Меню Рубрики

Установки для измерения скорости света

Как измеряли скорость света?

Доверь свою работу кандидату наук!

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!

источник

Как ученые узнали, что скорость света 299 792 458 м/с

Физические свойства света всегда были важны для науки, однако его скорость было трудно измерить. Свет является самым быстрым известным физическим явлением, поэтому для его измерения потребовалось разработать современное хронометрическое оборудование. Ранние цивилизации, такие как древние греки, пытались количественно оценить свет, но пришли к мнению, что его свойства неизмеримы. Только в 1973 году скорость света в вакууме была принята в значении 299 792 458 метров в секунду (м/с).

Одним из первых наблюдаемых фактов о свете было то, что он был быстрее, чем звук. Когда что-то производило громкий звук вместе с ярким светом, например, выстрел из пушки, то свет всегда доходил до наблюдателя раньше звука. Трудность в количественном определении этой задержки заключалась в огромной разнице в скорости двух явлений и отсутствии точных часов. Звук имеет скорость 331,3 м/с (при температуре 00 ° C, 0% влажности и атмосферном давлении 788 мм рт. ст.), тогда как свет движется со скоростью 299 792 458 м/с. Ранним исследователям казалось, что свет перемещается мгновенно. В течение многих столетий скорость света была философской концепцией. Мнения об этом разделялись: одни считали, что скорость света бесконечна, другие утверждали, что она должна быть конечна и измерима.

Изобретение более точных часов помогло произвести первый реалистичный расчет скорости света. Один из первых экспериментов, дающих приблизительную оценку скорости света провел Оле Кристенсен Ремер в 1676 году.

Чтобы измерить скорость света он использовал орбитальное движение луны Юпитера Ио. Когда Юпитер был ближе всего к Земле Ремер зафиксировал точный момент, когда Ио вошел в тень Юпитера и через несколько месяцев сравнил это время со временем вхождения Ио в тень Юпитера, когда Юпитер находился на большем известном расстоянии от Земли. Таким образом, по его расчетам скорость света составила 220 000 000 м/с. В 1728 году эта оценка была улучшена Джеймсом Брэдли, который измерил наблюдаемое движение звезд в разное время по сравнению со скоростью Земли на ее орбите. Его расчет в 298 000 000 м/с был принят как более точная величина.

По мере увеличения точности часов и улучшения технологий изготовления часовых механизмов стало возможным разделять промежутки времени на более меньшие сегменты. Первая земная мера скорости света появилась в 1849 году, когда Ипполит Физо использовал механический аппарат для измерения скорости света. Он использовал луч света, сфокусированный на зеркале, расположенном на расстоянии нескольких тысяч метров. Заставляя свет проходить сквозь вращающееся зубчатое колесо, он обнаружил, что при определенном повороте свет будет проходить через зубчатое колесо как в прямом, так и в обратном направлениях. Расчет, основанный на комбинации расстояния источника света от зубчатого колеса, количества зубьев зубчатого колеса и скорости вращения зубчатого колеса, обеспечивал скорость 313 000 000 м/с.

Читайте также:  Установка площадки под лебедку на буханку

Этот тип эксперимента был позже уточнен с использованием вращающихся зеркал и призмы, в результате в 1926 году скорость света была оценена как 299 796 000 м/с . Для дальнейшего уточнения этого числа потребовалось появление осциллографов с временным разрешением для дальнейшего уточнения этого числа путем измерения задержки светового импульса от лазера или светодиода.

Одним из интересных свойств света является то, что его наблюдаемая скорость снижается, когда он проходит через среду, отличную от вакуума. Преломление света при его переходе из воздуха в воду является видимым проявлением замедления света при его движении в более плотной среде. Это привело ученых к изучению концепции «медленного света» путем увеличения показателя преломления различных сред. Можно увеличить путь, по которому фотоны должны проходить через среду, используя специальные условия, такие как конденсат Бозе-Эйнштейна ( такое состояние вещества, основу которого составляют бозоны, при температуре близкий к абсолютному нулю). В конденсате Бозе-Эйнштейна ученым удалось замедлить измеряемую скорость света до 1 м/с.

