Досвід ремера з супутника у флеші. Швидкість світла та методи її визначення. Список використаної літератури

Література

Мякішев Г.Я. Буховцев Б.Б. Фізика 11. Підручник. М: Просвітництво, 2004.

Цілі уроку

Розглянути різні способи вимірювання швидкості світла.

На цьому уроці комп'ютерні моделі використовують для пояснення нового матеріалу.

№ п/п	Етапи уроку	Час, хв	Прийоми та методи
1	Організаційний момент	2
2	Опитування на тему «Корпускулярна та хвильова теорії світла»	10	Усне опитування
3	Пояснення нового матеріалу на тему «Швидкість світла»	30	Робота з моделями «Досвід Фізо» та «Досвід Майкельсона»
4	Пояснення домашнього завдання	3

Домашнє завдання: § 59.

При поясненні нового матеріалу використовується демонстрація інтерактивних моделей «Досвід Фізо» та «Досвід Майкельсона». Спосіб демонстрації визначається технічними можливостями навчального кабінету. Можливі наступні варіанти:

• Демонстрація моделі вчителем із використанням мультимедійного проекційного обладнання.
• Демонстрація моделі вчителем із використанням системи віддаленого управління персональними комп'ютерами учнів, наприклад NetOp School.
• Робота учнів із моделлю безпосередньо на навчальних ПК під час пояснення нового матеріалу вчителем та під його контролем.

На уроці на тему «Швидкість світла» розглядаються астрономічний метод вимірювання швидкості світла та лабораторні методи вимірювання швидкості світла. Пояснення лабораторних методів вимірювання швидкості світла, як правило, викликає труднощі у зв'язку з відсутністю плакатів у шкільних кабінетах, складністю експериментів, що обговорюються, великою кількістю елементів експериментальних установок. Інтерактивні моделі дозволяють показати учням хід експерименту та результат, отриманий в експерименті. Для сильних класів можна повторити обчислення, проведені Фізо та Майкельсоном та порівняти отримані результати з даними у таблиці задачника.

Теорія до уроку

Досвід Фізо

У 1849 р. французький фізик Арман Іполит Луї Фізо (23.11.1819–18.09.1896, Париж, Франція) першим поставив лабораторний досвід з вимірювання швидкості світла з використанням методу затвора, що обертається. В установці Фізо вузький промінь світла розбивався на імпульси, проходячи крізь проміжки між виступами на колі диска, що швидко обертається. Імпульси потрапляли на дзеркало, розташоване на відстані L = 8,66 км від джерела та орієнтоване перпендикулярно ходу променя. Експериментатор, змінюючи швидкість обертання колеса, домагався, щоб відбите світло потрапляло у проміжок між зубцями. На диску Фізо було 720 виступів. Знаючи величину відстані між зубцями та швидкості обертання колеса, за якої світло потрапляє в наступний проміжок, можна розрахувати значення швидкості світла.

Отриманий Фізо результат для швидкості світла становив 313247304 м/с. Надалі ряд дослідників удосконалили метод, використовуючи різні варіанти затворів. Зокрема, американський фізик А. Майкельсон розробив дуже досконалий метод вимірювання швидкості світла із застосуванням дзеркал, що обертаються. Це дозволило суттєво уточнити значення швидкості світла.

Приклад розрахункової операції для варіанта, при якому експериментатор досягає зникнення світла в окулярі приладу

Припустимо, що зубець і проріз зубчастого колеса мають однакову ширину і під час руху імпульсу світла до дзеркала і місце прорізу на колесі зайняв сусідній зубець. Тоді світло перекриється зубцем і окулярі стане темно. Це настане за умови, що час проходження світла туди і назад:

Тут L – відстань від зубчастого колеса до дзеркала, T 1 – період обертання зубчастого колеса, ν 1 = 1 / T 1 – частота обертання, коли він вперше зникає світловий потік у окулярі, N – число зубців. Оскільки t = t 1 отримуємо розрахункову формулу для визначення швидкості світла даним методом:

c = 4LN ν 1 .

Приклад розрахункової операції для варіанта, при якому експериментатор досягає появи світла після зникнення в окулярі приладу

Припустимо, що зубець і проріз зубчастого колеса мають однакову ширину і за час руху імпульсу світла до дзеркала і місце першого прорізу на колесі зайняла наступний за нею проріз. Тоді світло зможе знову пройти до окуляра та в окулярі знову стане світло. Це настане за умови, що час проходження світла туди і назад:

Отримуємо розрахункову формулу визначення швидкості світла даним методом: c = 2LN ν 2 , де ν 2 = 1 / T 2 – частота обертання, коли у окулярі знову з'являється світло після першого зникнення.

Досвід Майкельсона

Протягом усього життя американський фізик Альберт Абрахам Майкельсон (19.12.1852–09.05.1931) вдосконалював методику вимірювання швидкості світла. Створюючи дедалі складніші установки, намагався отримати результати з мінімальною похибкою. У 1924-1927 роках розробив схему досвіду, в якому промінь світла посилався з вершини гори Вільсон на вершину Сан-Антоніо. Як затвор, що обертається, було використане обертове дзеркало, виготовлене з надзвичайною точністю і що приводиться в рух спеціально розробленим пристроєм.

«Підготовка досвіду велася з великою ретельністю. Було вибрано місце для двох установок. Одна з них містилася на вже знайомій йому вершині гори Маунт-Вільсон, а інша – на вершині гори Сан-Антоніо, відомій під прізвиськом «Стара плеш», на висоті 5800 м над рівнем моря та на відстані 35 км від гори Маунт-Вільсон. Береговій та геодезичній службі Сполучених Штатів було доручено точно виміряти відстань між двома відбиваючими площинами – призматичним дзеркалом, що обертається, на Маунт-Вільсон і нерухомим дзеркалом на Сан-Антоніо. Можлива помилка при вимірі відстані становила одну семимільйонну, або сантиметра на 35 км. Призма, що обертається, з нікельованої сталі з вісьма дзеркальними поверхнями, відполірованими з точністю до однієї мільйонної, була виготовлена ​​для досвіду бруклінської компанією «Сперрі джироскоп компані», президент якої, інженер-винахідник Ельмер А. Сперрі, був другом Майкельсона. Крім того, було виготовлено ще кілька скляних та сталевих призм. Восьмикутний високошвидкісний ротор робив до 528 обертів на секунду. Він рухався повітряним струменем, та його швидкість, як й у попередніх дослідах, регулювалася з допомогою електричного камертона. (Камертон використовується не тільки музикантами для визначення висоти звуку. З його допомогою можна дуже точно визначати короткі рівні відрізки часу. Можна створити інструмент з потрібною частотою, який під дією електричного струму вібруватиме, подібно до електричного дзвінка)».

(Бернард Джефф. Майкельсон і швидкість світла. Переклад з англійської Р. С. Бобровий. М.: Вид-во іноземної літератури, 1963. Електронна версія - http://n-t.ru/ri/dj/mc.htm).

Починаючи з 1924 року і до початку 1927 року було проведено п'ять незалежних серій спостережень. Середній результат дорівнював 299798 км в секунду.

Результати всіх вимірювань Майкельсона можна записати як c = (299796 ± 4) км/с.

Розрахунок швидкості світла

В експерименті використовується восьмигранна призма. Тому час повороту призми однією грань τ 1 = T / 8 , τ 1 = 1/ 8ν 1 , де ν 1 – частота обертання призми, коли він світло з'являється вперше. Таким чином, c = 2L / τ 1 = 16L ν 1 .

Експериментальні методи визначення швидкості світла

Існують різні методи вимірювання швидкості світла, у тому числі астрономічні та з використанням різної експериментальної техніки. Точність вимірювання величини постійно збільшується. У цій таблиці дано неповний перелік експериментальних робіт з визначення швидкості світла.

