Реферат скорость света методы определения – Реферат – Тема: “Методы определения скорости света” Цели урока

Реферат – Измерение скорости света

Измерение скорости света
Впервые скорость света была определена датским астрономом Ремером в 1676г. До этого времени среди ученых существовало два противоположных мнения. Одни полагали, что скорость света бесконечно велика. Другие же хотя и считали ее очень большой, тем не менее конечной. Ремер подтвердил второе мнение. Он правильно связал нерегулярности во времени затмений спутников Юпитера со временем, которое необходимо свету для прохождения по диаметру орбиты Земли вокруг Солнца. Он впервые сделал вывод о конечной скорости распространения света и определил ее величину. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300870 км/с в современных единицах. (Данные взяты из книги: Г. Липсон. Великие эксперименты в физике.)

Фуко метод,

метод измерения скорости света, заключающийся в последовательном отражении пучка света от быстро вращающегося зеркала, затем от второго – неподвижного зеркала, расположенного на точно измеренном расстоянии, и затем вновь от первого зеркала, успевшего повернуться на некоторый малый угол. Скорость света определяют (при известных скорости вращения первого зеркала и расстоянии между двумя зеркалами) по изменению направления трижды отражённого светового луча. Используя этот метод, скорость света в воздухе впервые измерил Ж. Б. Л. Фуко в 1862

В 1878-82 и 1924-26 провёл измерения скорости света, долгое время остававшиеся непревзойдёнными по точности. В 1881 экспериментально доказал и совместно с Э. У. Морли (1885-87) подтвердил с большой точностью независимость скорости света от скорости движения Земли

На том же принципе основано и действие Угловых отражателей оптического диапазона, который представляет собой небольшую трёхгранную призму из прозрачного стекла, грани которой (площадью ~см2) покрыты тонким слоем металла. Такой У. о. обладает высоким Sэф из-за большого отношения а/l. Для получения всенаправленного У. о. используют систему нескольких призм. Оптические У. о. получили распространение после появления лазеров. Они используются в навигации, для измерения расстояний и скорости света в атмосфере, в экспериментах с Луной и др. Оптические У. о. в виде цветного стекла со многими углублениями тетраэдрической формы применяются как средство сигнализации в автодорожном хозяйстве и в быту.

Знаменитый американский ученый Альберт Майкельсон почти всю жизнь посвятил измерению скорости света.

   Однажды ученый осматривал предполагаемый путь светового луча вдоль полотна железной дороги. Он хотел построить еще более совершенную установку для еще более точного метода измерения скорости света. До этого он уже работал над этой проблемой

несколько лет и добился самых точных для того времени значений. Поведением ученого заинтересовались газетные репортеры и, недоумевая, спросили, что он тут делает.  Майкельсон объяснил, что он измеряет скорость света.

—   А зачем? — последовал вопрос.

—   Потому   что   это дьявольски интересно,— ответил Майкельсон.

И никто не мог предполагать, что эксперименты Майкельсона станут фундаментом, на котором будет построено величественное здание теории относительности, дающей совершенно новое представление о физической картине мира.

Пятьдесят лет спустя Майкельсон все еще продолжал свои измерения скорости света.

Kaк – то раз великий Эйнштейн задал ему такой же вопрос,

— Потому что это дьявольски интересно! — спустя полвека ответил Майкельсон  и Эйнштейну.
^ Метод Физо
В 1849 г. А. Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света (см рис.). Свет от источника 5 проходил через прерыватель К (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала 3, возвращался опять к зубчатому колесу. Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно t=2L/c окажется равным времени поворота зубчатого колеса на половину прорези t2=T/(2N)=1/(2Nv). Здесь L- расстояние от зубчатого колеса до зеркала; Т—период вращения зубчатого-колеса; N—число зубцов; v=1/T—частота вращения. Из равенства t1=t2 следует расчетная формула для определения скорости света данным методом:

c=4LNv

Используя метод вращающегося затвора, Физо в 1849 г. по- лучил значение скорости света с = 3,13-10**5 км/с, что было совсем неплохо по тем временам. В дальнейшем использование раз- личных затворов позволило существенно уточнить значение ско- рости света. Так, в 1950 г. получено значение скорости света (в вакууме), равное

с= (299 793,1 ±0,25) км/с.

Остроумное решение сложной задачи определения скорости света было найдено в 1676 г. датским астрономом Олафом Ремером.

Олаф Ремер, наблюдая движение спутников Юпитера, заметил, что во время затмения спутник выходит из области тени периодически запаздывая. Ремер объяснил это тем, что к моменту очередного наблюдения Земля находится в иной точке своей орбиты, чем в предыдущий раз, и, следовательно, расстояние между ней и Юпитером иное. Максимальная величина, на которую возрастает это расстояние, равняется диаметру земной орбиты. И именно тогда, когда Земля больше всего удалена от Юпитера, спутник выходит из тени с наибольшим запаздыванием.

Сопоставив эти данные, Ремер пришел к выводу, что свет от спутника проходит расстояние, равное диаметру земной орбиты – 299 106 тыс. км в 1320 сек. Такой вывод не только убеждает в том, что скорость распространения света не может быть мгновенной, но и позволяет определить величину скорости; для этого надо разделить величину диаметра орбиты Земли на время запаздывания спутника.

