Измерение скорости света. Экспериментальные методы определения скорости света Скорость света и способы его определения
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.
Литература
Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика 11. Учебник. М.: Просвещение, 2004.
Цели урока
Рассмотреть различные способы измерения скорости света.
На данном уроке компьютерные модели используются для объяснения нового материала.
| № п/п | Этапы урока | Время, мин | Приемы и методы |
| 1 | Организационный момент | 2 | |
| 2 | Опрос по теме «Корпускулярная и волновая теории света» | 10 | Устный опрос |
| 3 | Объяснение нового материала по теме «Скорость света» | 30 | Работа с моделями «Опыт Физо» и «Опыт Майкельсона» |
| 4 | Объяснение домашнего задания | 3 |
Домашнее задание: § 59.
При объяснении нового материала используется демонстрация интерактивных моделей «Опыт Физо» и «Опыт Майкельсона». Способ демонстрации определяется техническими возможностями используемого учебного кабинета. Возможны следующие варианты:
- Демонстрация модели учителем с использованием мультимедийного проекционного оборудования.
- Демонстрация модели учителем с использованием системы удаленного управления персональными компьютерами учащихся, например NetOp School.
- Работа учащихся с моделью непосредственно на учебных ПК во время объяснения нового материала учителем и под его контролем.
Теория к уроку
Опыт Физо
В 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо (23.11.1819–18.09.1896, Париж, Франция) первым поставил лабораторный опыт по измерению скорости света с использованием метода вращающегося затвора. В установке Физо узкий луч света разбивался на импульсы, проходя сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. Импульсы попадали на зеркало, расположенное на расстоянии L = 8,66 км от источника и ориентированное перпендикулярно ходу луча. Экспериментатор, изменяя скорость вращения колеса, добивался, чтобы отраженный свет попадал в промежуток между зубцами. На диске Физо было 720 выступов. Зная величину расстояния между зубцами и скорости вращения колеса, при которой свет попадает в следующий промежуток, можно рассчитать значение скорости света.
Полученный Физо результат для скорости света составил 313 247 304 м/с. В дальнейшем ряд исследователей усовершенствовали метод, используя различные варианты затворов. В частности, американский физик А. Майкельсон разработал весьма совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал. Это позволило существенно уточнить значение скорости света.
Пример расчетной операции для варианта, при котором экспериментатор добивается исчезновения света в окуляре прибора
Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и за время движения импульса света до зеркала и обратно 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:
Здесь L – расстояние от зубчатого колеса до зеркала, T 1 – период вращения зубчатого колеса, ν 1 = 1 / T 1 – частота вращения, при которой в первый раз исчезает световой поток в окуляре, N – число зубцов. Так как t = t 1 , получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом:| c = 4LN ν 1 . |
Пример расчетной операции для варианта, при котором экспериментатор добивается появления света после исчезновения в окуляре прибора
Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и за время движения импульса света до зеркала и обратно место первой прорези на колесе заняла следующая за ней прорезь. Тогда свет сможет вновь пройти до окуляра и в окуляре вновь станет светло. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно:
Получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом: c = 2LN ν 2 , где ν 2 = 1 / T 2 – частота вращения, при которой в окуляре вновь появляется свет после первого исчезновения.Опыт Майкельсона
В течение всей своей жизни американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (19.12.1852–09.05.1931) совершенствовал методику измерения скорости света. Создавая все более сложные установки, он пытался получить результаты с минимальной погрешностью. В 1924–1927 годах разработал схему опыта, в котором луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио. В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало, изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально разработанным устройством.
«Подготовка опыта велась с большой тщательностью. Было выбрано место для двух установок. Одна из них помещалась на уже знакомой ему вершине горы Маунт-Вильсон, а другая – на вершине горы Сан-Антонио, известной под прозвищем «Старая плешь», на высоте 5800 м над уровнем моря и на расстоянии 35 км от горы Маунт-Вильсон. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов было поручено точно измерить расстояние между двумя отражающими плоскостями – вращающимся призматическим зеркалом на Маунт-Вильсон и неподвижным зеркалом на Сан-Антонио. Возможная ошибка при измерении расстояния составляла одну семимиллионную, или долю сантиметра на 35 км. Вращающаяся призма из никелированной стали с восемью зеркальными поверхностями, отполированными с точностью до одной миллионной, была изготовлена для опыта бруклинской компанией «Сперри джироскоп компани», президент которой, инженер-изобретатель Эльмер А. Сперри, был другом Майкельсона. Кроме того, было изготовлено еще несколько стеклянных и стальных призм. Восьмиугольный высокоскоростной ротор делал до 528 оборотов в секунду. Он приводился в движение воздушной струей, и его скорость, как и в прошлых опытах, регулировалась при помощи электрического камертона. (Камертон используется не только музыкантами для определения высоты звука. С его помощью можно очень точно определять короткие равные отрезки времени. Можно создать инструмент с нужной частотой, который под действием электрического тока будет вибрировать, подобно электрическому звонку)».
