
Достоверное значение скорости света, близкое к ее современному значению, впервые было получено Ремером в 1676 году при наблюдении затмений спутников планеты Юпитер.
Если вы наблюдаете какой-либо периодический процесс, происходящий в системе, удаленной от Земли, то при постоянном расстоянии между Землей и системой наличие этой задержки не повлияет на период наблюдаемого процесса. Если в течение периода Земля удаляется от системы или приближается к ней, то в первом случае конец периода будет записан с большей задержкой, чем его начало, что приведет к очевидному увеличению периода. Во втором случае, напротив, конец периода будет зафиксирован с меньшей задержкой, чем его начало, что приведет к очевидному уменьшению периода. В обоих случаях кажущееся изменение периода равно отношению разницы расстояний между Землей и системой в начале и конце периода к скорости света.
Приведенные выше соображения лежат в основе метода Рёмера.
Ремер сделал наблюдения спутника Ио, орбитальный период которого составил 42 часа 27 минут 33 секунды.
Когда Земля движется вдоль участка орбиты E1, E2, E3, она удаляется от Юпитера, и следует наблюдать увеличение периода. При движении по участку Е
Результирующее расхождение может быть объяснено только тем, что в течение шести месяцев Земля перешла из точки E1 в точку E3, и в конце шести месяцев свет должен пройти путь, больший, чем в начале, по значению сегмента E1E3, равный диаметру земной орбиты. Таким образом, лаги, которые не заметны в течение отдельного периода, накапливаются и образуют результирующее отставание. Задержка, определенная Ремером, составила 22 минуты. Принимая диаметр орбиты Земли равным км, можно получить значение скорости света 226 000 км/с.
Значение скорости света, определенное на основе измерений Рёмера, оказалось меньше текущего значения. Позже были сделаны более точные наблюдения затмений, в которых время задержки оказалось равным 16,5 минутам, что соответствует скорости света 301 000 км/ с.
Для наземного наблюдателя направление линии визирования к звезде не будет одинаковым, если это направление определяется в разное время года, то есть в зависимости от положения Земли на ее орбите.
Если направление к какой-либо звезде определяется с шестимесячным интервалом, то есть в положениях Земли на противоположных концах диаметра орбиты Земли, то угол между двумя полученными направлениями называется годовым параллаксом. Чем дальше звезда, тем меньше ее угол параллакса. Измеряя углы параллакса различных звезд, вы можете определить расстояние этих звезд от нашей планеты.
В 1725-1728 гг. Брэдли Джеймс, английский астроном, измерил годовой параллакс неподвижных звезд. Наблюдая за одной из звезд в созвездии Драко, он обнаружил, что ее положение изменилось в течение года. За это время она описала небольшой круг, угловые размеры которого были равны 40,9″. В целом, в результате орбитального движения Земли звезда описывает эллипс, главная ось которого имеет такие же угловые размеры. Для звезд, лежащих в плоскости эклиптики, эллипс вырождается в прямую линию, а для звезд, лежащих на полюсе по кругу (эклиптика это большой круг небесной сферы, вдоль которого происходит видимое годовое движение Солнца происходит).
Величина смещения, измеренная Брэдли, была значительно выше, чем ожидаемое смещение параллакса. Брэдли назвал это явление аберрацией света и объяснил это конечностью скорости света. За то короткое время, в течение которого свет, падающий на линзу телескопа, распространяется от линзы к окуляру, окуляр смещается на очень маленький отрезок в результате орбитального движения Земли. В результате изображение звезды сместится к сегменту а. Направив телескоп на звезду снова, его придется немного наклонить в направлении движения Земли, чтобы изображение звезды снова совпадало с центром перекрестия в окуляре.
Пусть угол наклона телескопа будет б. Обозначим время, необходимое для прохождения света через отрезок, равное расстоянию от объектива телескопа до его окуляра, равное f. Затем сегмент.
Из измерений Брэдли было известно, что при двух положениях Земли, лежащих на одном диаметре орбиты, звезда, по-видимому, смещена из своего истинного положения на тот же угол. Угол между этими направлениями наблюдения, откуда, зная скорость Земли на орбите, можно узнать скорость света.
Следует отметить, что явление аберрации света связано с изменением направления скорости Земли в течение года. Объяснение этого явления основано на корпускулярных представлениях о свете. Рассмотрение аберрации света с точки зрения волновой теории является более сложным и связано с вопросом о влиянии движения Земли на распространение света.
Ремер и Брэдли показали, что скорость света конечна, хотя это имеет большое значение. Для дальнейшего развития теории света было важно установить, от каких параметров зависит скорость света и как она изменяется при переходе света из одной среды в другую. Для этого необходимо было разработать методы измерения скорости света наземных источников. Первые попытки таких экспериментов были предприняты в начале 19 века.
Первый экспериментальный метод определения скорости света земных источников был разработан в 1449 году французским физиком Арманом Ипполитом Луи Физо.
Свет, распространяющийся от источника s, частично отражается от полупрозрачной пластины P и направляется на зеркало M. На пути луча находится прерыватель света K, ось которого OO ‘параллельна лучу. Лучи света проходят через зазоры между зубцами, отражаются зеркалом М и возвращаются через зубчатое колесо и пластину Р к наблюдателю.
В установке Физо длина основания составляла 8,63 км, количество зубьев в колесе 720, и первое потемнение происходило с частотой 12,6 об/с. Если скорость вращения колеса удвоится, то будет наблюдаться просветленное поле зрения, при тройной скорости вращения снова произойдет потемнение и т. д. по расчетам Физо, значение скорости света составляет 313300 км / с.
Основная сложность таких измерений точное установление времени потемнения. Точность улучшается как с увеличением базовой частоты, так и с частотой прерываний, что позволяет наблюдать затемнение более высокого порядка. Так, в 1902 году Перротин провел измерения с базовой длиной 46 км и получил значение скорости света 29987050 км/с работы проводились в исключительно чистом морском воздухе с использованием высококачественной оптики.
Вместо вращающегося колеса могут использоваться другие, более продвинутые способы прерывания света, например, ячейка Керра, с помощью которой луч света может прерываться 107 раз в секунду.
В этом случае вы можете значительно уменьшить базу. Так, в установке Андерсона (1941) с ячейкой Керра и фотоэлектрической записью база составляла всего 3 метра. Он получил значение с = 29977614 км/с.
Метод определения скорости света, разработанный в 1862 году Фуко, можно отнести к первым лабораторным методам. Этим методом Фуко измерял скорость света в средах, для которых показатель преломления n>1.
Свет от источника S проходит через полупрозрачную пластину P, линзу L и падает на плоское зеркало M1, которое может вращаться вокруг своей оси O, перпендикулярной плоскости чертежа. После отражения от зеркала M1 луч света направляется на стационарное вогнутое зеркало M2, расположенное так, что этот луч всегда падает перпендикулярно его поверхности и отражается по одному и тому же пути на зеркало M1. Если зеркало M1 неподвижно, то отраженный от него луч вернется по своей первоначальной траектории к пластине P, частично отражая, с которой он даст изображение источника S в точке S1.
Когда зеркало M1 вращается в течение времени, пока свет проходит путь 2l между обоими зеркалами и возвращается назад, зеркало M1, вращающееся с угловой скоростью, будет вращаться на угол и принять положение, пунктирная линия Пучок, отраженный от зеркала относительно исходного, будет повернут на угол и даст изображение источника в точке S2. Измеряя расстояние S1S2 и зная геометрию установки, вы можете определить угол и рассчитать скорость света.
Таким образом, суть метода Фуко заключается в точном измерении времени, когда свет проходит расстояние 2l. Это время оценивается по углу поворота зеркала M1, скорость вращения которого известна. Угол поворота определяется на основании измерений смещения S1S2. В экспериментах Фуко скорость вращения составляла 800 об / с, база l варьировалась от 4 до 20 км. Значение было найдено с = 298000500 км/с.
Фуко на своей установке впервые измерил скорость света в воде.
Поместив трубу, заполненную водой между зеркалами, Фуко обнаружил, что угол сдвига увеличился в раз, и поэтому скорость распространения света в воде, рассчитанная по приведенной выше формуле, оказалась равной (3/4) с. Показатель преломления света в воде, рассчитанный по формулам волновой теории, оказался равным, что полностью соответствует закону Снелла. Таким образом, на основании результатов этого эксперимента была подтверждена обоснованность волновой теории света, и полувековой спор в ее пользу был окончен.
В 1926 году установка Майкельсона была выполнена между двумя горными вершинами, так что расстояние, пройденное лучом от источника до его изображения после отражений от первой грани восьмигранной зеркальной призмы, зеркал M2 M7 и пятой грани, составляло около 35,4 км. Скорость вращения призмы (приблизительно 528 об/с) была выбрана такой, чтобы при распространении света от первой грани к пятой призма успевала вращаться на 1/8 оборота.
Возможное смещение пятна на неточно выбранной скорости сыграло роль коррекции. Скорость света, определенная в этом эксперименте, оказалась равной 2997964 км/с.
Среди других методов отметим измерение скорости света, проведенное в 1972 году путем независимого определения длины волны и частоты света. Источником света служил гелий-неоновый лазер, излучающий 3,39 мкм. В этом случае длина волны измерялась с помощью интерферометрического сравнения со стандартом оранжевого излучения криптона, а частота измерялась с помощью радиотехнических методов. Скорость света определено по этому методу 299792,45620,001 км/с. Авторы метода считают, что достигнутая точность может быть увеличена за счет улучшения воспроизводимости измерений длины и стандартов времени.
В заключение отметим, что при определении скорости света измеряются и групповые скорости, которые совпадают с фазовой скоростью только для вакуума.
Помощь с учёбой студентам онлайн от Натальи Брильёновой
Обо мнеЗдравствуйте, я, Брильёнова Наталья Валерьевна, бывший преподаватель кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.
С 2014 года занимаюсь онлайн образованием. У меня работает большая команда бывших преподавателей с огромным опытом и квалификацией.
Мы за этот месяц выполнили:заказов.
Мы помогаем с предметами любого уровня сложности из разных учебных заведений: средняя школа, колледж или университет. Независимо от темы, объёма, – задание в одну формулу или большая расчётная работа от 80 страниц, я и моя команда всегда выполняем высококачественно. Каждый день, я и моя команда преподавателей помогаем ученикам и студентам учиться лучше.
Мы всегда соблюдаем сроки. Наша цель – чтобы вы учились на хорошие оценки! Нет времени, но хотите хорошую оценку? Попросите меня вам помочь! Согласуем с вами требования и сроки и через 1-4 дня всё будет на “отлично”.
Почему лучше заказать у меня? Потому что, кроме меня и моей команды преподавателей, ваше задание никто не увидит, так как WhatsApp и Gmail конфиденциальные системы. При размещении заказа в других сервисах и биржах, ваш заказ выкладывается в открытый доступ сети интернет, и поисковые системы yandex и google их индексируют.
В результате история вашего заказа становится доступна всем. А это значит, что любой пользователь сможет найти историю вашего заказа и, следовательно, преподаватели также смогут всё узнать. Поэтому обращаясь ко мне, вы получаете лучшую конфиденциальность и безопасность.
Любой срок – любой предмет:
- Я и моя профессиональная команда поможет с любым предметом, независимо от темы или сложности.
Whatsapp чат 24/7:
- Общайтесь со мной в любое время [контакты здесь], чтобы обсудить детали заказа, и т. д.
Оригинальность:
- У меня разработан эффективный алгоритм проверки на плагиат. Я проверяю каждую работу через различные инструменты обнаружения плагиата для получения оригинального текста. Оригинальность наших работ от 88%.
Доступные цены:
- Я предлагаю самую лучшую цену. У меня есть скидки от 20% для тех, кто сделает больше пяти заказов.
У меня есть скидки от 20% для тех, кто сделает больше пяти заказов.Напишите мне в whatsapp [контакты здесь] и прикрепите своё задание и методические материалы (лекции) и укажите сроки выполнения.
Я изучу ваш заказ и рассчитаю стоимость.
Как только вы оплатите свой заказ, я и моя команда преподавателей его выполняем.
В указанную вами дату или, возможно, раньше получаете свой заказ!
Пользовательское соглашение
Политика конфиденциальности
Помощь с учёбой студентам онлайн от Натальи Брильёновой
Обо мнеЗдравствуйте, я, Брильёнова Наталья Валерьевна, бывший преподаватель кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.
С 2014 года занимаюсь онлайн образованием. У меня работает большая команда бывших преподавателей с огромным опытом и квалификацией.
Мы за этот месяц выполнили:заказов.
Мы помогаем с предметами любого уровня сложности из разных учебных заведений: средняя школа, колледж или университет. Независимо от темы, объёма, – задание в одну формулу или большая расчётная работа от 80 страниц, я и моя команда всегда выполняем высококачественно. Каждый день, я и моя команда преподавателей помогаем ученикам и студентам учиться лучше.
Мы всегда соблюдаем сроки. Наша цель – чтобы вы учились на хорошие оценки! Нет времени, но хотите хорошую оценку? Попросите меня вам помочь! Согласуем с вами требования и сроки и через 1-4 дня всё будет на “отлично”.
Почему лучше заказать у меня? Потому что, кроме меня и моей команды преподавателей, ваше задание никто не увидит, так как WhatsApp и Gmail конфиденциальные системы. При размещении заказа в других сервисах и биржах, ваш заказ выкладывается в открытый доступ сети интернет, и поисковые системы yandex и google их индексируют.
В результате история вашего заказа становится доступна всем. А это значит, что любой пользователь сможет найти историю вашего заказа и, следовательно, преподаватели также смогут всё узнать. Поэтому обращаясь ко мне, вы получаете лучшую конфиденциальность и безопасность.
Любой срок – любой предмет:
- Я и моя профессиональная команда поможет с любым предметом, независимо от темы или сложности.
Whatsapp чат 24/7:
- Общайтесь со мной в любое время [контакты здесь], чтобы обсудить детали заказа, и т. д.
Оригинальность:
- У меня разработан эффективный алгоритм проверки на плагиат. Я проверяю каждую работу через различные инструменты обнаружения плагиата для получения оригинального текста. Оригинальность наших работ от 88%.
Доступные цены:
- Я предлагаю самую лучшую цену. У меня есть скидки от 20% для тех, кто сделает больше пяти заказов.
У меня есть скидки от 20% для тех, кто сделает больше пяти заказов.Напишите мне в whatsapp [контакты здесь] и прикрепите своё задание и методические материалы (лекции) и укажите сроки выполнения.
Я изучу ваш заказ и рассчитаю стоимость.
Как только вы оплатите свой заказ, я и моя команда преподавателей его выполняем.
В указанную вами дату или, возможно, раньше получаете свой заказ!
Пользовательское соглашение
Политика конфиденциальности
Методы определения скорости света – Docsity
УЧЕРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ МАКСИМА ТАНКА» Кафедра общей физики КУРСОВАЯ РАБОТА МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА Специальность Физика.
Математика Автор работы студентка 3 курса 311 группы _______________ Е.Ф. Галинская (подпись) Руководитель профессор ________________ В.А. Яковенко (подпись) 1 Минск 2014 Содержание Введение…………………………………………………………………….3 1. Первые попытки определения скорости света ………………………….. 4 2. Астрономические методы измерения скорости света……………………5 2.1 Метод Рёмера……………………………………………………………5 2.2 Метод аберрации света………………………………………………..6 3. Лабораторные методы определения скорости света …………………….9 3.1 Метод прерываний (метод Физо)………………………………………9 3.2 Усовершенствованный метод прерываний…………………………11 3.3 Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)………………………..16 3.4 Метод Майкельсона……………………………………………………18 4. Отрицание постулата о максимальности скорости света……………..20 Заключение………………………………………………………………..20 СПИСОК ИСПОЛЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………23 Приложение 1……………………………………………………………24 Введение 2 2.Астрономические методы измерения скорости свет 2.1 Метод Рёмера Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной.
