Прямолинейное распространение света
Что такое свет?
По современным представлениям видимый свет представляет собой электромагнитные волны с длинами от 400 нм (фиолетовый цвет) до 760 нм (красный цвет).
Свет, как и все электромагнитные волны, распространяется с очень большой скоростью. В вакууме скорость света составляет около 3×10 8 м/с.
Читатель : Как же удалось измерить такую «чудовищную» скорость?
Как определили скорость света?
Астрономический метод измерения скорости света. Скорость света впервые удалось измерить датскому ученому Рёмеру в 1676 г. Его успех объясняется именно тем, что проходимые светом расстояния, которые он использовал для измерений, были очень велики. Это расстояния между планетами Солнечной системы.
Рёмер наблюдал затмения спутников Юпитера – самой большой планеты Солнечной системы. Юпитер в отличие от Земли имеет не менее шестнадцати спутников. Ближайший его спутник Ио стал предметом наблюдений Рёмера. Он видел, как спутник 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 оказался равным 42 ч 28 мин. Таким образом, эта «луна» представляла собой громадные небесные часы, через равные промежутки времени посылавшие свои сигналы на Землю.
Сначала наблюдения проводились в то время, когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру (рис. 1.1). Зная период обращения спутника Ио вокруг Юпитера, Рёмер составил чёткое расписание моментов его появления на год вперед. Но шесть месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера на диаметр своей орбиты, Рёмер с удивлением обнаружил, что спутник опоздал появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с «расчетным» моментом времени его появления.
Рёмер объяснял это так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время; наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 мин раньше. Запаздывание в этом случае происходит от того, что свет употребляет 22 мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения». Зная запаздывание появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние (диаметр орбиты Земли) на время запаздывания. Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 215 000 км/с. Поэтому-то крайне трудно уловить время распространения света между двумя удаленными точками на Земле. Ведь за одну секунду свет проходит расстояние больше длины земного экватора в 7,5 раза.
Лабораторные методы измерения скорости света. Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому ученому Физо в 1849 г. В его опыте свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1 (рис. 1.2). После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса.
Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был опять пройти между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. В чем же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец и свет переставал быть видимым.
При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время путешествия света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 км, и для скорости света было получено значение 313 000 км/с.
Было разработано еще много других, более точных лабораторных методов измерения скорости света. В частности,американский физик А. Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости светас применением вместо зубчатого колеса вращающихся зеркал.
По современным данным, скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с. Ошибка в измерении скорости не превышает 0,3 м/с.
Задача 1.1. В опыте Физо по определению скорости света световой пучок проходил через узкую прорезь между зубцами вращающегося колеса, отражался от зеркала, расположенного на расстоянии l = 8,6 км от колеса, и возвращался, опять проходя между зубцами колеса. При какой минимальной частоте n вращения колеса отраженный свет исчезал? Количество зубцов на колесе N = 720. Скорость света с = 3,0×10 8 м/с.
прорезь, а зубец, т.е. если колесо повернется на ползубца.
При повороте на один зубец угол поворота составит (рад), а при повороте на ползубца (рад).
Пусть угловая скорость вращения колеса равна w, тогда за время колесо должно повернуться на угол . Тогда
.
Из последнего равенства найдем n:
12 1/с.
Ответ : 12 1/с.
СТОП! Решите самостоятельно: А1, В3, С1, С2.
Световой луч
Читатель : Если свет – это волна, то что же тогда следует понимать под световым лучом?
Автор : Да, свет – это волна, но длина этой волны по сравнению с размерами многих оптических приборов очень мала . Посмотрим, как ведут себя волны на поверхности воды, когда размеры препятствий много больше длины волны.