	Експеримент	Експериментальні методи	Результати вимірів, км/сек	Експерименту похибка,
	Вебер-Кольрауш Максвелл Майкельсон Перротін Троянда та дорсі Міттеліптедта Піз та Пірсона Андерсон	Затемнення супутника юпітера Аберація світла Тіло, що рухається Дзеркала, що обертаються Електромагнітні постійні Електромагнітні постійні Дзеркала, що обертаються Дзеркала, що обертаються Електромагнітні постійні Дзеркала, що обертаються Дзеркала, що обертаються Електромагнітні постійні Осередок затвора Керра Дзеркала, що обертаються Осередок затвора Керра Мікрохвильова інтерферометрія

Перше вдале вимір швидкості світла належить до 1676 р. Астрономічний метод Рёмера грунтується вимірі швидкості світла за спостереженнями із Землі затемнень супутників Юпітера. Юпітер має кілька супутників, які або помітні з Землі поблизу Юпітера, або ховаються в його тіні. Астрономічні спостереження над супутниками Юпітера показують, що середній проміжок часу між двома послідовними затемненнями якогось певного супутника Юпітера залежить від того, на якій відстані один від одного знаходяться Земля та Юпітер під час спостережень.

Рис. 1. Метод Ремер. З – Сонце, Ю – Юпітер, З – Земля

За півроку спостереження порушення періодичності спостережуваного початку затемнення зростали, досягаючи величини близько 20 хв. Але це майже дорівнює часу, за яке світло проходить відстань, що дорівнює діаметру орбіти руху Землі навколо Сонця (близько 17 хв.). Швидкість світла, виміряна Ремером, дорівнювала: c = 214300 км/с.

Після закінчення ще 0,545 року Земля З3 і Юпітер Ю3 знову будуть перебувати в протистоянні. За цей час відбулося (n-1) оборотів супутника навколо Юпітера та (n-1) затемнень, з яких перше мало місце, коли Земля та Юпітер займали положення З2 та Ю2, а останнє – коли вони займали положення З3 та Ю3. Перше затемнення спостерігалося Землі із запізненням (R+r)/с, а останнє із запізненням (R-r)/c стосовно моментів відходу супутника в тінь планети Юпітера.

Ремер виміряв проміжки часу Т1 і Т2 і виявив, що Т1-Т2 = 1980 с. Але з написаних вище формул випливає, що Т1-Т2 = 4r/с, тому =4r/1980 м/с. Приймаючи r, середня відстань від Землі до Сонця, що дорівнює 1500000000 км, знаходимо для швидкості світла значення:

Цей результат був першим виміром швидкості світла. Метод Рёмера був дуже точний, але його розрахунки показали астрономам, що з визначення істинного руху планет та його супутників необхідно враховувати час поширення світлового сигналу.

Рис. 2

Визначення швидкості світла за спостереженням аберації у 1725-1728 рр. Брадлей зробив спостереження із єдиною метою з'ясувати, чи існує річний паралакс зірок, тобто. уявне усунення зірок на небесному зводі, що відображає рух Землі по орбіті і пов'язане з кінцівкою відстані від Землі до зірки.

Брадлей справді виявив подібне усунення. Він пояснив спостерігане явище, назване ним аберацією світла, кінцевою величиною швидкості поширення світла і використовував його визначення цієї швидкості.

Знаючи кут і швидкість руху Землі по орбіті v, можна визначити швидкість світла c. У нього вийшло значення швидкості світла, що дорівнює 308000 км/с. Важливо зауважити, що аберація світла пов'язана із зміною напряму швидкості Землі протягом року. Постійну швидкість, хоч би якою великою вона була, не можна виявити з допомогою аберації, бо за такому русі напрямок на зірку залишається незмінним немає можливості судити про наявність цієї швидкості й у тому, який кут із напрямком на зірку вона становить. Аберація світла дозволяє судити лише про зміну швидкості Землі.

У 1849 р. вперше визначення швидкості світла виконав лабораторні умови А. Фізо. Його метод називався методом зубчастого колеса. Характерною особливістю його методу є автоматична реєстрація моментів пуску та повернення сигналу, що здійснюється шляхом регулярного переривання світлового потоку (зубчасте колесо).

3 . Схема досвіду визначення швидкості світла методом зубчастого колеса

Світло від джерела проходив через переривник (зуб'я колеса, що обертається) і, відбившись від дзеркала, повертався знову до зубчастого колеса. Знаючи відстань між колесом і дзеркалом, число зубів колеса, швидкість обертання можна обчислити швидкість світла.

Знаючи відстань D, число зубів z, кутову швидкість обертання (число обертів на секунду) v можна визначити швидкість світла. У нього вийшло вона дорівнює 313 000 км/с.

Розробляли багато способів, щоб підвищити точність вимірювань. Незабаром навіть стало необхідно враховувати показник заломлення повітря. І невдовзі 1958 р. Фрум отримав значення швидкості світла, що дорівнює 299792,5 км/с, застосовуючи мікрохвильовий інтерферометр і електрооптичний затвор (осередок Керра).

Перше експериментальне підтвердження кінцівки величини швидкості світла було дано Ромером в 1676 р. Він виявив, що рух Іо, найбільшого супутника Юпітера, відбувається не регулярно. Було встановлено, що порушується періодичність затемнень Іо Юпітер. За півроку спостереження порушення періодичності початку затемнення зростали, досягаючи величини близько 20 хв. Але це майже дорівнює часу, за яке світло проходить відстань, що дорівнює діаметру орбіти руху Землі навколо Сонця (близько 17 хв.).

Швидкість світла, виміряна Ремером дорівнювала 2

cРомера = 214300 км/с.

(4)

Метод Рёмера був дуже точний, але його розрахунки показали астрономам, що з визначення істинного руху планет та його супутників необхідно враховувати час поширення світлового сигналу.

Аберація світла зірок

У 1725 р. Джеймс Бредлі виявив, що зірка γ Дракона, що знаходиться в зеніті (тобто безпосередньо над головою), здійснює рух з періодом в один рік по майже круговій орбіті з діаметром рівним 40,5 дугової секунди. Для зірок, видимих ​​в інших місцях небесного склепіння, Бредлі також спостерігав подібний рух - в загальному випадку еліптичний.

Явище, що спостерігалося Бредлі, називається аберацією. Воно немає нічого спільного зі своїм рухом зірки. Причина аберації полягає в тому, що величина швидкості світла кінцева, а спостереження ведеться із Землі, що рухається по орбіті з деякою швидкістю v.

Знаючи кут α та швидкість руху Землі по орбіті v, можна визначити швидкість світла c.

Методи вимірювання, засновані на застосуванні зубчастих коліс і дзеркал, що обертаються.

Дивись Берклеєвський Курс Фізики (БКФ), Механіка, с. 337.

Метод об'ємного резонатора

Можна дуже точно визначити частоту, при якій в об'ємному резонаторі відомих розмірів укладається певна кількість довжин напівхвиль електромагнітного випромінювання. Швидкість світла визначається із співвідношення

де λ - Довжина хвилі, а ν - Частота світла (див. БКФ, механіка, стор 340).

Метод Шоран

Дивись БКФ, Механіка, стор 340.

Застосування індикатора модульованого світла

Дивись БКФ, Механіка, стор 342.

Методи, засновані на незалежному визначенні довжини хвилі та частоти лазерного випромінювання

У 1972 р. швидкість світла було визначено з урахуванням незалежних вимірів довжини хвилі λ та частоти світла ν . Джерелом світла служив гелій-неоновий лазер ( λ = 3.39 мкм). Отримане значення c = λν = 299792458 ± 1.2 м/сек. (Див. Д.В.Сівухін, Оптика, стор 631).