По вычислениям Ремера, скорость распространения света оказалась равной 215 тыс. км / сек.

Последующие, более совершенные методы наблюдения за временем запаздывания спутников Юпитера позволили уточнить эту величину. Скорость распространения света, по современным данным, равна 299 998,9 км / сек. Для практических расчетов принимают скорость света в вакууме равной 300 тыс. км / сек. Огромная величина скорости света ошеломила не только современников Ремера, но и послужила поводом для отрицания корпускулярной теории света.

Если свет представляет собой поток корпускул, то при такой скорости движения энергии их должна быть очень велика. Удары корпускул при падении на тела должны быть ощутимы, т. е. Свет должен оказывать давление !

Следующим после Ремера скорость света измерял Джеймс Брадлей.

Переезжая однажды через р.Темзу, Брадлей обратил внимание на то, что во время движения лодки ветер дул как будто по другому направлению, чем это было на самом деле. Это наблюдение, вероятно, и дало ему основание объяснить аналогичным явлением кажущееся движение неподвижных звезд, называемое а б е р р а ц и е й света.

Свет звезды достигает Земли подобно тому, как капли отвесно падающего дождя падают на окна движущегося вагона. Движение луча света и движение Земли складываются.

Следовательно, чтобы свет от звезды, расположенной перпендикулярно к плоскости движения Земли, попадал в телескоп, его необходимо наклонить на некоторый угол, который зависит не от расстояния до звезды, а только, от скорости света и скорости движения Земли (она была уже в то время известна – 30 км / сек).

Измерив угол, Брадлей нашел, что скорость света равна 308 тыс. км/сек. Измерения Брадлея, как и Ремера, не разрешали спорного вопроса о значении постоянной в законе преломления, так как Брадлей и Ремер определяли скорость сета не в какой-либо среде, а в космическом пространстве.

Идею нового метода измерения скорости света предложил Д. Араго. Осуществили ее двумя различными способами И.Физо и Л.Фуко.

Физо в 1849 г. тщательно измерил расстояние между двумя пунктами. В доном из них он поместил источник света, а в другом – зеркало, от которого свет должен отразиться и вновь вернуться к источнику.

Для того чтобы определить скорость распространения света, надо было очень точно измерить промежуток времени, который необходим свету для прохождения удвоенного пути от источника до зеркала.

Расстояние от источника, находящегося в предместье Парижа Сюрене, до зеркала, установленного на Монмартре, составляло 8633 м. Значит, удвоенное расстояние было 17 266 м. Время, в течении которого свет пройдет это расстояние, если воспользоваться результатами измерения скорости Ремера, будет не более шести стотысячных долей секунды.

Средств для измерения столь малых промежутков времени тогда не было.

Значит, эти измерения следовало исключить из опыта.

В Сюрене была установлена зрительная труба, направленная на Париж. Сбоку через другую трубку поступал свет от источника. От поверхности прозрачной стеклянной пластинки, расположенной в трубке под углом в 45 , свет частично отражался по направлению к Парижу.

В Париже на Монмартре была установлена другая зрительная труба, в которую попадал свет, отраженный прозрачной пластинкой.

Глядя в окуляр, можно было видеть источник света, расположенный за боковой трубкой. Окуляр трубы, установленной на Монмартре , был заменен зеркалом, благодаря чему свет возвращался в Сюрен.

Отраженный зеркалом на Монмартре свет, встречая на обратном пути внутри трубы прозрачную стеклянную пластинку, частично отражался от ее поверхности, а сект, прошедший через пластинку и окуляр трубы, попадал в глаз наблюдателя.

Такое устройство позволяло наблюдателю видеть в окуляре зрительной трубы свет от источника, который поступал через боковую трубку.

Зрительная труба в Сюрене, кроме боковой трубки, через которую поступал свет, имела прорезь в том месте, где располагался фокус объектива и окуляра. Сквозь прорезь проходило зубчатое колесо, которое приводилось в движение часовым механизмом. Когда колесо было неподвижно и установлено так, что свет проходил между зубцами, то в окуляре трубы был виден свет, отраженный от зеркала на Монмартре.

Когда колесо было приведено в движение, свет исчез. Произошло это в тот момент, когда свет, прошедши между зубцами колеса по направлению к Парижу, встретил на обратном пути зубец, а не промежуток между зубцами.

Для того чтобы свет в окуляре появился вновь, необходимо было удвоить число оборотов колеса.

При дальнейшем увеличении числа оборотов свет вновь исчез.

В опытах Физо зубчатое колесо имело 720 зубцов. Первое исчезновение сета наблюдалось, когда колесо совершало 12,67 оборота в секунду.

Один оборот оно делало за время, равное 1/12,67 сек. При этом промежуток между зубцами сменялся зубцом. Если зубцов 720, то промежутков тоже 720. Следовательно, смена происходит за время, равное 1/12,672720 = 1/18245 сек.

За это время свет проходил удвоенное расстояние от Сюрена до Монмартра.

Следовательно, его скорость была равной 315 тыс. км/сек.

Таким остроумным методом удалось избежать измерений малых

промежутков времени и все же определить скорость света.