С 1983 года скорость света рассматривалась как определенная константа. В качестве постоянной величины она функционирует как абсолютная мера расстояния (1 метр = путь, пройденный светом за 1/299 792 458 секунды).

Известны ли Вам какие-то другие способы для измерения скорости света? Ждем Ваших ответов в комментариях.

Если Вам понравилась статья поставьте лайк и подпишитесь на канал НАУЧПОП . Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

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.).

Читайте также:  Установка верхнего насоса в колодец

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

Измерение скорости света

1. Скорость распространения света в пространстве – одна из важнейших проблем в физике. Её решение оказалось очень плодотворным для понимания физической картины мира. Скорость света в вакууме с – одна из фундаментальных физических постоянных. Огромная роль её в современной физике определяется тем, что она представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий и инвариантна при переходе от одной системы отсчёта к другой. Никакие сигналы не могут быть переданы со скоростью большей с, а со скоростью с их можно передать лишь в вакууме.

Величина с связывает массу m и полную энергию Е материального тела, Е = mc 2 . Через неё выражаются преобразования координат, скоростей и времени при переходе от одной системы отсчёта к другой. Она входит во многие другие соотношения физики.

При измерении скорости света в веществе стало глубже понимание сложной структуры явления скорости. Было установлено различие между скоростью распространения фазы электромагнитной волны (фазовая скорость) и скоростью распространения энергии (групповая скорость). Только в вакууме эти скорости совпадают. Во всех измерениях скорости света определяется групповая скорость.

2. Измерение скорости света методом Галилея. Впервые идею опытного определения скорости света высказал Галилей в 1638 г. в книге “Беседы и математические доказательства . ”. Два экспериментатора, вооружённые фонарями, становятся на известном расстоянии друг от друга. Когда один из них открывает фонарь, засекая момент времени, другой ждёт с закрытым фонарём. Он открывает его, как только увидит свет первого фонаря. Увидев свет второго фонаря, первый экспериментатор снова засекает время. По мысли Галилея, скорость света найдётся как отношение удвоенного расстояния между наблюдателями к промежутку времени между двумя засечками.

Попытки реализации этой идеи, предпринятые через два десятилетия во Флоренции, показали, что скорость света настолько велика, что измерить её таким путём невозможно. Время реакции человека много больше времени распространения света между наблюдателями в земных условиях. Но заслуга Галилея состоит в том, что он перенёс проблему скорости из формы абстрактного обсуждения (конечна или бесконечна) в форму практического измерения.

3. Астрономический метод Рёмера. В 1610 году с помощью изобретённой им зрительной трубы (труба Галилея, §9) Галилей открыл 4 самых крупных спутника Юпитера. Она назвал их (в порядке удаления от Юпитера) Ио, Европа, Ганимед, Каллисто. В связи с бурным развитием мореплавания появилась идея использовать периодичность восхода и захода этих спутников в качестве точного хронометра.

В 1672 г. астроном Джованни Кассини обнаружил нарушения в периодичности выхода из тени Юпитера его спутника Ио. Причём, с удалением Земли от Юпитера промежутки времени между восходами увеличивались, а с приближением — уменьшались.

В 1676 г., исследуя это явление, Олаф Рёмер высказал мысль, что скорость распространения света конечна. Схема рассуждений Рёмера такова. Когда Земля в своём движении вокруг Солнца удаляется от Юпитера, т.е. идёт от точки В к точке А (рис.213), то промежутки времени между моментами выхода Ио из тени Юпитера увеличиваются, поскольку свету нужно дополнительное время чтобы догнать убегающую Землю.

С приближением Земли ситуация меняется. Промежутки времени между восходами Ио уменьшаются, поскольку каждый последующий световой луч восходящего спутника проходит по сравнению с лучом предыдущего восхода меньшее расстояние.

Пусть Т – период обращения Ио вокруг Юпитера в системе отсчёта Юпитера, Т=42 часа 28 мин; Т1i – промежутки времени между восходами Ио, измеренные с убегающей Земли; Т2i – промежутки времени между восходами, измеренные с приближающейся Земли. Промежутки Т1i и T2i в течение года изменяются. Их значение зависит от того, в какой точке орбиты находится Земля. За полгода наблюдений с убегающей Земли (движение Земли от В к А) общая сумма промежутков между восходами составляет , (26.1)

где N – число заходов за полгода, с – скорость света, D – диаметр орбиты Земли.

