Remer élmény műholdról vakuban. A fénysebesség és a meghatározásának módszerei. Felhasznált irodalom jegyzéke

Irodalom

Myakishev G.Ya. Bukhovtsev B.B. Fizika 11. Tankönyv. M.: Oktatás, 2004.

Az óra céljai

Fontolja meg a fénysebesség mérésének különböző módjait.

Ebben a leckében számítógépes modelleket használunk az új anyagok magyarázatára.

sz. p / p	Az óra szakaszai	Idő, min	Technikák és módszerek
1	Idő szervezése	2
2	Felmérés "A fény korpuszkuláris és hullámelmélete" témában	10	szóbeli kihallgatás
3	Új anyag magyarázata a "Fénysebesség" témában	30	Fizeau kísérletével és Michelson kísérleti modelljeivel dolgozom
4	Házi feladat magyarázata	3

Házi feladat: 59. §.

Az új anyagok ismertetésekor a „Fizo kísérlete” és „Michelson kísérlete” interaktív modellek bemutatóját használják. A szemléltetés módját az alkalmazott tanterem technikai adottságai határozzák meg. A következő lehetőségek lehetségesek:

• A modell bemutatása a tanár által multimédiás vetítőberendezéssel.
• A modell bemutatása a tanár által tanulói személyi számítógépek távirányító rendszerével, mint például a NetOp School.
• A tanulók munkája a modellel közvetlenül az oktatási számítógépeken, az új tananyag tanár általi magyarázata és irányítása alatt.

A "Fénysebesség" témakör leckéje a fénysebesség mérésének csillagászati ​​módszerét és a fénysebesség mérésének laboratóriumi módszereit tárgyalja. A fénysebesség mérésére szolgáló laboratóriumi módszerek magyarázata általában nehézségeket okoz az iskolai tantermekben található plakátok hiánya, a tárgyalt kísérletek bonyolultsága, valamint a kísérleti elrendezések elemeinek nagy száma miatt. Az interaktív modellek lehetővé teszik a diákok számára, hogy bemutassák a kísérlet előrehaladását és a kísérlet során elért eredményt. Erős osztályok esetén megismételheti a Fizeau és Michelson által végzett számításokat, és összehasonlíthatja az eredményeket a feladatfüzet táblázatában szereplő adatokkal.

Elmélet a leckéhez

Fizeau tapasztalata

1849-ben Armand Hippolyte Louis Fizeau francia fizikus (1819.11.23.–1896.09.18., Párizs, Franciaország) volt az első, aki laboratóriumi kísérletet végzett a fénysebesség mérésére forgózáros módszerrel. Fizeau elrendezésében egy keskeny fénysugár impulzusokra tört, miközben áthaladt a gyorsan forgó korong kerületén lévő kiemelkedések közötti réseken. Az impulzusok a forrástól L = 8,66 km távolságra lévő tükröt találtak el, és merőleges a sugárútra. A kísérletvezető a kerék forgási sebességének változtatásával biztosította, hogy a visszavert fény a fogak közötti résbe essen. A Fizeau korongon 720 párkány volt. A fogak közötti távolság és a kerék forgási sebességének ismeretében, amelynél a fény belép a következő résbe, kiszámíthatja a fénysebesség értékét.

Fizeau fénysebességre vonatkozó eredménye 313 247 304 m/s volt. Ezt követően számos kutató javította a módszert különféle redőnyopciók segítségével. A. Michelson amerikai fizikus különösen fejlett módszert dolgozott ki a fénysebesség forgó tükrök segítségével történő mérésére. Ez lehetővé tette a fénysebesség értékének jelentős finomítását.

Példa számítási műveletre egy olyan változathoz, amelyben a kísérletvezető eléri a fény eltűnését az eszköz okulárjában

Tételezzük fel, hogy a fogaskerék foga és hornya azonos szélességű, és a tükör felé és visszafelé irányuló fényimpulzus mozgása során a keréken lévő rés helyét a szomszédos fog foglalta el. Ekkor egy fog blokkolja a fényt, és sötét lesz a szemlencsében. Ez azzal a feltétellel történik, hogy a fény oda-vissza áthaladásának ideje:

Itt L a fogaskerék és a tükör távolsága, T 1 a fogaskerék forgási periódusa, ν 1 = 1 / T 1 az a forgási frekvencia, amelynél a fényáram először eltűnik az okulárban, N a fogak száma. Mivel t \u003d t 1, megkapjuk a számítási képletet a fénysebesség meghatározásához ezzel a módszerrel:

c = 4LN ν 1.

Példa egy számítási műveletre egy olyan változathoz, amelyben a kísérletvezető a fény megjelenését az eszköz okulárjában való eltűnése után éri el

Tegyük fel, hogy a fogaskerék fogazata és nyílása azonos szélességű, és a tükörbe és visszafelé irányuló fényimpulzus ideje alatt a keréken az első rés helyét az azt követő rés foglalta el. Ezután a fény ismét átjuthat a szemlencsére, és a szemlencse ismét világos lesz. Ez azzal a feltétellel történik, hogy a fény oda-vissza áthaladásának ideje:

Számítási képletet kapunk a fénysebesség meghatározásához ezzel a módszerrel: c \u003d 2LN ν 2, ahol ν 2 \u003d 1 / T 2 az a forgási frekvencia, amelyen a fény újra megjelenik a szemlencsében az első eltűnés után.

Michelson tapasztalata

Albert Abraham Michelson amerikai fizikus (1852.12.19.–1931.09.05.) egész életében továbbfejlesztette a fénysebesség mérési módszerét. Egyre bonyolultabb installációkat készítve igyekezett minimális hibával eredményeket elérni. 1924-1927-ben kidolgozott egy sémát egy kísérlethez, amelyben fénysugarat küldtek a Mount Wilson tetejéről San Antonio tetejére. Az alkalmazott forgatható redőny rendkívüli precizitással készült forgótükör volt, amelyet speciálisan erre a célra kialakított szerkezet hajt.

„A kísérlet előkészítése nagy gonddal történt. Két telepítés helyszínét választották ki. Az egyiket a számára már ismerős Wilson-hegy tetejére, a másikat az "Old Baldness" becenéven ismert San Antonio-hegy tetejére helyezték el 5800 m-es tengerszint feletti magasságban és távolabb. 35 km-re a Mount Wilsontól. Az Egyesült Államok Tengerparti és Geodéziai Felmérésének feladata volt, hogy pontosan mérje meg a távolságot két visszaverő sík között – egy forgó prizmás tükör a Mount Wilsonnál és egy rögzített tükör San Antonio-ban. A távolság mérésének lehetséges hibája egy hétmilliomodik, vagyis a centiméter töredéke volt 35 km-enként. Nikkelezett acélból forgó prizmát, nyolc tükörfelülettel, egymillió rész pontossággal polírozva, a brooklyni Sperry Gyroscope Company készített a kísérlethez, amelynek elnöke, Elmer A. Sperry mérnök-feltaláló Michelson barátja. Ezen kívül még számos üveg- és acélprizma készült. A nyolcszögletű, nagy sebességű rotor másodpercenként 528 fordulatot tett meg. Légsugárral hozták mozgásba, sebességét a korábbi kísérletekhez hasonlóan elektromos hangvillával szabályozták. (A hangvillát nem csak a zenészek használják a hangmagasság meghatározására. Ezzel nagyon pontosan meg lehet határozni rövid, egyenlő időtartamokat. A kívánt frekvenciájú hangszert létrehozhatjuk, amely elektromos áram hatására rezeg, mint egy elektromos csengő)”

(Bernard Jeff. Michelson és a fénysebesség. Angolból fordította R. S. Bobrova. M .: Foreign Literature Publishing House, 1963. Elektronikus változat - http://n-t.ru/ri/dj/mc.htm).

1924-től 1927 elejéig öt független megfigyelési sorozatot végeztek. Az átlageredmény 299 798 km/s volt.

Az összes Michelson-mérés eredménye felírható c = (299796 ± 4) km/s.

A fénysebesség kiszámítása

A kísérlet nyolcszögletű prizmát használ. Ezért a prizma forgási ideje az egyik oldalon τ 1 = T / 8, τ 1 = 1/ 8ν 1, ahol ν 1 a prizma forgási frekvenciája, amelynél először jelenik meg a fény. Így c \u003d 2L / τ 1 \u003d 16L ν 1.

Kísérleti módszerek a fénysebesség meghatározására

Különféle módszerek léteznek a fénysebesség mérésére, beleértve a csillagászati ​​és a különféle kísérleti technikákat is. A c mérési pontossága folyamatosan növekszik. Ez a táblázat a fénysebesség meghatározásával kapcsolatos kísérleti munkák hiányos listáját tartalmazza.