Незалежність швидкості світла від руху джерела чи приймача

У 1887 р. знаменитий досвід Майкельсона і Морлі остаточно встановив, що швидкість світла залежить від напряму його поширення стосовно Землі. Тим самим було грунтовно підірвано теорія ефіру, що існувала тоді (див. БКФ, Механіка, стор 353).

Балістична гіпотеза

Негативний результат дослідів Майкельсона та Морлі могла б пояснити так звана балістичнагіпотеза, згідно з якою швидкість світла у вакуумі постійна і дорівнює cлише щодо джерела. Якщо джерело світла рухається зі швидкістю v щодо будь-якої системи відліку, то швидкість світла c в цій системі відліку векторно складається з c і v , тобто. c " = c + v (як це відбувається зі швидкістю снаряда при стрільбі з зброї, що рухається).

Заперечують цю гіпотезу астрономічні спостереження за рухом подвійних зірок (Сіттер, голландський астроном, 1913).

Справді, припустимо, що балістична гіпотеза є вірною. Для простоти припустимо, що компоненти подвійної зірки обертаються навколо їхнього центру мас по круговим орбітам у тій же площині, в якій розташована Земля. Простежимо за рухом однієї з цих двох зірок. Нехай швидкість її руху по круговій орбіті дорівнює v. У тому положенні зірки, коли вона віддаляється від Землі вздовж прямої, що з'єднує їх, швидкість світла (щодо Землі) дорівнює c–v, а в положенні, коли зірка наближається, дорівнює c+v. Якщо відраховувати час від часу, коли зірка перебувала першому становищі, то світло з цього становища дійде Землі в останній момент t 1 = L/(c–v), де L- Відстань до зірки. А з другого положення світло дійде у момент t 2 = T/2+L/(c+v), де T- період звернення зірки

(7)

При досить великому L, t 2 <t 1, тобто. зірка була б видно одночасно у двох (або кількох положеннях) або навіть оберталася б у протилежному напрямку. Але цього ніколи не було.

Досвід Саді

Саді в 1963 р. виконав гарний досвід, що показує, що швидкість γ -Променів постійна незалежно від швидкості руху джерела (див. БКФ, Механіка, стор 372).

У своїх дослідах він використав анігіляцію під час пробігу позитронів. При анігіляції центр мас системи, що складається з електрона та позитрона, рухається зі швидкістю близько (1/2) c, а в результаті анігіляції випускаються два γ -Кванти. У разі анігіляції у нерухомому стані обидва γ -кванта випускаються під кутом 180° та їх швидкість дорівнює c. У разі анігіляції при пробігу цей кут менший за 180° і залежить від швидкості позитрона. Якби швидкість γ -кванта складалася зі швидкістю центру мас згідно з класичним правилом складання векторів, то γ -квант, що рухається з деякою складовою швидкості в напрямку пробігу позитрона, повинен був би мати більшу швидкість, ніж c, а той γ -квант, який має складову швидкості у протилежному напрямку, повинен мати швидкість меншу, ніж c. Виявилося, що при однакових відстанях між лічильниками та пунктом анігіляції обидва γ -Кванта досягають лічильників в один і той же час. Це доводить, що і при джерелі, що рухається, обидва γ -Кванти поширюються з однаковою швидкістю.

Гранична швидкість

Досвід Бертоцці 1964

Наступний досвід ілюструє твердження, що не можна прискорити частинку до швидкості, що перевищує швидкість світла c. У цьому досвіді електрони прискорювалися послідовно дедалі сильнішими електростатичними полями у прискорювачі Ван-де-Граафа, а потім вони рухалися з постійною швидкістю через простір, вільний від поля.

Час їх польоту на відомій відстані AB, а отже і їх швидкість, вимірювалися безпосередньо, а кінетична енергія (що переходить у тепло при ударі про ціль наприкінці шляху) вимірювалася за допомогою термопари.

У цьому досвіді з великою точністю було визначено величину прискорювального потенціалу φ . Кінетична енергія електрона дорівнює

Якщо через перетин пучка пролітає Nелектронів в секунду, то потужність, що передається алюмінієвої мішені в кінці їх шляху, повинна дорівнювати 1,6 · 10 -6 Nерг/сек. Це точно співпадало з безпосередньо визначеною (за допомогою термопари) поглиненою мішенню потужністю. Таким чином підтверджувалося, що електрони віддавали мішені всю кінетичну енергію, отриману під час їх прискорення.

З цих експериментів випливає, що електрони отримували від прискорюючого поля енергію, пропорційну прикладеної різниці потенціалів, але їх швидкість не могла збільшуватися безмежно і наближалася до значення швидкості світла у вакуумі.

Багато інших експериментів, як і описаний вище, свідчать про те, що c- Це верхня межа швидкості частинок. Таким чином ми твердо переконуємось, що c- це максимальна швидкість передачі сигналу як з допомогою частинок, і з допомогою електромагнітних хвиль; c- це гранична швидкість.

Висновок:

1. Величина cінваріантна для інерційних систем відліку.

2. c- максимальна швидкість передачі сигналу.

Відносність часу

Вже у класичної механіки простір щодо, тобто. просторові співвідношення між різними подіями залежить від цього, у якій системі відліку вони описуються. Твердження про те, що дві різночасні події відбуваються в тому самому місці простору або на певній відстані один щодо одного, набуває сенсу лише тоді, коли зазначено, до якої системи відліку це твердження відноситься. Приклад: м'ячик, що підстрибує на столі у купе вагона поїзда. З погляду пасажира, що знаходиться в купе, м'ячик ударяється об стіл приблизно в тому самому місці столу. З погляду спостерігача на платформі щоразу координата м'ячика інша, оскільки поїзд разом із столом рухається.

Навпаки, час є у класичній механіці абсолютним. Це означає, що час тече однаково у різних системах відліку. Наприклад, якщо якісь дві події є одночасними для одного спостерігача, то вони будуть одночасними і для будь-якого іншого. У випадку проміжок часу між двома даними подіями однаковий у всіх системах відліку.

Можна, проте, переконатися, що поняття абсолютного часу перебуває у глибокому суперечності з ейнштейнівським принципом відносності. Згадаймо при цьому, що у класичній механіці, заснованої на понятті абсолютного часу, має місце загальновідомий закон складання швидкостей. Але цей закон стосовно світла говорить, що швидкість світла cв системі відліку K" , що рухається зі швидкістю Vщодо системи K, пов'язана зі швидкістю світла cв системі Kспіввідношенням

тобто. швидкість світла виявляється різною у різних системах відліку. Це, як ми вже знаємо, суперечить принципу відносності та досвідченим даним.

Таким чином, принцип відносності призводить до результату, що час не є абсолютним. Воно тече по-різному у різних системах відліку. Тому твердження, що між двома даними подіями пройшов певний проміжок часу, набуває сенсу, лише якщо при цьому зазначено, до якої системи відліку це відноситься. Зокрема, події, одночасні у певній системі відліку, будуть не одночасними в іншій системі.

Пояснимо це простому прикладі.

Розглянемо дві інерційні системи координат Kі Kз осями координат xyzі x " y " z, причому система Kрухається щодо системи Kправоруч уздовж осей xі x(мал. 8). Нехай з деякої точки Aна осі xодночасно відправляються сигнали у двох взаємно протилежних напрямках. Оскільки швидкість поширення сигналу в системі K", Як і у будь-якій інерційній системі, дорівнює (в обох напрямках) c, то сигнали досягнуто рівновіддалених від Aточок Bі Cв той самий момент часу (у системі K ").