Рис. 1.3
|
Повторим опыт с волнами на воде, вызываемыми колебаниями ребра линейки LL ,ударяющей по поверхности воды. Для того чтобы отыскать направление распространения волн, поставим на их пути преграду ММ с отверстием, размеры которого значительно больше, чем длина волны. Мы обнаружим, что за перегородкой волны распространяются в прямолинейном канале, проведенном через края отверстия (рис. 1.3). Направление этого канала и представляет собой направление распространения волны. Оно остается неизменным, если мы поставим перегородку косо (М"М" ). Направление, вдоль которого распространяются волны, всегда оказывается перпендикулярным к линии, все точки которой достигаются волновым возмущением в один и тот же момент. Линию эту называют волновым фронтом. Прямая, перпендикулярная к волновому фронту (стрелка на рис. 1.3)указывает направление распространения волны. Эту линию мы будем называть лучом. Итак, луч есть геометрическая линия, проведенная перпендикулярно к волновому фронту и показывающая направление распространения волнового возмущения. В каждой точке волнового фронта можно провести перпендикуляр к фронту, т. е. луч.
| Рис. 1.4 |
В рассмотренном нами случае фронт волны имеет вид прямой линии; поэтому лучи во всех точках фронта параллельны между собой. Если повторить опыт, взяв за источник волн колеблющийся конец проволоки, то фронт волны будет иметь форму окружности. Поставив на пути такой волны преграды с отверстиями, размеры которых велики по сравнению с длиной волны, получим картину, изображенную на рис. 1.4. Таким образом, и в этом случае направление распространения волны совпадает с прямыми линиями, перпендикулярными к фронту волны, т. е. с направлением лучей; в данном случае лучи изображены радиусами, проведенными из точки, откуда исходят волны.
Наблюдения показывают, что в однородной среде свет также распространяется вдоль прямых линий.
Под световым лучом понимают не тонкий световой пучок, а линию, указывающую направление распространения световой энергии . Чтобы определить этонаправление, мы выделяем узкие световые пучки, диаметр которых все же должен превосходить длину волны. Затем мы заменяем эти пучки линиями, которые являются осями световых пучков (рис. 1.6). Эти линии и изображают световые лучи. Следовательно, говоря об отражении или преломлении световых лучей, мы имеем в виду изменение направления распространения света.
Основная польза от введения понятия светового луча заключается в том, что поведение лучей в пространстве определяется простыми законами - законами геометрической оптики.
Геометрической оптикой называется раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о световом луче.
Одним из основных законов геометрической оптики является закон прямолинейного распространения света : в однородной среде свет распространяется прямолинейно.
Другими словами, в однородной среде световые лучи представляют собой прямые линии.
Источники света
Источники света можно разделить на самостоятельные и источники отраженного света.
Самостоятельные – это источники, которые испускают свет непосредственно: Солнце, звезды, всевозможные лампы, пламя и т.д.
Источники отраженного света лишь отражают свет, падающий на них от самостоятельных источников. Так, любой предмет в комнате, освещенной солнечными лучами: стол, книга, стены, шкаф, представляет собой источник отраженного света. Источниками отраженного света являемся и мы сами. Луна также является источником отраженного солнечного света.
Заметим также, что атмосфера является источником отраженного света, и именно благодаря атмосфере утром светает задолго до восхода Солнца.
Читатель: А почему солнечные лучи, которые освещают все предметы в комнате, сами по себе невидимы?
Человеческий глаз воспринимает только те лучи, которые непосредственно в него попадают. Поэтому если солнечный луч идет мимо глаза, то глаз его и не видит. Но вот если в воздухе много пыли или дыма, то солнечные лучи становятся видимыми: рассеиваясь на частицах пыли или дыма, часть солнечного света попадает нам в глаза, и тогда мы видим "ход" солнечного луча.
СТОП! Решите самостоятельно: А2–А4, В1, В2, С3, С4.
Вторым законом геометрической оптики является закон независимости световых пучков . Пересекаясь в пространстве, лучи не оказывают никакого влияния друг на друга.
Заметим, что таким же свойством обладают волны на поверхности воды: пересекаясь, они не влияют друг на друга.
СТОП! Решите самостоятельно: В4.