В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света. В методе датского астронома Олафа Рёмера (1644—1710), предложенном в 1675 г., были использованы огромные расстояния, с которыми приходится иметь дело астроному. Пусть в определенный момент времени Земля З1 и Юпитер Ю1 находятся в противостоянии и в этот момент времени один из спутников Юпитера, наблюдаемый с Земли, исчезает в тени Юпитера (спутник на рисунке не показан). Тогда, если обозначить через R и r радиусы орбит Юпитера и Земли и через с ̶ скорость света в системе координат, связанной с Солнцем С, на Земле уход спутника в тень Юпитера будет зарегистрирован на (R-r)/c секунд позже, чем он совершает во временной системе отсчета, связанной с Юпитером. К определению скорости света по методу Ремера. Рисунок.2.1 5 По истечении 0,545 года Земля З2 и Юпитер Ю2 находятся в соединении. Если в это время происходит n-е затмение того же спутника Юпитера, то на земле оно будет зарегистрировано с опозданием на (R+r)/c секунд.
Поэтому, если период обращения спутника вокруг Юпитера t, то промежуток времени T1, протекший между первыми и n-ми затмениями, наблюдавшимися с Земли, равен: T1=(n-1)t+(R+r)/c-(R-r)/c=(n-1)t +(2r)/c . По истечению еще 0,545 года Земля З3 и Юпитер Ю3 будут вновь находится в противостоянии. За это время совершились (n-1) оборотов спутника вокруг Юпитера и (n-1) затмений, из которых первое имело место, когда Земля и Юпитер занимали положения З2 и Ю2, а последнее ̶ когда они занимали положения З2 и Ю2. Первое затмение наблюдалось на Земле с запоздание (R+r)/c, а последнее с запозданием (R-r)/c по отношению к моментам ухода спутника в тень планеты Юпитера. Следовательно, в этом случае имеем: T1=(n-1)t-(R+r)/c+(R-r)/c=(n-1)t – (2r)/c . Ремер измерил промежутки времени T1 и T2 и нашел, что T1 -T2 =1980с. Но из написанных выше формул следует, что T1 – T2=4r/c, поэтому c=4r/1980м/с. Принимая r, среднее расстояние от Земли до Солце, равным 150*106 км, находится для скорости света значение: с=301*106 м/с.
Это результат был исторически первым измерением скорости света. 2.2 Метод аберрации света Для земного наблюдателя направление луча зрения на звезду будет неодинаковым, если это направление определять в разные времена года, то есть в зависимости от положения Земли на ее орбите. Если направление на какую- либо звезду определять с полугодовыми промежутками, то есть при 6 положениях Земли на противоположных концах диаметра земной орбиты, то угол между полученными двумя направлениями называют годичным параллаксом (рис.2.2). Чем дальше находится звезда, тем меньше ее параллактический угол. Измеряя параллактические углы различных звезд, можно определить расстояние этих звезд до нашей планеты. В 1725-1728 гг. Брэдли (Bradley) Джеймс, английский астроном, измерил годичный параллакс неподвижных звезд. Наблюдая за одной из звезд в созвездии Дракона, он обнаружил, что ее положение менялось в течение года. За это время она описала небольшую окружность, угловые размеры которой были равны 40,9”. В общем случае в результате движения Земли по орбиту звезда описывает эллипс, большая ось которого имеет те же угловые размеры.
Для звезд, лежащих в плоскости эклиптики, эллипс вырождается в прямую, а для звезд, лежащих у полюса – в окружность. (Эклиптикой называется большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца.) Рисунок.2.2 Рисунок.2.3 7 свет поворачивается от S к W при помощи полупрозрачного зеркала N. При медленном вращении колеса W свет, пройдя через промежуток между зубьями, успевает возвратиться через тот же промежуток и попадает в глаз наблюдателя. В те моменты, когда путь лучей пересекается зубцом, свет не попадает к наблюдателю. Таким образом, при малой угловой скорости наблюдатель воспринимает мелькающий свет. Если увеличить скорость вращения колеса, то при некотором значении 1 свет, прошедший через один промежуток между зубьями, дойдя до зеркала и вернувшись обратно, не попадет в тот же самый промежуток d, а будут перекрыт зубцом, занявшим к этому моменту положение промежутка d. Следовательно, при угловой скорости 1 в глаз наблюдателя свет совсем не будет попадать ни от промежутка d, ни от всех последующих (первое затемнение).
Если взять число зубцов п, то время поворота колеса на ползубца равно )/2)(2/1( 11 nt . Время прохождения светом расстояния от колеса до зеркала М и обратно равно clt /2 , где l – расстояние до колеса от зеркала (база). Приравнивая эти два интервала времени, получаем условие, при котором наступает первое затемнение: )/2)(2/1(/2 1nсl , откуда можно определить скорость света: nl nl c 4 2 22 1 , где – число оборотов в секунду. В установке Физо база составляла 8,63 км, число зубцов в колесе 720 и первое затемнение наступило при частоте 12,6 об/с. Если увеличить скорость колеса вдвое, то будет наблюдаться просветленное поле зрения, при утроенной 10 скорости вращения опять наступит затемнение и т.д. Вычисленное Физо значение скорости света 313300 км/с. Основная трудность таких измерений заключается в точном установлении момента затемнения. Точность повышается как при увеличении базы, так и при скоростях прерываний, позволяющих наблюдать затемнения высших порядков. Так, Перротен в 1902 году провел измерения при длине базы 46 км и получил значение скорости света 29987050 км/с.
Работа проводилась в условиях чрезвычайно чистого морского воздуха с использованием высококачественной оптики. Вместо вращающегося колеса можно применять другие, более совершенные методы прерывания света, например, ячейку Керра, с использованием которой можно прерывать световой пучок 107 раз в секунду. При этом можно существенно сократить базу. Так, в установке Андерсона (1941 г.) с ячейкой Керра и фотоэлектрической регистрацией база составляла всего 3 м. Им получено значение с = 29977614 км/с. 3.2 Усовершенствованный метод прерываний Метод, применённый Бергштрандом, по существу идентичен методу, использованному Физо. Но по своему техническому осуществлению он ближе к методике Андерсона. Общая схема опыта ясна из рисунка 3.2 . 11 Принципиальная схема опыта Бергштранда Рисунок.3.2 Интенсивность светового потока, посылаемого источником И (30- ваттная лампочка накаливания), модулируется с частотой 8,3Мгц с помощью ячейки Керра, питаемой генератором М. Г., стабилизированным кварцем. С той же частотой и в той же фазе (от того же генератора) изменяется чувствительность фотоэлемента Ф, на который падает свет, отразившийся от плоского зеркала 3, отстоящего на большом расстоянии l.
Очевидно, между колебаниями интенсивности светового пучка, попадающего на фотоэлемент, и колебаниями чувствительности фотоэлемента будет существовать сдвиг фаз, зависящий от времени T, затрачиваемого светом на прохождение пути 2l до зеркала и обратно. Следовательно, если измерять фототок достаточно инерционным прибором, усредняющим значение фототока за много периодов модуляции, то зависимость измеряемой силы тока i от Т, а тем самым и от расстояния l до зеркала, будет иметь вид, показанный на рисунке 3.3. 12 Схема приёмного и модулирующего устройства. Рисунок 3.6 Положения зеркала, отвечающие обращению в нуль измеряемого Тока і, определяются соотношением: LN= k + (2N-1)/8*λ где k—аппаратурная постояннная, определяемая экспериментально, N—целое число, значение которого может быть найдено из грубых Определений положения зеркала, и λ—длина волны, соответствующая частоте модуляции. В условиях опыта λ=36м и расстояние между двумя положениями зеркала, соответствующими нулевым отсчётам по гальванометру, составляло около 9м.
Значения lN постоянны в той же мере, что и частота модуляции(т.е,~1·10-7), но зависят от атмосферных условий. При l=10км эта зависимость выражается примерно следующими величинами: 0,9см на1°С и 0,4 см на1мм давления. 15 В полевых условиях установка зеркала в положение, точно соответствующее і=0, весьма затруднительна, и выполнение этого условия достигалось путём небольшого, строго контролируемого изменения частоты. При расстоянии до зеркала l=9км средняя ошибка из шести измерений, выполняемых в течение ¼ часа, составляла 0,4см, а отклонение от среднего для различных дней не превышало 3см. Для скорости света в вакууме было получено: с=299 793±0,25км/сек . 3.3 Метод вращающегося зеркала (метод Фуко) Метод определения скорости света, разработанный в 1862 году Фуко, можно отнести к первым лабораторным методам. Этим методом Фуко измерил скорость света в средах, для которых показатель преломления n>1. Схема установки Фуко приведена на рисунке 3.7. Схема установки Фуко Рисунок 3.7 16 Свет от источника S проходит через полупрозрачную пластинку Р, линзу L и падает на плоское зеркало M1, которое может вращаться вокруг своей оси О, перпендикулярной к плоскости чертежа.
После отражения от зеркала M1 луч света направляется на неподвижное вогнутое зеркало М 2, расположенное так, чтобы этот луч всегда падал перпендикулярно к его поверхности и отражался по тому же пути на зеркало M1. Если зеркало M1 неподвижно, то отраженный от него луч возвратится по своему первоначальному пути к пластинке Р, частично отражаясь от которой он даст изображение источника S в точке S1. При вращении зеркала M1 за время, пока свет проходит путь 2l между обоими зеркалами и возвращается обратно ( 21MMl ), вращающееся с угловой скоростью зеркало M1 повернется на угол )/2(2)/2( clclt и займет положение, показанное на рис. .5 пунктиром. Отраженный от зеркала луч по отношению к первоначальному будет повернут на угол 2 и даст изображение источника в точке S2. Измерив расстояние S1S2 и зная геометрию установки, можно определить угол и вычислить скорость света: l lс 4 2 . Таким образом, суть метода Фуко заключается в точном измерении времени прохождения светом расстояния 2l.
Это время оценивается по углу поворота зеркала M1, скорость вращения которого известна. Угол поворота определяется на основе измерений смещения S1S2. В опытах Фуко скорость вращения составляла 800 об/с, база l изменялась от 4 до 20 км. Было найдено значение с = 298000500 км/с. Фуко на своей установке впервые измерил скорость света в воде. Поместив между зеркалами трубу, наполненную водой, Фуко обнаружил, что угол сдвига возрос в ¾ раза, а следовательно, рассчитанная по записанной выше формуле скорость распространения света в воде оказалась равной (3/4)с. Вычисленный по формулам волновой теории показатель преломления света в 17 4. Отрицание постулата о максимальности скорости света В последние годы нередко появляются сообщения о том, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, 15 августа 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесенные на 18 км в пространстве связанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света».
Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана – сверхсветовая скорость при туннельном эффекте. Научный анализ значимости этих и подобных результатов показывает, что они принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества. Заключение Скорость света в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как «цэ»). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий. Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной. В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий.
Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света. 20 Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220000 км/сек – неточное, но по порядку величины близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку. В 1862 году Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 году идею Д. Арго, применив вместо зубчатого диска быстровращающееся зеркало (512 оборотов в секунду). Отражаясь от зеркала пучок света, направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол. При базе всего 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000 500 км/с. Схемы и основные идеи методов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света.
Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что скорость света в среде зависит от скорости и направления движения самой среды. Полученное А. Майкельсоном в1926 году значение c = 299796 4 км/с было, тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин. Лучшие данные, полученные разными методами: Метод вращающегося зеркала с=299 796 ± 4 км/с Майкельсон, 1926 г. Метод прерываний усовершенствованный с=299 793,1 ±0,25 км/с Бергштранд, 1950 г. Радиогеодезия с=299 792 ± 2,4 км/с Аклаксон, 1949 г. 21 Полый резонатор с=299 792,5 км/с Эссен, 1950 г. Микроволновая интерферометрия с=299 792,2 ± 0,2 км/с Фрум, 1958 г. Измерение частоты и длины волны с=299 792, 4562 ± 0,0011 км/с Ивенсон, 1972 г. Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретическом плане и для определения значений других физических величин, но и для практических целей. К ним, в частности. Относится определение расстояний во времени прохождения радиосигналов или световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии и др.
22
Методы определения скорости света
Замечание 1
В настоящее время считают, что скорость света в вакууме равна:
$c=299792458 (1,2)$ м/c.
Далее мы учтём, что:
- Любой метод измерения скорости света связан с испусканием и регистрацией сигнала света, то есть использованием не монохроматической, а модулированной волны, которая является группой волн.
- Это означает, что во всех рассмотренных далее экспериментах на самом деле измеряется групповая скорость света.
- Фазовая и групповая скорости равны только если отсутствует дисперсия волн в веществе.
- Для волны света выше названные условия строго выполняются исключительно в вакууме.
Эксперименты О. Ремера
Первым скорость света в вакууме измерил О. Ремер в 1676 году. Он проводил наблюдение затмения Ио (спутника Юпитера). Обозначим $T_0$ период обращения Ио вокруг Юпитера
Помощь со студенческой работой на тему
Методы определения скорости света
Если наблюдать последовательные затмения Ио с нашей планеты, то временные промежутки между двумя затмениями ($T_i$) зависят от положения Земли относительно Юпитера.
Тогда, когда Земля максимально приближена к Юпитеру $T_0=T_i$. При удалении Земли от Юпитера период $T_i$ сначала увеличивается, потом убывает до $T_0$, когда Земля занимает положение максимального удаления от Юпитера. Данное явление Ремер объяснял тем, что скорость распространения света ($c$) является конечной. За период времени, равный времени двух последовательных затмений Ио, Земля проходит некоторой расстояние, удаляясь от Юпитера. Для того чтобы пройти свету это дополнительное расстояние необходимо дополнительное время, которое можно найти как:
$\Delta T_i=T_i-T_0$ (1).
Рисунок 1. Метод Ремера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Величины $\Delta T_i$ составляют не более 15 с. В XVII веке, когда жил Ремер, измерять такие малые времена с достаточной точностью еще не умели. Но во время перемещения Земли из точки 1 в точку 2 (рис.1) кажущиеся запаздывания некоторого количества ($N$) затмений спутника Ио , «запаздывание» $N$ – го затмения составит существенное время:
$\Delta T=\sum\limits_{i=1}^N {\left( T_{i}-T_{0} \right)\left( 2 \right).
8$ м/c.
Астрономический метод Д. Брэдли
Д. Брэдли свой астрономический метод измерения скорости света предложил в 1727 году. Он рассматривал траектории движения звезд и сделал вывод о том, что в течении года они движутся по эллиптическим орбитам. Углы, под которыми видны большие полуоси данных эллипсов всех звезд с нашей планеты, составляют ∝=20,5″. Эксцентриситет ($e$) любого эллипса связан с углом ( $\varphi$), между направлением из центра Земли на рассматриваемую звезду и плоскостью орбиты нашей планеты. При изменении $\varphi $ от $\frac{\pi }{2}$ до 0 эксцентриситет увеличивается от 0 (орбита – круг), до 1 (отрезок прямой, соответствующий большой оси «эллипса»). Данное явление изменения эксцентриситета называют годичной аберрацией света.
Определение 1
Аберрационным смещением звезды называют видимое изменение направления луча света от данного небесного тела, которое объясняется конечной скоростью света и положением наблюдателя.
Явление аберрации применяют для нахождения значения скорости света.
Рассмотрим влияние обращения Земли вокруг Солнца за один год, на наблюдение звезды для которой $\varphi =\frac{\pi }{2}$ . В нашем случае истинное направление ($AB$) на звезду (рис.2) всегда нормально к вектору скорости движения нашей планеты по ее орбите. Но при направлении оси телескопа по прямой $AB$, изображение звезды станет смещено в приборе относительно центра $A$ (его поля зрения). Пусть $\Delta t$ – время, за которое свет проходит расстояние $L$ внутри телескопа. За это время телескоп и Земля перемещаются в направлении вектора скорости планеты на расстояние:
$\Delta y=v\Delta t=\frac{v}{c}L\, \left( 3 \right)$.
Для того чтобы получить изображение звезды в точке $A$ ось телескопа следует отклонить от вертикали $AB$ в сторону перемещения Земли на угол $\propto$, который подчиняется условию:
$tg\, \left( \propto \right)=\frac{\Delta y}{L}=\frac{v}{c}\left( 4 \right)$.