Легко, однак, переконатися в тому, що ці дві події (прихід сигналів у Bі C) будуть не одночасними для спостерігача в системі K. Для нього теж швидкість світла дорівнює cв обох напрямках, але точка Bрухається назустріч світлу, так що її світло досягне раніше, а крапка Cвіддаляється від світла і тому сигнал прийде до неї пізніше.

Отже, принцип відносності Ейнштейна вносить фундаментальні зміни у основні фізичні поняття. Засновані на повсякденному досвіді, наші уявлення про простір і час виявляються лише наближеними, пов'язаними з тим, що в повсякденному житті ми маємо справу тільки зі швидкостями, дуже малими в порівнянні зі швидкістю світла.

1 Про взаємодію, що розповсюджується від однієї частинки до іншої, часто говорять як про "сигнал", що відправляється від першої частинки і "що дає знати" другий про ту зміну, що сталася з першої. Про швидкість поширення взаємодій часто говорять як про "швидкість сигналу".

2 Період звернення Юпітера навколо Сонця приблизно 12 років, період звернення Іо навколо Юпітера дорівнює 42 годин.

лекція 2

· Інтервал. Геометрія Мінковського. Інваріантність інтервалу.

· Часоподібний та просторовоподібний інтервали.

· Абсолютно майбутні події, абсолютно минулі події,

абсолютно віддалені події.

· Світловий конус.

Інтервал

Теоретично відносності часто використовується поняття події. Подія визначається місцем, де вона сталася, і часом, коли вона сталася. Таким чином, подія, що сталася з деякою матеріальною часткою, визначається трьома координатами цієї частки та моментом часу, коли ця подія сталася: x, y, zі t.

Надалі з міркувань наочності ми користуватимемося уявним чотиривимірнимпростором, на осях якого відкладаються три просторові координати та час. У цьому просторі будь-яка подія є точкою. Ці точки називаються світовими точками. Будь-якій частинці відповідає деяка лінія - світова лініяу цьому чотиривимірному просторі. Точки цієї лінії визначають координати частки у всі моменти часу. Якщо частка спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно, їй відповідає пряма світова лінія.

Виразимо тепер принцип інваріантності величини швидкості світла 1 математично. Для цього розглянемо дві інерційні системи відліку Kі K" , що рухаються один щодо одного з постійною швидкістю. Координатні осі виберемо так, щоб осі xі xзбігалися, а осі yі zбули б паралельні осям y"і z". Час у системах Kі Kпозначимо через tі t".

Нехай перша подія у тому, що з точки з координатами x 1 , y 1 , z 1 в момент часу t 1 (у системі відліку K) відправляється сигнал, що поширюється зі швидкістю світла. Спостерігатимемо із системи відліку Kза розповсюдженням цього сигналу. Нехай друга подія полягає в тому, що цей сигнал приходить до точки x 2 , y 2 , z 2 в момент часу t 2 . Оскільки сигнал поширюється зі швидкістю світла c, пройдена ним відстань дорівнює c(t 2 –t 1). З іншого боку, ця ж відстань дорівнює:

В результаті виявляється справедливим наступне співвідношення між координатами обох подій у системі K

Якщо x 1 , y 1 , z 1 , t 1 та x 2 , y 2 , z 2 , t 2 - координати будь-яких двох подій, то величина

Геометрія Мінковського

Якщо дві події нескінченно близькі одна одній, то для інтервалу dsміж ними маємо

ds 2 = c 2 dt 2 –dx 2 –dy 2 –dz 2 .

(4)

Форма виразів (3) і (4) дозволяє розглядати інтервал, з формальної математичної точки зору, як "відстань" між двома точками в уявному чотиривимірному просторі (на осях якого відкладаються значення x, y, zта твір ct). Є, однак, істотна відмінність у правилі складання цієї величини в порівнянні з правилами звичайної евклідової геометрії: при утворенні квадрата інтервалу квадрат різниці координат по часовій осі входить зі знаком плюс, а квадрати різниць просторових координат - зі знаком мінус. Таку чотиривимірну геометрію, яка визначається квадратичною формою (4), називають псевдоевклідовийна відміну від звичайної, евклідової геометрії. Цю геометрію у зв'язку з теорією відносності було запроваджено Г.Мінковським.

Інваріантність інтервалу

Як ми показали вище, якщо ds= 0 в деякій інерційній системі відліку, то ds= 0 в будь-якій іншій інерційній системі. dsі ds- нескінченно малі величини однакового порядку малості. Тому в загальному випадку з цих двох умов випливає, що ds 2 та ds 2 повинні бути пропорційні один одному:

ds 2 = a ds" 2 .

(5)

Коефіцієнт пропорційності aможе залежати лише від абсолютної величини відносної швидкості V обох інерційних систем. Він може залежати від координат і часу, оскільки тоді різні точки простору та моменти часу були б нерівноцінні, що суперечить однорідності простору та часу. Він не може також залежати від напрямку відносної швидкості V тому що це суперечило б ізотропії простору.

Розглянемо три інерційні системи відліку K, K 1 та K 2 . Нехай V 1 та V 2 – швидкості руху систем K 1 та K 2 щодо системи K. Тоді маємо

Але швидкість V 12 залежить не тільки від абсолютних величин векторів V 1 та V 2 , але і від кута α між ними. 2 Тим часом останній взагалі не входить до лівої частини співвідношення (8). Тому це співвідношення може виконуватися лише якщо функція a(V) = const = 1.

Таким чином,

Ми прийшли таким чином до дуже важливого результату:

Ця інваріантність і є математичним виразом сталості швидкості світла.

З виявленням на експерименті корпускулярних властивостей та проявів світла (фотоефект, Комптон - ефект та інші явища) була розроблена квантова природа світла М.Планком та А.Ейнштейном, в рамках якої світло виявляє як хвильові, так і корпускулярні властивості - так званий, корпускулярно - хвильовий дуалізм. (Макс Карл Ернст Людвіг Планк - німецький фізик-теоретик, 1858-1947, Нобелівська премія 1918 р. за відкриття законів випромінювання, Артур Хоті Комптон, американський фізик, 1892-1962, Нобелівська премія 1927 р. за ефект, названий).

Вступ 3
1. Експерименти визначення швидкості світла. 4
1.1. Перші досліди. 4
1.1.1. Досвід Галілея. 4
1.2 Астрономічні методи визначення швидкості світла. 4
1.2.1. Затемнення супутника Юпітера - Іо. 4
1.2.2. Аберація світла. 6
1.3. Лабораторні методи вимірювання швидкості світла. 7
1.3.1. Метод синхронного детектування. 7
1.4. Досліди щодо поширення світла в середовищі. 9
1.4.1. Досвід Армана Фізо. 9

1.4.3. Досліди А. Майкельсона та Майкельсона - Морлі. 12
1.4.4.Удосконалення досвіду Майкельсона. 13
2. Максимальність швидкості світла. 14
2.1. Досвід Саді. 14
2.2. Досвід Бертоцці. 15
3. Швидкість світла у речовині. 17
4. Тахіони. Частинки, що рухаються зі швидкостями більшими за швидкість світла. 17
4.1. Уявні маси. 17
4.2. Прискорення замість уповільнення. 18

5. Надсвітлова швидкість. 20
Висновок 22
Список литературы 23

Робота містить 1 файл

Курсова робота на тему:

"Швидкість світла та методи її визначення"