Для приближающейся Земли (движения от А к В) . (26.2)

Вычтя из 1-го уравнения второе, получаем: . (26.3)

Для определения знаменателя совсем не обязательно измерять все промежутки времени между моментами восхода в течение года. Достаточно определить лишь разницу во времени между моментами восхода по прогнозу NT и реальным моментом восхода в самой дальней и самой ближней к Юпитеру точках орбиты Земли.

По измерениям Рёмера разница во времени å1 — å2 составила около 22 минут. К этому времени (1676 г.) уже утвердилась система мира по Копернику, были освоены законы Кеплера и был вычислен диаметр орбиты Земли D = 3·10 11 м. Поэтому Рёмер смог вычислить скорость света, с = 3·10 11 ½22·60 = 2,3·10 8 м/с.

Из измерений Рёмера следовало, что скорость света имеет гигантское значение по сравнению со скоростью всех остальных процессов, наблюдавшихся на Земле.

4. Астрономический метод аберрации света Брадлея (от лат. аberratio – уклонение). В 1725 г. астроном Джеймс Брадлей предпринял попытку измерить годичный параллакс звёзд, то есть обусловленное вращением Земли кажущееся смещение близких к Земле звёзд на фоне более далёких.

В общем случае кривая параллактического смещения звезды должна выглядеть как уменьшен-ная проекция орбиты Земли на плоскость, перпен-дикулярную к направлению на Звезду (А на рис.214).

Если Звезда лежит в плоскости эклиптики (то есть в плоскости земной орбиты), то в течение года она смещается по прямой (В на рис.214).

В общем случае параллактическое движение звезды происходит по эллипсу, эксцентриситет которого (вытянутость) тем больше, чем ближе к плоскости земной орбиты находится звезда. Большая ось эллипса параллактического смещения параллельна плоскости эклиптики (С на рис.214).

Наблюдая γ – Дракона (примерно 50º к плоскости эклиптики), Брадлей обнаружил, что большая ось эллипса смещения звезды не параллельна, а перпендикулярна плоскости орбиты Земли. Кроме того, размеры эллипса смещения звезды оказались больше ожидаемых (D на рис.214). В 1729 г. Брадлей объяснил это явление, получившее название аберрации света, как результат сложения скорости света, идущего от звезды, со скоростью орбитального движения Земли.

Если труба телескопа расположена на неподвижном небесном теле, то лучи света проходят через объектив телескопа Об и дают дифракционное изображение звезды в фокальной плоскости на оптической оси телескопа в точке F (рис.215-а).

Если телескоп расположен на движущейся Земле, а свет предоставляет собой поток корпускул (в 18 веке господствовала корпускулярная модель света), то пока свет распространяется в трубе телескопа от объектива Об к F, телескоп смещается на некоторое расстояние. В результате изображение звезды сместится из F в F¢. Чтобы изображение звезды вновь оказалось на оптической оси телескопа в точке F, телескоп надо наклонить в сторону движения Земли (рис.215-б).

Когда Земля находится в противоположных точках орбиты, телескоп наклоняется на угол j относительно направления на звезду то в одну сторону, то на такой же угол j в другую сторону. Если измерить угол 2j между максимальными отклонениями телескопа, то скорость света с найдётся из формулы: tgj = vtçct, Þ c = vçtgj. (26.4)

Читайте также:  Установка гбо лада ларгус 8 клапанов

По измерениям Брадлея максимальный угол j = 20,5². Скорость v орбитального движения Земли была в то время уже известна, v » 30 км/с = 3·10 4 м/с. Полагая для столь малых углов tgj = j (рад), получаем: c = 3,0∙10 8 м/с.

Аберрация света обусловлена не фактом движения Земли, а изменением направления скорости этого движения. Если бы Земля равномерно двигалась по прямой, то аберрационные углы всех небесных светил были бы одинаковы и постоянны во времени. Поэтому они не обнаруживали бы себя.