(Бернард Джефф. Майкельсон и скорость света. Перевод с английского Р. С. Бобровой. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. Электронная версия – http://n-t.ru/ri/dj/mc.htm).
Начиная с 1924 года, и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений. Средний результат равнялся 299 798 км в секунду.
Результаты же всех измерений Майкельсона можно записать как c = (299796 ± 4) км/с.
Расчет скорости света
В эксперименте используется восьмигранная призма. Поэтому время поворота призмы на одну грань τ 1 = T / 8 , τ 1 = 1/ 8ν 1 , где ν 1 – частота вращения призмы, при которой свет появляется в первый раз. Таким образом, c = 2L / τ 1 = 16L ν 1 .
Способы определения скорости света
Когда мы поворачиваем выключатель, то вся комната сразу же озаряется светом. Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен. Делались многочисленные попытки определить скорость света. Для этого пытались измерить по точным часам время распространения светового сигнала на большие расстояния (несколько километров). Но эти попытки не дали результатов. Начали думать, что распространение света совсем не требует времени, что свет любые расстояния преодолевает мгновенно. Однако оказалось, что скорость света не бесконечно велика, и эта скорость была в конце концов измерена.
Астрономический метод измерения скорости света
Метод Рёмера
Скорость света впервые удалось измерить датскому ученому О. Рёмеру в 1676 г. Рёмер был астрономом, и 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 четырнадцать 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.
Вначале измерения производились в то время, когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру (рис. 1). Такие же измерения, проведенные несколько месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера, неожиданно показали, что спутник опоздал появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио.
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 на время запаздывания. Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 300.000 км/с . Поэтому-то крайне трудно уловить время распространения света между двумя удаленными точками на Земле. Ведь за одну секунду свет проходит расстояние, большее длины земного экватора в 7,5 раза.
Лабораторные методы измерения скорости света
Метод Физо
Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику И. Физо в 1849 г.
В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1 (рис.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 пройти опять 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.
Рисунок. Опыт Физо: свет от источника, пройдя через линзу, попадает на полупрозрачную пластинку.
При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения 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
. Зная расстояние
D
, число зубьев
Z
, угловую скорость вращения (число оборотов в секунду)
n
, можно вычислить скорость света С.
Метод Фуко
Фуко (1862 г) успешно осуществил метод, принцип которого еще раньше (1838г) был предложен Араго с целью сравнения скорости света в воздухе со скоростью его в других средах (вода), применив вместо зубчатого диска быстро вращающееся (512 об/с) зеркало. Метод вращающегося зеркала основан на очень тщательных измерениях малых промежутков времени при помощи зеркала. Схема опыта ясна из рис., где S – источник света; R – быстровращающееся зеркало; C – неподвижное вогнутое зеркало, центр кривизны 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 положения R, изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход пучка лучей через L. Объектив L собирает отраженный пучок в точке S1, а не в точке S, как это бы было при неподвижном зеркале R.
Скорость света устанавливают, измеряя смещение SS.
Рисунок. Определение скорости света методом Фуко.
Свет от источника S направляется при помощи объектива L на вращающееся зеркало R, отражается от него в направлении второго зеркала C и идет обратно, проходя путь
2CR=2D за время τ. Время это оценивается по углу поворота зеркала R, скорость вращения которого точно известна; угол же поворота определяется из измерения смещения зайчика, даваемого возвратившимся светом. Измерения проводятся при помощи окуляра E и полупрозрачной пластинки M; S1 – положение зайчика при неподвижном зеркале R, S11 – при вращении зеркала. Важной особенностью установки Фуко явилось применение в качестве зеркала C вогнутого сферического зеркала, с центром кривизны, лежащим на оси вращения R. Благодаря этому свет, отраженный от R к C, всегда попадал обратно на R; в случае же применения плоского зеркала C это происходило бы лишь при определении взаимной ориентации R, C, когда ось отраженного конуса лучей располагается нормально к C. Фуко выяснил, что световая скорость равна 298000 ± 500 км/сек.