	Kísérlet	Kísérleti módszerek	Mérési eredmények, km/s	kísérlet hiba,
	Weber-Kohlrausch Maxwell Michelson Perrotin Rose és Dorsey Mittelyptedt Pease és Pearson Anderson	Jupiter holdfogyatkozás fény aberrációja mozgó testek forgó tükrök Elektromágneses állandók Elektromágneses állandók forgó tükrök forgó tükrök Elektromágneses állandók forgó tükrök forgó tükrök Elektromágneses állandók Kerr kapu cella forgó tükrök Kerr kapu cella Mikrohullámú interferometria

A fénysebesség első sikeres mérése 1676-ból származik. Römer csillagászati ​​módszere a Jupiter-műholdak földi fogyatkozásainak megfigyeléséből származó fénysebesség mérésén alapul. A Jupiternek számos műholdja van, amelyek vagy láthatók a Földről a Jupiter közelében, vagy el vannak rejtve az árnyékában. A Jupiter műholdjainak csillagászati ​​megfigyelései azt mutatják, hogy a Jupiter bármely adott műholdjának két egymást követő fogyatkozása közötti átlagos időintervallum attól függ, hogy a megfigyelés időpontjában milyen messze van egymástól a Föld és a Jupiter.

Rizs. 1. Roemer módszere. C – Nap, Yu – Jupiter, Z – Föld

Fél éves megfigyelés alatt a fogyatkozás megfigyelt kezdetének periodicitásának megsértése megnőtt, és elérte a körülbelül 20 perces értéket. De ez majdnem megegyezik azzal az idővel, amely alatt a fény a Föld Nap körüli pályájának átmérőjével megegyező távolságot tesz meg (kb. 17 perc). A Römer által mért fénysebesség: c= 214300 km/s.

Újabb 0,545 év elteltével a Föld 33 és a Jupiter 33 ismét szembenállásba kerül. Ezalatt (n-1) a műhold Jupiter körüli fordulata és (n-1) fogyatkozás történt, amelyek közül az első akkor történt, amikor a Föld és a Jupiter elfoglalták a Z2 és Yu2 pozíciókat, az utolsó pedig - amikor elfoglalták a pozíciókat. Z3 és Yu3. A Földön az első napfogyatkozást késéssel (R+r)/s, az utolsót pedig (R-r)/s késéssel figyelték meg a műhold Jupiter bolygó árnyékába való távozásának pillanataihoz képest.

Römer megmérte a T1 és T2 időintervallumokat, és megállapította, hogy T1-T2=1980 s. De a fentebb írt képletekből az következik, hogy T1-T2=4r/s, tehát c=4r/1980 m/s. Ha r-t, a Föld és a Nap közötti átlagos távolságot, 1500000000 km-t veszünk, megkapjuk a fénysebesség értékét:

Ez az eredmény volt a fénysebesség első mérése. Römer módszere nem volt túl pontos, de éppen az ő számításai mutatták meg a csillagászoknak, hogy a bolygók és műholdaik valódi mozgásának meghatározásához figyelembe kell venni a fényjel terjedési idejét.

Rizs. 2

A fénysebesség meghatározása aberráció megfigyelésével 1725-1728-ban. Bradley megfigyelést végzett annak érdekében, hogy kiderítse, létezik-e a csillagok éves parallaxisa, pl. a csillagok látszólagos elmozdulása az égbolton, ami a Föld keringési pályán való mozgását tükrözi, és a Föld és a csillag közötti távolság végességéhez kapcsolódik.

Bradley valóban felfedezett egy ilyen elmozdulást. A megfigyelt jelenséget, amelyet a fény aberrációjának nevezett, a fény terjedési sebességének véges értékével magyarázta, és ennek alapján határozta meg ezt a sebességet.

Az α szög és a Föld keringési sebességének v ismeretében meg tudjuk határozni a c fénysebességet. A fénysebesség értéke 308 000 km/s. Fontos megjegyezni, hogy a fény aberrációja a Föld sebességének év közbeni irányváltozásával jár. Állandó sebességet, bármilyen nagy legyen is, nem lehet aberráció segítségével kimutatni, mert ilyen mozgásnál a csillag iránya változatlan marad, és nem lehet megítélni ennek a sebességnek a jelenlétét és azt, hogy milyen szöget zár be. a csillag irányával. A fény aberrációja csak a Föld sebességének változását teszi lehetővé.

A. Fizeau 1849-ben végezte el a fénysebesség első meghatározását laboratóriumi körülmények között. Módszerét fogaskerekű módszernek nevezték. Módszerének jellegzetessége a jelzés indítása és visszaadása pillanatainak automatikus regisztrálása, amelyet a fényáram (fogaskerék) rendszeres megszakításával hajtanak végre.

3. ábra. A fénysebesség fogaskerék módszerrel történő meghatározására vonatkozó kísérlet vázlata

A forrás fénye áthaladt a megszakítón (a forgó kerék fogain), és a tükörről visszaverődően ismét visszatért a fogaskerékhez. Ismerve a kerék és a tükör távolságát, a kerék fogainak számát, a forgási sebességet, kiszámíthatja a fénysebességet.

A D távolság, a z fogak számának, a forgási szögsebességnek (másodpercenkénti fordulatszámnak) v ismeretében meghatározható a fénysebesség. 313 000 km/s-nak felelt meg.

Számos módszert fejlesztettek ki a mérési pontosság további javítására. Hamarosan szükségessé vált a levegő törésmutatójának figyelembevétele is. És hamarosan, 1958-ban, Frum egy mikrohullámú interferométer és egy elektro-optikai redőny (Kerr cella) segítségével megkapta a 299792,5 km / s fénysebesség értékét.

A fénysebesség végességének első kísérleti megerősítését Roemer adta 1676-ban. Felfedezte, hogy a Jupiter legnagyobb műholdja, az Io mozgása időben nem történik meg egészen rendszeresen. Megállapítást nyert, hogy a Jupiter megsérti az Io-napfogyatkozások periodicitását. Fél éves megfigyelés alatt a fogyatkozás megfigyelt kezdetének periodicitásának megsértése megnőtt, és elérte a körülbelül 20 perces értéket. De ez majdnem megegyezik azzal az idővel, amely alatt a fény a Föld Nap körüli pályájának átmérőjével megegyező távolságot tesz meg (kb. 17 perc).

A Römer által mért fénysebesség az volt 2

c Römer = 214300 km/s.

(4)

Römer módszere nem volt túl pontos, de éppen az ő számításai mutatták be a csillagászoknak, hogy a bolygók és műholdaik valódi mozgásának meghatározásához figyelembe kell venni a fényjel terjedési idejét.

A csillagfény aberrációja

1725-ben James Bradley felfedezte, hogy a csillag γ A zenitben (azaz közvetlenül a fej felett) elhelyezkedő sárkány látszólagos mozgást végez egyéves perióduson keresztül, 40,5 ívmásodperc átmérőjű, majdnem kör alakú pályán. Az égbolton máshol látott csillagok esetében Bradley is hasonló látszólagos mozgást figyelt meg – általában elliptikusan.

A Bradley által megfigyelt jelenséget ún aberráció. Ennek semmi köze a sztár saját mozgásához. Az aberráció oka, hogy a fénysebesség értéke véges, és a megfigyelést a Föld körüli pályán meghatározott sebességgel mozgó Földről végezzük. v.

A szög ismeretében α és a Föld keringési sebessége v, meghatározhatja a fénysebességet c.

Fogaskerekek és forgótükrök használatán alapuló mérési módszerek

Lásd: Berkeley fizikatanfolyam (BCF), Mechanics, 337. o.

Rezonáns üreges módszer

Nagyon pontosan meg lehet határozni azt a frekvenciát, amelyen egy bizonyos számú elektromágneses sugárzás félhullámhosszúsága elfér egy ismert méretű üregrezonátorban. A fény sebességét az összefüggésből határozzuk meg

ahol λ a hullámhossz, és ν - a fény frekvenciája (lásd BKF, mechanika, 340. o.).

Shoran módszer

Lásd BKF, Mechanika, 340. o.

Modulált fényjelző alkalmazása

Lásd BKF, Mechanika, 342. o.

A lézersugárzás hullámhosszának és frekvenciájának független meghatározásán alapuló módszerek

1972-ben független hullámhosszmérésekből határozták meg a fény sebességét λ és a fény frekvenciái ν . A fényforrás egy hélium-neon lézer volt ( λ = 3,39 µm). Fogadott érték c = λν = 299792458± 1,2 m/s. (lásd D. V. Sivukhin, Optika, 631. o.).

A fénysebesség függetlensége a forrás vagy a vevő mozgásától

1887-ben Michelson és Morley híres kísérlete végül megállapította, hogy a fény sebessége nem függ a Földhöz viszonyított terjedésének irányától. Így az éter akkoriban létező elmélete alaposan aláásott (lásd BKF, Mechanics, 353. o.).