Тень и полутень
Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени, т. е. области, куда не поступает световая энергия. При малых размерах источника (светящаяся точка) получается резко очерченная тень (рис. 1.7). Если бы свет распространялся не прямолинейно, он мог бы обогнуть препятствие, и тени не получилось бы.
Рис. 1.7 Рис. 1.8
| Рис. 1.9 |
При больших размерах источника создаются нерезкие тени (рис. 1.8). Дело в том, что от каждой точки источника свет распространяется прямолинейно и предмет, освещенный уже двумя светящимися точками, даст две несовпадающие тени, наложение которых образует тень неравномерной густоты. Полная тень припротяженном источнике образуется лишь в тех участках экрана, куда свет не попадает совсем. По краям полной тени располагается более светлая область – полутень. По мере удаления от области полной тени полутень становится все более и более светлой. Из области полной тени глаз совсем не увидит источника света, а из области полутени он увидит лишь часть его поверхности (рис. 1.9).
1) Впервые скорость света измерил датский ученый Ремер в 1676г используя астрономический метод. Он засекал время которое самый большой из спутников Юпитера Ио находился в тени этой огромной планеты.
Ремер провел измерения в момент, когда наша планета была ближе всего к Юпитеру, и в момент, когда мы находились немного по астрономическим понятиям дальше от Юпитера. В первом случае промежуток между вспышками составил 48 часов 28 минут. Во втором случае спутник опоздал на 22 минуты. Из этого был сделан вывод, что свету необходимо 22 минуты, чтобы пройти расстояние от места предыдущего наблюдения до места настоящего наблюдения. Так была доказана теория о конечной скорости света, и была примерно подсчитана его скорость она примерно составляла 299800 км/с.
2) Лабораторный метод позволяет определить скорость света на небольшом расстоянии и большой точностью. Первые лабораторные опыты провёл Фуко, а затем и Физо.
Ученые и их эксперименты
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.
Опыт Физо
Опыт Физо - опыт по определению скорости света в движущихся средах (телах), осуществлённый в 1851 Луи Физо. Опыт демонстрирует эффект релятивистского сложения скоростей. С именем Физо связан также первый эксперимент по лабораторному определению скорости света.
В опыте Физо пучок света от источника света S, 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 c = 313300 км/с.
Опыт Фуко
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): S– источник света; R – быстровращающееся зеркало; C – неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения R (поэтому свет, отраженный C, всегда попадает обратно на R); M – полупрозрачное зеркало; L– объектив; E – окуляр; RC – точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив L, который собирает отраженный пучок в точке S’, а не в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале R. Скорость света устанавливается, измеряя смещение SS’.
Полученное А. Майкельсоном в1926 году значение c = 299796 4 км/с было тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин. свет скорость оптический волокно
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 u = c/n(n) 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.
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 в других подобных измерениях.
Светодальномерия
Светодальномер - геодезический прибор, позволяющий с высокой точностью (до нескольких миллиметров) измерять расстояния в десятки (иногда в сотни) километров. Так, например, светодальномером измерено расстояние от Земли до Луны с точностью до нескольких сантиметров.
Лазерный дальномер - прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча.
Скорость света в вакууме составляет «ровно 299,792,458 метров в секунду». Мы сегодня можем с точностью назвать эту цифру потому, что скорость света в вакууме является универсальной постоянной, которая была измерена при помощи лазера.
Когда речь идет об использовании данного инструмента в эксперименте, трудно поспорить с результатами. По поводу того, почему скорость света измеряется настолько целым числом, можно сказать, что это и неудивительно: длина метра определяется с помощью следующей константы: «Длина пути, проходимого светом в вакууме за промежуток времени 1/299,792,458 секунды».
Пару сотен лет назад было решено или, по крайней мере, предполагалось, что скорость света не имеет предела, хотя на самом деле она просто очень высока. Если бы от ответа зависело, станет ли она подругой Джастина Бибера, современная девушка-подросток ответила бы на этот вопрос так: «Скорость света чуть медленнее самой быстрой вещи во Вселенной».