Метод Майкельсона
Рисунок 4. Метод Майкельсона. В центре – вращающееся зеркало.
Уже в 1877 году, в бытность свою офицером ВМС США, Майкельсон начинает усовершенствовать метод измерения скорости света при помощи вращающегося зеркала, предложенного Леоном Фуко. Идеей Майкельсона было применить лучшую оптику и более длинную дистанцию. В 1878 году он произвёл первые измерения на довольно кустарной установке. Майкельсон опубликовал свой результат 299 910±50 км/с в 1879 году. Он и далее усовершенствовал свой метод; он опубликовал в 1883 году значение 299 853±60 км/с .
Приближения геометрической оптики. Закон отражения света. Плоские зеркала.
Сферические зеркала.
Геометрическая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.
Геометрической оптикой называется предельный случай волновой оптики при стремлении длины волны к нулю. Это возможно, когда дифракционные эффекты пренебрежимо малы.
В геометрической оптике рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей – линий, вдоль которых распространяется световая энергия.
В оптически изотропной среде световые лучи ортогональны к волновым поверхностям и направлены в сторону внешних нормалей к этим поверхностям.
В оптически однородной среде лучи прямолинейны.
На границе раздела двух сред они подчиняются законам отражения и преломления.
Пучки световых лучей могут пересекаться, не интерферируя и распространяясь, после пересечения, независимо друг от друга.
В основе геометрической оптики лежат несколько простых эмпирических законов:
Закон прямолинейного распространения света
Закон независимого распространения лучей
Закон отражения света
Закон преломления света
Закон обратимости светового луча. Согласно нему луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.
Отражение света – это явление, заключающееся в том, что при падении света из первой среды на границу раздела со второй средой взаимодействие света с веществом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую среду.
При отражении света распространение его происходит в одной и той же среде. Поэтому отыскание пути, на прохождение которого свет затрачивает минимальное время, вновь сводится к отысканию кратчайшего расстояния между двумя точками при условии соединения их двумя отрезками, концы которых находятся в некоторой точке на отражающей плоскости.
Можно представить себе различные возможные варианты распространения света из точки А в точку В при отражении от плоскости MN , например АС 1 В и АС 2 В. Для отыскания кратчайшего пути построим точку А", расположенную симметрично точке А относительно плоскости MN . Соединив точки С 1 и С 2 с точкой А", замечаем, что из равенства треугольников А"ОС 1 и АОС 1 , А"ОС 2 и АОС 2 следует равенство их сторон А"С 1 и АС 1 , А"С 2 и АС 2 . Поэтому задачу отыскания кратчайшего оптического пути из точки А в точку В с условием отражения от плоскости MN можно заменить задачей нахождения кратчайшего пути из точки А" в точку В с пересечением плоскости MN . Очевидно, что из точки А" в точку В кратчайшим является путь по прямой А"СВ. Из равенства треугольников А"СО и АСО следует равенство углов A " CO и ACO . Так как A " CO = BCN , то выполняется равенство A CO = BCN .
Восстановив перпендикуляр к плоскости MN в точке C падение луча и используя последнее равенство, получим, что угол падения луча ACK равен углу отражения KCB .
– падающий (1) и отраженный луч (3) лежат в одной плоскости с нормалью (N) к отражающей поверхности в точке падения
– угол падения равен углу отражения
Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет.
На границе раздела двух однородных сред лучи отражаются и преломляются (рис.1).
Отраженный (3) и преломленный (2) лучи находятся в одной плоскости с падающим лучом (1) и перпендикуляром к границе раздела двух сред (N).
Угол преломления можно найти по формуле , где и
показатели преломления первой и второй среды.
Плоские зеркала.
Простейшим оптическим устройством, способным создавать изображение предмета, является плоское зеркало . Изображение предмета, даваемое плоским зеркалом, формируется за счет лучей, отраженных от зеркальной поверхности. Это изображение является мнимым , так как оно образуется пересечением не самих отраженных лучей, а их продолжений в «зазеркалье».
Ход лучей при отражении от плоского зеркала. Точка S" является мнимым изображением точки S.
Вследствие закона отражения света мнимое изображение предмета располагается симметрично относительно зеркальной поверхности. Размер изображения равен размеру самого предмета.