Сравнительно большое расстояние между источником света и зеркалом не позволяло на пути света поместить какую-либо среду. Физо определял скорость света в воздухе.

Скорость света в других средах была определена Фуко в 1862 г. В опытах Фуко расстояние от источника до зеркала было всего в несколько метров. Это позволило поместить на пути света трубку, заполненную водой.

Фуко установил, что скорость распространения света в различных средах меньше, чем в воздухе. В воде, например, она составляет величину, равную ¾ скорости света в воздухе. Полученные результаты разрешили двухвековой спор между корпускулярной и волновой теориями о величине постоянной в законе преломления. Правильное значение в законе преломления дает волновая теория света.

Измерения скорости распространения света в различных средах позволили ввести понятие оптической плотности вещества.

www.ronl.ru

Реферат Скорость света

скачать

Реферат на тему:

План:

    Введение
  • 1 В вакууме (пустоте)
  • 2 В прозрачной среде
  • 3 История измерений скорости света
  • 4 Сверхсветовое движение
  • Примечания
    Литература

Введение

Ско́рость све́та — 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, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.


1. В вакууме (пустоте)

Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с.

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или примерно 1 079 252 848,8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды. Для решения задач, в основном, используют значение 300 000 000 м/с.

В природе со скоростью света распространяются:

  • собственно, видимый свет
  • другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи и др.)
  • предположительно — гравитационные волны

2. В прозрачной среде

Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ=c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c. Однако в неравновесных средах она может превышать c. При этом, однако, передний фронт импульса все равно двигается со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча так же способно влиять на скорость распространения света в этой среде.


3. История измерений скорости света

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной [1]. 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.

Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.


4. Сверхсветовое движение

Из специальной теории относительности следует, что ускорение частиц, имеющих массу покоя, до скорости света невозможно, так как это событие нарушило бы фундаментальный принцип причинности. То есть, исключается превышение скорости света сигналом, или движение массы с такой скоростью. Однако теория не исключает движение частиц в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью. Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически, тахионы легко укладываются в преобразование Лоренца — это частицы с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия — так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее частице ускориться до скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно. Следует понимать, что, во-первых, тахионы — это класс частиц, а не один вид частиц, и, во-вторых никакое физическое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Из этого следует, что тахионы не нарушают принцип причинности — с обычными частицами они никак не взаимодействуют, а между собой разность их скоростей также не бывает равной скорости света.

Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой покоя, в отличие от безмассовых фотонов и гравитонов, которые всегда движутся со скоростью света.

В планковских единицах скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

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 [2].


Примечания

  1. Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках – www.mccme.ru/free-books/gindikin/index.html. — издание третье, расширенное. — М.: МЦНМО, 2001. — С. 105-108. — ISBN 5-900916-83-9
  2. Иванов Игорь. Проведены новые эксперименты по проверке механизма квантовой запутанности. – elementy.ru/news/430800

Литература

  1. Физические величины: Справочник./А. П. Бабичев,Н. А. Бабушкина,А. М. Братковский и др.;под ред. И. С. Григорьева,Е. З. Мейлихова М.: Энергоатомиздат, 1991, — 1232 с — ISBN 5-283-04013-5

wreferat.baza-referat.ru

Скорость света и методы её определения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа на тему:

“Скорость света и методы её определения”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Введение 3

1. Эксперименты по определению скорости света. 4

1.1. Первые опыты. 4

1.1.1. Опыт Галилея. 4

1.2 Астрономические  способы определения скорости  света. 4

1.2.1. Затмение спутника  Юпитера – Ио. 4

1.2.2. Аберрация света. 6

1.3. Лабораторные способы  измерения скорости света. 7

1.3.1. Метод синхронного  детектирования. 7

1.4. Опыты по распространению  света в среде. 9

1.4.1. Опыт Армана  Физо. 9

1.4.2. Усовершенствование Фуко. 10

1.4.3. Опыты  А. Майкельсона  и Майкельсона  – Морли. 12

1.4.4.Усовершенствование  опыта Майкельсона. 13

2. Максимальность скорости света. 14

2.1. Опыт Саде. 14

2.2. Опыт Бертоцци. 15

3. Скорость света  в веществе. 17

4. Тахионы.  Частицы, движущиеся со скоростями больше скорости света. 17

4.1. Мнимые массы. 17

4.2. Ускорение вместо  замедления. 18

4.3. Отрицательные энергии. 19

5. Сверхсветовая скорость. 20

Заключение 22

Список литературы 23

 

 

 

 

 

Введение

О природе света размышляли с древних времен. Древние мыслители считали, что свет это истечение “атомов” от предметов в глаза наблюдателя (Пифагор – около 580 – 500 лет до нашей эры). Тогда же определили прямолинейность распространения света, считалось, что он распространяется с очень большими скоростями, практически мгновенно. В XVI-XVII веках Р.Декарт (Рене Декарт, французский физик, 1596-1650), Р. Гук (Роберт Гук, английский физик, 1635- 1703), X. Гюйгенс (Христиан Гюйгенс, голландский физик, 1629-1695) исходили из того, что распространение света – это распространение волн в среде. Исаак Ньютон (Исаак Ньютон, английский физик, 1643 – 1727) выдвигал корпускулярную природу света, т.е. считал, что свет – это излучение телами определенных частиц и их распространение в пространстве.