Первым, кто обратился к вопросу о бесконечности скорости света, был философ Эмпедокл в пятом веке до н.э. Еще спустя столетие Аристотель не согласится с утверждением Эмпедокла, и спор будет длиться еще более 2,000 лет.
Голландский ученый Иссак Бэкмен был первым известным специалистом, кто в 1629 году придумал реальный эксперимент, чтобы проверить, есть ли у света какая-либо скорость. Живущий в столетии, далеком от изобретения лазера, Бэкмен понял, что основой эксперимента должен стать взрыв любого происхождения, поэтому в своих экспериментах он использовал детонирующий порох.
Бэкмен расположил зеркала на разном расстоянии от места взрыва и позже спросил у наблюдавших людей, видят ли они разницу в восприятии вспышки света, отражающейся в каждом из зеркал. Как можно догадаться, эксперимент был "неубедительным". Аналогичный, более известный опыт, но без использования взрыва, возможно, был проведен или, по крайней мере, придуман Галилео Галилеем только десятилетие спустя, в 1638 году. Галилей, как и Бэкмен, подозревал, что скорость света не бесконечна, и в некоторых своих работах делал ссылку на продолжение эксперимента, но уже с участием фонарей. В своем эксперименте (если он когда-либо его проводил!) он разместил два фонаря в миле друг от друга и пытался разглядеть, была ли задержка. Результат эксперимента тоже был неубедительным. Единственное, что Галилей смог предположить, так это, что если свет и не был бесконечным, то он был слишком быстрым, и опыты, проводимые в таком маленьком масштабе, были обречены на провал.
Так продолжалось до тех пор, пока к серьезным экспериментам со скоростью света не приступил датский астроном Олаф Ремер. Эксперименты с фонарями на холме, проводимые Галилеем, выглядели как научный проект школьника по сравнению с опытами Ремера. Он установил, что эксперимент должен проводиться в открытом космосе. Таким образом, он сосредоточил свое внимание на наблюдении за планетами и представил свои новаторские взгляды 22 августа 1676 года.
В частности, во время изучения одного из спутников Юпитера Ремер заметил, что время между затмениями изменяется в течение года (в зависимости от того, движется Юпитер в направлении Земли или от нее). Заинтересовавшись этим, Ремер делал тщательные записи о времени, когда спутник Ио, за которым он наблюдал, появлялся в поле зрения, и сравнивал, как это время соотносилось с моментом, когда он обычно ожидался. Через некоторое время Ремер заметил, что так же, как Земля, вращаясь вокруг Солнца, становится дальше от Юпитера, время, когда Ио попадает в поле зрения, будет сильнее отставать от времени, отмеченного ранее в записях. Ремер (правильно) предположил, что это происходит из-за того, что свету необходимо больше времени, чтобы пройти расстояние от Земли до Юпитера, если само расстояние увеличивается.
К сожалению, произведенные им расчеты погибли в огне во время пожара в Копенгагене в 1728 году, но у нас есть большой объем сведений о его открытии из историй современников, а также из докладов других ученых, использовавших расчеты Ремера в своих работах. Суть их в том, что с помощью многих расчетов, связанных с диаметром Земли и орбиты Юпитера, Ремер смог сделать вывод, что свету потребуется около 22 минут, чтобы пройти расстояние, равное диаметру орбиты Земли вокруг Солнца. Христиан Гюйгенс позже преобразует эти вычисления в более понятные цифры, показывая, что, по оценке Ремера, свет проходит около 220,000 километров в секунду. Эта цифра еще намного отличается от современных данных, но мы вскоре к ним вернемся.
Когда коллеги Ремера по университету выразили озабоченность по поводу его теории, он спокойно ответил им, что затмение 9 ноября 1676 года произойдет на 10 минут позднее. Когда так и случилось, сомневающиеся были поражены, ведь небесное тело подтвердило его теорию.
Коллеги Ремера были крайне изумлены его вычислениям, так как даже сегодня его оценка скорости света считается удивительно точной, учитывая, что она была сделана за 300 лет до того, как придумали лазеры и Интернет. И пусть 80,000 километров – это слишком медленно, но, беря во внимание состояние науки и технологий в то время, результат действительно впечатляет. К тому же Ремер полагался лишь на собственные догадки.