Сферические зеркала.
Сферическим зеркалом называют зеркально отражающую поверхность, имеющую форму сферического сегмента. Центр сферы, из которой вырезан сегмент, называют оптическим центром зеркала . Вершину сферического сегмента называют полюсом . Прямая, проходящая через оптический центр и полюс зеркала, называется главной оптической осью сферического зеркала. Главная оптическая ось выделена из всех других прямых, проходящих через оптический центр, только тем, что она является осью симметрии зеркала.
Побочная оптическая ось линзы - прямая, проходящая через оптический центр линзы и несовпадающая с главной оптической осью линзы.
Фо кус в оптике, точка, в которой после прохождения оптической системы параллельным пучком лучей пересекаются лучи пучка (или их мысленные продолжения, если система превращает параллельный пучок в расходящийся). Если лучи проходят параллельно оптической оси системы, Ф. находится на этой оси; его называется главным Ф. В идеальной оптической системе все Ф. расположены на плоскости, перпендикулярной оси системы и называемой фокальной плоскостью. В реальной системе Ф. располагаются на некоторой поверхности называемой фокальной поверхностью.
Выпуклые зеркала.
Сферическое зеркало называется выпуклым, если отражение происходит от внешней поверхности сферического сегмента, т. е. если центр зеркала находится к наблюдателю ближе, чем края зеркала.
Главный фокус выпуклого зеркала является мнимым, прямым и уменьшенным. Если на выпуклое зеркало падает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после отражения в фокусе пересекутся не сами лучи, а их продолжения.
Отражение параллельного пучка лучей от выпуклого зеркала. СF – мнимый фокус зеркала, O – оптический центр; OС – главная оптическая ось.
Фокусное расстояние выпуклого зеркала: , где R – радиус кривизны зеркала.
Вогнутые зеркала.
Если на вогнутое сферическое зеркало падает пучок лучей, параллельный главной оптической оси, то после отражения от зеркала лучи пересекутся в точке, которая называется главным фокусом зеркала F. Расстояние от фокуса до полюса зеркала называют фокусным расстоянием и обозначают той же буквой F. У вогнутого сферического зеркала главный фокус действительный. Он расположен посередине между центром и полюсом зеркала.
Отражение параллельного пучка лучей от вогнутого сферического зеркала. Точки O – оптический центр, P – полюс, F – главный фокус зеркала; OP – главная оптическая ось, R – радиус кривизны зеркала.
Отраженные лучи пересекаются приблизительно в одной точке только в том случае, если падающий параллельный пучок был достаточно узким - параксиальный пучок .
Фокусное расстояние вогнутого зеркала: , где R – радиус кривизны зеркала.
Построение изображения в сферическом зеркале.
Для построения изображения точки в сферическом зеркале в параксиальных лучах можно выбрать любые два луча из трех стандартных:
а) луч, проходящий через центр сферической поверхности зеркала, который после отражения от зеркала опять проходит через центр;
б) луч, падающий на зеркало параллельно оптической оси
и после отражения проходящий через фокус зеркала;
в) луч, проходящий через фокус зеркала и после отражения идущий параллельно оптической оси.
Выпуклое зеркало:
Воспользовавшись этими лучами, построим изображения в некоторых частных случаях. В выпуклом зеркале изображение мнимое, прямое, уменьшенное при любом положении предмета (рис. 4.11).
Положение изображения и его размер можно также определить с помощью формулы сферического зеркала :
Где d - расстояние от предмета до зеркала, f – расстояние от зеркала до изображения. Величины d и f подчиняются определенному правилу знаков:
d > 0 и f > 0 – для действительных предметов и изображений;
d
В рис. 4.11
F 0, - изображение мнимое. Линейное увеличение сферического зеркала Γ определяется как отношение линейных размеров изображения h" и предмета h. Величине h" удобно приписывать определенный знак в зависимости от того, является изображение прямым (h" > 0) или перевернутым (h"
В рис. 4.11 – изображение прямое, уменьшенное в 4 раза.
Вогнутое зеркало:
Изображение какой-либо точки A предмета в сферическом зеркале можно построить с помощью любой пары стандартных лучей:
луч AOC, проходящий через оптический центр зеркала; отраженный луч COA идет по той же прямой;
луч AFD, идущий через фокус зеркала; отраженный луч идет параллельно главной оптической оси;
луч AP, падающий на зеркало в его полюсе; отраженный луч симметричен с падающим относительно главной оптической оси.