Вступ 3

1. Експерименти визначення швидкості світла. 4

1.1. Перші досліди. 4

1.1.1. Досвід Галілея. 4

1.2 Астрономічні методи визначення швидкості світла. 4

1.2.1. Затемнення супутника Юпітера - Іо. 4

1.2.2. Аберація світла. 6

1.3. Лабораторні методи вимірювання швидкості світла. 7

1.3.1. Метод синхронного детектування. 7

1.4. Досліди щодо поширення світла в середовищі. 9

1.4.1. Досвід Армана Фізо. 9

1.4.2. Вдосконалення Фуко. 10

1.4.3. Досліди А. Майкельсона та Майкельсона - Морлі. 12

1.4.4.Удосконалення досвіду Майкельсона. 13

2. Максимальність швидкості світла. 14

2.1. Досвід Саді. 14

2.2. Досвід Бертоцці. 15

3. Швидкість світла у речовині. 17

4. Тахіони. Частинки, що рухаються зі швидкостями більшими за швидкість світла. 17

4.1. Уявні маси. 17

4.2. Прискорення замість уповільнення. 18

4.3. Негативні енергії. 19

5. Надсвітлова швидкість. 20

Висновок 22

Список литературы 23

Вступ

Про природу світла міркували з давніх часів. Стародавні мислителі вважали, що світло це закінчення "атомів" від предметів у вічі спостерігача (Піфагор - близько 580 - 500 років до нашої ери). Тоді ж визначили прямолінійність поширення світла, вважалося, що воно поширюється з дуже великими швидкостями, практично миттєво. У XVI-XVII століттях Р.Декарт (Рене Декарт, французький фізик, 1596-1650), Р. Гук (Роберт Гук, англійський фізик, 1635-1703), X. Гюйгенс (Христиан Гюйгенс, голландський фізик, 1629) у тому, що поширення світла - це поширення хвиль серед. Ісаак Ньютон (Ісаак Ньютон, англійський фізик, 1643 - 1727) висував корпускулярну природу світла, тобто. вважав, що світло - це випромінювання тілами певних частинок та його поширення у просторі.

У 1801 році Т. Юнг (Томас Юнг, англійський фізик, 1773-1829) спостерігав інтерференцію світла, що послужило розвитку експериментів зі світлом з інтерференції та дифракції. І на 1818 року О.Ж. Френель (Огюстен Жан Френель, французький фізик, 1788-182 7) відродив хвильову теорію поширення світла. Д.К. Максвелл після встановлення загальних законів електромагнітного поля дійшов висновку, що світло - це електромагнітні хвилі. Далі була висунута гіпотеза "світового ефіру", що світло це поширення електромагнітних хвиль у середовищі - "ефірі". Знамениті експерименти щодо перевірки існування світового ефіру проводилися А.А. Майкельсоном та Е.У. Морлі (1837-1923 р.р.), а по захопленню світла середовищем, що рухається - А.І. Фізо. (Альберт Абрахам Майкельсон, американський фізик, 1852-1931, Нобелівська премія 1907 р. за створення прецизійних інструментів та виконані за їх допомогою спектроскопічні та метрологічні дослідження; Арман Іполит Луї Фізо, французький фізик, 1819-1896). В результаті було показано, що світового ефіру (принаймні в тому розумінні, як вважали фізики на той час – деяке абсолютне нерухоме середовище) не існує.

З виявленням на експерименті корпускулярних властивостей та проявів світла (фотоефект, Комптон - ефект та інші явища) була розроблена квантова природа світла М.Планком та А.Ейнштейном, в рамках якої світло виявляє як хвильові, так і корпускулярні властивості - так званий, корпускулярно - хвильовий дуалізм. (Макс Карл Ернст Людвіг Планк - німецький фізик-теоретик, 1858-1947, Нобелівська премія 1918 р. за відкриття законів випромінювання, Артур Хоті Комптон, американський фізик, 1892-1962, Нобелівська премія 1927 р. за ефект, названий).

Швидкість світла також намагалися виміряти у різний спосіб, як у природних, і у лабораторних умовах.

1. Експерименти визначення швидкості світла.

1.1. Перші досліди.

1.1.1. Досвід Галілея.

Першим, хто спробував виміряти швидкість світла експериментально, був італієць Галілео Галілей. Досвід являв собою таке: дві людини, що стояли на вершинах пагорбів на відстані кількох кілометрів один від одного, подавали сигнали за допомогою ліхтарів, з заслінками. Цей досвід, здійснений згодом вченими Флорентійської академії, він висловив у своїй праці «Розмови та математичні докази, що стосуються двох нових галузей науки, що стосуються механіки та місцевого руху» (опублікованому в Лейдені в 1638).

Після досвіду Галілей зробив висновки, що швидкість світла поширюється миттєво, і якщо миттєво, то з надзвичайно великою швидкістю.

Ці засоби, які були тоді в розпорядженні Галілея, звичайно, не дозволяли так просто вирішити це питання, і він цілком усвідомлював це.

1.2 Астрономічні методи визначення швидкості світла.

1.2.1. Затемнення супутника Юпітера - Іо.

O.K. Ремер (1676 р., Оле Крістенсен Ремер, голландський астроном, 1644-1710) спостерігав затемнення супутника Юпітера (J) - Іо, відкритого ще Галілеєм у 1610 році (він також відкрив ще 3 супутники Юпітера). Радіус орбіти супутника Іо навколо Юпітера дорівнює 421600 км, діаметр супутника – 3470 км (див. рис.2.1 та 2.2). Час затемнення становив = 1.77 діб = 152928 с. O.K. Ремер спостерігав порушення періодичності затемнень, і це явище Ремер пов'язав із кінцевою швидкістю поширення світла. Радіус орбіти Юпітера навколо Сонця Rj значно більший за радіус орбіти Землі Rз, а період обігу приблизно дорівнює 12 років. Тобто за час півоберту Землі (півроку), Юпітер переміститься по орбіті на деяку відстань і, якщо фіксувати час приходу світлового сигналу з появи Іо з тіні Юпітера, то світло має пройти більшу відстань до Землі у випадку 2, ніж у випадку 1 ( див рис.2.2). Нехай – момент часу, коли Іо виходить із тіні Юпітера по годинах на Землі, а – реальний момент часу, коли це відбувається. Тоді маємо:

де – відстань, яка світло проходить до Землі. На наступний вихід Іо ми маємо аналогічно:

де – нова відстань, яка світло проходить до Землі. Справжній період звернення Іо навколо Юпітера визначається різницею часів:

Звичайно, за один проміжок часу, коли відбувається одне затемнення, важко визначати ці часи з великою точністю. Тому зручніше вести спостереження півроку, коли відстань до Землі змінюється на максимальну величину. У цьому справжній період затемнення можна визначити як середню величину за півроку чи рік. Після цього можна визначити швидкість світла після двох послідовних вимірів часу виходу Іо з тіні:

Величини з астрономічних обчислень. Проте за одне затемнення ця відстань міняється мало. Зручніше провести вимірювання за півроку (коли Земля перейде на інший бік своєї орбіти) та отримати сумарний час затемнення.

де п – число затемнень за ці півроку. Решта проміжних часів поширення світла до Землі скоротилися, оскільки відстань змінюється слабко за одне затемнення. Звідси Ремер отримав швидкість світла, що дорівнює = 214300 км/с.

1.2.2. Аберація світла.

В астрономії аберацією називають зміну видимого положення зірки на небесній сфері, тобто відхилення видимого напрямку на зірку від істинного, що викликається кінцівкою швидкості світла та рухом спостерігача. Добова аберація обумовлена ​​обертанням Землі; річна - зверненням Землі навколо Сонця;

вікова – переміщенням Сонячної системи у просторі.

Рис. Аберація світла зірки.

Для цього явища можна провести просту аналогію. Краплі дощу, що падають у безвітряну погоду вертикально, залишають на боковому склі автомобіля, що рухається, похилий слід.