В 1801 году Т. Юнг (Томас Юнг, английский физик, 1773-1829) наблюдал интерференцию света, что послужило развитию экспериментов со светом по интерференции и дифракции. И в 1818 году О.Ж. Френель (Огюстен Жан Френель, французский физик, 1788-182 7) возродил волновую теорию распространения света. Д.К. Максвелл после установления общих законов электромагнитного поля пришел к выводу, что свет – это электромагнитные волны. Далее была выдвинута гипотеза “мирового эфира”, что свет это распространение электромагнитных волн в среде – “эфире”. Знаменитые эксперименты по проверке существования мирового эфира проводились А.А. Майкельсоном и Э.У. Морли (1837-1923 г.г.), а по увлечению света движущейся средой – А.И. Физо. (Альберт Абрахам Майкельсон, американский физик, 1852-1931, Нобелевская премия 1907 г. за создание прецизионные инструменты и выполненные с их помощью спектроскопические и метрологические исследования; Арман Ипполит Луи Физо, французский физик, 1819-1896). В результате было показано, что мирового эфира (по крайней мере, в том понимании, как считали физики в то время – некоторая абсолютная неподвижная среда) не существует.

С обнаружением на эксперименте корпускулярных свойств  и проявлений света (фотоэффект, Комптон – эффект и другие явления) была разработана квантовая природа света М.Планком и А.Эйнштейном, в рамках которой свет проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства – так называемый, корпускулярно – волновой дуализм. (Макс Карл Эрнст Людвиг Планк – немецкий физик- теоретик, 1858-1947, Нобелевская премия 1918 г. за открытие законов излучения, Артур Хоти Комптон, американский физик, 1892-1962, Нобелевская премия 1927г. за эффект, названный его именем).

Скорость света также  пытались измерить различными способами, как в естественных, так и в  лабораторных условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Эксперименты  по определению скорости света.

1.1. Первые опыты.

1.1.1. Опыт Галилея.

 

Первым, кто попытался  измерить скорость света экспериментально,  был итальянец Галилео Галилей. Опыт представлял собою следующее: два человека, стоящие на вершинах холмов на расстоянии нескольких километров друг от друга, подавали сигналы с помощью фонарей, снабженных заслонками. Этот опыт, осуществленный впоследствии учеными Флорентийской академии, он высказал в своем труде «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящиеся к механике и местному движению» (опубликованном в Лейдене в 1638 году).

После опыта Галилей сделал выводы, что скорость света распространяется мгновенно, а если не мгновенно, то с  чрезвычайно большой скоростью.

Имевшиеся тогда в распоряжении Галилея средства, конечно, не позволяли  так просто решить этот вопрос, и  он вполне отдавал себе в этом отчет.

1.2 Астрономические способы определения скорости света.

1.2.1. Затмение спутника Юпитера – Ио.

 

O.K. Ремер (1676 г., Оле Кристенсен Ремер, голландский астроном, 1644-1710) наблюдал затмение спутника Юпитера (J) – Ио, открытого еще Галилеем в 1610 году (он также открыл еще 3 спутника Юпитера). Радиус орбиты спутника Ио вокруг Юпитера равен 421600 км, диаметр спутника – 3470 км (см рис.2.1 и 2.2). Время затмения составляло = 1.77 суток = 152928 с. O.K. Ремер наблюдал нарушение периодичности затмений, и это явление Ремер связал с конечной скоростью распространения света. Радиус орбиты Юпитера вокруг Солнца Rj значительно больше радиуса орбиты Земли Rз, а период обращения примерно равен 12 лет. То есть за время полуоборота Земли (полгода), Юпитер переместится по орбите на некоторое расстояние и, если фиксировать время прихода светового сигнала с момента появления Ио из тени Юпитера, то свет должен пройти большее расстояние до Земли в случае 2, чем в случае 1 (см рис. 2.2). Пусть – момент времени, когда Ио выходит из тени Юпитера по часам на Земле, а – реальный момент времени, когда это происходит. Тогда имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где – расстояние, которое свет проходит до Земли. В следующий выход Ио мы имеем аналогично:

 

где – новое расстояние, которое свет проходит до Земли. Истинный период обращения Ио вокруг Юпитера определяется разностью времен:

 

Конечно, за один промежуток времени, когда происходит одно затмение, трудно определять эти времена с большой точностью. Поэтому удобнее вести наблюдения за полгода, когда расстояние до Земли меняется на максимальную величину. При этом истинный период затмения можно определить как среднюю величину за полгода или год. После этого можно определить скорость света после двух последовательных измерений времени выхода Ио из тени:

 

Величины  находятся из астрономических вычислений. Однако за   одно   затмение   это   расстояние меняется мало. Удобнее провести измерения за полгода ( когда Земля перейдет на другую сторону своей орбиты) и получить суммарное время затмения:

 

где п – число затмений за эти полгода. Все остальные промежуточные времена распространения света до Земли сократились, поскольку расстояние меняется слабо за одно затмение. Отсюда Ремер получил скорость света, равную с = 214300 км/с.