луч AE, параллельный главной оптической оси; отраженный луч EFA1 проходит через фокус зеркала.
Построение изображения в вогнутом сферическом зеркале.
Перечисленные выше стандартные лучи изображены для случая вогнутого зеркала. Все эти лучи проходят через точку A", которая является изображением точки A. Все остальные отраженные лучи также проходят через точку A". Ход лучей, при котором все лучи, вышедшие из одной точки, собираются в другой точке, называется стигматическим . Отрезок A"B" является изображением предмета AB. Аналогичны построения для случая выпуклого зеркала.
F > 0 (зеркало вогнутое); d = 3F > 0 (действительный предмет). По формуле сферического зеркала получаем: следовательно, изображение действительное. Если бы на месте вогнутого зеркала стояло выпуклое зеркало с тем же по модулю фокусным расстоянием, мы получили бы следующий результат:
– следовательно, изображение перевернутое, уменьшенное в 2 раза.
Изображение Действительно, перевёрнутое, уменьшенное.
Б) Между оптическим центром и фокусом
OD – главная оптическая ось, F – главный фокус. Проводим из точки A в точку C луч, параллельный главной оптической оси OD. Затем соединяем точки C и F. Из точки A в точку D проводим ещё один луч. . Получили точку A`. Это изображении точки A.
Изображение является увеличенным, перевёрнутым, действительным.
В) В фокусе
FD – главная оптическая ось. Проводим из точки A в точку C луч, параллельный главной оптической оси FD. Затем соединяем точки C и F. Из точки A в точку D проводим ещё один луч. Как видим прямая CF параллельна прямой DK.
Изображение не получится.
Г) Между зеркалом и фокусом
Полученное изображение является увеличенным, прямым и мнимым.
Закон преломления света
При переходе света из одной прозрачной среды в другую направление света может меняться. Изменение направления света на границе разных сред называется преломлением света .
Закон преломления света:
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.
Вывод закона:
Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Обозначим скорость волны в первой среде через u 1 , а во второй - через u 2 .
Пусть на плоскую границу раздела двух сред (например, из воздуха в воду) падает плоская световая волна (рисунок ниже).
Волновая поверхность АС перпендикулярна лучам А 1 А и В 1 В . Поверхности MN сначала достигнет луч А 1 А. Луч В 1 В достигнет поверхности спустя время
Поэтому в момент, когда вторичная волна в точке В только начнет возбуждаться, волна от точки А уже имеет вид полусферы радиусом AD=u 2 ∆t .
Волновую поверхность преломленной волны можно получить, проведя прямую, касательную ко всем вторичным волнам во второй среде, центры которых лежат на границе раздела сред. В данном случае это прямая BD.
Угол падения α луча равен углу CAB в треугольнике AВС. Следовательно, CB=u 1 ∆t=AB sinα. (1)
Угол преломления β равен углу ABD треугольника ABD. Поэтому
AD=u 2 ∆t=AB sinβ. (2)
Разделив (1) на (2), получим
Показатель преломления
Показатель преломления вещества – величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде.
Показатель преломления зависит от свойств вещества и длины волны излучения.
Его можно выразить как корень из произведения магнитной и диэлектрических проницаемостей среды.
Относительный показатель преломления – показатель отношения второй среды относительно первой.
Относительный показатель преломления равен обратному отношению скоростей света в двух средах
При переходе из менее оптически плотной среды в более плотную
угол преломления будет меньше угла падения, при переходе из более оптически плотной среды в менее плотную
угол преломления будет больше угла падения
Полное внутреннее отражение – явление, наблюдаемое при переходе луча в менее плотную среду. При падении под определенным углом свет не выйдет за границу раздела двух сред, а пойдет вдоль нее.
Предельный угол полного отражения находится по формуле
Ход лучей света в плоскопараллельной пластине
Луч света, проходя через пластину, смещается параллельно своему первоначальному направлению.
При рассматривании предметов через плоскопараллельную пластину они будут казаться смещенными.
R – смещение луча
Ход лучей света через трехгранную призму
Проходя через трехгранную призму в воздухе, луч света отклоняется к основанию.
Угол отклонения луча от первоначального направления зависит от преломляющего угла призмы, показателя преломления материала призмы и угла падения:
Линзы. Тонкая сферическая линза. Формула тонкой линзы.
Оптическая линза - прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями. В некоторых случаях одна поверхность линзы может быть плоской.