В результаті аберації світла напрямок, що здається, на зірку відрізняється від істинного на кут, званий кутом аберації. З малюнка видно, що

де - складова швидкість руху Землі, перпендикулярна напряму на зірку.

Фактично явище аберації (річний) спостерігається в такий спосіб. Вісь телескопа при кожному спостереженні орієнтується у просторі однаковим чином щодо зоряного неба, і при цьому зображення зірки фіксується у фокальній площині телескопа. Це зображення протягом року описує еліпс. Знаючи параметри еліпса та інші дані, що відповідають геометрії досвіду, можна визначити швидкість світла. У 1727 р. з астрономічних спостережень Дж. Бредлі виявив 2* = 40,9" і отримав

з = 303000 км/с.

1.3. Лабораторні методи вимірювання швидкості світла.

1.3.1. Метод синхронного детектування.

Для вимірювання швидкості світла Арман Фізо (1849 р.) застосував метод синхронного детектування. Він використовував швидко обертається диск з N зубами (рис. 2.3), що є непрозорими секторами. Між цими секторами (зуб'ями) світло проходило від джерела до дзеркала, що відбиває, і назад до спостерігача. При цьому кут між серединами секторів дорівнює

Кутова швидкість обертання підбиралася так, щоб світло після відбиття від дзеркала за диском потрапляло у вічі спостерігачеві при проходженні через сусідній отвір. За час руху світла від диска до дзеркала і назад:

поворот диска складає кут

Знаючи відстань L, кутову швидкість диска і кут Δφ, при якому з'являється світло, можна отримати швидкість світла. Фізо отримав значення швидкості, що дорівнює с=(315300500) км/с. Приблизно такими ж методами експериментатори отримували уточнене значення швидкості світла з = (298000500) км/с (1862), потім = (2997964) км/с (А. Майкельсон в 1927 і 1932 р.). Пізніше Бергстранд отримав - з = (299793.10.3) км / с.

Відзначимо тут один з найбільш точних способів вимірювання швидкості світла - метод об'ємного резонатора, основна ідея якого полягає в утворенні стоячої світлової хвилі і обчисленні числа напівхвиль на довжині резонатора. Основні співвідношення між швидкістю світла, довжиною хвилі λ, періодом Т і частотою ν мають вигляд:

Тут також введена кругова частота, яка є не що інше, як кутова швидкість обертання амплітуди ω, якщо коливання представити як проекцію обертального руху на вісь. У разі утворення світлової стоячої хвилі на довжині резонатора укладається ціла кількість напівхвиль. Знаходячи це число і використовуючи співвідношення (*), можна визначити швидкість світла.

Останні досягнення (1978 р.) дали для швидкості світла наступне значення =299792.458 км/с = (299792458 1,2) м/с.

1.4. Досліди щодо поширення світла в середовищі.

1.4.1. Досвід Армана Фізо.

Досвід Армана Фізо (1851). Фізо розглядав поширення світла в середовищі, що рухається. Для цього пропускав промінь світла через стоячу та поточну воду і за допомогою явища інтерференції світла порівнював інтерференційні картини, за аналізом яких можна було судити про зміну швидкості розповсюдження світла (див. рис. 2.4). Два промені світла, відбившись від напівпрозорого дзеркала (промінь 1) і пройшовши його (промінь 2), проходять двічі через трубу з водою і потім створюють інтерференційну картину на екрані. Спочатку вимірюють у стоячій воді, а потім у поточній зі швидкістю V.

При цьому один промінь (1) рухається за течією, а другий (2) проти течії води. Відбувається усунення смуг інтерференції внаслідок зміни різниці ходу двох променів. Різниця ходу променів вимірюється і нею перебуває зміна швидкостей поширення світла. Швидкість світла в нерухомому середовищі залежить від показника заломлення середовища п:

За принципом відносності Галілея для спостерігача, щодо якого світло рухається в середовищі, швидкість повинна дорівнювати:

Експериментально Фізо встановив, що є коефіцієнт при швидкості води V і тому формула виглядає так:

де * - коефіцієнт захоплення світла середовищем, що рухається:

Таким чином, експеримент Фізо показав, що класичне правило складання швидкостей не застосовується при поширенні світла в середовищі, що рухається, тобто. світло тільки частково захоплюється середовищем, що рухається. Досвід Фізо зіграв важливу роль при побудові електродинаміки середовищ, що рухаються.

Він став обґрунтуванням СТО, де коефіцієнт * виходить із закону складання швидкостей (якщо обмежитися першим порядком точності за малою величиною ν/c). Висновок, який випливає з цього досвіду, полягає в тому, що класичні (Галілеєвські) перетворення не застосовні при поширенні світла.

1.4.2. Вдосконалення Фуко.

Коли Фізо оголосив про результат свого виміру, вчені засумнівалися в достовірності цієї колосальної цифри, згідно з якою світло доходить від Сонця до Землі за 8 хвилин і може облетіти Землю за 8 секунд. Здавалося неймовірним, щоб людина змогла виміряти таку величезну швидкість такими примітивними інструментами. Світло проходить вісім з гаком кілометрів між дзеркалами Фізо за 1/36000 секунди? Неможливо, говорили багато хто. Проте цифра, отримана Фізо, була дуже близька до результату Ромера. Навряд це могло бути простим збігом.

Через тринадцять років, коли скептики все ще продовжували сумніватися і відпускати іронічні зауваження, Жан Бернар Леон Фуко, син паризького видавця, який час готувався стати лікарем, визначив швидкість світла дещо іншим способом. Він кілька років пропрацював разом із Фізо і багато міркував над тим, як удосконалити його досвід. Замість зубчастого колеса Фуко застосував дзеркало, що обертається.

Рис. 3. Налаштування Фуко.

Після деяких удосконалень Майкельсон використав цей пристрій для визначення швидкості світла. У цьому пристрої зубчасте колесо замінене плоским дзеркалом C, що обертається. Якщо дзеркало C нерухомо або дуже повільно повертається, світло відображається на напівпрозоре дзеркало B у напрямку, зазначеному суцільною лінією. Коли дзеркало швидко обертається, відбитий промінь зміщується у положення, позначене пунктирною лінією. Дивлячись в окуляр, спостерігач міг виміряти усунення променя. Це вимір давало йому подвоєну величину кута α, тобто. кута повороту дзеркала за той час, поки промінь світла йшов від C до увігнутого дзеркала A і назад до C. Знаючи швидкість обертання дзеркала C, відстань від A до C та кут повороту дзеркала C за цей час, можна було обчислити швидкість світла.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Швидкість світла та методи її визначення

План

Вступ

1. Астрономічні методи вимірювання швидкості світла

1.1 Метод Ромера

1.2 Метод аберації світла

1.3 Метод переривань (метод Фізо)

1.4 Метод дзеркала, що обертається (метод Фуко)

1.5 Метод Майкельсон

Вступ

Швидкість світла - одне з найважливіших фізичних констант, які називають фундаментальними. Ця константа має особливе значення як у теоретичній, так і в експериментальній фізиці та суміжних з нею науках. Точне значення швидкості світла потрібно знати в радіо- та світлолокації, при вимірюванні відстаней від Землі до інших планет, керуванні супутниками та космічними кораблями. Визначення швидкості світла найважливіше для оптики, зокрема, для оптики середовищ, що рухаються, і фізики взагалі. Познайомимося з способами визначення швидкості світла.

1. Астрономічні методи вимірювання швидкості світла

1.1 Метод Ромера

Перші виміри швидкості світла грунтувалися на астрономічних спостереженнях. Достовірне значення швидкості світла, близьке до сучасного її значення, було отримано вперше Ремером в 1676 при спостереженні затемнень супутників планети Юпітер.