1.2.2. Аберрация света.

В астрономии аберрацией называют изменение видимого положения звезды на небесной сфере, то есть отклонение видимого направления на звезду от истинного, вызываемое конечностью  скорости света и движением наблюдателя. Суточная аберрация обусловлена вращением Земли; годовая – обращением Земли вокруг Солнца;

вековая – перемещением    Солнечной    системы    в пространстве.

 

Рис. Аберрация света звезды.

 

Для понимания  этого явления можно провести простую аналогию. Капли дождя, падающие в безветренную погоду вертикально, оставляют на боковом стекле движущегося автомобиля наклонный след.

В результате аберрации света  кажущееся направление на звезду отличается от истинного на угол  , называемый углом аберрации. Из рисунка видно, что

 

 где  – составляющая скорости движения Земли, перпендикулярная направлению на звезду.

Практически явление аберрации (годовой) наблюдается следующим  образом. Ось телескопа при каждом наблюдении ориентируется в пространстве одинаковым образом относительно звездного  неба, и при этом изображение звезды фиксируется в фокальной плоскости  телескопа. Это изображение в  течение года описывает эллипс. Зная параметры эллипса и другие данные, отвечающие геометрии опыта, можно  вычислить скорость света. В 1727 г. из астрономических наблюдений Дж. Брэдли нашел 2* = 40,9″ и получил

 с = 303000км/с .

1.3. Лабораторные способы измерения скорости света.

1.3.1. Метод синхронного детектирования.

Для измерения скорости света  Арман Физо (1849г.) применил метод  синхронного детектирования. Он использовал  быстро вращающийся диск с N зубьями (рис. 2.3), представляющие собой непрозрачные сектора. Между этими секторами (зубьями) свет проходил от источника к отражающему зеркалу и обратно к наблюдателю. При этом угол между серединами секторов равен

* =

 

 

 

 

 

 

 

 

Угловая скорость вращения подбиралась так, чтобы свет после  отражения от зеркала за диском попадал  в глаза наблюдателю при прохождении  через соседнее отверстие. За время  движения света от диска до зеркала и обратно:

 

поворот диска составляет угол

 

Зная   расстояние   L,   угловую   скорость диска ω и угол △φ, при котором появляется свет, можно получить скорость света. Физо получил значение скорости, равное с=(315300500) км/с. Примерно такими же методами экспериментаторы получали уточненное значение скорости света с = (298000500) км/с (1862 г.), затем с=(2997964)км/с (А. Майкельсон в 1927 и 1932 г.г.). Позже Бергстранд получил – с=(299793.10.3) км/с.

Отметим здесь один из наиболее точных способов измерения скорости света – метод объемного резонатора, основная идея которого состоит в  образовании стоячей световой волны  и вычислении числа полуволн на длине резонатора. Основные соотношения между скоростью света с, длиной волны λ, периодом Т и частотой ν имеют вид:

 

Здесь также введена круговая частота  , которая есть не что иное, как угловая скорость вращения ω амплитуды, если колебания представить как проекцию вращательного движения на ось. В случае образования световой стоячей волны на длине резонатора укладывается целое число полуволн. Находя это число и пользуясь соотношениями (*), можно определить скорость света.

Последние достижения (1978 г.) дали для скорости света следующее  значение с=299792.458 км/с = (299792458 1,2) м/с.

1.4. Опыты по распространению света в среде.

1.4.1. Опыт Армана Физо.

 

Опыт Армана Физо (1851). Физо рассматривал распространение света  в движущейся среде. Для этого  пропускал луч света через  стоячую и текущую воду и с  помощью явления интерференции  света сравнивал интерференционные  картины, по анализу которых можно  было судить об изменении скорости распространения света (см.рисунок 2.4). Два луча света, отразившись от полупрозрачного зеркала (луч 1) и пройдя его (луч 2) проходят дважды через трубу с водой и затем создают интерференционную картину на экране. Сначала измеряют в стоячей воде, а затем в текущей со скоростью V.

 

Рис 2.4

При этом один луч (1) движется по течению, а второй (2) – против течения  воды. Происходит смещение полос интерференции вследствие изменения разности хода двух лучей. Разность хода лучей измеряется и по ней находится изменение скоростей распространения света. Скорость света в неподвижной среде ĉ зависит от показателя преломления среды п:

 

По принципу относительности  Галилея для наблюдателя, относительно которого свет движется в среде, скорость должна быть равна:

 

Экспериментально Физо установил, что имеется коэффициент при  скорости воды V и поэтому формула выглядит следующим образом:

 

где * – коэффициент увлечения света движущейся средой:

 

 

Таким образом, эксперимент  Физо показал, что классическое правило  сложения скоростей неприменимо  при распространении света в  движущейся среде, т.е. свет только частично увлекается движущейся средой. Опыт Физо сыграл важную роль при построении электродинамики движущихся сред.

Он послужил обоснованием СТО, где коэффициент * получается из закона сложения скоростей (если ограничиться первым порядком точности по малой величине ν/c). Вывод, который следует из этого опыта, состоит в том, что классические (Галилеевские) преобразования неприменимы при распространении света.

1.4.2. Усовершенствование Фуко.