Оптическая линза является основным элементом, оптических систем, осуществляющим собирание или рассеивание пучков излучения. Линзы изготавливаются из материалов, прозрачных для определенных диапазонов длин волн.
Оптические характеристики линзы определяются кривизной ее поверхностей и материалом, из которого она изготовлена.
Различают рассеивающие и собирающие оптические линзы.
Виды линз:
Собирающие
:
1 - вогнуто-выпуклая (положительный(выпуклый) мениск)
2 - плоско-выпуклая
3 - двояковыпуклая
Рассеивающие
:
4 - выпукло-вогнутая (отрицательный(вогнутый) мениск)
5 - плоско-вогнутая
6 - двояковогнутая
Линзу, у которой толщина пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны поверхностей, ограничивающих линзу, называют тонкой . Точки О 1 и О 2 настолько близки, что путь луча внутри линзы бесконечно мал и пространственного смещения луча не происходит. Поэтому можно считать, что лучи испытывают не два преломления, а одно - на плоскости, проходящей через среднюю точку О .
Основные понятия, используемые для описания хода людей через призму:
Главная оптическая ось линзы
Оптический центр линзы
Фокус линзы
Фокусное расстояние
Фокальная плоскость
Оптическая сила линзы
У собирающей линзы D > 0, у рассеивающей D
Основное свойство линз – способность давать изображения предметов . Изображения бывают прямыми и перевернутыми ,действительными и мнимыми , увеличенными и уменьшенными .
Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей.
1.Построение изображения в собирающей линзе
2. Построение изображения в рассеивающей линзе
Формула тонкой линзы
Положение изображения и его характер (действительное или мнимое) можно также рассчитать с помощью
формулы тонкой линзы .На рисунке построено изображение А"В" предмета АВ , даваемое собирающей линзой. Из подобия треугольников АОВ и ОА"В" , ОСF 2 и F 2 А"В" следует, что
=;
Отсюда получаем выражение, которое называется формулой тонкой линзы
=
Размер изображения, создаваемого линзой, зависит от положения предмета относительно линзы.
Отношение размера изображения к размеру предмета называется линейным увеличением линзы:
Из рисунка следует, что
Во многих оптических приборах свет последовательно проходит через две или несколько линз. Изображение предмета, даваемое первой линзой, служит предметом (действительным или мнимым) для второй линзы, которая строит второе изображение предмета. Это второе изображение также может быть действительным или мнимым. Расчет оптической системы из двух тонких линз сводится к двукратному применению формулы линзы, при этом расстояние d 2 от первого изображения до второй линзы следует положить равным величине l – f 1 , где l – расстояние между линзами. Рассчитанная по формуле линзы величина f 2 определяет положение второго изображения и его характер (f 2 > 0– действительное изображение, f 2
– мнимое). Общее линейное увеличение Γ системы из двух линз равно произведению линейных увеличений обеих линз: Γ = Γ 1 · Γ 2 . Если предмет или его изображение находятся в бесконечности, то линейное увеличение утрачивает смысл.Частным случаем является телескопический ход лучей в системе из двух линз, когда и предмет, и второе изображение находятся на бесконечно больших расстояниях. Телескопический ход лучей реализуется в зрительных трубах – астрономической трубе Кеплера и земной трубе Галилея
ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
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).
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
1.4.3. 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
5. Сверхсветовая скорость. 20
Заключение 22
Список литературы 23
Работа содержит 1 файл
Курсовая работа на тему:
“Скорость света и методы её определения”
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.
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.
Скорость света и методы ее измерения. Астрономический метод измерения скорости света Впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру (на расстояние L 1), промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние L 2, спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин. позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние Δ l= l 2 – l 1.
Лабораторный метод измерения скорости света Метод Физо (1849). Свет падает на полупрозрачную пластину и отражается, проходя через вращающееся зубчатое колесо. Пучок, отраженный от зеркала, может попасть к наблюдателю, только пройдя между зубьями. Если знать скорость вращения зубчатого колеса, расстояние между зубьями и расстояние между колесом и зеркалом, то можно рассчитать скорость света. Метод Фуко – вместо зубчатого колеса вращающаяся зеркальная восьмигранная призма.
С= км/с.
Можно измерить частоту колебаний волны и независимо – длину волны (особенно удобно в радиодиапазоне), а затем рассчитать скорость света по формуле. с=λں По современным данным, в вакууме с=(,2 ± 0,8) м/с.