Ballisztikai hipotézis

Michelson és Morley kísérleteinek negatív eredménye az ún ballisztikus az a hipotézis, hogy a fény sebessége vákuumban állandó és egyenlő c csak a forráshoz viszonyítva. Ha a fényforrás sebességgel mozog v bármely vonatkoztatási rendszerhez képest, akkor a fénysebesség c " ebben a vonatkoztatási rendszerben vektoriálisan összegzik c és v , azaz c " = c + v (ahogyan ez történik a lövedék sebességével mozgó fegyverből való lövéskor).

Ezt a hipotézist a kettős csillagok mozgásának csillagászati ​​megfigyelései cáfolják (Sitter, holland csillagász, 1913).

Valójában tegyük fel, hogy a ballisztikus hipotézis helyes. Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy egy kettőscsillag alkotóelemei tömegközéppontjuk körül körpályán keringenek a Földével azonos síkban. Kövessük e két csillag egyikének mozgását. Legyen mozgásának sebessége körpályán egyenlő v. A csillagnak abban a helyzetében, amikor az őket összekötő egyenes mentén távolodik a Földtől, a fénysebesség (a Földhöz viszonyítva) egyenlő c–v, és abban a helyzetben, amikor a csillag közeledik, egyenlő c+v. Ha attól a pillanattól számoljuk az időt, amikor a csillag az első pozícióban volt, akkor ebből a helyzetből a fény abban a pillanatban éri el a Földet t 1 = L/(c–v), ahol L a távolság a csillagtól. A második pozícióból pedig pillanatnyilag eléri a fényt t 2 = T/2+L/(c+v), ahol T- egy csillag forradalmának időszaka

(7)

Elég nagy mérettel L, t 2 <t 1 , azaz a csillag egyszerre két (vagy több) pozícióban lenne látható, vagy akár az ellenkező irányba is forogna. De ezt soha nem figyelték meg.

Szomorú tapasztalat

Sade 1963-ban végzett egy gyönyörű kísérletet, amely megmutatta, hogy a sebesség γ -rays állandó, függetlenül a forrás sebességétől (lásd BKF, Mechanics, 372. o.).

Kísérleteiben a megsemmisítést használta a pozitronok futása során. Az annihiláció során egy elektronból és pozitronból álló rendszer tömegközéppontja körülbelül (1/2) sebességgel mozog. c, a megsemmisülés következtében pedig kettő γ -kvantum. Stacionárius állapotban történő megsemmisülés esetén mindkettő γ -kvantumok 180°-os szögben bocsátódnak ki, sebességük pedig az c. Kifutó annihiláció esetén ez a szög kisebb, mint 180°, és a pozitron sebességétől függ. Ha a sebesség γ A -kvantumot összeadtuk a tömegközéppont sebességével a vektorösszeadás klasszikus szabálya szerint, majd γ - a pozitronpálya irányában meghatározott sebességkomponenssel mozgó kvantum sebessége nagyobb kellett volna, mint c, és az γ -kvantum, amelynek sebességkomponense ellentétes irányú, sebességének kisebbnek kell lennie, mint c. Kiderült, hogy a számlálók és a megsemmisülési pont közötti azonos távolságok esetén mindkettő γ A -quanták egyszerre érik el a pultokat. Ez azt bizonyítja, hogy mozgó forrás esetén mindkettő γ A kvantumok azonos sebességgel terjednek.

Csúcssebesség

Bertozzi kísérlet 1964

A következő kísérlet azt az állítást szemlélteti, hogy lehetetlen egy részecskét a fénysebességet meghaladó sebességre felgyorsítani c. Ebben a kísérletben az elektronokat egymás után felgyorsították egyre erősebb elektrosztatikus mezők egy Van de Graaff-gyorsítóban, majd állandó sebességgel haladtak a mezőmentes térben.

Közvetlenül mértük az AB távolságra való repülés idejét, és így sebességüket is, és hőelem segítségével mértük a kinetikus energiát (az út végén a célpont eltalálásakor hővé alakul).

Ebben a kísérletben nagy pontossággal határoztuk meg a gyorsító potenciál nagyságát φ . Az elektron mozgási energiája az

Ha átrepül a gerendaszakaszon N elektron per másodperc, akkor az útjuk végén az alumínium céltárgyra átadott teljesítmény 1,6 10 -6 legyen N erg/sec Ez pontosan egybeesett a célpont által közvetlenül meghatározott (hőelem segítségével) elnyelt teljesítménnyel. Így bebizonyosodott, hogy az elektronok adták a célpontnak a gyorsulásuk során kapott összes kinetikus energiát.

Ezekből a kísérletekből az következik, hogy az elektronok a gyorsuló térből az alkalmazott potenciálkülönbséggel arányos energiát kaptak, de sebességük nem növekedhetett a végtelenségig, és megközelítette a vákuumban lévő fénysebességet.

Sok más kísérlet, mint például a fentebb leírt, ezt mutatja c a részecskesebesség felső határa. Ezért szilárdan meg vagyunk győződve arról c a jelátvitel maximális sebessége részecskék és elektromágneses hullámok segítségével; c a végsebesség.

Következtetés:

1. Érték c invariáns az inerciális vonatkoztatási rendszereknél.

2. c- a lehetséges maximális jelátviteli sebesség.

Az idő relativitása

Már a klasszikus mechanikában a tér relatív, i.e. a különböző események közötti térbeli kapcsolatok a leírásuk vonatkoztatási rendszerétől függenek. Annak az állításnak, hogy két különböző idejű esemény a térben ugyanazon a helyen vagy egymástól bizonyos távolságra történik, csak akkor válik értelmessé, ha megjelöljük, hogy ez az állítás melyik vonatkoztatási rendszerre vonatkozik. Példa: egy labda pattogva az asztalon egy vonatkocsi rekeszében. A rekeszben ülő utas szempontjából a labda megközelítőleg ugyanazon a helyen éri az asztalt az asztalon. A peronon lévő megfigyelő szempontjából minden alkalommal más a labda koordinátája, mivel a vonat az asztallal együtt halad.

Éppen ellenkezőleg, az idő abszolút a klasszikus mechanikában. Ez azt jelenti, hogy az idő azonos módon folyik a különböző vonatkoztatási rendszerekben. Például, ha bármely két esemény egyidejű egy megfigyelő számára, akkor azok egyidejűek lesznek bármely másik megfigyelő számára. Általánosságban elmondható, hogy két adott esemény közötti időintervallum minden vonatkoztatási rendszerben azonos.

Meg lehet azonban győződni arról, hogy az abszolút idő fogalma mélyen ellentmond Einstein relativitáselvének. Ennek érdekében emlékezzünk vissza, hogy a klasszikus mechanikában az abszolút idő fogalma alapján a sebességek összeadásának jól ismert törvénye érvényesül. De ez a törvény a fényre alkalmazva azt mondja, hogy a fénysebesség c" vonatkoztatási keretben K", sebességgel halad V a rendszerrel kapcsolatban K, a fénysebességhez kapcsolódik c rendszerben K hányados

azok. A fénysebesség a különböző vonatkoztatási rendszerekben eltérőnek bizonyul. Ez, mint már tudjuk, ellentmond a relativitás elvének és a kísérleti adatoknak.

Így a relativitás elve arra az eredményre vezet, hogy az idő nem abszolút. Különböző vonatkoztatási rendszerekben másként folyik. Ezért annak az állításnak, hogy két adott esemény között bizonyos idő eltelt, csak akkor van értelme, ha egyúttal jelezzük, hogy ez melyik vonatkoztatási rendszerre vonatkozik. Különösen azok az események, amelyek valamely vonatkoztatási rendszerben egyidejűek, nem lesznek egyidejűek egy másik keretben.

Magyarázzuk meg ezt egy egyszerű példával.

Tekintsünk két inerciális koordináta-rendszert Kés K" koordinátatengelyekkel xyzés x " y " z", és a rendszer K"a rendszerhez képest mozog K közvetlenül a tengelyek mentén xés x"(8. ábra). Legyen valamikor A tengelyen x"A jelek egyidejűleg két, egymással ellentétes irányban kerülnek kiküldésre. Mivel a jel terjedési sebessége a rendszerben K" , mint minden inerciarendszerben, van (mindkét irányban) c, akkor a jelek egyenlő távolságra lesznek tőle A pontokat Bés C ugyanabban az időpillanatban (a rendszerben K ").

Könnyű azonban megbizonyosodni arról, hogy ez a két esemény (a jelek érkezése a Bés C) nem lesz egyidejű a rendszerben lévő megfigyelő számára K. Neki is a fénysebesség az c mindkét irányba, de pont B a fény felé mozog, így annak fénye korábban ér, és a pontot C eltávolodik a fénytől, és ezért a jel később érkezik hozzá.