Час проходження світлового сигналу від небесного світила до Землі залежить від дальності Lрозташування світила. Явище, що відбувається на якомусь небесному тілі, спостерігається із запізненням, що дорівнює часу проходження світла від світила до Землі.

де з- швидкість світла.

Якщо спостерігати який-небудь періодичний процес, що відбувається у віддаленій від Землі системі, то при незмінному відстані між Землею та системою наявність цього запізнення не буде впливати на період спостерігається. Якщо ж за час періоду Земля відійде від системи або наблизиться до неї, то в першому випадку закінчення періоду буде зареєстровано з більшим запізненням, ніж його початок, що призведе до збільшення періоду. У другому випадку, навпаки, закінчення періоду буде зафіксовано з меншим запізненням, ніж його початок, що призведе до зменшення періоду. В обох випадках зміна періоду, що здається, дорівнює відношенню різниці відстаней між землею і системою на початку і в кінці періоду до швидкості світла.

Викладені міркування лежать у основі методу Ромера.

Ремер проводив спостереження за супутником Іо, період обігу якого 42 год 27 хв 33 с.

Під час руху Землі ділянкою орбіти Е 1 Е 2 Е 3 вона віддаляється від Юпітера і має спостерігатися збільшення періоду. При русі дільницею Е 3 Е 4 Е 1 спостеріганий період буде меншим від істинного. Так як зміна одного періоду мало (близько 15 с), то ефект виявляється тільки при великій кількості спостережень, які проводяться протягом тривалого часу. Якщо, наприклад, спостерігати затемнення протягом півроку, починаючи з моменту протистояння Землі (точка Е 1 ) до моменту "з'єднання" (точка Е 3 ), то проміжок часу між першим та останнім затемненнями буде на 1320 з більше обчисленого теоретично. Теоретичний розрахунок періоду затемнень проводився у точках орбіти, близьких до протистояння. Де відстань між Землею та Юпітером практично не змінюється з часом.

Отримане розбіжність можна пояснити лише тим, що протягом півроку Земля перейшла з точки Е 1 в ціль Е 3 і світові доводиться наприкінці півріччя проходити шлях більший, ніж на початку, на величину відрізка Е 1 Е 3 , рівного діаметру земної орбіти Таким чином, непомітні для окремого періоду запізнення накопичуються і утворюють результуюче запізнення. Розмір запізнення, визначена Ромером, становила 22 хв. Приймаючи діаметр орбіти Землі рівним кілометрів, можна отримати для швидкості світла значення 226000 км/с.

Значення швидкості світла, визначене на підставі вимірювань Ромера, виявилося меншим за сучасне значення. Пізніше були виконані точніші спостереження затемнень, у яких час запізнення дорівнював 16,5 хв, що відповідає швидкості світла 301000 км/с.

1.2 Метод аберації світла

світло швидкість вимір астрономічний

Для земного спостерігача напрямок променя зору на зірку буде неоднаковим, якщо цей напрямок визначати в різні пори року, тобто в залежності від положення Землі на її орбіті. Якщо напрямок на якусь зірку визначати з піврічними проміжками, тобто при положеннях Землі на протилежних кінцях діаметра земної орбіти, то кут між отриманими двома напрямками називають річним паралаксом (рис. 2). Чим далі знаходиться зірка, тим менший її паралактичний кут. Вимірюючи паралактичні кути різних зірок, можна визначити відстань цих зірок до нашої планети.

У 1725-1728 рр. Бредлі (Bradley) Джеймс, англійський астроном, виміряв річний паралакс нерухомих зірок. Спостерігаючи за однією із зірок у сузір'ї Дракона, він виявив, що її становище змінювалося протягом року. За цей час вона описала невелике коло, кутові розміри якого дорівнювали 40,9”. У випадку руху Землі по орбіті зірка описує еліпс, велика вісь якого має самі кутові розміри. Для зірок, що у площині екліптики, еліпс вироджується у пряму, а зірок, що у полюса - в окружність. (Екліптикою називається велике коло небесної сфери, яким відбувається видимий річний рух Сонця.)

Величина зсуву, виміряна Бредлі, виявилася значно більшою за очікуваний паралактичний зсув. Бредлі назвав це явище аберацією світла і пояснив його кінцівкою швидкості світла. За той короткий час, протягом якого світло, що впало на об'єктив телескопа, поширюється від об'єктива до окуляра, окуляр в результаті руху Землі по орбіті зсувається на дуже малий відрізок (рис. 3). Внаслідок цього зображення зірки зміститься на відрізок а. Направляючи знову телескоп на зірку, його доведеться трохи нахилити у напрямку руху Землі, щоб зображення зірки знову збіглося з центром перехрестя ниток в окулярі.

Нехай кут нахилу телескопа дорівнює б. Позначимо час, необхідний світла для проходження відрізка в, Рівного відстані від об'єктива телескопа до його окуляра, дорівнює ф. Тоді відрізок, та

З вимірів Бредлі було відомо, що при двох положеннях Землі, що лежать на одному діаметрі орбіти, зірка здається зміщеною від справжнього положення на той самий кут. Кут між цими напрямами спостереження, звідки знаючи швидкість Землі на орбіті, можна знайти швидкість світла. Бредлі отримав з= 306 000 км/с.

Слід зазначити, що явище аберації світла пов'язані з зміною напрями швидкості Землі протягом року. Пояснення цього явища базується на корпускулярних уявленнях про світло. Розгляд аберації світла з позицій хвильової теорії складніше і пов'язані з питанням вплив руху Землі поширення світла.

Ремером і Бредлі було показано, що швидкість світла кінцева, хоч і має велике значення. Для подальшого розвитку теорії світла важливо було встановити, від яких параметрів залежить швидкість світла і як вона змінюється під час переходу світла з одного середовища до іншого. І тому необхідно було розробити методи виміру швидкості світла земних джерел. Перші спроби таких експериментів було здійснено на початку XIX століття.

1.3 Метод переривань (метод Фізо)

Перший експериментальний метод визначення швидкості світла земних джерел було розроблено 1449 р. французьким фізиком Арманом Іполитом Луї Фізо. Схема досвіду представлена ​​рис. .4.

Світло, що поширюється від джерела s, частково відбивається від напівпрозорої пластинки Рі прямує до дзеркала М. На шляху променя розташовується переривник світла - зубчасте колесо До, вісь якого ГО"паралельна променю. Промені світла проходять через проміжки між зубами, відбиваються дзеркалом. Мі прямують назад через зубчасте колесо та платівку Рдо спостерігача.

При повільному обертанні колеса Досвітло, пройшовши через проміжок між зубами, встигає повернутися через той самий проміжок і потрапляє у око спостерігача. У ті моменти, коли шлях променів перетинається зубцем, світло не потрапляє до спостерігача. Таким чином, при малій кутовій швидкості спостерігач сприймає мерехтливе світло. Якщо збільшити швидкість обертання колеса, то при деякому значенні світло, що пройшло через один проміжок між зубами, дійшовши до дзеркала і повернувшись назад, не потрапить у той самий проміжок d, а будуть перекриті зубцем, який зайняв до цього моменту положення проміжку d. Отже, при кутовій швидкості в очі спостерігача світло зовсім не потраплятиме ні від проміжку dні від усіх наступних (перше затемнення). Якщо взяти кількість зубців п, то час повороту колеса на повзубця дорівнює

Час проходження світлом відстані від колеса до дзеркала Мі назад одно

де l- Відстань до колеса від дзеркала (база). Прирівнюючи ці два інтервали часу, отримуємо умову, за якої настає перше затемнення:

звідки можна визначити швидкість світла:

де - Число оборотів в секунду.