 

Когда Физо объявил о результате своего измерения, ученые усомнились в  достоверности этой колоссальной цифры, согласно которой свет доходит от Солнца до Земли за 8 минут и может  облететь Землю за восьмую долю секунды. Казалось невероятным, чтобы человек  смог измерить столь огромную скорость такими примитивными инструментами. Свет проходит восемь с лишним километров между зеркалами Физо за 1/36000 секунды? Невозможно, говорили многие. Однако цифра, полученная Физо, была весьма близка к результату Рёмера. Вряд ли это могло быть простым совпадением.

Тринадцать лет спустя, когда скептики все еще продолжали сомневаться и отпускать иронические  замечания, Жан Бернар Леон Фуко, сын  парижского издателя, одно время готовившийся стать врачом, определил скорость света несколько иным способом. Он несколько лет проработал вместе с Физо и много размышлял над  тем, как усовершенствовать его  опыт. Вместо зубчатого колеса Фуко применил вращающееся зеркало.

 

Рис. 3. Установка Фуко.

 
 После некоторых усовершенствований Майкельсон использовал это устройство для определения скорости света. В этом устройстве зубчатое колесо заменено вращающимся плоским зеркалом C. Если зеркало C неподвижно или очень медленно поворачивается, свет отражается на полупрозрачное зеркало B по направлению, указанному сплошной линией. Когда зеркало быстро вращается, отраженный луч смещается в положение, обозначенное пунктирной линией. Глядя в окуляр, наблюдатель мог измерить смещение луча. Это измерение давало ему удвоенную величину угла α, т.е. угла поворота зеркала за то время, пока луч света шел от C к вогнутому зеркалу A и обратно к C. Зная скорость вращения зеркала C, расстояние от A до C и угол поворота зеркала C за это время, можно было вычислить скорость света.

stud24.ru

Реферат – Тема: “Методы определения скорости света” Цели урока

Тема: “Методы определения скорости света”

Цели урока:

Исследовать проблему: “Как измеряли скорость света в земных условиях”.

Дать понятие астрономического и лабораторных методов измерения скорости света.

Рассмотреть современные способы измерения скорости света.

Оборудование: схемы опытов по измерению скорости света, таблицы, раздаточный материал.

Учебные задачи:

Исследовать, почему измерение скорости света в земных условиях долгое время оставалось невыполнимой задачей.

Учитель: Свет – это величайшая ценность, которой одарила нас природа, это необходимое условие существование растений, животных и человека..

Как наша прожила планета
Как люди жили бы на ней
Без теплоты, магнита, света
И электрических лучей?

А. Мицкевич.

Молюсь оконному лучу –
Он бледен, тонок, прям.

А. Ахматова.

За 1 с свет приносит на Землю столько энергии, сколько бы ее выделилось при сгорании 40 млн тонн каменного угля.

За счет солнечной энергии поддерживается средняя годовая температура на Земле около 150 С, а также осуществляется непрерывной круговорот воды в природе. Вся жизнь на земле – жизнь растений и животных зависит от Солнца. В растениях происходит превращение солнечной энергии в химическую энергию. Осуществляется фотосинтез.

Среди процессов, сопровождающих распространение света, важным для жизни человека является фотосинтез углеводов.

К.А. Тимирязев, которому принадлежат классические работы по фотосинтезу, говорил: “Едва ли какой процесс, совершающийся на поверхности Земли, заслуживает в такой степени всеобщего внимания, как тот далеко еще не разгаданный процесс, который происходит в зеленом листе, когда на него падает луч Солнца”. С химической точки зрения этот процесс, в котором неорганическое вещество, углекислота и вода превращается в углеводы – вещество органическое. В свою очередь, образовавшиеся углеводы служат для дальнейшего синтеза белков – процесса, происходящего только в растениях, а также растительных жиров.

Образовавшиеся углеводы, жиры и белки используются самим растением либо непосредственно или через промежуточные звенья служат пищей для всех живых организмов. Одна из возможных реакций фотосинтеза описывается формулой:

Е+6СО2+6Н2О —>С6Н12О6 + 6О2

Где Е – энергия света

Т.е. углекислота воздуха и вода под действием энергии света превращается в углеводород С6Н12О6 и кислород О2. Свет разрывает прочную связь, соединяющую кислород с углеродом в углекислоте и возникает углеводород, который способен к дальнейшему окислению при сгорании в печах или организмах животных. Реакция идет за счет поглощения растениями энергии излучения, принадлежащей к видимому диапазону волн. Лучше всего растением поглощаются красные и синие лучи.

Известно, что синий цвет является лечебным светом и наши бабушки лечили с помощью ламп синего цвета туберкулез, воспаления, ушибы и даже имеются сведения о лечении рака кожи даже сегодня! Например, чтобы не было синяка при ударе, надо осветить ушибленное место одну минуту лампой синего цвета. Тем более, что все дизайнеры сегодня рекомендуют клеить синие обои в спальнях, так как холодная синева действует успокаивающе на нервную систему, способствует глубокому сну.

Созданы солнечные батареи. В некоторых жарких странах уже созданы электромобили – автомобили, движущиеся за счет солнечной энергии.