Így Einstein relativitáselmélete alapvető változásokat vezet be a fizikai alapfogalmakban. A mindennapi tapasztalatok alapján a térről és az időről alkotott elképzeléseink csak hozzávetőlegesnek bizonyulnak, azzal összefüggésben, hogy a mindennapi életben csak a fénysebességhez képest nagyon kicsi sebességekkel foglalkozunk.

1 Az egyik részecskéről a másikra terjedő kölcsönhatást gyakran az első részecske által küldött „jelnek”, a második részecske „tudatának” nevezik az elsőben bekövetkezett változásról. A kölcsönhatások terjedési sebességét gyakran "jelsebességnek" nevezik.

2 A Jupiter a Nap körüli keringési periódusa hozzávetőlegesen 12 év, az Io keringési periódusa a Jupiter körül 42 óra.

2. ELŐADÁS

Intervallum. Minkowski geometriája. Intervallum invariancia.

· Időszerű és térszerű intervallumok.

Abszolút jövőbeli események, abszolút múltbeli események,

teljesen eltávolított események.

Világos kúp.

Intervallum

A relativitáselméletben gyakran használják ezt a fogalmat eseményeket. Az eseményt a hely és az időpont határozza meg, ahol megtörtént. Így egy anyagrészecskével megtörtént eseményt ennek a részecske három koordinátája és az esemény bekövetkezésének időpontja határozza meg: x, y, zés t.

A következőkben az érthetőség kedvéért egy képzeletbelit használunk négydimenziós tér, amelynek tengelyein három térbeli koordináta és idő van ábrázolva. Ezen a téren minden eseményt egy pont jelöl. Ezeket a pontokat ún világpontok. Minden részecske egy bizonyos vonalnak felel meg - világvonal ebben a négydimenziós térben. Ennek az egyenesnek a pontjai mindenkor meghatározzák a részecske koordinátáit. Ha egy részecske nyugalomban van, vagy egyenletesen és egyenesen mozog, akkor egy egyenes világvonal felel meg neki.

Most a fénysebesség értékének változatlanságának elvét fejezzük ki 1 matematikailag. Ehhez vegyünk két inerciális vonatkoztatási rendszert Kés K" , egymáshoz képest állandó sebességgel mozogva A koordinátatengelyeket úgy választjuk meg, hogy a tengelyek xés x" egybeesett, és a tengelyek yés z párhuzamos lenne a tengelyekkel y" és z". Idő a rendszerekben Kés K" jelöli tés t".

Legyen az első esemény egy koordinátákkal rendelkező pontból x 1 , y 1 , z 1 alkalommal t 1 (a referenciakeretben K) fénysebességgel haladó jelet küld. A vonatkoztatási keretből fogjuk megfigyelni K ennek a jelnek a terjedésére. Legyen a második esemény, hogy ez a jel megérkezik a pontba x 2 , y 2 , z 2 egyszerre t 2. Mert a jel fénysebességgel halad c, a megtett távolság a c(t 2 –t egy). Másrészt ez a távolság egyenlő:

Ennek eredményeként a rendszerben a két esemény koordinátái között a következő összefüggés bizonyul érvényesnek K

Ha x 1 , y 1 , z 1 , t 1 és x 2 , y 2 , z 2 , t 2 bármely két esemény koordinátái, majd az értéke

Minkowski geometriája

Ha két esemény végtelenül közel van egymáshoz, akkor az intervallumra ds közöttünk van

ds 2 = c 2 dt 2 –dx 2 –dy 2 –dz 2 .

(4)

A (3) és (4) kifejezések formája lehetővé teszi, hogy az intervallumot formális matematikai szempontból egy képzeletbeli négydimenziós tér két pontja közötti "távolságnak" tekintsük (amelynek tengelyein az értékek ​vannak kirajzolva x, y, zés munka ct). Jelentős eltérés van azonban ennek a mennyiségnek az összeállításának szabályában a közönséges euklideszi geometria szabályaihoz képest: az intervallum négyzetének kialakításakor az időtengely menti koordináták különbségének négyzete plusz előjellel lép be, a térbeli koordináták különbségeinek négyzete pedig mínuszjellel lép be. Egy ilyen négydimenziós geometriát, amelyet a (4) másodfokú alak határoz meg, ún pszeudoeuklideszi ellentétben a megszokott, euklideszi geometriával. Ezt a geometriát a relativitáselmélet kapcsán G. Minkowski vezette be.

Intervallum invariancia

Ahogy fentebb bemutattuk, ha ds= 0 valamilyen inerciális vonatkoztatási rendszerben, akkor ds" = 0 bármely más inerciarendszerben. De dsés ds" ugyanolyan kicsinységi nagyságrendű végtelenül kicsi mennyiségek. Ezért általános esetben ez a két feltétel azt jelenti, hogy ds 2 és ds"2-nek arányosnak kell lennie egymással:

ds 2 = a ds" 2 .

(5)

Arányossági tényező a csak a relatív sebesség abszolút értékétől függhet V mind az inerciarendszer. Nem függhet koordinátáktól és időtől, hiszen akkor a tér különböző pontjai és az időpillanatok egyenlőtlenek lennének, ami ellentmond a tér és idő homogenitásának. Nem függhet a relatív sebesség irányától sem V , mivel ez ellentmondana a tér izotrópiájának.

Tekintsünk három inerciális vonatkoztatási rendszert K, K 1 és K 2. Hadd V 1 és V 2 - rendszerek mozgási sebessége K 1 és K 2 a rendszerrel kapcsolatban K. Akkor van

De a sebesség V A 12 nem csak a vektorok abszolút értékétől függ V 1 és V 2, hanem a sarokból is α közöttük. 2 Eközben ez utóbbi egyáltalán nem lép be a (8) reláció bal oldalába. Ezért ez az összefüggés csak akkor teljesülhet, ha a függvény a(V) = const = 1.

Ily módon

Ezzel egy nagyon fontos eredményhez érkeztünk:

Ez az invariancia a fénysebesség állandóságának matematikai kifejezése.

A fény korpuszkuláris tulajdonságainak és megjelenési formáinak (fotoelektromos hatás, Compton-effektus és egyéb jelenségek) kísérletben való felfedezésével M. Planck és A. Einstein fejlesztette ki a fény kvantumtermészetét, amelyben a fény hullám- és korpuszkuláris tulajdonságokat is mutat. - az úgynevezett korpuszkuláris - hullám kettősség. (Max Karl Ernst Ludwig Planck - német elméleti fizikus, 1858-1947, Nobel-díj 1918-ban a sugárzás törvényeinek felfedezéséért, Arthur Hoti Compton amerikai fizikus, 1892-1962, Nobel-díj 1927-ben a róla elnevezett hatásért) .

Bevezetés 3
1. Kísérletek a fénysebesség meghatározására. 4
1.1. Első élmények. 4
1.1.1. Galilei tapasztalatai. 4
1.2 Csillagászati ​​módszerek a fénysebesség meghatározására. 4
1.2.1. A Jupiter Io holdfogyatkozása. 4
1.2.2. fény aberrációja. 6
1.3. Laboratóriumi módszerek a fénysebesség mérésére. 7
1.3.1. Szinkron észlelési módszer. 7
1.4. Kísérletek a fény közegben való terjedésével kapcsolatban. 9
1.4.1. Armand Fizeau tapasztalata. 9

1.4.3. A. Michelson és Michelson - Morley kísérletei. 12
1.4.4 A Michelson-tapasztalat javítása. tizenhárom
2. Maximális fénysebesség. 14
2.1. Szomorú tapasztalat. 14
2.2. Bertozzi tapasztalat. 15
3. A fény sebessége az anyagban. 17
4. Tachionok. A fénysebességnél nagyobb sebességgel mozgó részecskék. 17
4.1. képzeletbeli tömegek. 17
4.2. Gyorsítás a lassítás helyett. tizennyolc

5. Szuperluminális sebesség. húsz
22. következtetés
Hivatkozások 23

A mű 1 fájlt tartalmaz

Tanfolyam a témában:

„A fénysebesség és a meghatározásának módszerei”