Наблюдателю станет казаться, что рассматриваемая им звезда находится на продолжении оси телескопа (линия $AB’$) (рис.
{8}\, \left( \frac{м}{с}\right)$ ,
где $v$=29800 м/c – скорость движения Земли по своей орбите.
Опыты по установлению скорости света в условиях Земли
Наиболее известные методы измерения скорости света в условиях нашей планеты:
- А. Физо;
- Л. Фуко;
- А. Майкельсона.
Для определения скорости света в условиях Земли, требуется с большой точностью проводить измерения маленьких промежутков времени, необходимых свету для прохождения относительно небольших расстояний.
Первым такие измерения провел А. Физо в 1849 году. Он сконструировал установку, в которой основным элементом служило зубчатое колесо. Это колесо было способно вращаться около некоторой оси. Если колесо было неподвижно, то свет от точечного источника проходил сквозь линзу, отражался от полупрозрачного плоского зеркала и проходил между зубцами колеса. После этого система линз направляет свет на плоское зеркало. Отразившись от этого зеркала, свет снова направляется на колесо.
На обратном пути свет проходит вновь между зубцами колеса, полупрозрачное зеркало попадает в окуляр и затем глаз наблюдателя. При следовании света от колеса и обратно он тратит время:
$\Delta t=\frac{2l}{c}\left( 5 \right)$.
где $l$ – расстояние от колеса до непрозрачного зеркала.
Если колесо вращать, то можно задать ему такую скорость вращения $(\omega_{0})$, при которой за время ∆t оно будет поворачиваться на одну вторую зубца, тогда на пути света, который отразится от непрозрачного зеркала, окажется непрозрачная часть зубца:
$\omega_{0}=\frac{2\pi }{2Z\Delta t}=\frac{\pi c}{2Zt}\left( 6 \right)$.
где $Z$ – количество зубцов на ободе колеса. Так, зная, $Z$, $l$, измеряя экспериментально угловую скорость $\omega_{0}$, находят скорость света.
В 1850 году Л. Фуко использовал метод вращающегося зеркала для измерения скорости света в воздухе. Ученый показал, что скорость света в воде меньше, чем скорость света в вакууме, что соответствует волновой теории.
Опыт Майкельсона – это комбинация методов Физо и Фуко. Исследователь использовал вращающуюся восьмигранную зеркальную призму в своих экспериментах по определению скорости света.
Одним из самых точных методов измерения скорости света является эксперимент, в котором в роли высокочастотного модулятора интенсивности света применяется ячейка Керра. При этом устройство регистрирующее свет – это специальный фотоэлемент.
первые методы и опыты. Как измеряли свет ученые раньше и сейчас?
Действительно, как? Как измерить самую высокую скорость во Вселенной в наших скромных, Земных условиях? Нам уже не нужно ломать над этим голову – ведь за несколько веков столько людей трудилось над этим вопросом, разрабатывая методы измерения скорости света. Начнем рассказ по порядку.
Скорость света – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.
Сначала над вопросом измерения скорости света вообще никто не задумывался. Есть свет – вот и отлично. Затем, в эпоху античности, среди ученых философов господствовало мнение о том, что скорость света бесконечна, то есть мгновенна. Потом было Средневековье с инквизицией, когда главным вопросом мыслящих и прогрессивных людей был вопрос «Как бы не попасть в костер?» И только в эпохи Возрождения и Просвещения мнения ученых расплодились и, конечно же, разделились.
8 минут – время, за которое свет проходит расстояние от Солнца до Земли
Так, Декарт, Кеплер и Ферма были того же мнения, что и ученые античности. А вот Галилео Галилей считал, что скорость света конечна, хоть и очень велика. Собственно, он и произвел первое измерение скорости света.
Точнее, предпринял первую попытку по ее измерению.
Опыт Галилея
Опыт Галилео Галилея был гениален в своей простоте. Ученый проводил эксперимент по измерению скорости света, вооружившись простыми подручными средствами. На большом и известном расстоянии друг от друга, на разных холмах, Галилей и его помощник стояли с зажженными фонарями. Один из них открывал заслонку на фонаре, а второй должен был проделать то же самое, когда увидит свет первого фонаря. Зная расстояние и время (задержку перед тем, как помощник откроет фонарь) Галилей рассчитывал вычислить скорость света. К сожалению, для того, чтобы этот эксперимент увенчался успехом, Галилею и его помощнику нужно было выбрать холмы, которые находятся на расстоянии в несколько миллионов километров друг от друга. Хотелось бы напомнить, что вы можете заказать эссе, оформив заявку на сайте.
Галилео Галилей
Опыты Рёмера и Брэдли
Первым удачным и на удивление точным опытом по определению скорости света был опыт датского астронома Олафа Рёмера.
Рёмер применил астрономический метод измерения скорости света. В 1676 он наблюдал в телескоп за спутником Юпитера Ио, и обнаружил, что время наступления затмения спутника меняется по мере отдаления Земли от Юпитера. Максимальное время запаздывания составило 22 минуты. Посчитав, что Земля удаляется от Юпитера на расстояние диаметра земной орбиты, Рёмер разделил примерное значение диаметра на время запаздывания, и получил значение 214000 километров в секунду. Конечно, такой подсчет был очень груб, расстояния между планетами были известны лишь примерно, но результат оказался относительно недалек от истины.
К измерению скорости света Рёмером
Опыт Брэдли. В 1728 году Джеймс Брэдли оценил скорость света наблюдая абберацию звезд. Абберация – это изменение видимого положения звезды, вызванное движением земли по орбите. Зная скорость движения Земли и измерив угол абберации, Брэдли получил значение в 301000 километров в секунду.
Опыт Физо
К результату опыта Рёмера и Брэдли тогдашний ученый мир отнесся с недоверием.
Тем не менее, результат Брэдли был самым точным на протяжении сотни с лишним лет, аж до 1849 года. В тот год французский ученый Арман Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора, без наблюдений за небесными телами, а здесь, на Земле. По сути, это был первый после Галилея лабораторный метод измерения скорости света. Приведем ниже схему его лабораторной установки.
Установка Физо
Свет, отражаясь от зеркала, проходил через зубья колеса и отражался от еще одного зеркала, удаленного на 8,6 километров. Скорость колеса увеличивали до того момента, пока свет не становился виден в следующем зазоре. Расчеты Физо дали результат в 313000 километров в секунду. Спустя год подобный эксперимент с вращающимся зеркалом быо проведен Леоном Фуко, получившим результат 298000 километров в секунду.
С появлением мазеров и лазеров у людей появились новые возможности и способы для измерение скорости света, а развитие теории позволило также рассчитывать скорость света косвенно, без проведения прямых измерений.
Арман Ипполит Луи Физо
Самое точное значение скорости света
Человечество накопило огромный опыт по измерению скорости света. На сегодняшний день самым точным значением скорости света принято считать значение 299 792 458 метров в секунду, полученное в 1983 году. Интересно, что дальнейшее, более точное измерение скорости света, оказалось невозможным из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас значение метра привязано к скорости света и равняется расстоянию, которое свет проходит за 1 / 299 792 458 секунды.
Напоследок, как всегда, предлагаем посмотреть познавательное видео. Друзья, даже если перед Вами стоит такая задача, как самостоятельное измерение скорости света подручными средствами, Вы можете смело обратиться за помощью к нашим авторам. Заказать контрольную работу онлайн вы можете оформив заявку на сайте Заочника. Желаем Вам приятной и легкой учебы!
youtube.com/embed/qsLqQC52NTY”/>
Экспериментальное определение скорости света
Свет, распространяющийся от какого-то источника, достигает наблюдателя не моментально, а через некоторое время. Скорость распространения электромагнитных волн очень велика. Вследствие этого свет проходит очень большие расстояния за очень короткие промежутки времени.
Понятно, что для опытного определения скорости света нужны или расстояния астрономических масштабов, или приборы, которые позволяли измерять очень малые промежутки времени. Это было причиной того, что Г. Гали-лей свое время не удалось измерить скорость света. Однако сама попытка измерить скорость света свидетельствовала о том, что Г. Галилей имел правильные представления о конечности скорости распространения света.
При астрономических наблюдениях любого явления, что происходит на удаленном от нас небесном светиле, световой сигнал об этом поступит тем позже, чем дальше находится Земля от него.
Понятно, что мы будем наблюдать явление с опозданием, равный времени, за которое свет проходит путь от светила к Земле.
Если мы наблюдаем любой периодический процесс, который происходит в удаленной от Земли системе, то при неизменном расстоянии между Землей и системой такое опоздание не влияет на наблюдаемый период процесса. Моменты времени, соответствующие началу и концу периода, определим с одинаковыми опозданиями, а разница их, равный периоду, остается неизменной. Другое дело, когда за время периода этого явления Земля удалится или приблизится к фиксированной системы. В первом случае конец периода будет зафиксировано с большим опозданием, чем начало, что при соответствующем отношении приведет к мнимому увеличению периода. Во втором случае, наоборот, конец периода будет зарегистрировано с меньшим опозданием, чем начало, что приведет к мнимому уменьшению периода. Мнимая изменение периода составляет в обоих случаях частному от деления разности расстояний между Землей и системой в начале и конце этого периода на скорость света.
Изложенные соображения позволяют понять принцип определения скорости света, предложенный 1676 датским астрономом 0. Ремер (1644-1710), который для этого воспользовался затмением одного из спутников Юпитера (рис. 14.1). Затмение имеют период 42 ч 27 мин 33 с. При движении Земли по участку орбиты MBNj вследствие удаления Земли от Юпитера, должно наблюдаться увеличение периода, наоборот, при движении Земли по участку орбиты NAM наблюдаемый период будет меньше истинного. Однако изменение отдельного периода была слишком малой, чтобы 0. Ремер мог ее непосредственно заметить. Эффект оказался только при сравнении результатов наблюдения за полгода, причем наблюдения начались в момент «противостояния» Земли (точка M на орбите). За полгода наблюдалось более 40 затмений, а промежуток времени между первым и последним затмениями оказался примерно на 22 мин больше от рассчитанного теоретически. В вычислениях были использованы истинное значение периода затмения, определенное в точках орбиты, близких к «противостояния», где расстояние между Землей и Юпитером почти не меняется со временем.
Это расхождение правильно объяснил 0. Ремер. Поскольку за 6 месяцев Земля перешла из точки M в точку N, то светлую приходится на конец полугодия проходить путь, больше на длину отрезка MNy равной диаметру земной орбиты. Незаметные для отдельного периода опоздания накапливаются и образуют результирующее опоздания. Это опоздание показывает, что свет проходит расстояние, равное диаметру земной орбиты, за 22 мин. Отсюда 0. Ремер нашел, что скорость распространения света равна 225 000 км / с. Он получил несколько заниженное значение скорости света, поскольку неточно нашел время опоздания. На самом деле это опоздание за полгода составляет 16,5 мин, что соответствует скорости света около 300 000 км / с.
Вследствие конечности скорости распространения света явления, происходящие на Солнце, мы видим такими, какими они были 8,25 мин назад. Свет от звезд достигает Земли за время от нескольких лет до сотен тысяч лет. Поэтому иногда принимать свет, излучаемое звездой прекратила свое существование несколько тысяч лет назад.
Для измерения скорости света в земных условиях нужно точно измерять очень малые промежутки времени, в течение которых свет проходит сравнительно небольшие расстояния. Впервые такое измерение совершил 1849 французский физик А. Физо. Он использовал установку, схема которой приведена на рис. 14.2. Основной элемент установки – зубчатое колесо Z), которое быстро вращается вокруг своей оси. Если колесо неподвижно, то свет от точечного источника, отразившись от зеркала М, проходит через промежуток между зубцами колеса Z), отражается от зеркала В и направляется к наблюдателю А. Для прохождения светом расстояния вторая от колеса к зеркалу В и обратно нужное время t = 2а / с. Если колесо, которое имеет m зубцов, привести во вращение и подобрать число оборотов в секунду п таким, что за время t колесо вернулось на пивзубця, то свет, отраженный от зеркала В, будет задержано, и наблюдатель его не увидит. Отсюда можно найти, что t = 1 / (2ТП). Зная m, а и измеряя на опыте величину п, можно вычислить скорость света с = 4тпа.
В опытах Физо расстояние 2а = 14 км. Для скорости света он получил значение 315 000 км / с.
В 1862 г. французский физик Ж. Фуко применил для измерения скорости света в воздухе и воде метод вращающегося зеркала, идея которого принадлежит Д. Араго. Определяя скорость света в воде, он нашел, что она меньше скорости света в воздухе. Найденный результат опровергает ньютоновскую корпускулярную теорию света, согласно которой преломления света можно было объяснить противоположным предположением. Ж. Фуко нашел для скорости с света в вакууме такое значение: с = (298000 ± 500) км / с.
Метод вращающегося зеркала значительно усовершенствовал А. Майкельсон. В своем опыте он взял для пробега светового луча расстояние между вершинами двух гор, составляла 35,4 км. Метод Майкельсона оказался исключительно точным. А. Майкельсон получил для скорости света в воздухе такое значение: с = (299796 ± 4) км / с. Позже он измерил скорость света в разреженном воздухе и получил с = (299774 ± 2) км / с. Точное сравнение скорости света в воде и в воздухе, совершенное А.
Майкельсоном, показало, что скорость в воде в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. Этот результат хорошо согласуется с экспериментальными данными о преломлении света и с волновой теорией преломления. Объяснил проявленную противоречие английский физик Дж. Рэлей (1842-1919). Он доказал, что при измерениях скорости света методом Фуко и другими методами определяется так называемая групповая скорость световых волн, тогда как по показателю преломления определяется их фазовая скорость.
Скорость света
На протяжении многих лет история оптики неразрывно связана с поисками определения скорости распространения света в различных средах. Первоначально считалось, что свет распространяется с бесконечной скоростью. Еще в одиннадцатом веке считалось, что свет действительно движется с конечной скоростью, но слишком быстро, чтобы его можно было измерить обычными методами. В 1675 году датский астроном Олаф Ремер (1644-1710) сделал первое научное определение скорости света на основе наблюдений за затмениями самой внутренней луны Юпитера.
Ремер отметил значительную разницу во времени этих затмений в зависимости от относительного положения Солнца, Земли и Юпитера во время проведения наблюдений. По сути, когда Земля находилась ближе всего к Юпитеру, затмения происходили на несколько минут раньше предсказанного времени, а когда Земля находилась дальше всего от Юпитера, это затмение происходило на несколько минут позже, чем было предсказано. Хотя нет никаких свидетельств того, что Ремер действительно сделал окончательный расчет, его данные привели бы к выводу, что свет распространяется со скоростью 200 000 км / с.Современники Ремера изменили его выводы, включая более точные данные об орбитальном радиусе Земли, и пришли бы к значению, близкому к 300 000 км / с.
Примерно 50 лет спустя, в 1728 году, известный британский астроном Джеймс Брэдли (1693-1762) провел астрономические наблюдения совершенно иного типа, на основании которых он смог вычислить скорость света. Этот эксперимент включал наблюдение звезды с помощью телескопа с осью, перпендикулярной плоскости вращения Земли.
Было обнаружено, что для компенсации скорости падающего света ось телескопа должна быть наклонена на небольшой угол в направлении движения Земли. Величина необходимого наклона телескопа позволила Брэдли вычислить скорость света, которая, как он обнаружил, составила 301 000 км / с.
Первое наземное измерение скорости света было зарегистрировано французским ученым Арманом Физо (1819-1896) в 1849 году. Эксперимент Физо проиллюстрирован на рис.2.3. Источник света фокусировался через светоделитель на плоскость изображения, где располагалось вращающееся зубчатое колесо. Свет, проходящий между зубьями этого колеса, затем проецировался в зеркало на расстоянии около 8 км, где он собирался и затем отражался обратно в исходную точку. Затем скорость вращения колеса увеличивалась до тех пор, пока возвращающийся свет не блокировался зубом на колесе, непосредственно примыкающим к пространству, через которое он прошел. Используя эти данные, Физо смог вычислить скорость света.Ограниченный точностью своих измерений, Физо вычислил, что скорость света составляет 315 000 км / с.