Что еще более удивляет, причина слишком маленькой скорости была не в расчетах Ремера, а в том, что не было точных данных об орбитах Земли и Юпитера в то время, когда он проводил свои вычисления. Это означает, что ученый ошибся только потому, что другие ученые были не так умны, как он. Так что, если вы поместите существующие современные данные в оригинальные вычисления, которые он проводил, расчеты скорости света будут верными.
И хотя вычисления были технически неправильными, а Джеймс Брэдли нашел более точное определение скорости света в 1729 году, Ремер вошел в историю как человек, доказавший первым, что скорость света можно определить. Он сделал это, наблюдая за движением гигантского газообразного шара, расположенного на расстоянии около 780 миллионов километров от Земли.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Скорость света и методы ее определения
План
Введение
1. Астрономические методы измерения скорости света
1.1 Метод Рёмера
1.2 Метод аберрации света
1.3 Метод прерываний (метод Физо)
1.4 Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)
1.5 Метод Майкельсона
Введение
Скорость света - одна из наиболее важных физических констант, которые называют фундаментальными. Эта константа имеет особое значение как в теоретической, так и в экспериментальной физике и смежных с нею науках. Точное значение скорости света требуется знать в радио- и светолокации, при измерении расстояний от Земли до других планет, управлении спутниками и космическими кораблями. Определение скорости света наиболее важно для оптики, в частности, для оптики движущихся сред, и физики вообще. Познакомимся с методами определения скорости света.
1. Астрономические методы измерения скорости света
1.1 Метод Рёмера
Первые измерения скорости света были основаны на астрономических наблюдениях. Достоверное значение скорости света, близкое к современному ее значению, было получено впервые Рёмером в 1676 году при наблюдении затмений спутников планеты Юпитер.
Время прохождения светового сигнала от небесного светила до Земли зависит от дальности L расположения светила. Явление, происходящее на каком-то небесном теле, наблюдается с запаздыванием, равным времени прохождения света от светила до Земли:
где с - скорость света.
Если наблюдать какой-либо периодический процесс, происходящий в удаленной от Земли системе, то при неизменном расстоянии между Землей и системой наличие этого запаздывания не будет влиять на период наблюдаемого процесса. Если же за время периода Земля удалится от системы или приблизится к ней, то в первом случае окончание периода будет зарегистрировано с большим запаздыванием, чем его начало, что приведет к кажущемуся увеличению периода. Во втором случае, наоборот, окончание периода будет зафиксировано с меньшим запаздыванием, чем его начало, что приведет к кажущемуся уменьшению периода. В обоих случаях кажущееся изменение периода равно отношению разности расстояний между землей и системой в начале и конце периода к скорости света.
Изложенные соображения лежат в основе метода Рёмера.
Рёмер проводил наблюдения за спутником Ио, период обращения которого 42 ч 27 мин 33 с.
При движении Земли по участку орбиты Е 1 Е 2 Е 3 она удаляется от Юпитера и должно наблюдаться увеличение периода. При движении по участку Е 3 Е 4 Е 1 наблюдаемый период будет меньше истинного. Так как изменение одного периода мало (около 15 с), то эффект обнаруживается только при большом числе наблюдений, проводимых в течение длительного промежутка времени. Если например, наблюдать затмения в течение полугода, начиная с момента противостояния Земли (точка Е 1 ) до момента "соединения" (точка Е 3 ), то промежуток времени между первым и последним затмениями будет на 1320 с больше вычисленного теоретически. Теоретический расчет периода затмений проводился в точках орбиты, близких к противостоянию. Где расстояние между Землей и Юпитером практически не изменяется со временем.