Bevezetés 3

1. Kísérletek a fénysebesség meghatározására. 4

1.1. Első élmények. 4

1.1.1. Galilei tapasztalatai. 4

1.2 Csillagászati ​​módszerek a fénysebesség meghatározására. 4

1.2.1. A Jupiter Io holdfogyatkozása. 4

1.2.2. fény aberrációja. 6

1.3. Laboratóriumi módszerek a fénysebesség mérésére. 7

1.3.1. Szinkron észlelési módszer. 7

1.4. Kísérletek a fény közegben való terjedésével kapcsolatban. 9

1.4.1. Armand Fizeau tapasztalata. 9

1.4.2. Foucault javulás. 10

1.4.3. A. Michelson és Michelson - Morley kísérletei. 12

1.4.4 A Michelson-tapasztalat javítása. tizenhárom

2. Maximális fénysebesség. 14

2.1. Szomorú tapasztalat. 14

2.2. Bertozzi tapasztalat. 15

3. A fény sebessége az anyagban. 17

4. Tachionok. A fénysebességnél nagyobb sebességgel mozgó részecskék. 17

4.1. képzeletbeli tömegek. 17

4.2. Gyorsítás a lassítás helyett. tizennyolc

4.3. negatív energiák. tizenkilenc

5. Szuperluminális sebesség. húsz

22. következtetés

Hivatkozások 23

Bevezetés

A fény természetét ősidők óta tárgyalják. Az ókori gondolkodók úgy vélték, hogy a fény az "atomok" kiáramlása a tárgyakból a megfigyelő szemébe (Püthagorasz - Kr.e. 580-500 év). Ezzel egy időben meghatározták a fény terjedésének egyenességét, úgy vélték, hogy nagyon nagy sebességgel, szinte azonnal terjed. A XVI-XVII. században R. Descartes (Rene Descartes, francia fizikus, 1596-1650), R. Hooke (Robert Hooke, angol fizikus, 1635-1703), X. Huygens (Christian Huygens, holland fizikus, 16929-1) ) abból indult ki, hogy a fény terjedése a hullámok terjedése közegben. Isaac Newton (Isaac Newton, angol fizikus, 1643 - 1727) a fény korpuszkuláris természetét terjesztette elő, i.e. úgy gondolták, hogy a fény bizonyos részecskék testek általi kisugárzása és térbeli eloszlása.

1801-ben T. Young (Thomas Young, angol fizikus, 1773-1829) megfigyelte a fény interferenciáját, ami a fénnyel interferenciára és diffrakcióra vonatkozó kísérletek kifejlesztéséhez vezetett. 1818-ban pedig O.Zh. Fresnel (Augustin Jean Fresnel francia fizikus, 1788-182 7) felelevenítette a fény terjedésének hullámelméletét. D.K. Maxwell, miután megállapította az elektromágneses mező általános törvényeit, arra a következtetésre jutott, hogy a fény elektromágneses hullám. Továbbá előterjesztették a „világéter” hipotézisét, miszerint a fény az elektromágneses hullámok terjedése a közegben – az „éterben”. A világéter létezésének tesztelésére szolgáló híres kísérleteket A.A. Michelson és E.W. Morley (1837-1923), és a fény mozgó közeg általi bevonása szerint - A.I. Fizeau. (Albert Abraham Michelson amerikai fizikus, 1852-1931, Nobel-díj 1907-ben a precíziós műszerek megalkotásáért és a segítségükkel végzett spektroszkópiai és metrológiai vizsgálatokért; Armand Hippolyte Louis Fizeau, francia fizikus, 1819-1896). Ennek eredményeként bebizonyosodott, hogy a világéter (legalábbis abban az értelemben, ahogyan a fizikusok akkoriban hitték - valami abszolút mozdíthatatlan közeg) nem létezik.

A fény korpuszkuláris tulajdonságainak és megnyilvánulásainak (fotoelektromos hatás, Compton-effektus és egyéb jelenségek) kísérletben való felfedezésével M. Planck és A. Einstein fejlesztette ki a fény kvantumtermészetét, amelyben a fény hullám- és korpuszkuláris tulajdonságokat is mutat. - az úgynevezett korpuszkuláris - hullám kettősség. (Max Karl Ernst Ludwig Planck - német elméleti fizikus, 1858-1947, Nobel-díj 1918-ban a sugárzás törvényeinek felfedezéséért, Arthur Hoti Compton amerikai fizikus, 1892-1962, Nobel-díj 1927-ben a róla elnevezett hatásért) .

Különféle módszerekkel próbálták megmérni a fénysebességet is, természetes és laboratóriumi körülmények között is.

1. Kísérletek a fénysebesség meghatározására.

1.1. Első élmények.

1.1.1. Galilei tapasztalatai.

Az első, aki kísérleti úton próbálta megmérni a fénysebességet, az olasz Galileo Galilei volt. A kísérlet a következőkből állt: két, egymástól több kilométeres távolságra lévő dombtetőn állva, redőnnyel felszerelt lámpások segítségével jeleket adott. Ezt a tapasztalatot, amelyet később a Firenzei Akadémia tudósai végeztek, „Beszélgetések és matematikai bizonyítékok a mechanikával és a helyi mozgással kapcsolatos két új tudományágról” című munkájában fejezte ki (1638-ban Leidenben).

A kísérlet után Galilei arra a következtetésre jutott, hogy a fénysebesség azonnal terjed, és ha nem is azonnal, akkor rendkívül nagy sebességgel.

A Galileo rendelkezésére álló eszközök akkoriban természetesen nem tették lehetővé a probléma ilyen egyszerű megoldását, és ezzel ő is teljesen tisztában volt.

1.2 Csillagászati ​​módszerek a fénysebesség meghatározására.

1.2.1. A Jupiter Io holdfogyatkozása.

RENDBEN. Remer (1676, Ole Christensen Remer, holland csillagász, 1644-1710) megfigyelte a Jupiter műhold (J) - Io napfogyatkozását, amelyet Galilei fedezett fel 1610-ben (a Jupiter további 3 műholdját is felfedezte). Az Io műhold Jupiter körüli pályájának sugara 421600 km, a műhold átmérője 3470 km (lásd 2.1. és 2.2. ábra). A fogyatkozás ideje = 1,77 nap = 152928 s. RENDBEN. Roemer megfigyelte a fogyatkozások periodicitásának megsértését, és Roemer ezt a jelenséget a fény terjedésének véges sebességével hozta összefüggésbe. A Jupiter Rj Nap körüli pályájának sugara sokkal nagyobb, mint a Föld Rz pályájának sugara, és a forgási periódus körülbelül 12 év. Vagyis a Föld félfordulata alatt (fél év) a Jupiter egy bizonyos távolságot kering a pályán, és ha rögzítjük a fényjel érkezési idejét attól a pillanattól kezdve, hogy Io megjelenik a Jupiter árnyékából, akkor a fénynek nagyobb távolságot kell megtennie a Földhöz a 2. esetben, mint az 1. esetben (lásd 2.2. ábra). Legyen az az idő pillanata, amikor Io elhagyja a Jupiter árnyékát a Föld órája szerint, és legyen az az időbeli pillanat, amikor ez megtörténik. Akkor nálunk van:

hol van a fény távolsága a Földtől. A következő Io-kimenetben hasonlóképpen:

hol van az új távolság, amelyet a fény megtesz a Föld felé. Io Jupiter körüli forradalmának valódi időszakát az időeltolódás határozza meg:

Természetesen egy ideig, amikor egy napfogyatkozás következik be, nehéz ezeket az időpontokat nagy pontossággal meghatározni. Ezért kényelmesebb a megfigyeléseket fél évig végezni, amikor a Föld távolsága a maximális értékkel változik. Ebben az esetben a valódi fogyatkozási időszak fél év vagy egy év átlagértékeként határozható meg. Ezt követően az Io árnyékból való kilépési idejének két egymást követő mérése után meg lehet határozni a fény sebességét:

Az értékek csillagászati ​​számításokból származnak. Egy napfogyatkozás során azonban ez a távolság alig változik. Kényelmesebb fél évig (amikor a Föld a pályája másik oldalára kerül) méréseket végezni, és megkapni a teljes fogyatkozási időt:

ahol n a napfogyatkozások száma ebben a hat hónapban. A fénynek a Föld felé való terjedésének összes többi köztes ideje lerövidült, mivel a távolság egy napfogyatkozás során csak kis mértékben változik. Ebből Roemer megkapta a c = 214 300 km/s fénysebességet.

1.2.2. fény aberrációja.

A csillagászatban az aberráció egy csillag látszólagos helyzetének megváltozása az égi szférán, vagyis a csillag irányának látszólagos irányának eltérése a valódi iránytól, amelyet a fénysebesség és a csillag mozgásának végessége okoz. megfigyelő. A napi aberráció a Föld forgásának köszönhető; éves - a Föld forradalma a Nap körül;

világi - a Naprendszer mozgása az űrben.

Rizs. A csillagfény aberrációja.

A jelenség megértéséhez egyszerű hasonlat vonható le. A nyugodt időben függőlegesen hulló esőcseppek ferde nyomot hagynak a mozgó autó oldalablakán.

A fény aberrációja következtében a csillag felé irányuló látszólagos irány egy szöggel tér el a valóditól, amit aberrációs szögnek nevezünk. Az ábrán látható, hogy

ahol a Föld sebességének a csillag irányára merőleges összetevője.