Позже эксперимент Физо был изменен французским физиком Жаном Леоном Фуко (1819-1868), который заменил зубчатое колесо вращающимся зеркалом. С помощью этой новой схемы Фуко определил, что скорость света составляет 298 000 км / с, что намного ближе к принятому сегодня значению. Фуко также смог вставить трубку, наполненную водой, между вращающимся зеркалом и дальним зеркалом и окончательно определить, что скорость света уменьшалась, когда он двигался через воду, а не воздух.Этот вывод во многом опровергнул корпускулярную теорию, согласно которой скорость света в воде была бы больше, чем в воздухе. Многие усовершенствовали метод Фуко, наиболее точное измерение было выполнено Альбертом А. Михельсоном (1852-1931). Средний результат большого количества измерений, выполненных Майкельсоном, составил 299 774 км / с. В последние годы многие аспекты современной технологии были применены для определения скорости света, что привело к принятому в настоящее время значению 299 793 км / с.Наконец, интересно отметить, что электромагнитная теория позволяет предсказать скорость электромагнитных волн в свободном пространстве, получив в результате значение 299 979 км / с, что находится в пределах 0,1% от наиболее точных измеренных значений.
Как быстро движется свет? | Скорость света
Скорость света в вакууме составляет 186 282 мили в секунду (299 792 километра в секунду), и теоретически ничто не может двигаться быстрее света. В милях в час скорость света очень большая: около 670 616 629 миль в час. Если бы вы могли путешествовать со скоростью света, вы могли бы обойти Землю 7,5 раз за одну секунду.
Ранние ученые, неспособные воспринимать движение света, думали, что он должен перемещаться мгновенно.Однако со временем измерения движения этих волнообразных частиц становились все более точными. Благодаря работе Альберта Эйнштейна и других мы теперь понимаем скорость света как теоретический предел: считается, что скорость света – константа, называемая «с», недостижима для чего-либо, обладающего массой, по причинам, объясненным ниже.
Это не мешает писателям-фантастам и даже некоторым очень серьезным ученым придумывать альтернативные теории, которые позволили бы совершать ужасно быстрые путешествия по Вселенной.
Скорость света: история теории
Первое известное рассуждение о скорости света принадлежит древнегреческому философу Аристотелю, который написал свое несогласие с другим греческим ученым, Эмпедоклом. Эмпедокл утверждал, что, поскольку свет движется, ему нужно время, чтобы путешествовать. Аристотель, считавший, что свет распространяется мгновенно, не соглашался.
В 1667 году итальянский астроном Галилео Галилей стоял на холмах менее чем в миле друг от друга с двумя людьми, каждый из которых держал экранированный фонарь.Один раскрыл свой фонарь; когда второй увидел вспышку, он тоже открыл свою. Наблюдая, сколько времени требуется, чтобы свет увидел первый держатель фонаря (и вычитая время реакции), он подумал, что сможет вычислить скорость света. К сожалению, экспериментальное расстояние Галилея менее мили было слишком маленьким, чтобы увидеть разницу, поэтому он смог определить только то, что свет распространяется как минимум в 10 раз быстрее звука.
В 1670-х датский астроном Оле Ремер использовал затмения луны Юпитера Ио в качестве хронометра скорости света, когда он сделал первое реальное измерение скорости.В течение нескольких месяцев, когда Ио проходил за гигантской газовой планетой, Ремер обнаружил, что затмения произошли позже, чем предполагали расчеты, хотя в течение нескольких месяцев они приблизились к предсказаниям. Он определил, что свету нужно время, чтобы добраться от Ио до Земли. Затмения больше всего отставали, когда Юпитер и Земля находились дальше всего друг от друга, и были по графику, поскольку они были ближе.
По данным НАСА, «это дало Ремеру убедительные доказательства того, что свет распространяется в космосе с определенной скоростью.”
Он пришел к выводу, что свету требуется от 10 до 11 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли, что является завышенной оценкой, поскольку на самом деле это занимает восемь минут и 19 секунд. Но, наконец, ученым пришлось работать с числом – его расчет показал скорость 125 000 миль в секунду (200 000 км / с).
В 1728 году английский физик Джеймс Брэдли основывал свои вычисления на изменении видимого положения звезд из-за движения Земли вокруг Солнца. Он оценил скорость света в 185 000 миль в секунду. второй (301 000 км / с) с точностью около 1 процента.
Две попытки в середине 1800-х вернули проблему на Землю. Французский физик Ипполит Физо направил луч света на быстро вращающееся зубчатое колесо с зеркалом, установленным на расстоянии 5 миль, чтобы отразить его обратно к источнику. Изменение скорости колеса позволило Физо вычислить, сколько времени требуется свету, чтобы пройти из отверстия, к соседнему зеркалу и обратно через зазор. Другой французский физик Леон Фуко использовал вращающееся зеркало, а не колесо. Каждый из двух независимых методов соответствовал скорости света, измеренной сегодня, примерно на 1000 миль в секунду.
Прусский Альберт Михельсон, выросший в Соединенных Штатах, попытался воспроизвести метод Фуко в 1879 году, но использовал большее расстояние, а также высококачественные зеркала и линзы.
Его результат 186 355 миль в секунду (299 910 км / с) был принят как самое точное измерение скорости света за 40 лет, когда Майкельсон повторно измерил его.
Интересное примечание к эксперименту Майкельсона заключалось в том, что он пытался обнаружить среду, через которую проходит свет, называемую светоносным эфиром.Вместо этого его эксперимент показал, что эфира не существует.
«Эксперимент – и работа Майкельсона – были настолько революционными, что он стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное невыявление чего-либо», – написал астрофизик Итан Сигал в научном блоге Forbes. Начинается с ура. «Сам эксперимент, возможно, закончился полным провалом, но то, что мы извлекли из него, было большим благом для человечества и нашего понимания Вселенной, чем любой успех!»
Эйнштейн и специальная теория относительности
В 1905 году Альберт Эйнштейн написал свою первую статью по специальной теории относительности.В нем он установил, что свет движется с одинаковой скоростью независимо от того, как быстро движется наблюдатель.
Даже при самых точных измерениях скорость света для наблюдателя, неподвижно стоящего на поверхности Земли, остается такой же, как и для человека, движущегося в сверхзвуковой струе над ее поверхностью. Точно так же, даже несмотря на то, что Земля вращается вокруг Солнца, которое само движется вокруг Млечного Пути, галактики, путешествующей в космосе, измеренная скорость света, исходящего от нашего Солнца, будет одинаковой, независимо от того, находится ли человек внутри или за пределами галактики. вычислите это.Эйнштейн подсчитал, что скорость света не зависит от времени и места.
Хотя скорость света часто называют пределом скорости Вселенной, на самом деле Вселенная расширяется еще быстрее. По словам астрофизика Пола Саттера, Вселенная расширяется со скоростью примерно 68 километров в секунду за мегапарсек, где мегапарсек составляет 3,26 миллиона световых лет (подробнее об этом позже). Таким образом, кажется, что галактика на расстоянии 1 мегапарсека удаляется от Млечного Пути со скоростью 68 км / с, а галактика на расстоянии двух мегапарсеков удаляется со скоростью 136 км / с и так далее.
«В какой-то момент на каком-то непристойном расстоянии скорость переваливает за чашу весов и превышает скорость света, все из-за естественного, регулярного расширения пространства», – писал Саттер.
Далее он объяснил, что, в то время как специальная теория относительности обеспечивает абсолютный предел скорости, общая теория относительности допускает более широкие расстояния.
«Галактика на дальнем краю Вселенной? Это область общей теории относительности, а общая теория относительности говорит: кого это волнует! Эта галактика может иметь любую скорость, какую только пожелает, пока она находится очень далеко, а не рядом. к твоему лицу », – написал он.
«Специальная теория относительности не заботится о скорости – сверхсветовой или иной – далекой галактики. И вам тоже».
Что такое световой год?
Расстояние, которое свет проходит за год, называется световым годом. Световой год – это мера времени и расстояния. Это не так сложно понять, как кажется.
Подумайте об этом так: свет проходит от Луны к нашим глазам примерно за 1 секунду, что означает, что Луна находится на расстоянии примерно 1 световой секунды. Солнечному свету требуется около 8 минут, чтобы достичь наших глаз, поэтому солнце находится на расстоянии около 8 световых минут.Свету ближайшей звездной системы, Альфы Центавра, требуется примерно 4,3 года, чтобы добраться сюда, поэтому считается, что эта звездная система находится на расстоянии 4,3 световых года от нас.
“Чтобы получить представление о размере светового года, возьмите окружность Земли (24 900 миль), расположите ее по прямой линии, умножьте длину линии на 7,5 (соответствующее расстояние равно одному свету. -второй), затем разместите 31,6 миллиона одинаковых строк от начала до конца », – пишет на своем сайте исследовательский центр NASA Glenn Research. «В результате расстояние составляет почти 6 триллионов (6 000 000 000 000) миль!»
Звезды и другие объекты за пределами нашей Солнечной системы находятся на расстоянии от нескольких световых лет до нескольких миллиардов световых лет.
Таким образом, когда астрономы изучают объекты, которые находятся на расстоянии светового года или более, они видят, что они существовали в то время, когда свет покинул их, а не такими, какими они бы казались, если бы они стояли у их поверхности сегодня. В этом смысле все, что мы видим в далекой вселенной, буквально является историей.
Этот принцип позволяет астрономам увидеть, как выглядела Вселенная после Большого взрыва, который произошел около 13,8 миллиарда лет назад. Изучая объекты, которые находятся, скажем, на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас, мы видим их такими, какими они выглядели 10 миллиардов лет назад, относительно вскоре после возникновения Вселенной, а не такими, какими они выглядят сегодня.
Действительно ли скорость света постоянна?
Свет распространяется волнами и, как и звук, может замедляться в зависимости от того, через что он проходит. Ничто не может превзойти свет в вакууме. Однако, если область содержит какое-либо вещество, даже пыль, свет может искривляться при контакте с частицами, что приводит к снижению скорости.
Свет, проходящий через атмосферу Земли, движется почти так же быстро, как свет в вакууме, в то время как свет, проходящий через алмаз, замедляется менее чем вдвое.Тем не менее, он проезжает через жемчужину со скоростью более 277 миллионов миль в час (почти 124 000 км / с) – скорость не для насмешек.
Можем ли мы путешествовать быстрее света?
Научная фантастика любит рассуждать об этом, потому что «скорость деформации», как широко известно, путешествие со скоростью, превышающей скорость света, позволила бы нам перемещаться между звездами во временных рамках, которые иначе были бы невозможны. И хотя это не было доказано, практическая возможность путешествовать со скоростью быстрее света делает эту идею довольно надуманной.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, когда объект движется быстрее, его масса увеличивается, а длина сокращается.Со скоростью света такой объект имеет бесконечную массу, а его длина равна 0 – это невозможно. Таким образом, согласно теории, ни один объект не может достичь скорости света.
Это не мешает теоретикам предлагать творческие и конкурирующие теории. Некоторые говорят, что идея варп-скорости вполне возможна, и, возможно, в будущих поколениях люди будут прыгать между звездами так же, как мы путешествуем между городами в наши дни. Одно из предложений могло бы включать космический корабль, который мог бы складывать вокруг себя пространственно-временной пузырь, чтобы превысить скорость света.В теории звучит здорово.
«Если бы капитан Кирк был вынужден двигаться со скоростью наших самых быстрых ракет, ему потребовалось бы сто тысяч лет, чтобы добраться до следующей звездной системы», – сказал Сет Шостак, астроном из «Поиска внеземного разума» (SETI). ) В Маунтин-Вью, Калифорния, в интервью 2010 года сайту LiveScience, дочернему сайту Space.com. “Итак, научная фантастика давно постулировала способ преодолеть скорость светового барьера, чтобы история могла развиваться немного быстрее.”
Дополнительные ресурсы
Следуйте за Нолой Тейлор Редд на @NolaTRedd, Facebook или Google+.
Следите за нами на @Spacedotcom, Facebook или Google+.
The Physics of Light and Color – Speed of Light
Где-то в космическом пространстве, в миллиардах световых лет от Земли, первоначальный свет, связанный с Большим взрывом Вселенной, освещает новую землю, продолжая двигаться наружу. В отличие от другой формы электромагнитного излучения, происходящего на Земле, радиоволны из первого прямого эфира сериала «Шоу Люси » транслируют премьеру где-то в глубоком космосе, хотя и значительно уменьшены по амплитуде.
Основная концепция, лежащая в основе обоих событий, включает скорость света (и все другие формы электромагнитного излучения), которую ученые тщательно изучили, и теперь она выражается в виде постоянной величины, обозначаемой в уравнениях символом c . Не совсем константа, а максимальная скорость в вакууме, скорость света, которая составляет почти 300 000 километров в секунду, может быть изменена путем изменения среды или с помощью квантовой интерференции.
Свет, движущийся в однородном веществе или среде, распространяется по прямой линии с относительно постоянной скоростью, если он не преломляется, не отражается, не дифрагирует или не возмущается каким-либо другим образом.Этот общепризнанный научный факт не является продуктом атомной эры или даже эпохи Возрождения, а был первоначально продвинут древнегреческим ученым Евклидом около 350 г. до н.э. в его историческом трактате Optica . Однако интенсивность света (и другого электромагнитного излучения) обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. Таким образом, после того, как свет прошел дважды заданное расстояние, интенсивность падает в четыре раза.
Когда свет, проходящий через воздух, попадает в другую среду, такую как стекло или вода, скорость и длина волны света уменьшаются (см. Рисунок 2), хотя частота остается неизменной.Свет распространяется со скоростью примерно 300000 километров в секунду в вакууме, который имеет показатель преломления 1,0, но он замедляется до 225000 километров в секунду в воде (показатель преломления 1,3; см.
Рисунок 2) и 200000 километров в секунду в стекле (преломление). индекс 1,5). В алмазе с довольно высоким показателем преломления 2,4 скорость света снижается до относительного ползания (125 000 километров в секунду), что примерно на 60 процентов меньше его максимальной скорости в вакууме.
Из-за огромных путешествий, которые свет проходит в космическом пространстве между галактиками (см. Рисунок 1) и внутри Млечного Пути, расстояние между звездами измеряется не в километрах, а в световых годах, расстояние, которое свет пройдет за год. .Световой год равен 9,5 триллиона километров или примерно 5,9 триллиона миль. Расстояние от Земли до следующей ближайшей звезды за пределами нашего Солнца, Proxima Centauri , составляет примерно 4,24 световых года. Для сравнения: диаметр галактики Млечный Путь составляет около 150 000 световых лет, а расстояние до галактики Андромеды составляет примерно 2,21 миллиона световых лет. Это означает, что свет, покидающий галактику Андромеды 2,21 миллиона лет назад, как раз достигает Земли, если только он не был задержан отражением небесных тел или преломлением обломков.
Когда астрономы смотрят в ночное небо, они наблюдают смесь реального времени, недавнего прошлого и древней истории. Например, в период, когда пионеры вавилоняне, арабские астрологи и греческие астрономы описывали звездные созвездия, Скорпион ( Скорпион для астрологов) все еще имел хлыст скорпиона. Хвостовая звезда и другие звезды в этом созвездии появились в небе как новые звезды между 500 и 1000 годами до нашей эры, но сегодня они не видны.Хотя некоторые из звезд, которые наблюдаются в ночном небе Земли, уже давно погибли, световые волны, которые несут их изображения, все еще достигают человеческих глаз и телескопов. Фактически, свет от их разрушения (и тьма их отсутствия) еще не пересек огромные расстояния глубокого космоса из-за недостаточного времени.
Эмпедокл из Акрагаса, живший около 450 г. до н.э., был одним из первых известных философов, которые предположили, что свет распространяется с конечной скоростью.Спустя почти тысячелетие, примерно в 525 году нашей эры, римский ученый и математик Аниций Боэций попытался задокументировать скорость света, но, будучи обвиненным в измене и колдовстве, был обезглавлен за свои научные усилия.