Полученное расхождение можно объяснить только тем, что в течение полугода Земля перешла из точки Е 1 в точку Е 3 и свету приходится в конце полугодия проходить путь, больший, чем в начале, на величину отрезка Е 1 Е 3 , равного диаметру земной орбиты. Таким образом, незаметные для отдельного периода запаздывания накапливаются и образуют результирующее запаздывание. Величина запаздывания, определенная Рёмером, составляла 22 мин. Принимая диаметр орбиты Земли равным км, можно получить для скорости света значение 226000 км/с.
Значение скорости света, определенное на основании измерений Рёмера, оказалось меньше современного значения. Позже были выполнены более точные наблюдения затмений, в которых время запаздывания оказалось равным 16,5 мин, что соответствует скорости света 301000 км/с.
1.2 Метод аберрации света
свет скорость измерение астрономический
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 положениях Земли на противоположных концах диаметра земной орбиты, то угол между полученными двумя направлениями называют годичным параллаксом (рис. .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.)
Величина смещения, измеренная Брэдли, оказалась значительно больше ожидаемого параллактического смещения. Брэдли назвал это явление аберрацией света и объяснил его конечностью скорости света. За то короткое время, в течение которого свет, упавший на объектив телескопа, распространяется от объектива до окуляра, окуляр в результате движения Земли по орбите сдвигается на очень малый отрезок (рис. .3). Вследствие этого изображение звезды сместится на отрезок а . Направляя вновь телескоп на звезду, его придется несколько наклонить в направлении движения Земли, чтобы изображение звезды опять совпало с центром перекрестия нитей в окуляре.
Пусть угол наклона телескопа равен б. Обозначим время, необходимое свету для прохождения отрезка в , равного расстоянию от объектива телескопа до его окуляра, равно ф. Тогда отрезок, и
Из измерений Брэдли было известно, что при двух положениях Земли, лежащих на одном диаметре орбиты, звезда кажется смещенной от истинного положения на один и тот же угол. Угол между этими направлениями наблюдения, откуда, зная скорость Земли на орбите, можно найти скорость света. Брэдли получил с = 306000 км/с.
Следует отметить, что явление аберрации света связано с изменением направления скорости Земли в течение года. Объяснение этого явления базируется на корпускулярных представлениях о свете. Рассмотрение аберрации света с позиций волновой теории более сложно и связано с вопросом о влиянии движения Земли на распространение света.
Рёмером и Брэдли было показано, что скорость света конечна, хотя и имеет огромное значение. Для дальнейшего развития теории света важно было 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 земных источников. Первые попытки таких экспериментов были предприняты в начале XIX века.
1.3 Метод прерываний (метод Физо)
Первый экспериментальный метод определения скорости света земных источников был разработан в 1449 г. французским физиком Арманом Ипполитом Луи Физо. Схема опыта представлена на рис. .4.
Свет, распространяющийся от источника s , частично отражается от полупрозрачной пластинки Р и направляется к зеркалу М . На пути луча располагается прерыватель света - зубчатое колесо К , ось которого ОО" параллельна лучу. Лучи света проходят через промежутки между зубьями, отражаются зеркалом М и направляются обратно через зубчатое колесо и пластинку Р к наблюдателю.
При медленном вращении колеса К 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 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 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
Время прохождения светом расстояния от колеса до зеркала М и обратно равно
где l - расстояние до колеса от зеркала (база). Приравнивая эти два интервала времени, получаем условие, при котором наступает первое затемнение:
откуда можно определить скорость света:
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 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.
1.4 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 рис. 5.
Свет от источника S проходит через полупрозрачную пластинку Р , линзу L и падает на плоское зеркало M 1, которое может вращаться вокруг своей оси О , перпендикулярной к плоскости чертежа. После отражения от зеркала M 1 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 M 1 . Если зеркало M 1 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 S 1 .