A gyakorlatban az aberráció jelensége (éves) a következőképpen figyelhető meg. Az egyes megfigyelések során a távcső tengelye a csillagos égbolthoz képest ugyanúgy térben tájolódik, és a csillag képe a távcső fókuszsíkjában rögzül. Ez a kép egy év ellipszist ír le. Az ellipszis paramétereinek és a kísérlet geometriájának megfelelő egyéb adatok ismeretében lehetőség nyílik a fénysebesség kiszámítására. 1727-ben csillagászati ​​megfigyelések alapján J. Bradley 2 * \u003d 40,9 "-ot talált, és megkapta

s = 303000km/s.

1.3. Laboratóriumi módszerek a fénysebesség mérésére.

1.3.1. Szinkron észlelési módszer.

A fénysebesség mérésére Armand Fizeau (1849) a szinkron érzékelés módszerét alkalmazta. Gyorsan forgó, N fogú korongot használt (2.3. ábra), amelyek átlátszatlan szektorok. Ezen szektorok (fogak) között a fény a forrásból a visszaverő tükörbe, majd vissza a megfigyelőbe jutott. Ebben az esetben a szektorok felezőpontjai közötti szög egyenlő

A forgási szögsebességet úgy választottuk meg, hogy a fény a korong mögötti tükörről visszaverődés után a szomszédos lyukon áthaladva bejusson a megfigyelő szemébe. A fény mozgása során a lemezről a tükörre és vissza:

a korong forgása szöget zár be

Ismerve az L távolságot, a korong ω szögsebességét és azt a szöget △φ, amelynél a fény megjelenik, megkaphatjuk a fénysebességet. Fizeau c=(315300500) km/s sebességértéket kapott. Körülbelül ugyanazokkal a módszerekkel kapták a kísérletezők a fénysebesség finomított értékét c = (298000500) km/s (1862), majd c=(2997964) km/s (A. Michelson 1927-ben és 1932-ben). Később Bergstrand - c=(299793.10.3) km/s.

Itt megjegyezzük a fénysebesség mérésének egyik legpontosabb módszerét - az üreges rezonátor módszerét, amelynek fő gondolata az álló fényhullám kialakítása és a félhullámok számának kiszámítása a fénysebesség mentén. a rezonátor hossza. A fő összefüggések a c fénysebesség, a λ hullámhossz, a T periódus és a ν frekvencia között:

Itt is bekerül a körfrekvencia, ami nem más, mint az amplitúdó ω forgási szögsebessége, ha a rezgéseket a forgó mozgás egy tengelyre vetített vetületeként ábrázoljuk. Könnyű állóhullám kialakulása esetén a rezonátor hosszában egész számú félhullám illeszkedik. Ennek a számnak a megtalálásával és az arányok (*) használatával meghatározhatja a fénysebességet.

A legújabb fejlesztések (1978) a következő értéket adták a fénysebességre c=299792,458 km/s = (299792458 1,2) m/s.

1.4. Kísérletek a fény közegben való terjedésével kapcsolatban.

1.4.1. Armand Fizeau tapasztalata.

Armand Fizeau (1851) tapasztalata. Fizeau a fény terjedését vizsgálta mozgó közegben. Ennek érdekében álló és áramló vízen átvezetett egy fénysugarat, és a fény interferencia jelenségét felhasználva összehasonlította az interferenciamintázatokat, melyek elemzésével meg lehetett ítélni a fény terjedési sebességének változását (lásd 2.4. ábra). . Két fénysugár, amely egy áttetsző tükörről (1. sugár) verődik vissza, és áthalad rajta (2. sugár), kétszer áthalad egy vízzel feltöltött csövön, majd interferenciamintát hoz létre a képernyőn. Először állóvízben, majd V sebességgel folyó vízben mérve.

Ebben az esetben az egyik gerenda (1) az áramlással együtt mozog, a második (2) pedig a víz áramlásával szemben. A két nyaláb útkülönbségének változása miatt az interferencia peremeiben eltolódás van. Megmérik a sugarak útjában a különbséget, és ebből megállapítják a fény terjedési sebességének változását. A fény sebessége álló közegben ĉ a közeg n törésmutatójától függ:

A Galilei-féle relativitáselmélet szerint egy megfigyelő számára, akihez képest a fény egy közegben mozog, a sebességnek egyenlőnek kell lennie:

Fizeau kísérletileg megállapította, hogy a V vízsebességnek van együtthatója, ezért a képlet a következő:

ahol * a mozgó közeg fényellenállási együtthatója:

Így a Fizeau-kísérlet kimutatta, hogy a sebességek összeadásának klasszikus szabálya nem alkalmazható, ha a fény mozgó közegben terjed, pl. a fényt csak részben veszi magával a mozgó közeg. Fizeau tapasztalatai fontos szerepet játszottak a mozgó közegek elektrodinamikájának megalkotásában.

Indoklásul szolgált az SRT-re, ahol a * együtthatót a sebességek összeadásának törvényéből kapjuk (ha a pontosság első rendjére szorítkozunk kis ν/c értékkel). Ebből a tapasztalatból az a következtetés következik, hogy a klasszikus (galilei) transzformációk nem alkalmazhatók a fény terjedésére.

1.4.2. Foucault javulás.

Amikor Fizeau bejelentette mérésének eredményét, a tudósok megkérdőjelezték ennek a kolosszális adatnak az érvényességét, miszerint a fény 8 perc alatt jut el a Naptól a Földig, és egy nyolcadmásodperc alatt képes megkerülni a Földet. Hihetetlennek tűnt, hogy egy ember ekkora sebességet tud mérni ilyen primitív műszerekkel. A fény több mint nyolc kilométert tesz meg a Fizeau tükrök között 1/36 000 másodperc alatt? Lehetetlen, mondták sokan. Fizeau alakja azonban nagyon közel állt Römeréhez. Aligha lehet puszta véletlen.

Tizenhárom évvel később, amikor a szkeptikusok még kételkedtek és ironikus megjegyzéseket tettek, Jean Bernard Léon Foucault, egy párizsi kiadó fia, aki egy időben orvosnak készült, kissé más módon határozta meg a fénysebességet. Több évig dolgozott Fizeau-val, és sokat gondolkodott azon, hogyan javíthatná tapasztalatait. Fogaskerék helyett Foucault forgó tükröt használt.

Rizs. 3. Foucault telepítés.

Némi fejlesztés után Michelson ezt az eszközt használta a fénysebesség meghatározására. Ebben az eszközben a fogaskereket egy forgó lapos tükör C helyettesíti. Ha a C tükör álló helyzetben van vagy nagyon lassan forog, a fény a folytonos vonallal jelzett irányban visszaverődik az áttetsző B tükörre. Amikor a tükör gyorsan forog, a visszavert sugár a szaggatott vonallal jelzett pozícióba tolódik el. Az okuláron keresztül nézve a megfigyelő mérheti a sugár elmozdulását. Ez a mérés az α szög kétszeresét adta neki, azaz. a tükör elfordulási szöge az alatt az idő alatt, ameddig a fénysugár C-ből az A homorú tükörbe, majd vissza C-be. Ismerve a C tükör forgási sebességét, az A-tól C-ig terjedő távolságot és a C tükör elfordulási szögét ezalatt ki lehetett számítani a fénysebességet.

Küldje el a jó munkát a tudásbázis egyszerű. Használja az alábbi űrlapot

Azok a hallgatók, végzős hallgatók, fiatal tudósok, akik tanulmányaikban és munkájuk során használják fel a tudásbázist, nagyon hálásak lesznek Önnek.

Házigazda: http://www.allbest.ru/

A fénysebesség és a meghatározásának módszerei

Terv

Bevezetés

1. Csillagászati ​​módszerek a fénysebesség mérésére

1.1 Roemer módszer

1.2 Fény aberrációs módszer

1.3 Megszakítási módszer (Fisot-módszer)

1.4 Forgótükör-módszer (Foucault-módszer)

1.5 Michelson-módszer

Bevezetés

A fénysebesség az egyik legfontosabb fizikai állandó, amelyet alapvetőnek nevezünk. Ez az állandó különösen fontos mind az elméleti, mind a kísérleti fizikában és a kapcsolódó tudományokban. A fénysebesség pontos értékét tudni kell rádió- és fényhelyzetben, a Földtől más bolygóktól mért távolságok mérésekor, műholdak és űrhajók irányításakor. A fénysebesség meghatározása az optika, különösen a mozgó közegek optikája és általában a fizika szempontjából a legfontosabb. Ismerkedjünk meg a fénysebesség meghatározásának módszereivel.

1. Csillagászati ​​módszerek a fénysebesség mérésére

1.1 Roemer módszer

A fénysebesség első mérései csillagászati ​​megfigyeléseken alapultak. A fénysebesség megbízható, mai értékéhez közeli értéket először Römer kapott 1676-ban, amikor megfigyelte a Jupiter bolygó műholdjainak fogyatkozását.

Az égitesttől a Földig tartó fényjel utazási ideje a távolságtól függ L a fény helye. Valamelyik égitesten fellépő jelenséget a fénynek a csillagról a Földre való áthaladásának idejével megegyező késéssel figyelnek meg:

ahol Val vel a fénysebesség.