С самого первого применения китайцами черного пороха для фейерверков и сигналов человек задавался вопросом о скорости света. Поскольку вспышка света и цвета предшествовали взрывному звуку на несколько секунд, не требовалось серьезных вычислений, чтобы понять, что скорость света явно превышает скорость звука.
Скорость света в прозрачных материалах
Узнайте, как скорость света уменьшается пропорционально показателю преломления материала, когда свет попадает в новую прозрачную среду, такую как воздух, вода или стекло.
Китайские секреты взрывчатых веществ проникли на Запад в середине XIII века, и вместе с ними возникли вопросы о скорости света. До этого периода другие исследователи, должно быть, рассматривали вспышку молнии, за которой позже последовал удар грома, типичный для грозы, но не предлагали правдоподобных научных объяснений природы задержки.Арабский ученый Альхазен был первым серьезным ученым-оптиком, который предположил (около 1000 г. н.э.), что свет имеет конечную скорость, а к 1250 г.
британский пионер оптики Роджер Бэкон написал, что скорость света конечна, хотя и очень велика. Тем не менее, широко распространенное мнение большинства ученых того периода заключалось в том, что скорость света бесконечна и не может быть измерена.
В 1572 году известный датский астроном Тихо Браге первым описал сверхновую, которая произошла в созвездии Кассиопеи .Наблюдая за тем, как в небе внезапно появляется “новая звезда”, которая медленно усиливается в яркости, а затем исчезает из поля зрения в течение 18 месяцев, астроном был озадачен, но заинтригован. Эти новые небесные видения заставили Браге и его современников подвергнуть сомнению широко распространенное представление о совершенной и неизменной Вселенной, имеющей бесконечную скорость света. Трудно было отвергнуть веру в то, что свет имеет бесконечную скорость, хотя некоторые ученые начали сомневаться в скорости света в шестнадцатом веке.Еще в 1604 году немецкий физик Иоганн Кеплер предположил, что скорость света мгновенная.
В своих опубликованных заметках он добавил, что космический вакуум не замедляет скорость света, в определенной степени затрудняя поиски его современниками эфира, который якобы заполнял пространство и нес свет.
Вскоре после изобретения и некоторых относительно грубых усовершенствований телескопа датский астроном Оле Ремер (в 1676 году) стал первым ученым, сделавшим строгую попытку оценить скорость света.Изучая спутник Юпитера Ио и его частые затмения, Ремер смог предсказать периодичность периода затмений для Луны (рис. 3). Однако через несколько месяцев он заметил, что его прогнозы постепенно становились менее точными с увеличением временных интервалов, достигая максимальной ошибки около 22 минут (довольно большое расхождение, учитывая, как далеко свет проходит за этот промежуток времени). Затем, как ни странно, его прогнозы снова стали более точными через несколько месяцев, и цикл повторился.Работая в Парижской обсерватории, Ремер вскоре понял, что наблюдаемые различия были вызваны вариациями расстояния между Землей и Юпитером из-за орбитальных путей планет.
Когда Юпитер удалялся от Земли, свету приходилось перемещаться на большее расстояние, и ему требовалось дополнительное время, чтобы достичь Земли. Применяя относительно неточные расчеты расстояний между Землей и Юпитером, доступные в тот период, Ремер смог оценить скорость света примерно в 137 000 миль (или 220 000 километров) в секунду.Рисунок 3 иллюстрирует репродукцию оригинальных рисунков Ремера, описывающих его методологию, использованную для определения скорости света.
Работа Ремера всколыхнула научное сообщество, и многие исследователи начали пересматривать свои предположения о бесконечной скорости света. Сэр Исаак Ньютон, например, написал в своем знаменательном трактате 1687 года Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica (Математические принципы естественной философии): «Поскольку теперь очевидно из явлений спутников Юпитера, подтвержденных наблюдениями различных астрономов, этот свет распространяется последовательно, и ему требуется около семи или восьми минут, чтобы пройти от Солнца до Земли », что на самом деле является очень точной оценкой правильной скорости света.
Уважаемое мнение и широкая репутация Ньютона сыграли важную роль в запуске научной революции и помогли начать новые исследования ученых, которые теперь признали скорость света конечной.
Следующим в очереди, кто дал полезную оценку скорости света, был британский физик Джеймс Брэдли. В 1728 году, через год после смерти Ньютона, Брэдли оценил скорость света в вакууме примерно в 301 000 километров в секунду, используя звездные аберрации. Эти явления проявляются в явном изменении положения звезд из-за движения Земли вокруг Солнца.Степень звездной аберрации можно определить по отношению орбитальной скорости Земли к скорости света. Измеряя угол звездной аберрации и применяя эти данные к орбитальной скорости Земли, Брэдли смог прийти к удивительно точной оценке.
В 1834 году сэр Чарльз Уитстон, изобретатель калейдоскопа и пионер в науке о звуке, попытался измерить скорость электричества. Уитстон изобрел устройство, в котором использовались вращающиеся зеркала и емкостный разряд через лейденскую банку, чтобы генерировать и синхронизировать движение искр по почти восьми милям провода.К сожалению, его расчеты (и, возможно, его приборы) были ошибочными до такой степени, что Уитстон оценил скорость электричества в 288 000 миль в секунду, ошибка, которая заставила его поверить в то, что электричество движется быстрее света. Позднее исследования Уитстона были расширены французским ученым Домиником Франсуа Жаном Араго. Хотя ему не удалось завершить свою работу до того, как в 1850 году у него ухудшилось зрение, Араго правильно предположил, что в воде свет распространяется медленнее, чем в воздухе.
Тем временем во Франции конкурирующие ученые Арман Физо и Жан-Бернар-Леон Фуко независимо друг от друга попытались измерить скорость света, не полагаясь на небесные явления, воспользовавшись открытиями Араго и расширив конструкцию инструмента с вращающимся зеркалом Уитстона. В 1849 году Физо сконструировал устройство, которое направило луч света через зубчатое колесо (вместо вращающегося зеркала), а затем на неподвижное зеркало, расположенное на расстоянии 5,5 миль. Вращая колесо с большой скоростью, он смог направить луч через промежуток между двумя зубьями на обратном пути и поймать отраженные лучи в соседнем промежутке на обратном пути.Вооружившись скоростью вращения колес и расстоянием, пройденным импульсным светом, Физо смог вычислить скорость света. Он также обнаружил, что в воздухе свет распространяется быстрее, чем в воде (подтверждая гипотезу Араго), и этот факт позже подтвердил его соотечественник Фуко путем экспериментов.
Фуко использовал быстро вращающееся зеркало, приводимое в движение турбиной сжатого воздуха, для измерения скорости света. В его аппарате (см. Рис. 4) узкий луч света проходит через апертуру, а затем через стеклянное окно (действующее также как светоделитель) с мелкой градуированной шкалой, прежде чем попасть на быстро вращающееся зеркало.Свет, отраженный от вращающегося зеркала, направляется через батарею стационарных зеркал по зигзагообразной схеме, предназначенной для увеличения длины пути инструмента примерно до 20 метров без соответствующего увеличения размера. За то время, которое потребовалось свету, чтобы отразиться через серию зеркал и вернуться к вращающемуся зеркалу, произошло небольшое смещение положения зеркала. Затем свет, отраженный от смещенного положения вращающегося зеркала, следует по новому пути обратно к источнику и попадает в микроскоп, установленный на приборе.Крошечный сдвиг света можно было увидеть в микроскоп и зарегистрировать. Путем анализа данных, собранных в ходе его эксперимента, Фуко смог вычислить скорость света как 298 000 километров в секунду (примерно 185 000 миль в секунду).
Световой путь в устройстве Фуко был достаточно коротким, чтобы его можно было использовать при измерении скорости света в среде, отличной от воздуха. Он обнаружил, что скорость света в воде или стекле составляет лишь около двух третей от скорости света в воздухе, и он также пришел к выводу, что скорость света через данную среду обратно пропорциональна показателю преломления.Этот замечательный результат согласуется с предсказаниями о поведении света, полученными сотнями лет назад из волновой теории распространения света.
Следуя указаниям Фуко, американский физик польского происхождения по имени Альберт А. Михельсон попытался повысить точность метода и успешно измерил скорость света в 1878 году с помощью более совершенной версии прибора вдоль облицовки стены высотой 2000 футов. берега реки Северн в Англии. Вкладывая средства в высококачественные линзы и зеркала для фокусировки и отражения луча света по гораздо более длинному пути, чем тот, который использовал Фуко, Майкельсон рассчитал конечный результат 186 355 миль в секунду (299 909 километров в секунду), допуская возможную ошибку около 30 миль в секунду.Из-за возросшей сложности его экспериментального дизайна точность измерений Майкельсона была более чем в 20 раз выше, чем у Фуко.
В конце 1800-х годов большинство ученых все еще считало, что свет распространяется в космосе с использованием носителя, называемого эфиром . Майкельсон объединился с ученым Эдвардом Морли в 1887 году, чтобы разработать экспериментальный метод обнаружения эфира путем наблюдения относительных изменений скорости света, когда Земля завершила свой оборот вокруг Солнца.Для достижения этой цели они разработали интерферометр, который разделяет луч света и перенаправляет отдельные лучи по двум разным путям, каждый длиной более 10 метров, используя сложную матрицу зеркал. Майкельсон и Морли рассудили, что если Земля движется через эфирную среду, луч, отражающийся взад и вперед перпендикулярно потоку эфира, должен проходить дальше, чем луч, отражающийся параллельно эфиру. Результатом будет задержка в одном из световых лучей, которую можно было бы обнаружить, когда лучи были рекомбинированы посредством интерференции.
Экспериментальная установка, построенная Майкельсоном и Морли, была массивной (см. Рис. 5). Установленный на медленно вращающейся каменной плите площадью более пяти квадратных футов и толщиной 14 дюймов, инструмент был дополнительно защищен находящейся под ним лужей ртути, которая действовала как амортизатор без трения, устраняя вибрации Земли. После того, как плита была приведена в движение, достигнув максимальной скорости 10 оборотов в час, потребовалось несколько часов, чтобы снова остановиться. Свет, проходящий через светоделитель и отраженный системой зеркал, исследовался с помощью микроскопа на предмет интерференционных полос, но они никогда не наблюдались.Однако Майкельсон использовал свой интерферометр, чтобы точно определить скорость света на уровне 186 320 миль в секунду (299 853 километра в секунду), значение, которое оставалось стандартом в течение следующих 25 лет. Неспособность обнаружить изменение скорости света с помощью эксперимента Майкельсона-Морли положила начало прекращению спора об эфире, который был окончательно положен теориями Альберта Эйнштейна в начале двадцатого века.
В 1905 году Эйнштейн опубликовал свою Специальную теорию относительности , а в 1915 году – Общую теорию относительности .Первая теория относилась к движению объектов с постоянной скоростью относительно друг друга, а вторая фокусировалась на ускорении и его связи с гравитацией. Поскольку они оспаривали многие давние гипотезы, такие как закон движения Исаака Ньютона, теории Эйнштейна были революционной силой в физике. Идея относительности воплощает идею о том, что скорость объекта может быть определена только относительно положения наблюдателя. Например, человек, идущий внутри авиалайнера, кажется, движется со скоростью около одной мили в час в системе отсчета самолета (который сам движется со скоростью 600 миль в час).Однако наблюдателю на земле кажется, что человек движется со скоростью 601 миля в час.
Эйнштейн в своих расчетах предположил, что скорость света, движущегося между двумя системами отсчета, остается одинаковой для наблюдателей в обоих местах. Поскольку наблюдатель в одном кадре использует свет для определения положения и скорости объектов в другом кадре, это меняет способ, которым наблюдатель может соотносить положение и скорость объектов. Эйнштейн использовал эту концепцию, чтобы вывести несколько важных формул, описывающих, как объекты в одной системе отсчета выглядят, если смотреть с другой, которая движется равномерно относительно первой.Его результаты привели к некоторым необычным выводам, хотя эффекты становятся заметными только тогда, когда относительная скорость объекта приближается к скорости света. Таким образом, основные выводы из фундаментальных теорий Эйнштейна и его часто упоминаемого уравнения относительности:
E = mc 2
можно резюмировать следующим образом:
Длина объекта уменьшается относительно наблюдателя, поскольку скорость этого объекта увеличивается.
Когда система отсчета перемещается, временные интервалы становятся короче.Другими словами, космический путешественник, движущийся со скоростью света или близкой к ней, мог покинуть Землю на многие годы и вернуться, испытав промежуток времени всего в несколько месяцев.
Масса движущегося объекта увеличивается с увеличением его скорости, и по мере приближения скорости к скорости света масса приближается к бесконечности. По этой причине широко распространено мнение, что путешествие со скоростью, превышающей скорость света, невозможно, потому что для ускорения бесконечной массы потребуется бесконечное количество энергии.
Хотя теория Эйнштейна повлияла на весь мир физики, она имела особенно важные последствия для тех ученых, которые изучали свет. Теория объяснила, почему эксперимент Майкельсона-Морли не дал ожидаемых результатов, препятствуя дальнейшим серьезным научным исследованиям природы эфира как среды-носителя. Он также продемонстрировал, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме, и что эта скорость является постоянной и неизменной величиной.Между тем, ученые-экспериментаторы продолжали применять все более сложные инструменты, чтобы установить правильное значение скорости света и уменьшить ошибку в ее измерении.
Измерения скорости света
| Дата | Исследователь | Метод | Оценка Километров / с | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 92 Галиль 9091 | ||||||
| 92 Галиль 9091 9091 Галиль 9091 Крытые фонари | 333.5 | |||||
| 1676 | Оле Ремер | Спутники Юпитера | 220,000 | |||
| 1726 | Джеймс Брэдли | |||||
| 1834 | Чарльз Уитстон | Вращающееся зеркало | 402,336 | |||
| 1838 | 9002 902 902902 902 902 902 902 902 902 902 | 1849 | Арман Физо | Вращающееся колесо | 315,000 | |
| 1862 | Леон Фуко | 902 902 15 | ||||
| 1868 | Джеймс Клерк Максвелл | Теоретические расчеты | 284,000 | |||
| 1875 | Marie-Alfred Rotating 2 9002 9009 992 909 | |||||
| 1879 | Альберт Майкельсон | Вращающееся зеркало | 299,910 | |||
| 1888 | Heinzrich Rudolf 902 | Heinzrich Rudolf | ||||
| 1889 | Эдвард Беннетт Роза | Электрические измерения | 300000 | |||
| 1890-е годы | Генри Роуленд | 092301,800 | ||||
| 1907 | Эдвард Беннетт Роза и Ноа Дорси | Электрические измерения | 299,788 | |||
| 299,795 | ||||||
| 1926 | Альберт Майкельсон | Вращающееся зеркало (интерферометр) | 299,798 | |||
| Затвор ячейки Керра | 299,778 | |||||
| 1932-1935 | Майкельсон и Пиз | Вращающееся зеркало (интерферометр) | 1947 | Louis Essen | Полостной резонатор | 299,792 |
| 1949 | Карл И.Аслаксон | Шоран Радар | 299 792,4 | |||
| 1951 | Кейт Дэви Фрум | Радиоинтерферометр | 299 792,792,79 Эвенсон | Laser | 299 792,457 | |
| 1978 | Питер Вудс и коллеги | Laser | 299 792.4588 |
Таблица 1
В конце девятнадцатого века достижения в области радио- и микроволновых технологий предоставили новые подходы к измерению скорости света. В 1888 году, более чем через 200 лет после первых наблюдений за небесными телами Ремера, немецкий физик Генрих Рудольф Герц измерил скорость радиоволн. Герц получил значение около 300 000 километров в секунду, подтвердив теорию Джеймса Клерка Максвелла о том, что радиоволны и свет являются формами электромагнитного излучения.Дополнительные доказательства были собраны в 1940-х и 1950-х годах, когда британские физики Кейт Дэви Фрум и Луи Эссен использовали радио и микроволны, соответственно, для более точного измерения скорости электромагнитного излучения.