При вращении зеркала M 1 за время, пока свет проходит путь 2 l между обоими зеркалами и возвращается обратно (), вращающееся с угловой скоростью зеркало M 1 повернется на угол
и займет положение, показанное на рис. .5 пунктиром. Отраженный от зеркала луч по отношению к первоначальному будет повернут на угол и даст изображение источника в точке S 2 . Измерив расстояние S 1 S 2 и зная геометрию установки, можно определить угол и вычислить скорость света:
Таким образом, суть метода Фуко заключается в точном измерении времени прохождения светом расстояния 2 l . Это время оценивается по углу поворота зеркала M 1 , скорость вращения которого известна. Угол поворота определяется на основе измерений смещения S 1 S 2 . 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 ѕ 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 воде получился равным, что полностью соответствует закону Снеллиуса. Таким образом, на основе результатов этого эксперимента была подтверждена справедливость волновой теории света, и был закончен полутора вековой спор в ее пользу.
1.5 Метод Майкельсона
В 1926 году установка Майкельсона была выполнена между двумя горными вершинами, так что расстояние, проходимое лучом от источника до его изображения после отражений от первой грани восьмигранной зеркальной призмы, зеркал М 2 - М 7 и пятой грани, составляло около 35,4 км. Скорость вращения призмы (приблизительно 528 об/с) выбиралась такой, чтобы за время распространения света от первой грани до пятой призма успевала повернуться на 1/8 оборота. Возможное смещение зайчика при неточно подобранной скорости играло роль поправки. Скорость света, определенная в этом опыте, оказалась равной 2997964 км/с.
Из других методов отметим выполненное в 1972 году измерение скорости света путем независимого определения длины волны и частоты света. Источником света служил гелий-неоновый лазер, генерирующий излучение 3,39 мкм. При этом длина волны измерялась с помощью интерферометрического сравнения с эталоном длины оранжевого излучения криптона, а частота - с помощью радиотехнических методов. Скорость света
определенная этим методом, составила 299792,45620,001 км/с. Авторы метода считают, что достигнутая точность может быть повышена за счет улучшения воспроизводимости измерений эталонов длины и времени.
В заключение отметим, что при определении скорости света измеряется групповая скорость и , которая лишь для вакуума совпадает с фазовой.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Разделение четырехмерного пространства на физическое время и трехмерное пространство. Постоянство и изотропия скорости света, определение одновременности. Расчет эффекта Саньяка в предположении анизотропии скорости света. Изучение свойств NUT-параметра.
статья , добавлен 22.06.2015
Видимое излучение и теплопередача. Естественные, искусственные люминесцирующие и тепловые источники света. Отражение и преломление света. Тень, полутень и световой луч. Лунное и солнечное затмения. Поглощение энергии телами. Изменение скорости света.
презентация , добавлен 27.12.2011
Преобразование света при его падении на границу двух сред: отражение (рассеяние), пропускание (преломление), поглощение. Факторы изменения скорости света в веществах. Проявления поляризации и интерференции света. Интенсивность отраженного света.
презентация , добавлен 26.10.2013
Развитие представления о пространстве и времени. Парадигма научной фантастики. Принцип относительности и законы сохранения. Абсолютность скорости света. Парадокс замкнутых мировых линий. Замедление хода времени в зависимости от скорости движения.
реферат , добавлен 10.05.2009
Понятие дисперсии света. Нормальная и аномальная дисперсии. Классическая теория дисперсии. Зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты. Разложение белого света дифракционной решеткой. Различия в дифракционном и призматическом спектрах.
презентация , добавлен 02.03.2016
Устройство фотометрической головки. Световой поток и мощность источника света. Определение силы света, яркости. Принцип фотометрии. Сравнение освещенности двух поверхностей, создаваемой исследуемыми источниками света.
лабораторная работа , добавлен 07.03.2007
Основные принципы геометрической оптики. Изучение законов распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче. Астрономические и лабораторные методы измерения скорости света, рассмотрение законов его преломления.
презентация , добавлен 07.05.2012
Спектральные измерения интенсивности света. Исследование рассеяния света в магнитных коллоидах феррита кобальта и магнетита в керосине. Кривые уменьшения интенсивности рассеянного света со временем после выключения электрического и магнитного полей.