Ha a Földtől távoli rendszerben megfigyelünk valamilyen periodikus folyamatot, akkor a Föld és a rendszer közötti állandó távolságban ennek a késleltetésnek a jelenléte nem befolyásolja a megfigyelt folyamat időtartamát. Ha az időszak alatt a Föld eltávolodik a rendszertől, vagy megközelíti azt, akkor az első esetben a periódus végét nagyobb késéssel regisztrálják, mint a kezdetét, ami az időszak látszólagos növekedéséhez vezet. A második esetben éppen ellenkezőleg, a periódus vége kisebb késéssel kerül rögzítésre, mint a kezdete, ami az időszak látszólagos csökkenéséhez vezet. A periódus látszólagos változása mindkét esetben megegyezik a Föld és a rendszer közötti távolságkülönbségnek a periódus elején és végén a fénysebességhez viszonyított arányával.

A fenti megfontolások képezik Roemer módszerének alapját.

Roemer megfigyelte az Io műholdat, amelynek keringési ideje 42 óra 27 perc 33 másodperc.

Amikor a Föld a pályaszakasz mentén mozog E 1 E 2 E 3 távolodik a Jupitertől, és az időszak növekedését kell megfigyelni. A területen való mozgáskor E 3 E 4 E 1 a megfigyelt időszak rövidebb lesz, mint a valódi. Mivel az egy perióduson belüli változás kicsi (kb. 15 s), a hatás csak nagyszámú, hosszú időn át végzett megfigyelés esetén mutatható ki. Ha például a Föld oppozíciójának pillanatától kezdődően fél évig fogyatkozást figyelünk meg (pont E 1 ) a „csatlakozás” pillanatáig (pont E 3 ), akkor az első és az utolsó fogyatkozás közötti idő 1320 másodperccel hosszabb lesz, mint az elméletileg számított. A fogyatkozási periódus elméleti számítását a pálya oppozícióhoz közeli pontjain végeztük el. Ahol a Föld és a Jupiter távolsága gyakorlatilag nem változik az idő múlásával.

Az ebből adódó eltérés csak azzal magyarázható, hogy fél éven belül a Föld elmozdult a pontról E 1 pontosan E 3 és a félév végén a fénynek a szakasz hosszával hosszabb utat kell megtennie, mint az elején E 1 E 3 egyenlő a földpálya átmérőjével. Így az egyetlen perióduson át észrevehetetlen késések halmozódnak fel és képezik az ebből eredő késést. A Roemer által megállapított késés 22 perc volt. Ha a Föld pályájának átmérőjét km-nek vesszük, akkor a fénysebességre 226 000 km/s értéket kaphatunk.

A Römer-féle mérések alapján meghatározott fénysebesség értéke kisebbnek bizonyult a mai értéknél. Később pontosabb fogyatkozási megfigyeléseket végeztek, amelyekben a késleltetési idő 16,5 percnek bizonyult, ami 301 000 km/s-os fénysebességnek felel meg.

1.2 Fény aberrációs módszer

fénysebesség mérés csillagászati

Egy földi szemlélő számára a csillag látószögének iránya nem lesz azonos, ha ezt az irányt az év különböző szakaszaiban határozzák meg, vagyis a Föld helyzetétől függően a pályán. Ha bármely csillag irányát féléves időközönként határozzuk meg, vagyis a Földnek a földpálya átmérőjének ellentétes végein, akkor a két irány közötti szöget éves parallaxisnak nevezzük. .2). Minél távolabb van egy csillag, annál kisebb a parallaktikus szöge. Különböző csillagok parallaktikus szögeinek mérésével meg lehet határozni ezeknek a csillagoknak a bolygónktól való távolságát.

1725-1728-ban. Bradley James angol csillagász megmérte az állócsillagok éves parallaxisát. Amikor megfigyelte a Draco csillagkép egyik csillagát, azt tapasztalta, hogy a helyzete az év során megváltozott. Ez idő alatt egy kis kört írt le, amelynek szögmérete 40,9 hüvelyk volt. Általános esetben a Föld keringési mozgása következtében a csillag egy ellipszist ír le, amelynek a főtengelye azonos szögméretekkel rendelkezik. Az ekliptika síkjában fekvő csillagoknál az ellipszis egyenes vonallá, a pólus közelében fekvő csillagoknál pedig körré degenerálódik. (Az ekliptika az égi szféra egy nagy köre, amely mentén a Nap látszólagos éves mozgása történik.)

A Bradley által mért elmozdulás nagysága sokkal nagyobbnak bizonyult, mint a várt parallaktikus elmozdulás. Bradley ezt a jelenséget a fény aberrációjának nevezte, és a fénysebesség végességével magyarázta. Azalatt a rövid idő alatt, amely alatt a teleszkóp lencséjére eső fény a lencséről a szemlencsére terjed, a Föld keringési mozgása következtében a szemlencse egy nagyon kis szegmenssel eltolódik (.3. ábra). Ennek eredményeként a csillag képe a szegmensre tolódik el a. Ha a távcsövet ismét a csillagra irányítjuk, azt valamelyest meg kell dönteni a Föld mozgásának irányába, hogy a csillag képe ismét egybeessen az okulárban lévő hajszálkereszt középpontjával.

Legyen a távcső dőlésszöge b. Jelöljük azt az időt, amely szükséges ahhoz, hogy a fény áthaladjon a szakaszon v, egyenlő a teleszkópobjektív és a szemlencse távolságával, egyenlő f-vel. Ezután a szegmens, és

Bradley mérései alapján ismert volt, hogy a Föld két helyzete a pálya azonos átmérőjén fekszik, és úgy tűnik, hogy a csillag azonos szöggel mozdul el a valódi helyzetétől. Az ezen megfigyelési irányok közötti szög, ahonnan a Föld keringési sebességének ismeretében a fénysebesség megtalálható. Bradley fogadta Val vel= 306000 km/s.

Meg kell jegyezni, hogy a fény aberráció jelensége a Föld sebességének év közbeni irányváltozásával függ össze. Ennek a jelenségnek a magyarázata a fény korpuszkuláris fogalmain alapul. A fény aberrációjának vizsgálata a hullámelmélet pozícióiból bonyolultabb, és összefügg azzal a kérdéssel, hogy a Föld mozgása milyen hatással van a fény terjedésére.

Roemer és Bradley kimutatták, hogy a fénysebesség véges, bár nagy jelentősége van. A fényelmélet továbbfejlesztéséhez fontos volt annak megállapítása, hogy a fény sebessége milyen paraméterektől függ, és hogyan változik, amikor a fény egyik közegből a másikba kerül. Ehhez a földi források fénysebességének mérésére szolgáló módszereket kellett kidolgozni. Az első ilyen kísérletekre a 19. század elején került sor.

1.3 Megszakítási módszer (Fisot-módszer)

Az első kísérleti módszert a földi forrásokból származó fénysebesség meghatározására Armand Hippolyte Louis Fizeau francia fizikus dolgozta ki 1449-ben. A tapasztalati sémát az ábra mutatja be. .4.

Forrásból terjedő fény s, részben visszaverődik egy áttetsző lemezről Rés irány a tükör M. A sugár útján egy könnyű megszakító - egy fogaskerék NAK NEK, amelynek tengelye OO" párhuzamos a gerendával. A fénysugarak áthaladnak a fogak közötti réseken, és a tükör visszaverődik Més a fogaskeréken és a lemezen keresztül visszaküldik R a megfigyelőnek.

Amikor a kerék lassan forog NAK NEK a fény, miután áthaladt a fogak közötti résen, ugyanazon a résen keresztül jut vissza, és belép a megfigyelő szemébe. Azokban a pillanatokban, amikor a sugarak útját egy fog keresztezi, a fény nem éri el a megfigyelőt. Így kis szögsebesség mellett a megfigyelő érzékeli a villódzó fényt. Ha növeli a kerék forgási sebességét, akkor egy bizonyos értéknél a fogak közötti résen áthaladó fény, amely eléri a tükört és visszatér, nem esik ugyanabba a résbe. d, de egy fog takarja majd, amely ekkorra már a rés pozícióját foglalta el d. Következésképpen szögsebességgel a fény egyáltalán nem jut be a megfigyelő szemébe a résből sem. d, sem az összes későbbitől (az első sötétedés). Ha a fogak számát vesszük P, akkor a kerék forgási ideje a csúszkán egyenlő

Az az idő, ami alatt a fény megteszi a távolságot a keréktől a tükörig Més fordítva

ahol l- a kerék távolsága a tükörtől (talp). E két időintervallum egyenlővé tételével megkapjuk azt a feltételt, amely mellett az első sötétedés bekövetkezik:

Hogyan lehet meghatározni a fény sebességét?

hol a másodpercenkénti fordulatok száma.