Все это хорошо, но свет несет в себе и зло. Еще наши далекие предки заметили, что яркий солнечный свет не очень приятен и полезен глазам. В гробнице фараона Тутанхамона археологи обнаружили устройство, отдаленно напоминающее современные затемненные окуляры. Это изобретение египетских ремесленников представляло собой два тончайших спила изумруда, соединенных бронзовыми пластинками на манер оправы. В ХVI веке “очковых дел мастера”, дабы усилить светопоглощающий эффект стекла, добавляли в него толченые драгоценные камни: изумруд, рубин и сапфир. Такую дорогую безделушку могли себе позволить только самые богатые клиенты ювелирных домов. Эскимосы же в попытке защитить глаза от слепящего солнца придумали более доступный метод: они носили вырезанные из кости щитки с узкими прорезями для глаз, заметно ограничивающие поток света. Эволюционирование солнцезащитных очков сделало их более полезным и доступным атрибутом. В наши дни в силу объективных причин солнцезащитные очки, защищающие от ультрафиолета, просто необходимы.

Лишь в полной темноте человеческий организм может вырабатывать мелатонин – гормон, который эффективно противостоит раку. Процесс автоматически прекращается, если рядом с человеком находится хотя бы слабенький источник света. Поэтому ночная темнота защищает организм человека от этого коварного заболевания. Ведь рак появился практически одновременно с изобретение электрического освещения. Поэтому используйте положительный эффект ночи – спите в полной темноте.

^ Изучение новой темы:

Как же была измерена скорость света?

При объяснении нового материала на доске представлены схемы по опытам и у каждого учащегося имеются на столе мини-схемы опытов по измерению скорости света и таблица № 1

Гений XVII века Роберт Гук полагал, что скорость света слишком велика, чтобы ее можно было определить экспериментально, а астроном Иоганн Кеплер и математик Рене Декарт придерживались мнения Аристотеля, что скорость света бесконечно велика.

Первый, кто предложил способ измерения скорости света был Галилео Галилей (заслушать сообщение по данной теме и проанализировать, почему не удался эксперимент).

Познакомимся с ученым, которому первым удалось измерить скорость света – Оле Ремером.

Нужды расширяющейся торговли и возрастающего значения мореплавания побудили французскую Академию наук заняться уточнением географических карт, для чего, в частности требовался более надежный способ определения географической долготы. Оле Ремер – молодой датский астроном был приглашен работать в новую парижскую обсерваторию.

Ученые предположили использовать для определения парижского времени и времени на борту корабля небесное явление, наблюдаемое ежедневно в один и тот же час. По этому явлению мореплаватель или географ мог бы поставить свои часы и узнать парижское время (см формулу из астрономии . Таким явлением видимым с любого места на море или на суше является затмение одного из четырех больших спутников Юпитера, обнаруженных Галилеем в 1609 г. Рассказ совместить с иллюстрацией учебника – затмения спутника Ио. Спутник Ио проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками составил 42 ч 28 мин. Такие же измерения проведенные полгода спустя, показали, что спутник опоздал появиться из тени на 22 мин по сравнению с момента времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио. Скорость имеет неточный результат из-за неверного определения времени запаздывания.

Рассказ о лабораторном методе французов Луи Физо и Леона Фуко.

Метод Физо (лабораторный).

В 1849 г. Л. Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света. Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало 2 — на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло ℓ ~ 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса v = 12,6 об/с.

Свет от источника ^ S, проходил через прерыватель К (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала З, возвращался опять к зубчатому колесу. Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно t1 = 2 L/с окажется равным времени поворота зубчатого колеса на половину прорези t2 = T/2N = 1/2Nv.

L – расстояние от зубчатого колеса до зеркала;

Т – период вращения зубчатого колеса;

N – число зубцов;

v = 1/Т – частота вращения.

Из равенства t1 = t2 следует расчетная формула для определения скорости света данным методом:

с = 4LNv

Используя метод вращающегося затвора, Физо получил значение скорости света: с = 3,14.105 км/с.

Весной 1879 года газета “Нью-Йорк Таймс” сообщила: “На научном горизонте Америки появилась новая яркая звезда. Младший лейтенант морской службы, выпускник Морской академии в Аннаполисе Альберт Майкельсон, которому еще не 27 лет добился выдающегося успеха в области оптики: он измерил скорость света!” Примечателен тот факт, что на выпускных экзаменах в академии Альберту достался вопрос об измерении скорости света. Кто мог предположить, что через короткое время Майкельсон сам войдет в историю физики, как измеритель скорости света.

О скорости света размышляли и спорили еще с древних времен, но до Майкельсона только троим ученым (все они были французами) удалось измерить ее с помощью земных средств. До А. Майкельсона на американском континенте никто даже не пытался поставить этот трудный эксперимент.

Установка Майкельсона размещалась на двух горных вершинах, разделенных расстоянием 35,4 км. Зеркалом служила восьмигранная стальная призма на горе Сан Антонио в Калифорнии, сама установка находилась на горе Маунт-Вильсон. После отражения от призмы луч света попадал на систему зеркал, возвращающих его назад. Для того чтобы луч попадал в глаз наблюдателя, вращающаяся призма должна за время распространения света туда и обратно, успеть повернуться хотя бы на 1/8 оборота.