статья , добавлен 19.03.2007
Теоретические основы оптико-электронных приборов. Химическое действие света. Фотоэлектрический, магнитооптический, электрооптический эффекты света и их применение. Эффект Комптона. Эффект Рамана. Давление света. Химические действия света и его природа.
реферат , добавлен 02.11.2008
Волновая теория света и принцип Гюйгенса. Явление интерференции света как пространственного перераспределения энергии света при наложении световых волн. Когерентность и монохроматичных световых потоков. Волновые свойства света и понятие цуга волн.
В 1676 датский астроном Оле Рёмер сделал первую грубую оценку скорости света. Рёмер заметил слабое расхождение в продолжительности затмений спутников Юпитера и сделал вывод, что движение Земли, либо приближающейся к Юпитеру, либо удаляющейся от него, изменяло расстояние, которое приходилось проходить свету, отраженному от спутников.
Измерив величину этого расхождения, Рёмер подсчитал, что скорость света составляет 219911 километров в секунду. В более позднем эксперименте в 1849 году французский физик Арман Физо получил, что скорость света равна 312873 километрам в секунду.
Как показано на рисунке вверху, экспериментальная установка Физо состояла из источника света, полупрозрачного зеркала, которое отражает только половину падающего на него света, позволяя остальному проходить дальше вращающегося зубчатого колеса и неподвижного зеркала. Когда свет попадал на полупрозрачное зеркало, он отражался на зубчатое колесо, которое разделяло свет на пучки. Пройдя через систему фокусирующих линз, каждый световой пучок отражался от неподвижного зеркала и возвращался назад к зубчатому колесу. Проведя точные измерения скорости вращения, при которой зубчатое колесо блокировало отраженные пучки, Физо смог вычислить скорость света. Его коллега Жан Фуко год спустя усовершенствовал этот метод и получил, что скорость света составляет 297 878 километров в секунду. Это значение мало отличается от современной величины 299 792 километров в секунду, которая вычисляется путем перемножения длины волны и частоты лазерного излучения.
Эксперимент Физо
Как показано на рисунках вверху, свет проходит вперед и возвращается назад через один и тот же промежуток между зубцами колеса в том случае, если оно вращается медленно (нижний рисунок). Если колесо вращается быстро (верхний рисунок), соседний зубец блокирует возвращающийся свет.
Результаты Физо
Разместив зеркало на расстоянии 8,64 километра от зубчатого колеса, Физо определил, что скорость вращения зубчатого колеса, необходимая для блокирования возвращающегося светового пучка, составляла 12,6 оборотов в секунду. Зная эти цифры, а также расстояние, пройденное светом, и расстояние, которое должно было пройти зубчатое колесо, чтобы блокировать световой пучок (равное ширине промежутка между зубцами колеса), он вычислил, что световому пучку потребовалось 0,000055 секунды на то, чтобы пройти расстояние от зубчатого колеса к зеркалу и обратно. Разделив на это время общее расстояние 17,28 километра, пройденное светом, Физо получил для его скорости значение 312873 километра в секунду.
Эксперимент Фуко
В 1850 году французский физик Жан Фуко усовершенствовал технику Физо, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Свет из источника доходил до наблюдателя только в том случае, когда зеркало совершало полный оборот на 360° за промежуток времени между отправлением и возвращением светового луча. Используя этот метод, Фуко получил для скорости света значение 297878 километров в секунду.
Финальный аккорд в измерениях скорости света.
Изобретение лазеров дало возможность физикам измерить скорость света с гораздо большей точностью, чем когда либо раньше. В 1972 году ученые из Национального института стандартов и технологии тщательно измерили длину волны и частоту лазерного луча и зафиксировали скорость света, произведение этих двух переменных, на величине 299792458 метров в секунду (186282 мили в секунду). Одним из последствий этого нового измерения было решение Генеральной конференции мер и весов принять в качестве эталонного метра (3,3 фута) расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 секунды. Таким образом/скорость света, наиболее важная фундаментальная постоянная в физике, сейчас вычисляется с очень высокой достоверностью, а эталонный метр может быть определен гораздо более точно, чем когда-либо ранее.