A Fizeau telepítésnél az alap 8,63 km volt, a kerékben lévő fogak száma 720, és az első sötétedés 12,6 fordulat / perc sebességgel történt. Ha a kerék sebességét megduplázzuk, akkor kivilágosodott látómező lesz megfigyelhető, háromszoros forgási sebességnél ismét sötétedés következik be, és így tovább. A fénysebesség Fizeau által számított értéke 313 300 km/s.

Az ilyen mérések fő nehézsége a sötétedés pillanatának pontos meghatározása. A pontosság javul mind az alapszint növekedésével, mind a megszakítási arányokkal, amelyek lehetővé teszik a magasabb rendű homályok megfigyelését. Tehát Perrotin 1902-ben 46 km alaphosszú méréseket végzett, és megkapta a 29987050 km/s fénysebesség értékét. A munkát rendkívül tiszta tengeri levegőn, kiváló minőségű optikával végezték.

A forgó kerék helyett más fejlettebb fénymegszakítási módszerek is alkalmazhatók, mint például a Kerr cella, amellyel másodpercenként 107-szer lehet megszakítani a fénysugarat. Ebben az esetben jelentősen csökkentheti az alapot. Így Anderson beállításában (1941) Kerr cellával és fotoelektromos felvétellel a bázis mindössze 3 m volt. Megkapta az értéket Val vel= 29977614 km/s.

1.4 Forgótükör-módszer (Foucault-módszer)

Az első laboratóriumi módszereknek tulajdonítható a Foucault által 1862-ben kidolgozott fénysebesség-meghatározási módszer. Foucault ezt a módszert használta a fénysebesség mérésére olyan közegben, amelyre a törésmutató n>1 .

A Foucault-telepítés sémája az ábrán látható. 5.

fény a forrásból Sáttetsző lemezen halad át R, lencse Lés egy lapos tükörre esik M1, amely a saját tengelye körül tud forogni O merőleges a rajzsíkra. Tükörből való visszaverődés után M1 fénysugarat irányítanak egy rögzített homorú tükörre M 2, amely úgy van elhelyezve, hogy ez a sugár mindig merőlegesen essen a felületére, és ugyanazon az úton verődik vissza a tükör felé M1 . Ha a tükör M1 mozdulatlanul, akkor a róla visszaverődő sugár az eredeti út mentén visszatér a lemezhez R, részben tükrözve, amelyből képet ad a forrásról S azon a ponton S1 .

Amikor a tükör forog M1 a fény terjedésének idejére 2 l mindkét tükör között és visszatér (), egy szögsebességgel forgó tükör M1 fordulj a sarkon

és vegye fel az ábrán látható pozíciót. .5 szaggatott. A tükörről visszaverődő sugár az eredetihez képest szögben elfordul, és képet ad a forrásról a pontban S2 . A távolság mérésével S1 S2 és a telepítés geometriájának ismeretében meghatározhatja a szöget és kiszámíthatja a fény sebességét:

A Foucault-módszer lényege tehát, hogy pontosan megmérjük azt az időt, ami alatt a fény megtesz egy távolságot. 2 l. Ezt az időt a tükör elfordulási szöge alapján becsüljük meg M1 , amelynek forgási sebessége ismert. A forgásszög meghatározása elmozdulásmérések alapján történik S1 S2 . Foucault kísérleteiben a forgási sebesség 800 ford./perc volt, az alap l 4-ről 20 km-re változott. értéket találtunk Val vel= 298000500 km/s.

Foucault volt az első, aki megmérte a fény sebességét a vízben. Foucault vízzel töltött csövet a tükrök közé helyezve felfedezte, hogy a nyírási szög *-szeresére nőtt, és ennek következtében a fenti képlet alapján számított fénysebesség a vízben (3/4) lett. Val vel. A fény törésmutatója a vízben, a hullámelmélet képleteivel kiszámítva, egyenlőnek bizonyult, ami teljes mértékben összhangban van Snell törvényével. Így e kísérlet eredményei alapján beigazolódott a fényhullámelmélet érvényessége, és a javára egy másfél évszázados vita véget ért.

1.5 Michelson-módszer

1926-ban Michelson installációja két hegycsúcs között készült, így a sugár által megtett távolság a forrástól a képig egy oktaéderes tükörprizma első lapjáról való visszaverődések után tükrök. M 2 - M 7 az ötödik arc pedig körülbelül 35,4 km volt. A prizma forgási sebességét (kb. 528 ford./perc) úgy választottuk meg, hogy a fény terjedése során az első laptól az ötödik lapig a prizmának legyen ideje 1/8 fordulattal elfordulni. A nyúl esetleges elmozdulása pontatlanul megválasztott sebességgel a módosítás szerepét játszotta. A kísérletben meghatározott fénysebesség 2997964 km/s.

Egyéb módszerek mellett megjegyezzük a fénysebesség 1972-ben végzett mérését a fény hullámhosszának és frekvenciájának független meghatározásával. A fényforrás egy hélium-neon lézer volt, amely 3,39 μm sugárzást generált. Ebben az esetben a hullámhossz mérése interferometrikus összehasonlítással történt a kripton narancssárga sugárzás hosszának standardjával, a frekvenciát pedig rádiótechnikai módszerekkel. fénysebesség

Ezzel a módszerrel meghatározva 299792,45620,001 km/s volt. A módszer szerzői úgy vélik, hogy az elért pontosság javítható a hossz- és időstandard mérések reprodukálhatóságának javításával.

Végezetül megjegyezzük, hogy a fénysebesség meghatározásakor a csoportsebességet mérjük és, ami csak a vákuum fázisértékével esik egybe.

Az Allbest.ru oldalon található

Hasonló dokumentumok

A négydimenziós tér felosztása fizikai időre és háromdimenziós térre. A fénysebesség állandósága és izotrópiája, az egyidejűség meghatározása. A Sagnac-effektus számítása a fénysebesség anizotrópiájának feltételezése mellett. A NUT paraméter tulajdonságainak feltárása.

cikk, hozzáadva: 2015.06.22


Látható sugárzás és hőátadás. Természetes, mesterséges lumineszcens és termikus fényforrások. A fény visszaverődése és törése. Árnyék, félárnyék és fénysugár. Hold- és napfogyatkozás. A testek energiafelvétele. A fénysebesség változása.

bemutató, hozzáadva 2011.12.27


A fény átalakulása, amikor két közeg határára esik: visszaverődés (szórás), áteresztés (törés), abszorpció. A fénysebesség változásának tényezői anyagokban. A fény polarizációjának és interferenciájának megnyilvánulásai. visszavert fény intenzitása.

bemutató, hozzáadva 2013.10.26


Térrel és idővel kapcsolatos elképzelések fejlesztése. sci-fi paradigma. A relativitás elve és a természetvédelmi törvények. A fénysebesség abszolútsága. A zárt világvonalak paradoxona. Az idő múlásának lassítása a mozgás sebességétől függően.

absztrakt, hozzáadva: 2009.10.05


A fényszórás fogalma. Normál és rendellenes diszperziók. A diszperzió klasszikus elmélete. A fényhullámok fázissebességének függése a frekvenciájuktól. A fehér fény lebontása diffrakciós ráccsal. Különbségek a diffrakciós és prizmás spektrumban.

bemutató, hozzáadva 2016.02.03


A fotometriai fej eszköze. A fényforrás fényárama és teljesítménye. Fényerősség, fényerő meghatározása. A fotometria elve. A vizsgált fényforrások által létrehozott két felület megvilágításának összehasonlítása.

labormunka, hozzáadva 2007.03.07


A geometriai optika alapelvei. A fényenergia átlátszó közegben való terjedésének törvényszerűségeinek vizsgálata a fénysugár koncepciója alapján. A fénysebesség mérésének csillagászati ​​és laboratóriumi módszerei, a fénytörés törvényeinek figyelembevétele.

bemutató, hozzáadva 2012.07.05


A fényintenzitás spektrális mérése. Fényszórás vizsgálata kerozinban lévő kobaltferrit és magnetit mágneses kolloidjaiban. A szórt fény intenzitásának időbeli csökkenésének görbéi az elektromos és mágneses mező kikapcsolása után.

cikk, hozzáadva: 2007.03.19


Optikai-elektronikai eszközök elméleti alapjai. A fény kémiai hatása. A fény fotoelektromos, magneto-optikai, elektro-optikai hatásai és alkalmazása. Compton hatás. Raman effektus. Könnyű nyomás. A fény kémiai hatásai és természete.

absztrakt, hozzáadva: 2008.11.02


A fény hullámelmélete és a Huygens-elv. A fényinterferencia jelensége, mint a fényenergia térbeli újraeloszlása ​​fényhullámok egymásra helyezésekor. Koherencia és monokromatikus fényáramok. A fény hullámtulajdonságai és a hullámsorozat fogalma.