Меню

Доклад астрономический метод измерения скорости света



Урок 1. СКОРОСТЬ СВЕТА

В геометрической оптике исследуется только направление световых лучей. Вопрос о том, как протекает процесс распространения света во времени, выходит за рамки геометрической оптики. Более глубоко свойства света и его взаимодействие с веществом рассматриваются, в физической (волновой)оптике. Мы начнем эту главу с рассказа о том, как была измерена скорость света.

Когда мы поворачиваем выключатель, то вся комната сразу же озаряется светом. Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен. Делались многочисленные попытки определить скорость света. Для этого пытались измерить по точным часам время распространения светового сигнала на большие расстояния (несколько километров). Но эти попытки не дали результатов. Начали думать, что распространение света совсем не требует времени, что свет любые расстояния преодолевает мгновенно. Однако оказалось, что скорость света не бесконечно велика, и эта скорость была в конце концов измерена.

Астрономический метод измерения скорости света

Скорость света впервые удалось измерить датскому ученому О. Рёмеру в 1676 г. Рёмер был астрономом, и его успех объясняется именно тем, что проходимые светом расстояния, которые он использовал для измерений, были очень велики. Это расстояния между планетами Солнечной системы.

Рёмер наблюдал затмения спутников Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы. Юпитер в отличие от Земли имеет четырнадцать спутников. Ближайший его спутник — Ио — стал предметом наблюдений Рёмера. Он видел, как спутник проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 ч 28 мин. Таким образом, эта «луна» представляла собой громадные небесные часы, через равные промежутки времени посылавшие свои сигналы на Землю.

Вначале измерения производились в то время, когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру (рис. 1). Такие же измерения, проведенные несколько месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера, неожиданно показали, что спутник опоздал появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио.

Рёмер объяснял это так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время, наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 мин раньше. Запаздывание в этом случае происходит от того, что свет употребляет 22 мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения». Зная запаздывание появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние на время запаздывания. Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 300.000 км/с. Поэтому-то крайне трудно уловить время распространения света между двумя удаленными точками на Земле. Ведь за одну секунду свет проходит расстояние, большее длины земного экватора в 7,5 раза.

Лабораторные методы измерения скорости света

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику И. Физо в 1849 г.

В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1 (рис.2). После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. В чем же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым.

При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 км и для скорости света было получено значение 313.000 км/с.

Было разработано еще много других, более точных лабораторных ме­тодов измерения скорости света. В частности, американский физик А. Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал.

Была измерена скорость в различных прозрачных веществах. Скорость света в воде была измерена в 1856 г. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в вакууме. Во всех других веществах она также меньше, чем в вакууме.

Но современным данным, скорость света в вакууме равна 299.792.458 м/с с точностью ± 1,2 м/с. Приближенно скорость света можно считать равной 3·10 8 м/с. Это значение скорости света нужно обязательно запомнить.

Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль. Оно в значительной степени способствовало выяснению природы света. Особое значение скорость света имеет потому, что ни одно тело в мире не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Это стало ясным после создания теории относительности, о которой пойдет речь в следующей главе.

? Чему приближенно равна скорость света в вакууме?

Источник

Частная школа. 9 класс

Конспекты, контрольные, тесты

Скорость света. Методы определения скорости света

Конспект по физике для 9 класса «Скорость света. Методы определения скорости света». ВЫ УЗНАЕТЕ: В чём заключается астрономический метод определения скорости света. Каково значение скорости света. Каковы лабораторные методы определения скорости света.

Скорость света.
Методы определения скорости света

Все световые явления, рассматриваемые в рамках геометрической оптики, изучаются на основе предположения о прямолинейном распространении света в однородной среде. При этом ничего не говорится о том, насколько быстро происходит этот процесс во времени.

ПЕРВЫЕ ОПЫТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ СКОРОСТИ СВЕТА

Античные учёные, в частности Аристотель, считали, что свет распространяется в пространстве мгновенно. Такая точка зрения господствовала на протяжении более двух тысяч лет. Первый исторически известный эксперимент по определению скорости света был выполнен Галилеем. Идея опыта достаточно проста. Два наблюдателя А и Б с фонарями располагались на вершинах двух холмов на расстоянии нескольких километров друг от друга. В некоторый момент наблюдатель А открывал свой фонарь и в этот же момент начинал отсчёт времени. Другой наблюдатель, увидев свет, посылал световой сигнал своим фонарём обратно наблюдателю А. Когда первый наблюдатель видел свет фонаря Б, он тотчас заканчивал отсчёт времени. При этом временной интервал между посылкой и приёмом сигнала наблюдатель А измерял по числу ударов пульса. Скорость света определялась как отношение двойного расстояния между наблюдателями к промежутку времени между посылкой и приёмом сигнала.

Очевидно, что столь несовершенный метод не мог дать сколько-нибудь надёжную оценку скорости света. По-видимому, это хорошо понимал и сам Галилей.

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА

Впервые определить скорость света удалось в 1676 г. датскому астроному О. Рёмеру. Успех опыта Рёмера в решающей степени объяснялся тем обстоятельством, что расстояния, проходимые светом в этих измерениях, были поистине огромными. Именно Рёмер наблюдал затмения одного из спутников (спутник Ио) самой большой планеты Солнечной системы — Юпитера. Так как орбиты Земли, Юпитера и спутника Ио лежат в одной плоскости, то Рёмер в телескоп хорошо видел, как спутник проходил перед планетой, а затем исчезал из поля зрения, заходя в её тень. Через некоторое время Ио вновь появлялся в виде крохотной звёздочки. Промежуток времени между двумя последовательными появлениями спутника составил 42 ч 28 мин 36 с.

Свои первые измерения Рёмер провёл в то время, когда положения Земли и Юпитера на орбитах соответствовали их максимальному сближению. Примерно через полгода Рёмер повторил наблюдения затмения Ио, когда Земля удалилась от Юпитера на расстояние, равное диаметру своей орбиты. Результат оказался неожиданным: Ио в поле зрения телескопа появился на 22 мин позже, чем тогда, когда положение Земли на орбите было диаметрально противоположным. Рёмер правильно истолковал полученный результат: задержка наступления затмения равна времени, которое потребовалось свету, чтобы пройти расстояние, равное диаметру земной орбиты. Разделив это расстояние на время запаздывания, Рёмер получил значение скорости света. Это значение оказалось необычайно большим, примерно 230 000 км/с, но всё же конечным. Это и есть главный результат опыта Рёмера.

МЕТОД ФИЗО

Первым лабораторным методом по определению скорости света был опыт французского физика А. Физо, поставленный им в 1849 г. Метод Физо в общих чертах напоминал метод Галилея, только роль наблюдателя А выполняло вращающееся зубчатое колесо, а роль наблюдателя Б — плоское зеркало.

Узкий световой пучок от источника S после отражения от полупрозрачной пластинки П направлялся на кромку вращающегося зубчатого колеса К. Пройдя в прорезь между зубцами, свет падал на отдалённое зеркало 3, и отразившись, возвращался назад. Если за время движения светового луча от колеса до зеркала и обратно на месте прежней прорези появлялась новая прорезь, то наблюдатель в зрительной трубе Т видел свет. Если же за указанное время на месте прорези появлялся зубец, то свет в трубе не наблюдался. Зная частоту вращения колеса и измерив расстояние между колесом и зеркалом, Физо получил значение скорости света 312 000 км/с.

МЕТОД МАЙКЕЛЬСОНА

В другом, более точном лабораторном методе определения скорости света прерывание света осуществлялось при помощи быстро вращающегося стального восьмигранного зеркала в форме призмы.

Такой опыт был выполнен в 1879 и 1926 гг. американским физиком А. Майкельсоном. Световой пучок от источника S направлялся на грань призмы П и после отражения падал на вогнутое зеркало З1, установленное на горе. Отражённый от этого зеркала луч направлялся на такое же зеркало З2, установленное на вершине другой горы. Отражённый в обратном направлении свет вновь падал на грань призмы, и после отражения попадал в объектив зрительной трубы. При этом свет проходил суммарное расстояние, равное 70,7 км, за 1/8 оборота призмы. Зная частоту вращения призмы, Майкельсон получил значение скорости света, которое лишь незначительно отличается от общепринятого: с = 299 792 км/с.

Олаф (Оле) Кристенсен Рёмер (1644—1710) Датский астроном, первым измеривший скорость света.

Скорость света в среде зависит от свойств среды. Например, скорость света в воде оказалась в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. Поскольку 1,33 — показатель преломления воды, то отсюда следует, что скорость света зависит от показателя преломления среды: чем он больше, тем меньше скорость света в среде.

Вы смотрели Конспект по физике для 9 класса «Скорость света. Методы определения скорости света».

Источник

Скорость света: методы определения

Содержание:

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 28.07.2019
  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

Введение:

Скорость света является одной из важнейших физических констант, которые называются фундаментальными. Эта константа имеет особое значение как в теоретической, так и в экспериментальной физике и смежных науках. Точное значение скорости света необходимо знать по радио и локации света, при измерении расстояний от Земли до других планет, при управлении спутниками и космическими кораблями.

Определение скорости света наиболее важно для оптики, в частности, для оптики движущихся сред и физики в целом. Давайте познакомимся с методами определения скорости света.

Астрономические методы измерения скорости света

Метод Ремера

Первые измерения скорости света были основаны на астрономических наблюдениях. Достоверное значение скорости света, близкое к ее современному значению, впервые было получено Ремером в 1676 году при наблюдении затмений спутников планеты Юпитер.

Время прохождения светового сигнала от небесного тела к Земле зависит от расстояния L до расположения звезды. Явление, которое происходит на каком-то небесном теле, наблюдается с задержкой, равной времени прохождения света от звезды к Земле.

Если вы наблюдаете какой-либо периодический процесс, происходящий в системе, удаленной от Земли, то при постоянном расстоянии между Землей и системой наличие этой задержки не повлияет на период наблюдаемого процесса. Если в течение периода Земля удаляется от системы или приближается к ней, то в первом случае конец периода будет записан с большей задержкой, чем его начало, что приведет к очевидному увеличению периода. Во втором случае, напротив, конец периода будет зафиксирован с меньшей задержкой, чем его начало, что приведет к очевидному уменьшению периода. В обоих случаях кажущееся изменение периода равно отношению разницы расстояний между Землей и системой в начале и конце периода к скорости света.

Приведенные выше соображения лежат в основе метода Рёмера.

Ремер сделал наблюдения спутника Ио, орбитальный период которого составил 42 часа 27 минут 33 секунды.

Когда Земля движется вдоль участка орбиты E1, E2, E3, она удаляется от Юпитера, и следует наблюдать увеличение периода. При движении по участку Е3, Е4, Е1 наблюдаемый период будет меньше истинного. Поскольку изменение за один период невелико (около 15 с), эффект обнаруживается только при большом количестве наблюдений, выполненных в течение длительного периода времени. Если, например, мы наблюдаем затмения в течение шести месяцев, начиная с момента противостояния Земли (точка E1) до момента «соединения» (точка E3), то интервал времени между первым и последним затмениями будет 1320 s больше, чем теоретически рассчитанный. Теоретический расчет периода затмения проводился в точках орбиты, близких к противоположности. Там, где расстояние между Землей и Юпитером практически не меняется со временем.

Результирующее расхождение может быть объяснено только тем, что в течение шести месяцев Земля перешла из точки E1 в точку E3, и в конце шести месяцев свет должен пройти путь, больший, чем в начале, по значению сегмента E1E3, равный диаметру земной орбиты. Таким образом, лаги, которые не заметны в течение отдельного периода, накапливаются и образуют результирующее отставание. Задержка, определенная Ремером, составила 22 минуты. Принимая диаметр орбиты Земли равным км, можно получить значение скорости света 226 000 км/с.

Читайте также:  Реестр средств измерений счетчик электроэнергии

Значение скорости света, определенное на основе измерений Рёмера, оказалось меньше текущего значения. Позже были сделаны более точные наблюдения затмений, в которых время задержки оказалось равным 16,5 минутам, что соответствует скорости света 301 000 км/ с.

Метод легкой аберрации

Для наземного наблюдателя направление линии визирования к звезде не будет одинаковым, если это направление определяется в разное время года, то есть в зависимости от положения Земли на ее орбите. Если направление к какой-либо звезде определяется с шестимесячным интервалом, то есть в положениях Земли на противоположных концах диаметра орбиты Земли, то угол между двумя полученными направлениями называется годовым параллаксом. Чем дальше звезда, тем меньше ее угол параллакса. Измеряя углы параллакса различных звезд, вы можете определить расстояние этих звезд от нашей планеты.

В 1725-1728 гг. Брэдли Джеймс, английский астроном, измерил годовой параллакс неподвижных звезд. Наблюдая за одной из звезд в созвездии Драко, он обнаружил, что ее положение изменилось в течение года. За это время она описала небольшой круг, угловые размеры которого были равны 40,9″. В целом, в результате орбитального движения Земли звезда описывает эллипс, главная ось которого имеет такие же угловые размеры. Для звезд, лежащих в плоскости эклиптики, эллипс вырождается в прямую линию, а для звезд, лежащих на полюсе по кругу (эклиптика это большой круг небесной сферы, вдоль которого происходит видимое годовое движение Солнца происходит).

Величина смещения, измеренная Брэдли, была значительно выше, чем ожидаемое смещение параллакса. Брэдли назвал это явление аберрацией света и объяснил это конечностью скорости света. За то короткое время, в течение которого свет, падающий на линзу телескопа, распространяется от линзы к окуляру, окуляр смещается на очень маленький отрезок в результате орбитального движения Земли. В результате изображение звезды сместится к сегменту а. Направив телескоп на звезду снова, его придется немного наклонить в направлении движения Земли, чтобы изображение звезды снова совпадало с центром перекрестия в окуляре.

Пусть угол наклона телескопа будет б. Обозначим время, необходимое для прохождения света через отрезок, равное расстоянию от объектива телескопа до его окуляра, равное f. Затем сегмент.

Из измерений Брэдли было известно, что при двух положениях Земли, лежащих на одном диаметре орбиты, звезда, по-видимому, смещена из своего истинного положения на тот же угол. Угол между этими направлениями наблюдения, откуда, зная скорость Земли на орбите, можно узнать скорость света. Брэдли получил s = 306000 км/с.

Следует отметить, что явление аберрации света связано с изменением направления скорости Земли в течение года. Объяснение этого явления основано на корпускулярных представлениях о свете. Рассмотрение аберрации света с точки зрения волновой теории является более сложным и связано с вопросом о влиянии движения Земли на распространение света.

Ремер и Брэдли показали, что скорость света конечна, хотя это имеет большое значение. Для дальнейшего развития теории света было важно установить, от каких параметров зависит скорость света и как она изменяется при переходе света из одной среды в другую. Для этого необходимо было разработать методы измерения скорости света наземных источников. Первые попытки таких экспериментов были предприняты в начале 19 века.

Метод прерывания (метод Физо)

Первый экспериментальный метод определения скорости света земных источников был разработан в 1449 году французским физиком Арманом Ипполитом Луи Физо.

Свет, распространяющийся от источника s, частично отражается от полупрозрачной пластины P и направляется на зеркало M. На пути луча находится прерыватель света K, ось которого OO ‘параллельна лучу. Лучи света проходят через зазоры между зубцами, отражаются зеркалом М и возвращаются через зубчатое колесо и пластину Р к наблюдателю.

При медленном вращении колеса K свет, пройдя через зазор между зубами, успевает вернуться через тот же зазор и попадает в глаз наблюдателя. В те моменты, когда путь лучей пересекает зуб, свет не достигает наблюдателя. Таким образом, при низкой угловой скорости наблюдатель воспринимает мерцающий свет. Если скорость вращения колеса увеличивается, то при определенном значении свет, проходящий через один зазор между зубами, доходящий до зеркала и возвращающийся назад, не попадет в тот же зазор d, но будет заблокирован зубом который занял позицию промежутка d к этому времени. Следовательно, при угловой скорости свет вообще не попадет в глаз наблюдателя ни из интервала d, ни из всех последующих (первое затемнение).

В установке Физо длина основания составляла 8,63 км, количество зубьев в колесе 720, и первое потемнение происходило с частотой 12,6 об/с. Если скорость вращения колеса удвоится, то будет наблюдаться просветленное поле зрения, при тройной скорости вращения снова произойдет потемнение и т. д. по расчетам Физо, значение скорости света составляет 313300 км / с.

Основная сложность таких измерений точное установление времени потемнения. Точность улучшается как с увеличением базовой частоты, так и с частотой прерываний, что позволяет наблюдать затемнение более высокого порядка. Так, в 1902 году Перротин провел измерения с базовой длиной 46 км и получил значение скорости света 29987050 км/с работы проводились в исключительно чистом морском воздухе с использованием высококачественной оптики.

Вместо вращающегося колеса могут использоваться другие, более продвинутые способы прерывания света, например, ячейка Керра, с помощью которой луч света может прерываться 107 раз в секунду. В этом случае вы можете значительно уменьшить базу. Так, в установке Андерсона (1941) с ячейкой Керра и фотоэлектрической записью база составляла всего 3 метра. Он получил значение с = 29977614 км/с.

Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)

Метод определения скорости света, разработанный в 1862 году Фуко, можно отнести к первым лабораторным методам. Этим методом Фуко измерял скорость света в средах, для которых показатель преломления n>1.

Свет от источника S проходит через полупрозрачную пластину P, линзу L и падает на плоское зеркало M1, которое может вращаться вокруг своей оси O, перпендикулярной плоскости чертежа. После отражения от зеркала M1 луч света направляется на стационарное вогнутое зеркало M2, расположенное так, что этот луч всегда падает перпендикулярно его поверхности и отражается по одному и тому же пути на зеркало M1. Если зеркало M1 неподвижно, то отраженный от него луч вернется по своей первоначальной траектории к пластине P, частично отражая, с которой он даст изображение источника S в точке S1.

Когда зеркало M1 вращается в течение времени, пока свет проходит путь 2l между обоими зеркалами и возвращается назад, зеркало M1, вращающееся с угловой скоростью, будет вращаться на угол и принять положение, пунктирная линия Пучок, отраженный от зеркала относительно исходного, будет повернут на угол и даст изображение источника в точке S2. Измеряя расстояние S1S2 и зная геометрию установки, вы можете определить угол и рассчитать скорость света.

Таким образом, суть метода Фуко заключается в точном измерении времени, когда свет проходит расстояние 2l. Это время оценивается по углу поворота зеркала M1, скорость вращения которого известна. Угол поворота определяется на основании измерений смещения S1S2. В экспериментах Фуко скорость вращения составляла 800 об / с, база l варьировалась от 4 до 20 км. Значение было найдено с = 298000500 км/с.

Фуко на своей установке впервые измерил скорость света в воде. Поместив трубу, заполненную водой между зеркалами, Фуко обнаружил, что угол сдвига увеличился в раз, и поэтому скорость распространения света в воде, рассчитанная по приведенной выше формуле, оказалась равной (3/4) с. Показатель преломления света в воде, рассчитанный по формулам волновой теории, оказался равным, что полностью соответствует закону Снелла. Таким образом, на основании результатов этого эксперимента была подтверждена обоснованность волновой теории света, и полувековой спор в ее пользу был окончен.

Заключение

В 1926 году установка Майкельсона была выполнена между двумя горными вершинами, так что расстояние, пройденное лучом от источника до его изображения после отражений от первой грани восьмигранной зеркальной призмы, зеркал M2 M7 и пятой грани, составляло около 35,4 км. Скорость вращения призмы (приблизительно 528 об/с) была выбрана такой, чтобы при распространении света от первой грани к пятой призма успевала вращаться на 1/8 оборота. Возможное смещение пятна на неточно выбранной скорости сыграло роль коррекции. Скорость света, определенная в этом эксперименте, оказалась равной 2997964 км/с.

Среди других методов отметим измерение скорости света, проведенное в 1972 году путем независимого определения длины волны и частоты света. Источником света служил гелий-неоновый лазер, излучающий 3,39 мкм. В этом случае длина волны измерялась с помощью интерферометрического сравнения со стандартом оранжевого излучения криптона, а частота измерялась с помощью радиотехнических методов. Скорость света определено по этому методу 299792,45620,001 км/с. Авторы метода считают, что достигнутая точность может быть увеличена за счет улучшения воспроизводимости измерений длины и стандартов времени.

В заключение отметим, что при определении скорости света измеряются и групповые скорости, которые совпадают с фазовой скоростью только для вакуума.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в whatsapp.

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназачен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Источник

Урок 1. СКОРОСТЬ СВЕТА

В геометрической оптике исследуется только направление световых лучей. Вопрос о том, как протекает процесс распространения света во времени, выходит за рамки геометрической оптики. Более глубоко свойства света и его взаимодействие с веществом рассматриваются, в физической (волновой)оптике. Мы начнем эту главу с рассказа о том, как была измерена скорость света.

Когда мы поворачиваем выключатель, то вся комната сразу же озаряется светом. Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен. Делались многочисленные попытки определить скорость света. Для этого пытались измерить по точным часам время распространения светового сигнала на большие расстояния (несколько километров). Но эти попытки не дали результатов. Начали думать, что распространение света совсем не требует времени, что свет любые расстояния преодолевает мгновенно. Однако оказалось, что скорость света не бесконечно велика, и эта скорость была в конце концов измерена.

Астрономический метод измерения скорости света

Скорость света впервые удалось измерить датскому ученому О. Рёмеру в 1676 г. Рёмер был астрономом, и его успех объясняется именно тем, что проходимые светом расстояния, которые он использовал для измерений, были очень велики. Это расстояния между планетами Солнечной системы.

Рёмер наблюдал затмения спутников Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы. Юпитер в отличие от Земли имеет четырнадцать спутников. Ближайший его спутник — Ио — стал предметом наблюдений Рёмера. Он видел, как спутник проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 ч 28 мин. Таким образом, эта «луна» представляла собой громадные небесные часы, через равные промежутки времени посылавшие свои сигналы на Землю.

Вначале измерения производились в то время, когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру (рис. 1). Такие же измерения, проведенные несколько месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера, неожиданно показали, что спутник опоздал появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио.

Рёмер объяснял это так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время, наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 мин раньше. Запаздывание в этом случае происходит от того, что свет употребляет 22 мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения». Зная запаздывание появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние на время запаздывания. Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 300.000 км/с. Поэтому-то крайне трудно уловить время распространения света между двумя удаленными точками на Земле. Ведь за одну секунду свет проходит расстояние, большее длины земного экватора в 7,5 раза.

Лабораторные методы измерения скорости света

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику И. Физо в 1849 г.

В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1 (рис.2). После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. В чем же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым.

При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 км и для скорости света было получено значение 313.000 км/с.

Было разработано еще много других, более точных лабораторных ме­тодов измерения скорости света. В частности, американский физик А. Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал.

Была измерена скорость в различных прозрачных веществах. Скорость света в воде была измерена в 1856 г. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в вакууме. Во всех других веществах она также меньше, чем в вакууме.

Читайте также:  Методы измерения результатов производства

Но современным данным, скорость света в вакууме равна 299.792.458 м/с с точностью ± 1,2 м/с. Приближенно скорость света можно считать равной 3·10 8 м/с. Это значение скорости света нужно обязательно запомнить.

Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль. Оно в значительной степени способствовало выяснению природы света. Особое значение скорость света имеет потому, что ни одно тело в мире не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Это стало ясным после создания теории относительности, о которой пойдет речь в следующей главе.

? Чему приближенно равна скорость света в вакууме?

Источник

Классические опыты по измерению скорости света

Скорость света в свободном пространстве (вакууме) – скорость распространения любых электромагнитных волн, в том числе и световых. Представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий и инвариантна при переходе от одной системы отсчета к другой.

Задача определения скорости света принадлежит к числу важнейших проблем оптики и физики вообще. Решение этой задачи имело огромное принципиальное и практическое значение. Установление того, что скорость распространения света конечна, и измерение этой скорости сделали более конкретными и ясными трудности, стоящие перед различными оптическими теориями. Первые методы определения скорости света, опиравшиеся на астрономические наблюдения, способствовали со своей стороны ясному пониманию чисто астрономических вопросов. Точные лабораторные методы определения скорости света, выработанные в последствии, используются при геодезической съёмке.

Скорость света в среде зависит от показателя преломления среды n, различного для разных частот n излучения: с’( n ) = c/n( n ).

Основная трудность, на которую наталкивается экспериментатор при определении скорости распространения света, связана с огромным значением этой величины, требующим совсем иных масштабов опыта, чем те, которые имеют место в классических физических измерениях. Эта трудность дала себя знать в первых научных попытках определения скорости света, предпринятых ещё Галилеем (1607 г.). Опыт Галилея состоял в следующем: два наблюдателя на большом расстоянии друг от друга снабжены закрывающимися фонарями. Наблюдатель А открывает фонарь; через известный промежуток времени свет дойдет до наблюдателя В, который в тот же момент открывает свой фонарь; спустя определенное время этот сигнал дойдет до А, и последний может, таким образом, отметить время τ, протекшее от момента подачи им сигнала до момента его возвращения. Предполагая, что наблюдатели реагируют на сигнал мгновенно и что свет обладает одной и той же скоростью в направлении АВ и ВА, получим, что путь АВ+ВА=2D свет проходит за время τ, т.е. скорость света с=2D/τ. Второе из сделанных допущений может считаться весьма правдоподобным. Современная теория относительности возводит даже это допущение в принцип. Но предположение о возможности мгновенно реагировать на сигнал не соответствует действительности, и поэтому при огромной скорости света попытка Галилея не привела ни к каким результатам; по существу, измерялось не время распространения светового сигнала, а время, потраченное наблюдателем на реакцию. Положение можно улучшить, если наблюдателя В заменить зеркалом, отражающим свет, освободившись таким образом от ошибки, вносимой одним из наблюдателей. Эта схема измерений осталась, по существу, почти во всех современных лабораторных приемах определения скорости света; однако впоследствии были найдены превосходные приемы регистрации сигналов и измерения промежутков времени, что и позволило определить скорость света с достаточной точностью даже на сравнительно небольших расстояниях.

Астрономические методы определения скорости света

Метод Рёмера

Впервые скорость света определил в 1676 году О. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера.

Юпитер имеет несколько спутников, которые либо видны с Земли вблизи Юпитера, либо скрываются в его тени. Астрономические наблюдения над спутниками Юпитера показывают, что средний промежуток времени между двумя последовательными затмениями какого-нибудь определённого спутника Юпитера зависит от того, на каком расстоянии друг от друга находятся Земля и Юпитер во время наблюдений.

Метод Рёмера (1676 г.), основанный на этих наблюдениях, можно пояснить с помощью рис.9.1. Пусть в определённый момент времени Земля З1 и Юпитер Ю1 находятся в противостоянии и в этот момент времени один из спутников Юпитера, наблюдаемый с Земли, исчезает в тени Юпитера. Тогда, если обозначить через R и r радиусы орбит Юпитера и Земли и через с — скорость света в системе координат, связанной с Солнцем, на Земле уход спутника в тень Юпитера будет зарегистрирован на секунд позже, чем он совершается во временной системе отсчёта, связанной с Юпитером.

По истечении 0,545 года Земля З2 и Юпитер Ю2 находятся в соединении. Если в это время происходит n-е затмение того же спутника Юпитера, то на Земле оно будет зарегистрировано с опозданием на секунд. Поэтому, если период обращения спутника вокруг Юпитера t, то промежуток времени T1, протекший между первым и n-м затмениями, наблюдавшимися с Земли, равен

Рис. 9.1. К определению скорости света по методу Рёмера

По истечении ещё 0,545 года Земля З3 и Юпитер Ю3 будут вновь находиться в противостоянии. За это время совершились (n-1) оборотов спутника вокруг Юпитера и (n-1) затмений, из которых первое имело место, когда Земля и Юпитер занимали положения З2 и Ю2, а последнее — когда они занимали положение З3 и Ю3. Первое затмение наблюдалось на Земле с запозданием , а последнее с запозданием по отношению к моментам ухода спутника в тень планеты Юпитера. Следовательно, в этом случае имеем:

Рёмер измерил промежутки времени Т1 и Т2 и нашёл, что Т1Т2=1980 с. Но из написанных выше формул следует, что Т1Т2=, поэтому . Принимая r, среднее расстояние от Земли до Солнца, равным 150·10 6 км, находим для скорости света значение: с=301·10 6 м/с.

Этот результат был исторически первым измерением скорости света.

Определение скорости света по наблюдению аберрации

В 1725-1728 гг. Брадлей предпринял наблюдения с целью выяснить, существует ли годичный параллакс звёзд, т. е. кажущееся смещение звёзд на небесном своде, отображающее движение Земли по орбите и связанное с конечностью расстояния от Земли до звезды. Звезда в своём параллактическом движении должна описывать эллипс, угловые размеры которого тем больше, чем меньше расстояние до звезды.

Для звёзд, лежащих в плоскости эклиптики, этот эллипс вырождается в прямую, а для звёзд у полюса — в окружность. Брадлей действительно обнаружил подобное смещение. Но большая ось эллипса оказалась для всех звёзд имеющие одни и те же угловые размеры, а именно 2α=40″,9. Брадлей объяснил (1728 г.) наблюдённое явление, названное им аберрацией света, конечностью скорости распространения света и использовал его для определения этой скорости. Годичный параллакс был установлен более ста лет спустя В. Я. Струве и Бесселем (1837, 1838 гг.).

Для простоты будем вместо телескопа пользоваться визирным приспособлением, состоящим из двух небольших отверстий, расположенных по оси трубы. Когда скорость Земли совпадает по направлению с SE, ось трубы указывает на звезду. Когда же скорость Земли (и трубы) составляет угол j с направлением на звезду, то для того, чтобы луч света оставался на оси трубы, трубу надо повернуть на угол a (рис. 9.2), ибо за время t, пока свет проходит путь SE, сама труба перемещается на расстояние E‘Е=ut. Из рис. 9.2 можно определить поворот a. Здесь SE определяет направление оси трубы без учёта аберрации, SE — смещенное направление оси, обеспечивающее прохождение света вдоль оси трубы в течение всего времени t. Пользуясь тем, что угол a очень мал, так как u 2nd Июнь 2009

Источник

Статья: Астрономический метод измерения скорости света
статья по физике (11 класс) по теме

Астрономический метод измерения скорости света

Скачать:

Вложение Размер
Статья 84.85 КБ

Предварительный просмотр:

Астрономический метод измерения скорости света

В геометрической оптике исследуется только направление световых лучей. Вопрос о том, как протекает процесс распространения света во времени, выходит за рамки геометрической оптики. Более глубоко свойства света и его взаимодействие с веществом рассматриваются, в физической (волновой)оптике. Мы начнем эту главу с рассказа о том, как была измерена скорость света.

Когда мы поворачиваем выключатель, то вся комната сразу же озаряется светом. Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен. Делались многочисленные попытки определить скорость света. Для этого пытались измерить по точным часам время распространения светового сигнала на большие расстояния (несколько километров). Но эти попытки не дали результатов. Начали думать, что распространение света совсем не требует времени, что свет любые расстояния преодолевает мгновенно. Однако оказалось, что скорость света не бесконечно велика, и эта скорость была в конце концов измерена.

Скорость света впервые удалось измерить датскому ученому О. Рёмеру в 1676 г. Рёмер был астрономом, и его успех объясняется именно тем, что проходимые светом расстояния, которые он использовал для измерений, были очень велики. Это расстояния между планетами Солнечной системы.

Рёмер наблюдал затмения спутников Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы. Юпитер в отличие от Земли имеет четырнадцать спутников. Ближайший его спутник — Ио — стал предметом наблюдений Рёмера. Он видел, как спутник проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 ч 28 мин. Таким образом, эта «луна» представляла собой громадные небесные часы, через равные промежутки времени посылавшие свои сигналы на Землю.

Вначале измерения производились в то время, когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру (рис. 1). Такие же измерения, проведенные несколько месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера, неожиданно показали, что спутник опоздал появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио.

Рёмер объяснял это так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время, наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 мин раньше. Запаздывание в этом случае происходит от того, что свет употребляет 22 мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения». Зная запаздывание появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние на время запаздывания. Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 300.000 км/с. Поэтому-то крайне трудно уловить время распространения света между двумя удаленными точками на Земле. Ведь за одну секунду свет проходит расстояние, большее длины земного экватора в 7,5 раза.

Лабораторные методы измерения скорости света

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику И. Физо в 1849 г.

В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1 (рис.2). После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. В чем же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым.

При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 км и для скорости света было получено значение 313.000 км/с.

Было разработано еще много других, более точных лабораторных методов измерения скорости света. В частности, американский физик А. Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал.

Была измерена скорость в различных прозрачных веществах. Скорость света в воде была измерена в 1856 г. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в вакууме. Во всех других веществах она также меньше, чем в вакууме.

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Презентация по физике 10 класс по теме «Измерение скоростей молекул газ. Опыт Штерна». Учебник физики Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский.

Разработка урока по пропедевтическому курсу физики в 5 классе по программе М.Д. Даммер.

Краткое изложение темы «Природа света. Скорость света.» в 12 классе в вечерней школе .Использованы материалы Интернета.

Подключение к Инету :).

План-конспект урока физики для 8 класса «Закон отражения света. Плоское зеркало. Скорость света».

Бланк лабораторной работы.

Компьютерный тест, составлен в программе Mytest. Предназначен для проверки уровня знаний учащихся 11 класса по теме «Скорость света. Принцип Гюйгенса. Законы отражения света.» Тест составлен.

Источник

Скорость света и методы ее определения

Астрономические методы измерения скорости света, основанные на измерении времени прохождения светового сигнала от небесного светила до Земли. Определение скорости света земных источников экспериментальными методами прерывания и вращающегося зеркала.

Рубрика Физика и энергетика
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 28.06.2013
Размер файла 148,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Скорость света и методы ее определения

1. Астрономические методы измерения скорости света

1.1 Метод Рёмера

1.2 Метод аберрации света

1.3 Метод прерываний (метод Физо)

1.4 Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)

1.5 Метод Майкельсона

Скорость света — одна из наиболее важных физических констант, которые называют фундаментальными. Эта константа имеет особое значение как в теоретической, так и в экспериментальной физике и смежных с нею науках. Точное значение скорости света требуется знать в радио- и светолокации, при измерении расстояний от Земли до других планет, управлении спутниками и космическими кораблями. Определение скорости света наиболее важно для оптики, в частности, для оптики движущихся сред, и физики вообще. Познакомимся с методами определения скорости света.

1. Астрономические методы измерения скорости света

Первые измерения скорости света были основаны на астрономических наблюдениях. Достоверное значение скорости света, близкое к современному ее значению, было получено впервые Рёмером в 1676 году при наблюдении затмений спутников планеты Юпитер.

Время прохождения светового сигнала от небесного светила до Земли зависит от дальности L расположения светила. Явление, происходящее на каком-то небесном теле, наблюдается с запаздыванием, равным времени прохождения света от светила до Земли:

где с — скорость света.

Если наблюдать какой-либо периодический процесс, происходящий в удаленной от Земли системе, то при неизменном расстоянии между Землей и системой наличие этого запаздывания не будет влиять на период наблюдаемого процесса. Если же за время периода Земля удалится от системы или приблизится к ней, то в первом случае окончание периода будет зарегистрировано с большим запаздыванием, чем его начало, что приведет к кажущемуся увеличению периода. Во втором случае, наоборот, окончание периода будет зафиксировано с меньшим запаздыванием, чем его начало, что приведет к кажущемуся уменьшению периода. В обоих случаях кажущееся изменение периода равно отношению разности расстояний между землей и системой в начале и конце периода к скорости света.

Изложенные соображения лежат в основе метода Рёмера.

Рёмер проводил наблюдения за спутником Ио, период обращения которого 42 ч 27 мин 33 с.

При движении Земли по участку орбиты Е1 Е2 Е3 она удаляется от Юпитера и должно наблюдаться увеличение периода. При движении по участку Е3 Е4 Е1 наблюдаемый период будет меньше истинного. Так как изменение одного периода мало (около 15 с), то эффект обнаруживается только при большом числе наблюдений, проводимых в течение длительного промежутка времени. Если например, наблюдать затмения в течение полугода, начиная с момента противостояния Земли (точка Е1) до момента «соединения» (точка Е3), то промежуток времени между первым и последним затмениями будет на 1320 с больше вычисленного теоретически. Теоретический расчет периода затмений проводился в точках орбиты, близких к противостоянию. Где расстояние между Землей и Юпитером практически не изменяется со временем.

Полученное расхождение можно объяснить только тем, что в течение полугода Земля перешла из точки Е1 в точку Е3 и свету приходится в конце полугодия проходить путь, больший, чем в начале, на величину отрезка Е1Е3, равного диаметру земной орбиты. Таким образом, незаметные для отдельного периода запаздывания накапливаются и образуют результирующее запаздывание. Величина запаздывания, определенная Рёмером, составляла 22 мин. Принимая диаметр орбиты Земли равным км, можно получить для скорости света значение 226000 км/с.

Значение скорости света, определенное на основании измерений Рёмера, оказалось меньше современного значения. Позже были выполнены более точные наблюдения затмений, в которых время запаздывания оказалось равным 16,5 мин, что соответствует скорости света 301000 км/с.

1.2 Метод аберрации света

свет скорость измерение астрономический

Для земного наблюдателя направление луча зрения на звезду будет неодинаковым, если это направление определять в разные времена года, то есть в зависимости от положения Земли на ее орбите. Если направление на какую-либо звезду определять с полугодовыми промежутками, то есть при положениях Земли на противоположных концах диаметра земной орбиты, то угол между полученными двумя направлениями называют годичным параллаксом (рис. .2). Чем дальше находится звезда, тем меньше ее параллактический угол. Измеряя параллактические углы различных звезд, можно определить расстояние этих звезд до нашей планеты.

В 1725-1728 гг. Брэдли (Bradley) Джеймс, английский астроном, измерил годичный параллакс неподвижных звезд. Наблюдая за одной из звезд в созвездии Дракона, он обнаружил, что ее положение менялось в течение года. За это время она описала небольшую окружность, угловые размеры которой были равны 40,9”. В общем случае в результате движения Земли по орбиту звезда описывает эллипс, большая ось которого имеет те же угловые размеры. Для звезд, лежащих в плоскости эклиптики, эллипс вырождается в прямую, а для звезд, лежащих у полюса — в окружность. (Эклиптикой называется большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца.)

Величина смещения, измеренная Брэдли, оказалась значительно больше ожидаемого параллактического смещения. Брэдли назвал это явление аберрацией света и объяснил его конечностью скорости света. За то короткое время, в течение которого свет, упавший на объектив телескопа, распространяется от объектива до окуляра, окуляр в результате движения Земли по орбите сдвигается на очень малый отрезок (рис. .3). Вследствие этого изображение звезды сместится на отрезок а. Направляя вновь телескоп на звезду, его придется несколько наклонить в направлении движения Земли, чтобы изображение звезды опять совпало с центром перекрестия нитей в окуляре.

Пусть угол наклона телескопа равен б. Обозначим время, необходимое свету для прохождения отрезка в, равного расстоянию от объектива телескопа до его окуляра, равно ф. Тогда отрезок , и

Из измерений Брэдли было известно, что при двух положениях Земли, лежащих на одном диаметре орбиты, звезда кажется смещенной от истинного положения на один и тот же угол . Угол между этими направлениями наблюдения , откуда, зная скорость Земли на орбите, можно найти скорость света. Брэдли получил с = 306000 км/с.

Следует отметить, что явление аберрации света связано с изменением направления скорости Земли в течение года. Объяснение этого явления базируется на корпускулярных представлениях о свете. Рассмотрение аберрации света с позиций волновой теории более сложно и связано с вопросом о влиянии движения Земли на распространение света.

Рёмером и Брэдли было показано, что скорость света конечна, хотя и имеет огромное значение. Для дальнейшего развития теории света важно было установить, от каких параметров зависит скорость света и как она изменяется при переходе света из одной среды в другую. Для этого необходимо было разработать методы измерения скорости света земных источников. Первые попытки таких экспериментов были предприняты в начале XIX века.

1.3 Метод прерываний (метод Физо)

Первый экспериментальный метод определения скорости света земных источников был разработан в 1449 г. французским физиком Арманом Ипполитом Луи Физо. Схема опыта представлена на рис. .4.

Свет, распространяющийся от источника s, частично отражается от полупрозрачной пластинки Р и направляется к зеркалу М. На пути луча располагается прерыватель света — зубчатое колесо К, ось которого ОО’ параллельна лучу. Лучи света проходят через промежутки между зубьями, отражаются зеркалом М и направляются обратно через зубчатое колесо и пластинку Р к наблюдателю.

При медленном вращении колеса К свет, пройдя через промежуток между зубьями, успевает возвратиться через тот же промежуток и попадает в глаз наблюдателя. В те моменты, когда путь лучей пересекается зубцом, свет не попадает к наблюдателю. Таким образом, при малой угловой скорости наблюдатель воспринимает мелькающий свет. Если увеличить скорость вращения колеса, то при некотором значении свет, прошедший через один промежуток между зубьями, дойдя до зеркала и вернувшись обратно, не попадет в тот же самый промежуток d, а будут перекрыт зубцом, занявшим к этому моменту положение промежутка d. Следовательно, при угловой скорости в глаз наблюдателя свет совсем не будет попадать ни от промежутка d, ни от всех последующих (первое затемнение). Если взять число зубцов п, то время поворота колеса на ползубца равно

Время прохождения светом расстояния от колеса до зеркала М и обратно равно

где l — расстояние до колеса от зеркала (база). Приравнивая эти два интервала времени, получаем условие, при котором наступает первое затемнение:

откуда можно определить скорость света:

где — число оборотов в секунду.

В установке Физо база составляла 8,63 км, число зубцов в колесе 720 и первое затемнение наступило при частоте 12,6 об/с. Если увеличить скорость колеса вдвое, то будет наблюдаться просветленное поле зрения, при утроенной скорости вращения опять наступит затемнение и т.д. Вычисленное Физо значение скорости света 313300 км/с.

Основная трудность таких измерений заключается в точном установлении момента затемнения. Точность повышается как при увеличении базы, так и при скоростях прерываний, позволяющих наблюдать затемнения высших порядков. Так, Перротен в 1902 году провел измерения при длине базы 46 км и получил значение скорости света 29987050 км/с. Работа проводилась в условиях чрезвычайно чистого морского воздуха с использованием высококачественной оптики.

Вместо вращающегося колеса можно применять другие, более совершенные методы прерывания света, например, ячейку Керра, с использованием которой можно прерывать световой пучок 107 раз в секунду. При этом можно существенно сократить базу. Так, в установке Андерсона (1941 г.) с ячейкой Керра и фотоэлектрической регистрацией база составляла всего 3 м. Им получено значение с = 29977614 км/с.

1.4 Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)

Метод определения скорости света, разработанный в 1862 году Фуко, можно отнести к первым лабораторным методам. Этим методом Фуко измерил скорость света в средах, для которых показатель преломления n>1.

Схема установки Фуко приведена на рис. 5.

Свет от источника S проходит через полупрозрачную пластинку Р, линзу L и падает на плоское зеркало M1, которое может вращаться вокруг своей оси О, перпендикулярной к плоскости чертежа. После отражения от зеркала M1 луч света направляется на неподвижное вогнутое зеркало М 2, расположенное так, чтобы этот луч всегда падал перпендикулярно к его поверхности и отражался по тому же пути на зеркало M1. Если зеркало M1 неподвижно, то отраженный от него луч возвратится по своему первоначальному пути к пластинке Р, частично отражаясь от которой он даст изображение источника S в точке S1.

При вращении зеркала M1 за время, пока свет проходит путь 2l между обоими зеркалами и возвращается обратно (), вращающееся с угловой скоростью зеркало M1 повернется на угол

и займет положение, показанное на рис. .5 пунктиром. Отраженный от зеркала луч по отношению к первоначальному будет повернут на угол и даст изображение источника в точке S2. Измерив расстояние S1S2 и зная геометрию установки, можно определить угол и вычислить скорость света:

Таким образом, суть метода Фуко заключается в точном измерении времени прохождения светом расстояния 2l. Это время оценивается по углу поворота зеркала M1, скорость вращения которого известна. Угол поворота определяется на основе измерений смещения S1S2. В опытах Фуко скорость вращения составляла 800 об/с, база l изменялась от 4 до 20 км. Было найдено значение с = 298000500 км/с.

Фуко на своей установке впервые измерил скорость света в воде. Поместив между зеркалами трубу, наполненную водой, Фуко обнаружил, что угол сдвига возрос в ѕ раза, а следовательно, рассчитанная по записанной выше формуле скорость распространения света в воде оказалась равной (3/4)с. Вычисленный по формулам волновой теории показатель преломления света в воде получился равным , что полностью соответствует закону Снеллиуса. Таким образом, на основе результатов этого эксперимента была подтверждена справедливость волновой теории света, и был закончен полутора вековой спор в ее пользу.

1.5 Метод Майкельсона

В 1926 году установка Майкельсона была выполнена между двумя горными вершинами, так что расстояние, проходимое лучом от источника до его изображения после отражений от первой грани восьмигранной зеркальной призмы, зеркал М 2 М 7 и пятой грани, составляло около 35,4 км. Скорость вращения призмы (приблизительно 528 об/с) выбиралась такой, чтобы за время распространения света от первой грани до пятой призма успевала повернуться на 1/8 оборота. Возможное смещение зайчика при неточно подобранной скорости играло роль поправки. Скорость света, определенная в этом опыте, оказалась равной 2997964 км/с.

Из других методов отметим выполненное в 1972 году измерение скорости света путем независимого определения длины волны и частоты света. Источником света служил гелий-неоновый лазер, генерирующий излучение 3,39 мкм. При этом длина волны измерялась с помощью интерферометрического сравнения с эталоном длины оранжевого излучения криптона, а частота — с помощью радиотехнических методов. Скорость света

определенная этим методом, составила 299792,45620,001 км/с. Авторы метода считают, что достигнутая точность может быть повышена за счет улучшения воспроизводимости измерений эталонов длины и времени.

В заключение отметим, что при определении скорости света измеряется групповая скорость и, которая лишь для вакуума совпадает с фазовой.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Разделение четырехмерного пространства на физическое время и трехмерное пространство. Постоянство и изотропия скорости света, определение одновременности. Расчет эффекта Саньяка в предположении анизотропии скорости света. Изучение свойств NUT-параметра.

статья [26,4 K], добавлен 22.06.2015

Видимое излучение и теплопередача. Естественные, искусственные люминесцирующие и тепловые источники света. Отражение и преломление света. Тень, полутень и световой луч. Лунное и солнечное затмения. Поглощение энергии телами. Изменение скорости света.

презентация [399,4 K], добавлен 27.12.2011

Преобразование света при его падении на границу двух сред: отражение (рассеяние), пропускание (преломление), поглощение. Факторы изменения скорости света в веществах. Проявления поляризации и интерференции света. Интенсивность отраженного света.

презентация [759,5 K], добавлен 26.10.2013

Развитие представления о пространстве и времени. Парадигма научной фантастики. Принцип относительности и законы сохранения. Абсолютность скорости света. Парадокс замкнутых мировых линий. Замедление хода времени в зависимости от скорости движения.

реферат [21,5 K], добавлен 10.05.2009

Понятие дисперсии света. Нормальная и аномальная дисперсии. Классическая теория дисперсии. Зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты. Разложение белого света дифракционной решеткой. Различия в дифракционном и призматическом спектрах.

презентация [4,4 M], добавлен 02.03.2016

Устройство фотометрической головки. Световой поток и мощность источника света. Определение силы света, яркости. Принцип фотометрии. Сравнение освещенности двух поверхностей, создаваемой исследуемыми источниками света.

лабораторная работа [53,2 K], добавлен 07.03.2007

Основные принципы геометрической оптики. Изучение законов распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче. Астрономические и лабораторные методы измерения скорости света, рассмотрение законов его преломления.

презентация [1,5 M], добавлен 07.05.2012

Источник