В установці Фізо база становила 8,63 км, число зубців у колесі 720 і перше затемнення настало при частоті 12,6 об/с. Якщо збільшити швидкість колеса вдвічі, то спостерігатиметься просвітлене поле зору, при потроєній швидкості обертання знову настане затемнення і т.д. Обчислене Фізо значення швидкості світла 313 300 км/с.

Основна складність таких вимірювань полягає у точному встановленні моменту затемнення. Точність підвищується як зі збільшенням бази, і при швидкостях переривань, дозволяють спостерігати затемнення вищих порядків. Так, Перротен в 1902 провів вимірювання при довжині бази 46 км і отримав значення швидкості світла 29987050 км/с. Робота проводилася за умов надзвичайно чистого морського повітря з використанням високоякісної оптики.

Замість колеса, що обертається, можна застосовувати інші, більш досконалі методи переривання світла, наприклад, комірку Керра, з використанням якої можна переривати світловий пучок 107 разів на секунду. У цьому можна значно скоротити базу. Так, в установці Андерсона (1941 р.) з осередком Керра та фотоелектричною реєстрацією база становила лише 3 м. Їм отримано значення з= 29977614 км/с.

1.4 Метод дзеркала, що обертається (метод Фуко)

Метод визначення швидкості світла, розроблений в 1862 Фуко, можна віднести до перших лабораторних методів. Цим методом Фуко виміряв швидкість світла серед, у яких показник заломлення n>1 .

Схему установки Фуко наведено на рис. 5.

Світло від джерела Sпроходить через напівпрозору платівку Р, лінзу Lі падає на плоске дзеркало M1, яке може обертатися навколо своєї осі Про, перпендикулярна до площини креслення. Після відображення від дзеркала M1 промінь світла прямує на нерухоме увігнуте дзеркало М 2, розташоване так, щоб цей промінь завжди падав перпендикулярно до його поверхні і відбивався по тому ж шляху на дзеркало M1 . Якщо дзеркало M1 нерухомо, то відбитий від нього промінь повернеться по своєму початковому шляху до платівки Р, частково відбиваючись від якої він дасть зображення джерела S у точці S1 .

При обертанні дзеркала M1 за час, поки світло проходить шлях 2 lміж обома дзеркалами і повертається назад (), що обертається з кутовою швидкістю дзеркало M1 повернеться на кут

і займе становище, показане на рис. .5 пунктиром. Відбитий від дзеркала промінь по відношенню до початкового буде повернутий на кут і дасть зображення джерела в точці S2 . Вимірявши відстань S1 S2 і знаючи геометрію установки, можна визначити кут і обчислити швидкість світла:

Таким чином, суть методу Фуко полягає у точному вимірі часу проходження світлом відстані 2 l. Цей час оцінюється по кутку повороту дзеркала M1 , Швидкість обертання якого відома. Кут повороту визначається на основі вимірювань зміщення S1 S2 . У дослідах Фуко швидкість обертання становила 800 об/с, база lзмінювалася від 4 до 20 км. Було знайдено значення з= 298000500 км/с.

Фуко на своєму встановленні вперше виміряв швидкість світла у воді. Помістивши між дзеркалами трубу, наповнену водою, Фуко виявив, що кут зсуву зріс у ѕ рази, а отже, розрахована за записаною вище формулою швидкість поширення світла у воді виявилася рівною (3/4) з. Обчислений за формулами хвильової теорії показник заломлення світла у воді вийшов рівним, що відповідає закону Снелліуса. Таким чином, на основі результатів цього експерименту була підтверджена справедливість хвильової теорії світла, і був закінчений півтора вікової суперечки на її користь.

1.5 Метод Майкельсон

У 1926 році установка Майкельсона була виконана між двома гірськими вершинами, так що відстань, що проходить променем від джерела до його зображення після відображень від першої грані восьмигранної дзеркальної призми, дзеркал М 2 - М 7та п'ятої грані, становило близько 35,4 км. Швидкість обертання призми (приблизно 528 об/с) вибиралася такою, щоб під час поширення світла від першої грані до п'ятої призму встигала повернутися на 1/8 обороту. Можливе усунення зайчика при неточно підібраної швидкості грало роль поправки. Швидкість світла, визначена в цьому досвіді, дорівнювала 2997964 км/с.

З інших методів відзначимо виконаний у 1972 вимір швидкості світла шляхом незалежного визначення довжини хвилі і частоти світла. Джерелом світла служив гелій-неоновий лазер, що генерує випромінювання 3,39 мкм. У цьому довжина хвилі вимірювалася з допомогою інтерферометрического порівняння з зразком довжини оранжевого випромінювання криптона, а частота - з допомогою радіотехнічних методів. Швидкість світла

визначена цим методом, становила 299 792,45620,001 км/с. Автори методу вважають, що досягнута точність може бути підвищена за рахунок покращення відтворюваності вимірів еталонів довжини та часу.

Насамкінець зазначимо, що при визначенні швидкості світла вимірюється групова швидкість іяка лише для вакууму збігається з фазовою.

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

Поділ чотиривимірного простору на фізичний час та тривимірний простір. Постійність та ізотропія швидкості світла, визначення одночасності. Розрахунок ефекту Саньяка у припущенні анізотропії швидкості світла. Вивчення властивостей NUT-параметра.

стаття, доданий 22.06.2015


Видиме випромінювання та теплопередача. Природні, штучні люмінесцентні та теплові джерела світла. Відображення та заломлення світла. Тінь, півтінь і світловий промінь. Місячне та сонячне затемнення. Поглинання енергії тілами. Зміна швидкості світла.

презентація , доданий 27.12.2011


Перетворення світла за його падіння межу двох середовищ: відбиток (розсіяння), пропускання (заломлення), поглинання. Чинники зміни швидкості світла у речовинах. Прояви поляризації та інтерференції світла. Інтенсивність відбитого світла.

презентація , доданий 26.10.2013


Розвиток уявлення про простір та час. Парадигма наукової фантастики Принцип відносності та закони збереження. Абсолютність швидкості світла. Парадокс замкнених світових ліній. Уповільнення ходу часу, залежно від швидкості руху.

реферат, доданий 10.05.2009


Концепція дисперсії світла. Нормальна та аномальна дисперсії. Класична теорія дисперсії. Залежність фазової швидкості світлових хвиль від частоти. Розкладання білого світла дифракційними ґратами. Відмінності у дифракційному та призматичному спектрах.

презентація , додано 02.03.2016


Влаштування фотометричної головки. Світловий потік та потужність джерела світла. Визначення сили світла, яскравості. Принцип фотометрії. Порівняння освітленості двох поверхонь, що створюється досліджуваними джерелами світла.

лабораторна робота, доданий 07.03.2007


Основні засади геометричної оптики. Вивчення законів поширення світлової енергії у прозорих середовищах на основі уявлення про світлове проміння. Астрономічні та лабораторні методи вимірювання швидкості світла, розгляд законів його заломлення.

презентація , додано 07.05.2012


Спектральні виміри інтенсивності світла. Дослідження розсіювання світла в магнітних колоїдах фериту кобальту та магнетиту в гасі. Криві зменшення інтенсивності розсіяного світла з часом після вимкнення електричного та магнітного полів.

стаття, доданий 19.03.2007


Теоретичні засади оптико-електронних приладів. Хімічна дія світла. Фотоелектричний, магнітооптичний, електрооптичний ефекти світла та їх застосування. Ефект Комптон. Ефект Рамана. Тиск світла. Хімічні дії світла та її природа.

реферат, доданий 02.11.2008


Хвильова теорія світла та принцип Гюйгенса. Явище інтерференції світла як просторового перерозподілу енергії світла при накладанні світлових хвиль. Когерентність та монохроматичні світлові потоки. Хвильові властивості світла та поняття цуга хвиль.