Максвеллу также приписывают определение скорости света и других форм электромагнитного излучения не путем измерения, а путем математического вывода. Во время своих попыток найти связь между электричеством и магнетизмом Максвелл предположил, что изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, обратное следствие закона Фарадея.Он предположил, что электромагнитные волны состоят из комбинированных колеблющихся электрических и магнитных волн, и рассчитал скорость этих волн в пространстве как:
Скорость (V) = 1 / (ε • µ) 1/2
где ε – диэлектрическая проницаемость и µ – проницаемость свободного пространства, две константы, которые можно измерить с относительно высокой степенью точности. В результате получается значение, которое близко приближается к измеренной скорости света.
В 1891 году, продолжая свои исследования скорости света и астрономии, Майкельсон создал крупномасштабный интерферометр с помощью рефракционного телескопа в обсерватории Лик в Калифорнии. Его наблюдения были основаны на задержке во времени прихода света при просмотре далеких объектов, таких как звезды, которые можно количественно проанализировать, чтобы измерить как размер небесных тел, так и скорость света. Почти 30 лет спустя Майкельсон перенес свои эксперименты в обсерваторию Маунт-Вильсон и применил те же методы к 100-дюймовому телескопу, крупнейшему в то время в мире.
Включив восьмиугольное вращающееся зеркало в свой экспериментальный проект, Майкельсон получил значение скорости света 299 845 километров в секунду. Хотя Майкельсон умер до завершения своих экспериментов, его коллега в Mount Wilson, Фрэнсис Г. Пиз, продолжал использовать новаторскую технику для проведения исследований в 1930-е годы. Используя модифицированный интерферометр, Пиз провел множество измерений в течение нескольких лет и, наконец, определил, что правильное значение скорости света составляет 299 774 километра в секунду, что является самым близким измерением, достигнутым на тот момент.Несколько лет спустя, в 1941 году, научное сообщество установило стандарт скорости света. Это значение, 299 773 километра в секунду, было основано на компиляции самых точных измерений того периода. На рисунке 6 представлено графическое представление измерений скорости света за последние 200 лет.
К концу 1960-х годов лазеры стали стабильным исследовательским инструментом с четко определенными частотами и длинами волн. Быстро стало очевидно, что одновременное измерение частоты и длины волны даст очень точное значение скорости света, подобное экспериментальному подходу, проведенному Китом Дэви Фрумом с использованием микроволн в 1958 году.Несколько исследовательских групп в США и других странах измерили частоту линии 633-нанометров от гелий-неонового лазера, стабилизированного йодом, и получили очень точные результаты. В 1972 году Национальный институт стандартов и технологий применил лазерную технологию для измерения скорости на уровне 299 792 458 метров в секунду (186 282 мили в секунду), что в конечном итоге привело к переопределению измерителя благодаря очень точной оценке скорости света.
Начиная с прорыва Ремера в 1676 году, скорость света была измерена по крайней мере 163 раза с использованием самых разных методов более чем 100 исследователями (см. Таблицу 1 для компиляции методов, исследователей и дат).По мере совершенствования научных методов и устройств пределы ошибок оценок сужались, хотя скорость света существенно не изменилась со времени расчетов Ремера семнадцатого века. Наконец, в 1983 году, более чем через 300 лет после первой серьезной попытки измерения, скорость света была определена Семнадцатым Всеобщим конгрессом по мерам и весам как 299 792,458 километров в секунду. Таким образом, измеритель определяется как расстояние, которое свет проходит за интервал времени 1/299 792 458 секунд.Однако в целом (даже во многих научных расчетах) скорость света округляется до 300 000 километров (или 186 000 миль) в секунду. Получение стандартного значения скорости света было важно для создания международной системы единиц, которая позволила бы ученым со всего мира сравнивать свои данные и расчеты.
Существует умеренное противоречие по поводу того, существуют ли доказательства того, что скорость света замедлялась со времен Большого взрыва, когда он мог двигаться значительно быстрее, как предполагают некоторые исследователи.Хотя представленные и опровергнутые аргументы увековечивают эту дискуссию, большинство ученых по-прежнему утверждают, что скорость света постоянна. Физики отмечают, что реальная скорость света, измеренная Ремером и его последователями, существенно не изменилась, а скорее указывают на ряд усовершенствований в научном оборудовании, связанных с повышением точности измерений, используемых для определения скорости света. Сегодня расстояние между Юпитером и Землей известно с высокой степенью точности, как и диаметр Солнечной системы и орбитальные траектории планет.Когда исследователи применяют эти данные для доработки расчетов, сделанных за последние несколько столетий, они получают значения скорости света, сопоставимые с теми, которые были получены с помощью более современных и сложных приборов.
Соавторы
Кеннет Р. Спринг – научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.
Томас Дж. Феллерс , Лоуренс Д. Цукерман и Майкл В. Дэвидсон – Национальное сильное магнитное поле Лаборатория, 1800 г. Ист Поль Дирак Др., Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.
Краткая история скорости света
Какова скорость света? На этот вопрос так легко ответить в эпоху Интернета. Но задумывались ли вы, как мы достигли нынешней оценки 299 792 458 м / с?
Можете ли вы даже представить, как бы вы это измерили? Многие великие умы пытались ответить на этот вопрос на протяжении всей истории.
[Источник изображения: LucasVB через Wikimedia Commons ]
Ранние попытки реальных «физических» измерений были удачным началом с Galileo.В одном конкретном случае он и его помощник стояли на противоположных вершинах холмов на известном расстоянии между ними. Галилей откроет ставни своей лампы. План заключался в том, чтобы помощник открыл ставни другой лампы, как только увидит свет от Галилея. Однако его эксперименты привели к «неубедительным» результатам, поскольку свет был слишком быстрым для измерения.
Новаторские работы таких авторов, как Ромер и Эйнштейн, похоже, наконец решили это исправить. Однако это только самые последние люди, которые работают над этой проблемой.Исследования в этом направлении начались намного раньше.
Ранние идеи
Некоторые из самых ранних дискуссий, по-видимому, принадлежат Аристотелю. Он цитирует знаменитую цитату Эмпедокла, который предположил, что солнечному свету требуется некоторое время, чтобы добраться до Земли. Как и следовало ожидать, Аристотель не согласился с этим предположением. Аристотель, казалось, предполагал, что свет распространяется мгновенно.
«свет возникает из-за присутствия чего-то, но это не движение» – Аристотель
Евклид и Птолемей основывались на идеях Эмпедокла и предполагали, что свет исходит из глаза, что делает возможным зрение.Позже Герон Александрийский утверждал, что скорость света, вероятно, бесконечна, поскольку далекие объекты, звезды и т. Д. Появляются сразу же, когда вы открываете глаза. Вдобавок Герон в конечном итоге сформулировал принцип кратчайшего пути света. В нем говорится, что если свет должен идти из точки A в точку B, он всегда будет идти по кратчайшему из возможных путей.
Прыгнув вперед в 17 век, Иоганн Кеплер пришел к выводу, что если скорость света конечна, то Солнце, Земля и Луна должны не совпадать во время лунных затмений.Поскольку этого не произошло, Декарт пришел к тому же выводу, что и Аристотель. Далее Декарт постулировал, что скорость света бесконечна или мгновенна и даже ускоряется через более плотные среды.
Как измерить «бесконечно» скорость
Одна из первых серьезных попыток измерить скорость света была предпринята голландским ученым Исааком Бекманом. В 1629 году с помощью пороха он разместил зеркала на разном расстоянии от взрыва. Он спросил наблюдателей, могут ли они увидеть разницу в том, когда вспышка взрыва отражалась от каждого зеркала их глазами.Как вы понимаете, результаты были несколько неубедительными.
Позже, в 1638 году, великий Галилей в своей работе « Две новые науки», довольно четко резюмировал позицию Аристотеля. «Повседневный опыт показывает, что распространение света происходит мгновенно; когда мы видим артиллерийское орудие, выпущенное с большого расстояния, вспышка достигает наших глаз без промедления; но звук достигает уха только через заметный промежуток времени», – писал он.
Галилей пришел к выводу, что на самом деле ничего о его скорости нельзя узнать, просто наблюдая за светом.Позже в этой части Галилей предлагает способ потенциального измерения скорости света.
Спидометр света Галилея
Идея Галилея измерить скорость света была на удивление упрощенной. Он предложил разместить двух человек на известном расстоянии друг от друга с закрытыми фонарями. План был на удивление простым. Сначала один из держателей фонарей открывает свой фонарь. Затем другой, наблюдающий за светом первого фонаря, сразу же обнаруживает свой собственный.Этот процесс следует повторить несколько раз, чтобы участники хорошо тренировались, чтобы сократить время реакции до минимально возможного.
Когда они привыкли к процессу, они должны были повторять его на все больших расстояниях, пока наконец не потребовались телескопы, чтобы видеть огни друг друга. Это должно было позволить эксперименту выяснить, существует ли на самом деле ощутимый интервал времени и скорость света. Галилей утверждает, что провел этот эксперимент, но, как вы можете догадаться, безрезультатно.
Он не смог обнаружить заметную задержку во времени, как мы ожидали бы сегодня, учитывая скорость света. Он пришел к выводу, что свет «если не мгновенный, то необычайно быстрый». Считается, что он использовал водяные часы, чтобы измерить задержку во времени эксперимента. Однако ему удалось сделать вывод, что свет должен двигаться по крайней мере в десять раз быстрее звука.
Измерения становятся серьезными
Датский астроном Оле Ромер начал проводить первые реальные измерения скорости света примерно через 50 лет после Галилея.Работая в своей Парижской обсерватории в 1676 году, он начал систематическое изучение I0, одной из лун Юпитера. Эта луна довольно часто затмевается Юпитером, когда он вращается вокруг планеты-гиганта. Это движение предсказуемо и удобно для такого рода экспериментов. Продолжая свои наблюдения, он обнаружил, что в течение нескольких месяцев затмения, казалось, все больше и больше отставали от того, что можно было ожидать в противном случае. Потом снова начали забирать. Странный!
В сентябре того же года он правильно предсказал, что одно затмение 9 ноября должно быть примерно на десять минут позже.К его большой радости и, возможно, облегчению, это действительно был тот случай, когда он злорадствовал перед своими скептически настроенными коллегами в Обсерватории.
Ромер объяснил, что это отставание, вероятно, связано с тем, что Земля и Юпитер двигались по разным орбитам, и при этом расстояние между ними изменялось. Свет, отраженный от Ио, должен, таким образом, занять некоторое время, чтобы достичь Земли с наибольшей «задержкой», возникающей, когда Земля и Юпитер находились на максимальном расстоянии друг от друга. «Задержки» затмений также были следствием этой разницы в расстоянии между нами и Ио / Юпитером.
Его наблюдения позволили Ромеру сделать вывод, что свету требуется около двадцати двух минут, чтобы достичь Земли.
[Источник изображения: НАСА / Лаборатория реактивного движения / Университет Аризоны ]
Основываясь на работе Ромера
Смелая оценка Ромера была хорошим началом, но немного завышенной. Позже сэр Исаак Ньютон напишет в Principia (Книга I, раздел XIV):
«Потому что теперь очевидно из явлений спутников Юпитера, подтвержденных наблюдениями разных астрономов, что свет распространяется последовательно ( note : Я думаю, это означает конечную скорость) и требуется около семи или восьми минут, чтобы добраться от Солнца до Земли.”
Ньютон с поправкой на расстояние между Землей и Солнцем, чтобы вычислить, что путешествие между ними займет около семи или восьми минут. В оценках как Ромера, так и Ньютона полученная цифра была такой далекой.
Теперь мы знаем, что это гораздо лучшая оценка, но “слава” Ромеру. Чтобы измерить «скорость» чего-либо, вам нужно знать расстояние между двумя точками. Возьмем, к примеру, расстояние от Солнца до Земли.
В течение 1670-х годов предпринимались различные попытки измерить параллакс Марса.Параллакс – это измерение того, как далеко сдвинулся Марс на фоне далеких звезд. Для этого наблюдения необходимо производить одновременно из разных мест на Земле. Это покажет очень тонкий сдвиг, который можно использовать для измерения расстояния Марса от Земли. Имея в руках это измерение, астрономы могли бы оценить относительное расстояние Земли от Солнца.
Относительные расстояния до небесных тел в нашей солнечной системе уже были установлены на этом этапе посредством наблюдений и геометрического анализа.
Эксперименты становятся все точнее
В Modern Theories of the Univers e Майкла Дж. Кроу эти наблюдения пришли к выводу, что это расстояние составляет от 40 до 90 миллионов миль. Эти измерения наконец согласовали значение в 93 миллиона миль (149,6 миллиона километров), что более или менее правильно, как мы знаем сегодня. Это соглашение между астрономами пришло из правильного значения расстояния Ромера или использования его данных Гюйгенсом.
Христиан Гюйгенс использовал оценку Ромера и объединил ее с оценкой диаметра Земли, чтобы получить новую скорость света.Работа Гюйгенса привела к тому, что скорость света составила около 201 168 (с точностью до целого числа) километров в секунду. Это примерно три четверти реального значения 299 793 (с точностью до целого числа) километров в секунду.
Почему ошибка? Мы объясним это, если учесть, что время, необходимое свету для пересечения орбиты Земли, составляет около двадцати двух минут, а не шестнадцать минут.
Английский астроном Джеймс Брэдли в 1728 году усовершенствовал оценку скорости света.Во время плавания по Темзе он отметил, что маленький вымпел на мачте корабля менял положение каждый раз, когда лодка «крутилась». Он сравнил это событие с Землей на орбите со звездным светом, сродни ветру, играющему парусами и вымпелом лодки. Брэдли далее рассуждал, что звездный «ветер» можно представить, когда мы идем либо позади, либо в приближающуюся «земную лодку».
Дождей не бывает, льет!
Другая аналогия: свет звезд подобен проливному дождю в безветренный день.Земля – это человек, идущий по кругу в космическом темпе. Дождь будет падать не вертикально, а под углом. Допустим, дождь идет со скоростью около 10 км / ч, а вы идете со скоростью около 5 км / ч, скорость дождя будет соответствовать этим цифрам по вертикали и горизонтали. Джеймс Брэдли думал, что свет можно представить, если мы действуем подобным образом.
Он рассудил, что, учитывая скорость Земли около 18 миль в секунду, он знал, что работа Ромера оценила свет примерно в 10 000 раз больше.Исходя из этого Брэдли предположил, что угловое изменение падающего света было примерно величиной небольшого угла прямоугольного треугольника. У треугольника одна сторона будет в 10 000 раз длиннее другой и составит около двух сотых градуса.
Появление телескопа и усовершенствование техники того времени позволило точно измерить этот малый угол. Из своего мысленного эксперимента и наблюдений Брэдли пришел к выводу, что скорость света составляет около 297 729 километров в секунду.Это всего лишь около 1% от отметки !! Довольно невероятно.
Что со всеми косвенными измерениями?
Хорошо, давайте подведем итоги. Мы перешли от споров о том, мгновенно ли распространяется свет, к некоторым реальным цифрам. Неплохо. К сожалению, большинство из них не являются фактическими прямыми измерениями. Скорее, это косвенные утверждения. Конечно, с очень хорошей точностью, но «прямого» наблюдения все же не хватает.
Пунт Галилея с фонарями сработал бы хорошо, учитывая, что у нас было бы реально известное расстояние для работы.До сих пор скорость рассчитывалась на основе косвенных выводов, основанных на небольших изменениях положения небесных тел. Как мы знаем сегодня, относительно небольшие расстояния, подобные тем, которые нужны Галилею, слишком малы для того, чтобы произвести заметные измерения.
Эта проблема была частично решена двумя непримиримыми французскими соперниками в 1850 году. Физо и Фуко использовали несколько отличающиеся методы, чтобы прийти к аналогичному выводу. Физо использовал устройство, которое излучало луч света между зубьями быстро вращающегося зубчатого колеса.Это означало, что источник света постоянно закрывали и открывали. Он также использовал зеркало, чтобы отразить свет обратно в том месте, где он проходил через зубчатое колесо во второй раз.
Это нововведение явно устранило необходимость в двух фонарях, как в эксперименте Галилея, а также обеспечило более предсказуемый рисунок, а не полагался на реакции человека.