с=

Майкельсон писал: “То, что скорость света – является категорией, недоступной человеческо-му воображению, и что, с другой стороны, ее возможно измерить с необыкновенной точностью, делает ее определение одной из самых увлекательных проблем, с которыми может столкнуться исследователь.

Наиболее точное измерение скорости света было получено в 1972 г. американским ученым К. Ивенсоном с сотрудниками. В результате независимых измерений частоты и длины волны лазерного измерения ими было получено значение

Однако в 1983 г. на заседании Генеральной ассамблеи мер и весов было принято новое определение метра (это длина пути, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды), из которого следует что скорость света в вакууме абсолютно точно равна с=299 792 458 м/с

1676 г. – Оле Ремер – астрономический метод

с=

1849г. – Луи Физо – лабораторный метод

с=

1862 г. – Леон Фуко – лабораторный метод

с=

1879 г. Альберт Майкельсон – лабораторный метод

с=

1972 г. К. Ивенсон – независимые измерения длины волны лазерного излучения

с=299792456,2±0,2 м/с

1983 г. Заседание Генеральной ассамблеи мер и весов

с=299792458 м/с

Табл. № 2 “Измерение скорости света”

Методы измерения скорости света

Как происходило исследование, когда и кем

Полученный результат

1.Астрономический метод

2. Лабораторный метод

1676 г. Оле Ремер наблюдал затмение спутника Юпитера Ио.

1849 г. Луи Физо, 1862 г. Леон Фуко измеряли скорость света, который проходил через вращающееся колесо и отражался от зеркал

1879 г. Майкельсон вместо колеса – восьмигранная стальная призма, которая находилась от зеркала на расстоянии 35,4 км

1972 г. К. Ивенсон измерял частоту и длину волны лазерного излучения

2,22•108 м/с

3,12•108 м/с

3,001•108м/с

299792456,2±0,2м/с

www.ronl.ru

Определение скорости света

Дисциплина: Химия и физика
Тип работы: Реферат
Тема: Определение скорости света

Скорость света в свободном пространстве (вакууме) – скорость распространения любых электромагнитных волн, в том числе и световых. Представляет собой предельную скорость

распространения любых физических воздействий и инвариантна при переходе от одной системы отсчета к другой.

Скорость света в среде зависит от показателя преломления среды

, различного для разных частот

излучения: с’(

). Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости от фазовой скорости света в среде, если речь идет не о монохроматическом свете (для скорости света в вакууме эти величины

совпадают. Экспериментально определяя с’, всегда измеряют групповую скорость света.

Впервые скорость света определил в 1676 году О. К.

Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера. В 1728 году её установил Дж.

Брадлей, исходя из своих наблюдений аберрации света звезд. В 1849 году А. И. Л.

Физо первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы), так как показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, то

наземные измерения дают величину весьма близкую к скорости.

В опыте

Физо пучок света от источника света

, отраженный полупрозрачным зеркалом 3, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском 2, проходил базу 4-1 (около 8 км) и, отразившись от зеркала 1, возвращался к диску.

Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в

промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр 4. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы.

Физо получил значение

= 313300 км/с.

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.

Определение

скорости света методом вращающегося зеркала (Метод Фуко):

– источник света;

– быстровращающееся зеркало;

– неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения

(поэтому свет, отраженный

, всегда попадает обратно на

– полупрозрачное зеркало;

– объектив;

– окуляр;

– точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение

, изменившееся за время прохождения светом пути

и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив

, который собирает отраженный пучок в точке

’, а не в точке

, как это было бы при неподвижном зеркале

. Скорость света устанавливается, измеряя смещение

’.

Полученное А. Майкельсоном в1926 году значение

= 299796

4 км/с было тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин.

Измерение скорости света в 19 веке сыграли большую роль в физике, дополнительно подтвердив волновую теорию света. Выполненное Фуко в 1850 году сравнение скорости света одной и той

же частоты в воздухе и воде показало, что скорость в воде

= c/

) в соответствии с предсказанием волновой теории. Была так же установлена связь оптики с теорией электромагнетизма: измеренная скорость света совпала со скоростью электромагнитных

волн, вычисленной из отношения электромагнитных и электростатических единиц электрического заряда.

В современных измерениях скорости света используется модернизированный метод

Физо с заменой зубчатого колеса на интерференционный или какой-либо другой модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок. Приемником излучения

служит фотоэлемент или фотоэлектрический умножитель. Применение лазера в качестве источника света, УЗ – модулятора со стабилизированной частотой

и повышение точности измерения длины базы позволит снизить погрешности измерений и получить значение с = 299792,5

0,15 км/с. Помимо прямых измерения скорости света по времени прохождения известной базы, широко применяются косвенный методы, дающие большую точность.

Скорость света в вакууме принять считать 2999792458

1,2 м/с.

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 радио- или световых сигналов в радиолокации, оптической локации,

светодальнометрии и др.

Язык: Русский

Скачиваний: 190

Формат: Microsoft Word

Размер файла: 644 Кб

Автор:

Скачать работу…

Забрать файл

Похожие материалы:


www.refland.ru

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *