Меню

Леон фуко метод измерения скорости света



Как измеряли скорость света?

Действительно, как? Как измерить самую высокую скорость во Вселенной в наших скромных, Земных условиях? Нам уже не нужно ломать над этим голову – ведь за несколько веков столько людей трудилось над этим вопросом, разрабатывая методы измерения скорости света. Начнем рассказ по порядку.

Скорость света – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме. Она обозначается латинской буквой c. Скорость света равняется приблизительно 300 000 000 м/с.

Сначала над вопросом измерения скорости света вообще никто не задумывался. Есть свет – вот и отлично. Затем, в эпоху античности, среди ученых философов господствовало мнение о том, что скорость света бесконечна, то есть мгновенна. Потом было Средневековье с инквизицией, когда главным вопросом мыслящих и прогрессивных людей был вопрос «Как бы не попасть в костер?» И только в эпохи Возрождения и Просвещения мнения ученых расплодились и, конечно же, разделились.

8 минут — время, за которое свет проходит расстояние от Солнца до Земли

Так, Декарт, Кеплер и Ферма были того же мнения, что и ученые античности. А вот Галилео Галилей считал, что скорость света конечна, хоть и очень велика. Собственно, он и произвел первое измерение скорости света. Точнее, предпринял первую попытку по ее измерению.

Опыт Галилея

Опыт Галилео Галилея был гениален в своей простоте. Ученый проводил эксперимент по измерению скорости света, вооружившись простыми подручными средствами. На большом и известном расстоянии друг от друга, на разных холмах, Галилей и его помощник стояли с зажженными фонарями. Один из них открывал заслонку на фонаре, а второй должен был проделать то же самое, когда увидит свет первого фонаря. Зная расстояние и время (задержку перед тем, как помощник откроет фонарь) Галилей рассчитывал вычислить скорость света. К сожалению, для того, чтобы этот эксперимент увенчался успехом, Галилею и его помощнику нужно было выбрать холмы, которые находятся на расстоянии в несколько миллионов километров друг от друга. Хотелось бы напомнить, что вы можете заказать эссе, оформив заявку на сайте.

Галилео Галилей

Опыты Рёмера и Брэдли

Первым удачным и на удивление точным опытом по определению скорости света был опыт датского астронома Олафа Рёмера. Рёмер применил астрономический метод измерения скорости света. В 1676 он наблюдал в телескоп за спутником Юпитера Ио, и обнаружил, что время наступления затмения спутника меняется по мере отдаления Земли от Юпитера. Максимальное время запаздывания составило 22 минуты. Посчитав, что Земля удаляется от Юпитера на расстояние диаметра земной орбиты, Рёмер разделил примерное значение диаметра на время запаздывания, и получил значение 214000 километров в секунду. Конечно, такой подсчет был очень груб, расстояния между планетами были известны лишь примерно, но результат оказался относительно недалек от истины.

К измерению скорости света Рёмером

Опыт Брэдли. В 1728 году Джеймс Брэдли оценил скорость света наблюдая абберацию звезд. Абберация – это изменение видимого положения звезды, вызванное движением земли по орбите. Зная скорость движения Земли и измерив угол абберации, Брэдли получил значение в 301000 километров в секунду.

Опыт Физо

К результату опыта Рёмера и Брэдли тогдашний ученый мир отнесся с недоверием. Тем не менее, результат Брэдли был самым точным на протяжении сотни с лишним лет, аж до 1849 года. В тот год французский ученый Арман Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора, без наблюдений за небесными телами, а здесь, на Земле. По сути, это был первый после Галилея лабораторный метод измерения скорости света. Приведем ниже схему его лабораторной установки.

Установка Физо

Свет, отражаясь от зеркала, проходил через зубья колеса и отражался от еще одного зеркала, удаленного на 8,6 километров. Скорость колеса увеличивали до того момента, пока свет не становился виден в следующем зазоре. Расчеты Физо дали результат в 313000 километров в секунду. Спустя год подобный эксперимент с вращающимся зеркалом быо проведен Леоном Фуко, получившим результат 298000 километров в секунду.

С появлением мазеров и лазеров у людей появились новые возможности и способы для измерение скорости света, а развитие теории позволило также рассчитывать скорость света косвенно, без проведения прямых измерений.

Арман Ипполит Луи Физо

Самое точное значение скорости света

Человечество накопило огромный опыт по измерению скорости света. На сегодняшний день самым точным значением скорости света принято считать значение 299 792 458 метров в секунду, полученное в 1983 году. Интересно, что дальнейшее, более точное измерение скорости света, оказалось невозможным из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас значение метра привязано к скорости света и равняется расстоянию, которое свет проходит за 1 / 299 792 458 секунды.

Напоследок, как всегда, предлагаем посмотреть познавательное видео. Друзья, даже если перед Вами стоит такая задача, как самостоятельное измерение скорости света подручными средствами, Вы можете смело обратиться за помощью к нашим авторам. Заказать контрольную работу онлайн вы можете оформив заявку на сайте Заочника. Желаем Вам приятной и легкой учебы!

Читайте также:  Частота сердечного сокращения как измерить

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.

Читайте также:  Давление это формула единица измерения

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

Как была впервые измерена скорость света?

Каждый кто не прогуливал уроки физики в школе, знает, что свет распространяется с конечной скоростью, которая равна чуть меньше, чем 300 000 км/с. Однако знали это люди не всегда. В этой статье мы расскажем о том, как люди смогли понять, что свет распространяется не мгновенно и как смогли точно измерить эту скорость.

Как измерять скорость света?

Учёные древнего мира и средних веков считали, что свет распространяется мгновенно. Аристотель, бывший для средневековых учёных непререкаемым авторитетом считал, что скорость света бесконечно велика. Ему вторили его многочисленные последователи. Первым учёным, который решил проверить так ли это на самом деле был Галилео Галилей.

В 1600-м году он поставил опыт, при котором два человека стоя на удалённых друг от друга возвышенностях будут поочерёдно светить друг другу фонарями со специальными заслонками. На основании этого опыта Галилей пришел к выводу, что скорость света либо бесконечна, либо очень высока и не поддается измерению с помощью приборов того времени.

Еще долгое время учёные никак не могли подступиться к проблеме измерения скорости света. Некоторые учёные считали скорость света бесконечной (Иоганн Кеплер, Рене Декарт, Пеьер де Ферма), некоторые — конечной, но слишком большой для измерения экспериментально (Роберт Бойль, Роберт Гук).

Который час?

Открытие конечности скорости света было сделано во многом случайно, как побочный результат решения совсем другой задачи. В эпоху великих географических открытий для успешной навигации в океане для моряков крайне важно было уметь определять географические координаты корабля и если с определением широты особых проблем не было: широта довольно точно определялась по положению полярной звезды над горизонтом, то с долготой вышла заминка.

Для определения долготы необходимо знать местное время и сравнить его со временем на нулевом меридиане и с этим были проблемы. Сейчас не составляет труда взять с собой часы, время которых совпадает с Гринвичем, но в те времена это было затруднительно. Маятниковые часы на корабле из-за качки мгновенно приходили в негодность и выходя в море моряки теряли возможность сравнивать своё время с Гринвичем.

Проблема была настолько актуальна, что британский парламент учредил небывалый по тем временам приз в 20 000 фунтов стерлингов. С учётом инфляции сейчас эта сумма составила бы около полутора миллионов фунтов стерлингов.

Астрономия спешит на помощь

Естественным решением для этой задачи было использование для определения широты астрономических явлений, точное время возникновения которых по Гринвичу точно известно и не зависит от местного времени. Первым кандидатом на роль такого явления стали лунные затмения. Но точный момент лунного затмения довольно сложно определить в полевых условиях, из-за растянутости затмения во времени, а кроме того случались затмения достаточно редко и этот метод не годился для каждодневного использования.

Галилео Галилей предложил использовать наблюдение за затмениями спутников Юпитера, в частности Ио, которое происходит в среднем чуть чаще, чем раз в 2 дня. Метод Галилея предполагал составление астрономами таблиц, с указанием точного времени затмений Ио на долгое время вперёд. Затем моряки должны были наблюдать в телескоп затмение Ио и по таблицам определять точное время по Гринвичу.

Читайте также:  Как найти среднюю квадратичную погрешность одного измерения

Но на практике этот метод давал большую погрешность и долго не могли понять почему. Проблемой занялся датско-французский астроном Олаф Рёмер. Он первым обратил внимание, что моменты затмений не всегда соответствуют табличным. Так, когда Земля и Юпитер находятся близко друг к другу — затмения случаются раньше табличного времени и наоборот — когда Земля и Юпитер находятся на максимальном удалении друг от друга — затмения опаздывают и случаются позже нужного времени.

Посвятив несколько лет наблюдениям Рёмер выявил точную закономерность и пришел к единственно возможному выводу: скорость, с которой свет, отраженный спутниками Юпитера достигает Земли является конечной. На основании своих наблюдений в 1676-м году Рёмер рассчитал скорость света равной 230 000 километров в секунду. Всего на 23% меньше реального значения. Поразительный результат, учитывая то, насколько примитивные инструменты и наблюдательные приборы были в распоряжении Рёмера!

В 1726-м году британский астроном Джеймс Брэдли открыл явление аберрации света и сумел более точно вычислить скорость света — 308 000 км/c, погрешность составила всего на 0.4%. В дальнейшем эксперименты Армана Физо (1849) с зубчатым колесом, а также Леона Фуко (1862) и Альберта Майкельсона (1926) с вращающимся зеркалом помогли получить значение скорости света практически не отличающееся от известного современной науке: 299 796 км/c.

Подписывайтесь на наш канал здесь, а также на наш канал на youtube . Каждую неделю там выходят видео, где мы отвечаем на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!

Источник

§ 32. Измерение скорости света

Идея Галилея

1. Опыты по измерению скорости света — это отдельная глава в истории физической науки. Ещё Галилей высказывал идею о прямом методе измерения скорости света и пытался её реализовать вместе с одним из своих помощников. Один из экспериментаторов открывал и закрывал заслонку на светильнике, а второй, находясь на некотором расстоянии от него, пытался определить промежуток времени, через который свет от источника достигает его глаз. Однако в силу того, что время реакции человека на внешний раздражитель значительно больше того, которое требуется свету для преодоления расстояния между экспериментаторами, опыт был обречён на неудачу. Однако принцип, положенный Галилеем в основу описанного опыта, применялся в большинстве опытов по измерению скорости света: многие из них основаны на прерывании светового луча и измерении промежутков времени между этими прерываниями.

Вычисления Рёмера

2. В числе первых, кому удалось измерить скорость света, был датский учёный Олаф Рёмер (1644— 1710). Рёмер воспользовался тем фактом, что астрономические наблюдения за одним из спутников Юпитера в разное время года давали разные результаты. Когда Земля находилась на кратчайшем расстоянии от Юпитера, то спутник выходил из тени этой планеты на 22 мин раньше, чем через полгода, когда Земля располагалась в самой дальней от Юпитера точке своей орбиты. Рё- мер сделал вывод, что разница во времени возникала из-за того, что во втором случае свет от спутника до Земли проходил большее расстояние, чем в первом, на величину, равную диаметру орбиты Земли (рис. 121). Разделив диаметр земной орбиты на измеренную разницу во времени, Рёмер показал, что свет распространяется с колоссальной скоростью. Значение, полученное Рёмером, значительно отличается от современных данных, но для того времени может считаться великолепным результатом.

Опыты Физо и Фуко

3. В середине XIX в. два французских учёных примерно в одно и то же время провели опыты по измерению скорости света в земных условиях.

В 1849 г. Ипполит Физо (1819—1896) применил для прерывания световых лучей вращающееся зубчатое колесо (рис. 122). Отразившись от полупрозрачного зеркала 1, свет мог попасть на отражающее зеркало 2 только в том случае, если он попадал в промежуток между зубьями вращающегося зубчатого колеса. Затем, отразившись от удалённого на 8,6 км зеркала, свет мог попасть в линзу-окуляр наблюдателя при том же условии: наблюдатель фиксировал свет только при определённых скоростях вращения зубчатого колеса. По результатам измерений скоростей вращения зубчатого колеса, при которых свет был виден, определили значение скорости света с = 314 000 км/с.

Через год после опытов Физо Леон Фуко (1819—1868) провёл опыты, в ходе которых прерывание света происходило за счёт вращения зеркала. Сначала Фуко удалось доказать, что свет в воде распространяется медленнее, чем в воздухе, а много позже — через 12 лет — получить и точное значение скорости распространения света в воздухе. По данным Фуко, скорость света в воздухе составляет с = 298 000 км/с. Такой результат достаточно близок к современным данным.

Источник