Идея заключалась в том, что отраженный свет может в определенное время отражаться через зубчатое колесо. Например, тот же самый, если он достаточно «медленный», или еще одно зубное отверстие, если оно достаточно быстрое или, конечно, заблокировано «клиньями» между ними.Прелесть конструкции заключалась в том, что вы могли легко изготавливать колеса с сотнями зубцов и очень быстро вращать их, что позволяло проводить измерения за доли секунды. Этот метод действительно работал очень хорошо.
Фуко наносит ответный удар
Его соперник, метод Фуко был основан на аналогичном принципе, за исключением того, что он включал вращающееся зеркало, а не зубчатое колесо. В одной точке вращения отраженный луч света падал на другое дальнее зеркало, которое отражалось обратно во вращающееся.Вращающееся зеркало явно повернулось на небольшое расстояние за время, необходимое для отражения света обратно в него.
Этот метод позволяет измерить новое положение светового луча и, следовательно, определить скорость. Он смог выяснить, как далеко повернулось зеркало за то время, пока свет прошел туда и обратно.
Обе эти гениальные техники обеспечивали скорость 298 000 километров в секунду. Это всего лишь 0,6% “от” современной оценки.
Альберт Михельсон подходит к тарелке
Г-н Михельсон родился в Стшельно, Польша.Его родители эмигрировали в США, когда Альберту было 4 года, чтобы избежать эскалации антисемитизма в регионе. Позже Альберт провел некоторое время с военно-морским флотом США, прежде чем стать инструктором по физике и химии в 1875 году.
Его время в море и его размышления о том, как все выглядит одинаково в закрытой комнате, движущейся с постоянной скоростью. действительно в состоянии покоя, напоминали более ранние находки Галилея.
Когда Майкельсон начал читать лекции, он решил попробовать метод Фуко.Однако вскоре он понял, настраивая прибор, что, возможно, он может изменить его конструкцию, чтобы обеспечить большую точность. Он решил поднять ставку и увеличить расстояние между зеркалами и линзами.
Вместо 18 метров Фуко он решил увеличить дистанцию до 610 метров. Ему также удалось собрать средства на использование очень качественных зеркал для фокусировки световых лучей. Его выводы были настолько хороши, что он записал скорость света как 298 299,96 километров в секунду, что составляет всего 48,28 километров в секунду от сегодняшнего значения.
Точность его эксперимента была настолько хороша, что она стала стандартным и наиболее точным измерением на следующие 40 лет.
Ткацкие станки 20-го века
Было известно, что в конце 19-го века свет и электромагнетизм переплелись друг с другом. Это позволит доработать его в течение следующих нескольких десятилетий. Физики без устали измеряли электромагнитные и электростатические заряды, чтобы получить числовые значения, очень близкие к тем, которые измерял Физо.
Основываясь на этом, немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер предположил, что свет на самом деле был электромагнитной волной.На сцену слева выходит Альберт Эйнштейн с его новаторской работой в 1905 году. « О электродинамике движущихся тел » показал миру, что скорость света в вакууме одинакова во всех «инерциальных» системах отсчета. Более того, это было совершенно независимо от движения источника или наблюдателя.
Расчеты Эйнштейна позволили ему разработать специальную теорию относительности, предоставив научному миру значение c, которое теперь является фундаментальной константой.До Эйнштейна ученые глубоко укоренились в своих поисках чего-то, что называлось «светоносным эфиром». Такая, казалось бы, странная концепция была использована для описания того, как на самом деле распространяется свет. Когда-то считалось, что эфир предназначен для «перемещения» света по Вселенной.
Универсальное ограничение скорости
Работа Эйнштейна выдвинула принцип, согласно которому скорость света в вакууме постоянна, и эта странность возникает по мере приближения к ее скорости.Включая такие эффекты, как замедление времени или замедление времени, чем быстрее вы путешествуете. Скорость света кажется максимальной, которую может перемещать тело с массой. Возможно, будущее развитие физики также опровергнет это представление. Время покажет.
Теория относительности также смогла согласовать уравнения Максвелла для электричества и магнетизма с законами механики. Они также упростили математические вычисления, сделав излишние пояснения излишними. Современные методы, включая интерферометры и методы объемного резонанса, были использованы, чтобы дать нам современную ценность.Они дополнительно уточнили нашу оценку так называемого предела скорости Вселенной. Наше признанное в настоящее время значение 299 792 458 м / с было получено в 1972 году Национальным бюро стандартов США в Боулдере, штат Колорадо.
Последнее слово
Что ж, это настоящее путешествие. Мы прошли путь от великого Аристотеля ни к кому другому, как к Альберту Эйнштейну. Другие великие умы, включая Исаака Ньютона, французских и польских ученых, «попробовали» решить этот, казалось бы, простой вопрос. Это действительно был труд любви во времени и событие Универсальной «команды тегов».Мы прошли путь от чистой мысли к паре парней с фонарями и, наконец, к новейшим научным экспериментам, чтобы дать ответ. Да ладно, между ними были некоторые дальнейшие усовершенствования и гениальные методы.
Постоянно раздражающая человеческая привычка задавать неудобные вопросы иногда может привести к долгому ожиданию, казалось бы, простых вопросов. Возможно, скорость света – лучший тому пример. Для наших предков это прекрасное свидетельство того, что мы не остановились в своих поисках, чтобы ответить на этот вопрос.Хотя у нас есть текущая оценка, вполне вероятно, что в ближайшие столетия будут внесены дальнейшие уточнения. Что бы ни ожидало будущее, мы надеемся, что с этого момента вы никогда не будете воспринимать это как должное.
Интерферометрический метод измерения скорости света
Абстрактные
Комбинация интерферометрических методов в оптических областях спектра 3,2 см и видимого света теперь используется для измерения скорости света в терминах первичных атомных констант, атомных часов для частоты и источника света (Hg 198 , Kr 86, оптический мазер) для длины.Микроволновая интерферометрия выполняется путем гидравлического и непрерывного перемещения поршня в идеальной, посеребренной, оптически полированной, цилиндрической резонансной полости из плавленого кварца. Оптические и механические системы включают несколько новых функций, расширяющих интерферометрический метод сервоуправления с использованием фотоэлектрического обнаружения, успешно примененного автором для управления решетками с высоким разрешением. При такой же хорошей или лучшей точности, чем те, которые были получены при любом предыдущем измерении c , повышение точности на один-три порядка величины является результатом использования первичных эталонов для частоты и длины, а не ненадежных вторичных эталонов, используемых до сих пор.Этот факт применим и к другим измерениям скорости света и должен помочь в уменьшении довольно неприятного разброса значений c , который до сих пор значительно превышал точность, полученную при измерениях.
© 1963 Оптическое общество Америки
Полная статья | PDF статьяЕще Нравится
Список литературы
У вас нет доступа по подписке к этому журналу. Списки цитирования со ссылками на исходящие цитирования доступны только подписчикам.Вы можете подписаться как член OSA или как авторизованный пользователь вашего учреждения.
Обратитесь к библиотекарю или системному администратору.
или
Войдите, чтобы получить доступ к подписке участника OSA
Цитируется
У вас нет доступа по подписке к этому журналу. Цитирование по ссылкам доступно только подписчикам. Вы можете подписаться как член OSA или как авторизованный пользователь вашего учреждения.
Обратитесь к библиотекарю или системному администратору.
или
Войдите, чтобы получить доступ к подписке участника OSA
Фигуры (9)
У вас нет доступа по подписке к этому журналу.Файлы рисунков доступны только подписчикам. Вы можете подписаться как член OSA или как авторизованный пользователь вашего учреждения.
Обратитесь к библиотекарю или системному администратору.
или
Войдите, чтобы получить доступ к подписке участника OSA
Уравнения (2)
У вас нет доступа по подписке к этому журналу. Уравнения доступны только подписчикам. Вы можете подписаться как член OSA или как авторизованный пользователь вашего учреждения.
Обратитесь к библиотекарю или системному администратору.
или
Войдите, чтобы получить доступ к подписке участника OSA
Метрики
У вас нет доступа по подписке к этому журналу.Показатели на уровне статьи доступны только подписчикам. Вы можете подписаться как член OSA или как авторизованный пользователь вашего учреждения.
Обратитесь к библиотекарю или системному администратору.
или
Войдите, чтобы получить доступ к подписке участника OSA
Закон преломления | Физика
Цель обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Определите показатель преломления по скорости света в среде.
Глядя в аквариум, легко заметить странные вещи. Например, вы можете увидеть одну и ту же рыбу в двух разных местах. (См. Рис. 1.) Это связано с тем, что свет, идущий от рыбы к нам, меняет направление, когда выходит из аквариума, и в этом случае он может пройти двумя разными путями, чтобы добраться до наших глаз. Изменение направления светового луча (в широком смысле называемое изгибом), когда он проходит через изменения в материи, называется рефракцией . Преломление отвечает за огромный спектр оптических явлений, от действия линз до передачи голоса по оптическим волокнам.
Преломление
Изменение направления светового луча (в широком смысле называется изгибом), когда он проходит через изменения материи, называется рефракцией.
Скорость света
Скорость света c не только влияет на рефракцию, это одна из центральных концепций теории относительности Эйнштейна. По мере повышения точности измерений скорости света было обнаружено, что c не зависит от скорости источника или наблюдателя.Однако скорость света зависит от материала, через который он проходит. Эти факты имеют далеко идущие последствия, как мы увидим в главе «Специальная теория относительности». Он устанавливает связи между пространством и временем и меняет наши ожидания, что, например, все наблюдатели измеряют одно и то же время для одного и того же события. Скорость света настолько важна, что ее значение в вакууме является одной из самых фундаментальных констант в природе, а также одной из четырех основных единиц СИ.
Рисунок 1.Глядя на аквариум, как показано, мы можем увидеть одну и ту же рыбу в двух разных местах, потому что свет меняет направление, когда он переходит из воды в воздух. В этом случае свет может достигать наблюдателя двумя разными путями, и поэтому кажется, что рыба находится в двух разных местах. Это отклонение света называется преломлением и отвечает за многие оптические явления.
Почему свет меняет направление при переходе от одного материала (среды) к другому? Это потому, что свет меняет скорость при переходе от одного материала к другому.Поэтому, прежде чем мы изучим закон преломления, полезно обсудить скорость света и то, как она изменяется в разных средах.
Скорость света
Ранние попытки измерить скорость света, например, сделанные Галилеем, определили, что свет движется очень быстро, возможно, мгновенно. Первое реальное свидетельство того, что свет движется с конечной скоростью, было получено от датского астронома Оле Ремера в конце 17 века. Ремер заметил, что средний период обращения одного из спутников Юпитера, измеренный от Земли, варьируется в зависимости от того, движется ли Земля к Юпитеру или от него.Он правильно заключил, что видимое изменение периода было связано с изменением расстояния между Землей и Юпитером и временем, которое потребовалось свету, чтобы пройти это расстояние. По его данным за 1676 год, значение скорости света было рассчитано как 2,26 × 10 8 м / с (всего на 25% отличается от принятого сегодня значения). В последнее время физики измерили скорость света множеством способов и с возрастающей точностью. Один особенно прямой метод, использованный в 1887 году американским физиком Альбертом Майкельсоном (1852–1931), показан на рисунке 2.Свет, отраженный от вращающегося набора зеркал, отражался от неподвижного зеркала на расстоянии 35 км и возвращался к вращающимся зеркалам. Время прохождения света можно определить по тому, насколько быстро должны вращаться зеркала, чтобы свет вернулся в глаз наблюдателя.
Рис. 2. Схема раннего аппарата, использованного Майкельсоном и другими для определения скорости света. При вращении зеркал отраженный луч лишь на короткое время направляется на неподвижное зеркало. Возвращающийся луч будет отражен в глаз наблюдателя только в том случае, если следующее зеркало повернулось в правильное положение, как только луч возвращается.Измеряя правильную скорость вращения, можно измерить время прохождения туда и обратно и рассчитать скорость света. Рассчитанное Майкельсоном значение скорости света всего на 0,04% отличалось от значения, используемого сегодня.
Скорость света теперь известна с большой точностью. На самом деле скорость света в вакууме c настолько важна, что принята в качестве одной из основных физических величин и имеет фиксированное значение c = 2,9972458 × 10 8 м / с ≈ 3.00 × 10 8 м / с, где приблизительное значение 3,00 × 10 8 м / с используется всякий раз, когда трехзначной точности достаточно. Скорость света в материи меньше, чем в вакууме, потому что свет взаимодействует с атомами в материале. Скорость света сильно зависит от типа материала, поскольку его взаимодействие с различными атомами, кристаллическими решетками и другими субструктурами неодинаково. Мы определяем показатель преломления n материала как [латекс] n = \ frac {c} {v} \\ [/ latex], где v – наблюдаемая скорость света в материале.Поскольку скорость света всегда меньше c в веществе и равна c только в вакууме, показатель преломления всегда больше или равен единице.
Значение скорости света
c = 2,9972458 × 10 8 м / с ≈ 3,00 × 10 8 м / с
Показатель преломления
[латекс] \ displaystyle {n} = \ frac {c} {v} \\ [/ latex]
То есть n ≥ 1. В таблице 1 приведены показатели преломления некоторых типичных веществ.Значения указаны для конкретной длины волны света, поскольку они незначительно меняются в зависимости от длины волны. (Это может иметь важные эффекты, такие как цвета, создаваемые призмой.) Обратите внимание, что для газов n близко к 1,0. Это кажется разумным, поскольку атомы в газах широко разделены, и свет проходит в вакууме между атомами за c . Обычно для газов принимают n = 1, если не требуется большая точность. Хотя скорость света v в среде значительно отличается от ее значения c в вакууме, это все же большая скорость.
| Таблица 1. Показатель преломления в различных средах | |
|---|---|
| Средний | n |
| Газы при 0ºC , 1 атм | |
| Воздух | 1.000293 |
| Двуокись углерода | 1.00045 |
| Водород | 1.000139 |
| Кислород | 1.000271 |
| Жидкости при 20ºC | |
| Бензол | 1.501 |
| Сероуглерод | 1,628 |
| Тетрахлорметан | 1.461 |
| Этанол | 1,361 |
| Глицерин | 1.473 |
| Вода пресная | 1,333 |
| Твердые вещества при 20ºC | |
| Алмаз | 2,419 |
| Флюорит | 1,434 |
| Стекло, корона | 1.52 |
| Стекло, кремень | 1,66 |
| Лед при 20ºC | 1,309 |
| Полистирол | 1,49 |
| Оргстекло | 1,51 |
| Кварц кристаллический | 1,544 |
| Кварц плавленый | 1.458 |
| Натрия хлорид | 1,544 |
| Циркон | 1,923 |
Пример 1.Скорость света в материи
Вычислите скорость света циркона – материала, который используется в ювелирных изделиях для имитации алмаза.
Стратегия
Скорость света в материале, v , может быть вычислена из показателя преломления n материала с использованием уравнения [latex] n = \ frac {c} {v} \\ [/ latex].
Решение
Уравнение для показателя преломления утверждает, что [латекс] n = \ frac {c} {v} \\ [/ latex]. Изменив это, чтобы определить v , получаем [latex] v = \ frac {c} {n} \\ [/ latex].8 \ text {m / s} \ end {array} \\ [/ latex]
Обсуждение
Эта скорость немного больше, чем половина скорости света в вакууме, и все еще высока по сравнению с обычными скоростями. Единственное вещество, указанное в таблице 1, которое имеет больший показатель преломления, чем циркон, – это алмаз. Позже мы увидим, что большой показатель преломления циркона заставляет его сверкать больше, чем стекло, но меньше, чем алмаз.
Закон преломления
На рисунке 3 показано, как луч света меняет направление при переходе от одной среды к другой.Как и раньше, углы отсчитываются относительно перпендикуляра к поверхности в точке, где световой луч пересекает ее. (Часть падающего света будет отражаться от поверхности, но пока мы сосредоточимся на передаваемом свете.) Изменение направления светового луча зависит от того, как изменяется скорость света. Изменение скорости света связано с показателями преломления задействованных сред. В ситуациях, показанных на рисунке 3, среда 2 имеет больший показатель преломления, чем среда 1.Это означает, что скорость света меньше в среде 2, чем в среде 1. Обратите внимание, что, как показано на рисунке 3a, направление луча приближается к перпендикуляру, когда он замедляется. И наоборот, как показано на рисунке 3b, направление луча удаляется от перпендикуляра, когда он ускоряется. Путь точно обратимый. В обоих случаях вы можете представить, что произойдет, если подумать о том, чтобы столкнуть газонокосилку с пешеходной дорожки на траву, и наоборот. При переходе от пешеходной дорожки к траве передние колеса замедляются и отводятся в сторону, как показано.Это то же изменение направления, что и для света, когда он переходит от быстрой среды к медленной. При переходе от травы к пешеходной дорожке передние колеса могут двигаться быстрее, и косилка меняет направление, как показано. Это тоже то же изменение направления, что и при переходе света от медленного к быстрому.
Рис. 3. Изменение направления светового луча зависит от того, как изменяется скорость света при переходе от одной среды к другой. Скорость света в среде 1 больше, чем в среде 2, в показанных здесь ситуациях.(а) Луч света приближается к перпендикуляру, когда он замедляется. Это аналогично тому, что происходит, когда газонокосилка переходит с тропинки на траву. (б) Луч света удаляется от перпендикуляра, когда он набирает скорость. Это аналогично тому, что происходит, когда газонокосилка переходит с травы на пешеходную дорожку. Пути точно обратимые.
Степень изменения направления светового луча зависит как от угла падения, так и от величины изменения скорости. Для луча под заданным углом падения большое изменение скорости вызывает большое изменение направления и, следовательно, большое изменение угла.Точное математическое соотношение – это закон преломления , или «закон Снеллиуса», который выражается в форме уравнения как n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 .
Здесь n 1 и n 2 – показатели преломления для среды 1 и 2, а θ 1 и θ 2 – углы между лучами и перпендикуляром в средние 1 и 2, как показано на рисунке 3.Входящий луч называется падающим лучом, а исходящий луч – преломленным лучом, а соответствующие углы – углом падения и углом преломления. Закон преломления также называют законом Снеллиуса в честь голландского математика Виллеброрда Снелла (1591–1626), который открыл его в 1621 году. Эксперименты Снеллиуса показали, что закон преломления соблюдается и что можно присвоить характеристический показатель преломления n к данной среде. Снелл не знал, что скорость света варьируется в разных средах, но с помощью экспериментов он смог определить показатели преломления по тому, как световые лучи меняют направление.
Закон преломления
n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2
Эксперимент на вынос: сломанный карандаш
Классическое наблюдение преломления происходит, когда карандаш помещается в стакан, наполовину наполненный водой. Сделайте это и наблюдайте за формой карандаша, когда смотрите на карандаш сбоку, то есть сквозь воздух, стекло, воду. Объясните свои наблюдения. Нарисуйте лучевые диаграммы для ситуации.
Пример 2. Определение показателя преломления по данным преломления
Найдите показатель преломления для среды 2 на рисунке 3a, предполагая, что среда 1 – воздух, угол падения 30,0 ° и угол преломления 22,0 °.
Стратегия
Показатель преломления воздуха в большинстве случаев принимается равным 1 (а до четырех значащих цифр это 1.000). Таким образом, здесь n 1 = 1,00. Исходя из предоставленной информации, θ 1 = 30.0º и θ 2 = 22,0º. С этой информацией единственное неизвестное в законе Снеллиуса – это n 2 , так что его можно использовать для поиска этого неизвестного.
Решение
Закон Снеллиуса: n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 .
Перестановка для изоляции n 2 дает
[латекс] \ displaystyle {n} _2 = n_1 \ frac {\ sin \ theta_1} {\ sin \ theta_2} \\ [/ latex]
Ввод известных значений,
[латекс] \ begin {array} {lll} {n} _2 & = & 1.{\ circ}} = \ frac {0.500} {0.375} \\\ text {} & = & 1.33 \ end {array} \\ [/ latex]
Обсуждение
Это показатель преломления воды, и Снелл мог определить его, измерив углы и выполнив этот расчет. Тогда он обнаружил бы, что 1,33 является подходящим показателем преломления для воды во всех других ситуациях, например, когда луч проходит от воды к стеклу. Сегодня мы можем убедиться, что показатель преломления связан со скоростью света в среде, напрямую измерив эту скорость.
Пример 3. Более сильное изменение направления
Предположим, что в ситуации, подобной той, что в Примере 2, свет переходит из воздуха в алмаз, а угол падения равен 30,0 °. Рассчитайте угол преломления θ 2 в ромбе.
Стратегия
Показатель преломления воздуха снова принимается равным n 1 = 1,00, и нам дается θ 1 = 30,0º. Мы можем посмотреть показатель преломления алмаза в таблице 1, найдя n 2 = 2.{\ circ} = \ left (0,413 \ right) \ left (0,500 \ right) = 0,207 \\ [/ латекс].
Таким образом, угол равен θ 2 = sin −1 0,207 = 11,9º.
Обсуждение
Для того же угла падения 30 ° угол преломления в алмазе значительно меньше, чем в воде (11,9 °, а не 22 ° – см. Предыдущий пример). Это означает, что направление алмаза изменилось сильнее. Причина большого изменения направления – большое изменение показателя преломления (или скорости).В общем, чем больше изменение скорости, тем сильнее влияние на направление луча.
Сводка раздела
- Изменение направления светового луча, когда он проходит через изменения материи, называется рефракцией.
Скорость света в вакууме c = 2,9972458 × 10 8 м / с ≈ 3,00 × 10 8 м / с.
Показатель преломления [латекс] n = \ frac {c} {v} \\ [/ latex], где v – скорость света в материале, c – скорость света в вакууме и n – показатель преломления.
Закон Снеллиуса, закон преломления, выражается в форме уравнения как n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 .
Концептуальные вопросы
- В этой главе описывается диффузия путем отражения от шероховатой поверхности. Свет также может рассеиваться за счет преломления. Опишите, как это происходит в конкретной ситуации, например, при взаимодействии света с колотым льдом.
- Почему показатель преломления всегда больше или равен 1?
- Доказывает ли тот факт, что световая вспышка от молнии достигает вас до того, как она раздастся, что скорость света чрезвычайно велика, или просто что она больше скорости звука? Обсудите, как вы можете использовать этот эффект, чтобы получить оценку скорости света.
- Будет ли свет менять направление в сторону перпендикуляра или от него при переходе от воздуха к воде? Вода в стакан? Стекло проветрить?
- Объясните, почему объект в воде всегда кажется на более мелкой глубине, чем на самом деле? Почему люди иногда получают травмы шеи и позвоночника, ныряя в незнакомые водоемы или водоемы?
- Объясните, почему ноги человека выглядят очень короткими, когда он идет в бассейн. Обоснуйте свое объяснение лучевой диаграммой, показывающей путь лучей от ступней до глаз наблюдателя, находящегося вне воды.
- Почему передняя поверхность термометра изогнута, как показано?
Рис. 4. Изогнутая поверхность термометра служит определенной цели.
- Предположим, что свет падает из воздуха на материал с отрицательным показателем преломления, скажем -1,3; куда идет преломленный луч света?
Задачи и упражнения
- Какова скорость света в воде? В глицерине?
- Какова скорость света в воздухе? В коронном стекле?
- Вычислите показатель преломления для среды, в которой скорость света равна 2.012 × 10 8 м / с и определите наиболее вероятное вещество на основе таблицы 1.
- В каком веществе в Таблице 1 находится скорость света 2.290 × 10 8 м / с?
- В средневековье произошло крупное столкновение астероида с Луной. Монахи Кентерберийского собора в Англии описали его как красное свечение на Луне и вокруг нее. Через какое время после столкновения астероида с Луной, которая находится на расстоянии 3,84 × 10 5 км, свет впервые достигнет Земли?
- Аквалангист, тренирующийся в бассейне, смотрит на своего инструктора, как показано на рисунке 5.Какой угол образует луч от лица инструктора с перпендикуляром к воде в том месте, где луч входит? Угол между лучом в воде и перпендикуляром к воде составляет 25,0º.
Рис. 5. Аквалангист в бассейне и его тренер смотрят друг на друга.
- Компоненты некоторых компьютеров связываются друг с другом через оптические волокна с показателем преломления n = 1,55. Сколько времени в наносекундах требуется, чтобы сигнал прошел 0.200 м по такому волокну?
- (a) Используя информацию на рисунке 5, найдите высоту головы инструктора над водой, помня, что сначала вам нужно будет рассчитать угол падения. (b) Найдите видимую глубину головы дайвера под водой, которую видит инструктор.
- Предположим, у вас есть неизвестное прозрачное вещество, погруженное в воду, и вы хотите идентифицировать его, определив показатель преломления. Вы делаете так, чтобы луч света попадал в него под углом 45,0º, и вы наблюдаете, что угол преломления равен 40.3º. Каков показатель преломления вещества и его вероятная идентичность?
- На поверхность Луны лунные астронавты установили угловой отражатель, от которого периодически отражается лазерный луч. Расстояние до Луны рассчитывается по времени полета туда и обратно. Какая процентная поправка необходима для учета задержки во времени из-за замедления света в атмосфере Земли? Предположим, что расстояние до Луны составляет ровно 3,84 × 10 8 м, а атмосфера Земли (плотность которой зависит от высоты) эквивалентна слою 30.0 км с постоянным показателем преломления n = 1.000293.
- Предположим, что на рисунке 6 представлен луч света, идущий из воздуха через коронное стекло в воду, например, в аквариум. Вычислите величину смещения луча стеклом (Δ x ) при угле падения 40,0 ° и толщине стекла 1,00 см.
Рис. 6. Луч света проходит от одной среды к третьей, проходя через вторую. Окончательное направление такое же, как если бы второго носителя не было, но луч смещен на Δ x (показано в преувеличении).
- На рис. 6 показан луч света, переходящий из одной среды во вторую, а затем в третью. Покажите, что θ 3 такое же, как если бы вторая среда отсутствовала (при условии, что не происходит полного внутреннего отражения).
- Необоснованные результаты. Предположим, что свет проходит от воды к другому веществу под углом падения 10,0º и углом преломления 14,9º. а) Каков показатель преломления другого вещества? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?
- Создайте свою проблему. Рассмотрим солнечный свет, попадающий в атмосферу Земли на восходе и закате, то есть под углом падения 90º. Считая границу между почти пустым пространством и атмосферой внезапной, вычислите угол преломления солнечного света. Это увеличивает время, в течение которого Солнце кажется над горизонтом как на восходе, так и на закате. Теперь постройте задачу, в которой вы определяете угол преломления для различных моделей атмосферы, например, для различных слоев различной плотности. Ваш инструктор может посоветовать вам уровень сложности, который необходимо учитывать, и то, как показатель преломления изменяется в зависимости от плотности воздуха.
- Необоснованные результаты. Свет, идущий от воды к драгоценному камню, падает на поверхность под углом 80,0º и имеет угол преломления 15,2º. а) Какова скорость света в драгоценном камне? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?
Глоссарий
преломление: изменение направления светового луча, когда он проходит через изменения в материи
Показатель преломления: для материала, отношение скорости света в вакууме к скорости света в материале
Избранные решения проблем и упражнения
1.2,25 × 10 8 м / с в воде; 2,04 × 10 8 м / с в глицерине
3. 1.490, полистирол
5. 1.28 с
7. 1.03 нс
9. n = 1,46, плавленый кварц
13. (а) 0,898; (b) Не может иметь n <1,00, так как это будет означать скорость выше c ; (c) Угол преломления слишком велик по сравнению с углом падения.
15. (a) [латекс] \ frac {c} {5.00} \\ [/ latex]; (б) Скорость света слишком мала, так как индекс намного больше, чем у алмаза; (c) Угол преломления необоснован по сравнению с углом падения.
Простой метод измерения длины волны света
Вот уже несколько лет я использую простой лабораторный эксперимент, который позволяет студентам вычислять длину волны света различных цветов. Я использую упражнение в начале семестра, когда студенты впервые узнают об измерениях, преобразованиях единиц и значащих цифрах. Если вы хотите пропустить чтение деталей, прокрутите немного вниз, и вы найдете видео, демонстрирующее детали эксперимента и связанный с ним анализ данных.
Эксперимент основан на дифракции света светодиода через дифракционную решетку. Я использую радужные очки для дифракционной решетки. Когда свет проходит через дифракционную решетку, часть его «изгибается» по прямой линии (рис. 1):
Рисунок 1 – Свет от красного светодиода (кружок слева) проходит через дифракционную решетку (радужные очки). Расстояние между источником света и дифракционной решеткой обозначено L.
Обратите внимание, что мы можем направить дифрагированные лучи света обратно к источнику света (рисунок 2), так что расстояние y равно расстоянию между источником света и изображением его ближайшего соседа, если смотреть через дифракционную решетку:
Рис. 2 – Двойная синяя стрелка показывает расстояние между источником света и его следующим ближайшим соседом, если смотреть через дифракционную решетку.Это расстояние обозначено y.
Существует следующее соотношение между длиной волны излучаемого света, l, расстоянием между прорезями в дифракционной решетке, d, y и L (см. Примечание 2 для вывода уравнения 1):
Этот эксперимент обычно дает хорошие результаты. Фактически, если учащиеся сообщают о результатах, выходящих за пределы 10% соответствующей длины волны, я знаю, что что-то пошло не так.Иногда виной всему небрежное измерение. Однако чаще всего мешают ошибки при пересчете единиц измерения. Я даю студентам значение d = 4,85 x 10 -4 см, а затем прошу их сообщить мне длину волны света в нм. Это необходимо для того, чтобы студенты правильно использовали научные обозначения и переводили метрические единицы (см в нм) для получения разумных результатов. Я также отмечаю, что ученики часто измеряют L в метрах и y в сантиметрах, но не переводят в последовательные единицы при использовании уравнения 1.Это, конечно, приводит к ложным результатам, но дает возможность научить, как важно обращать внимание на единицы. И всегда есть ученик, который измеряет y в дюймах и L в метрах, но не записывает единицы.
Видео ниже демонстрирует, как проводить этот эксперимент и анализировать данные.
Банкноты
1. Использование расстояния между прорезями (d) в дифракционной решетке, записанное производителем очков, вызвало у меня некоторые затруднения в этом эксперименте.Радужные очки, которые я использую в этом эксперименте, указаны как имеющие 500 линий на мм, что означает d = 2000 нм (1 мм / 500 линий = 0,002 мм; понимаете, почему это отличная лаборатория для преобразования единиц измерения?). Однако я использовал оптический микроскоп со шкалой длины, чтобы измерить d = 4850 нм в очках, которые я использую. Мораль этой истории в том, что если вы заметили, что измеренные вами длины волн не имеют смысла (например, 200 нм для красного света), подумайте об измерении d для себя. Если у вас нет оптического микроскопа со шкалой длины, просто проведите этот эксперимент со светом известной длины волны и используйте следующее уравнение для определения d:
2.Изгиб или дифракция света через дифракционную решетку определяется по формуле:
Где l – длина волны света, d – расстояние между прорезями в дифракционной решетке, а q – угол между прямолинейным лучом света и его ближайшим соседом. Обратите внимание, что мы можем направить дифрагированные лучи света обратно к источнику света (рис. 1). После этого мы построим треугольник с гипотенузой h, и полученные новые углы также будут равны q (рисунок 3).
Рисунок 3 – Распространение дифрагированных световых лучей обратно через пространство к источнику света. Угол между прямолинейным лучом и дифрагированными лучами равен q. Гипотенуза образовавшегося треугольника обозначается h. Двойная синяя стрелка показывает расстояние между источником света и его ближайшим соседом. Это расстояние обозначено y.
Мы можем заменить sin q = y / h в уравнение 2:
Используя h 2 = L 2 + y 2 , мы получаем искомое уравнение:
Студенческий лабораторный лист включен в сопроводительную информацию ниже.