5. Лабораторный метод Физо. Лабораторными называются методы, в которых источник и приёмник света находятся на Земле. Первый лабораторный опыт по измерению скорости света поставил в 1849 г. Ипполит Физо. Он, по сути, реализовал проект Галилея, автоматизировав процесс прерывания светового луча с помощью зубчатого колеса.

Свет от источника S идёт на полупрозрачное зеркало Зк, проходит между зубцами колеса К, отражается от зеркала М, вновь проходит между зубцами и сквозь полупрозрачное зеркало Зк попадает в глаз наблюдателя (рис.216).

Если колесо неподвижно, и свет проходит между зубцами в точке а, то глаз видит свет. При вращении колеса свет виден лишь тогда, когда за время его движения от а к М и обратно колесо успевает повернуться на один или несколько промежутков между зубцами. Так что возвращающийся луч снова попадает в промежуток.

Для измерений оказалось удобнее использовать полное затмение, когда возвращающийся луч попадает на зуб колеса. Если ширина щели равна ширине зубцов, то первое затмение наблюдается тогда, когда за время t = 2Lçc колесо повернётся на ширину зуба. Если Z – число зубцов, то для первого затмения справедливо 2Lçc=1çn ∙2Z, где ν – число оборотов в секунду.

Второе затмение будет наблюдаться при угловой скорости в 3 раза больше, третье затмение – при скорости в 5 раз больше, n-е затмение – при скорости в 2n – 1 раз больше. Поэтому для n-го затмения справедливо равенство , Þ . (26.5)

В опытах Физо установка имела следующие параметры: L = 8,633 км, Z = 720. Первое затмение наблюдалось при n = 12,6 с –1 . Отсюда скорость с = 4nLZ = 3,13·10 8 м/с.

Число затмений n ограничивается прочностью механической части конструкции. В последующих опытах разных исследователей число n достигало трёх десятков. Использование для прерываний света вместо колеса ячейки Керра позволило уменьшить расстояние L до 3-х метров (Андерсен, 1937).

6. Лабораторный метод вращающегося зеркала Фуко. Идею вращающегося зеркала высказал Араго в 1838 г. В 1850 г. Леон Фуко реализовал её в своей установке. В 1862 г. с помощью этой установки Фуко измерил скорость света в воздухе (рис.217).

Свет от источника S проходит сквозь полупрозрачное зеркало Зк и линзу Л на вращающееся зеркало R. Отразившись от него, свет идёт на сферическое зеркало М, центр кривизны которого совпадает с осью вращения зеркала R. За время 2L/c, пока свет идёт от R к М и обратно, вращающееся зеркало R успевает повернуться на некоторый угол j. В результате отражённый от зеркала Зк зайчик О переместиться на расстояние l в положение O1.

Если n – частота вращения зеркала R, то его угол поворота j = ω·t = 2πn ∙(2Lçc). С другой стороны, j = (lçb)/2, где b = SR – расстояние между источником света S и зеркалом R. Двойка в знаменателе здесь появляется потому, что угол поворота луча lçb в два раза больше угла j поворота зеркала. Приравниваем. j = 2pn ∙2Lçc =çlç2b, Þ c = 8pnLbçl. (26.6)

В опытах Фуко L = 20 м (Реальное расстояние MR составляло 4 м. Оно искусственно увеличивалось за счёт дополнительных зеркал. Поэтому L = 20 м есть эффективное расстояние), n достигало 800 Гц, b = 0,52 м, l = 0,7 мм. Отсюда с = 2,98∙10 8 м/с.

Последующие опыты по измерению скорости света с, а их было выполнено разными исследователями несколько десятков, главной задачей ставили повышение точности определения величины с. В этом отношении выделяются опыты Майкельсона.

7. Метод вращающегося зеркала Майкельсона представляет собой развитие идеи вращающегося зеркала Фуко. Опыты по определению скорости света Альберт Майкельсон проводил с 1878 по 1931г. Рассмотрим схему последнего из них, начатого в 1926 г. (рис.218).

Эксперимент проводился в Калифорнии. Зеркало D было удалено от зеркала С на расстояние 35373,21 м. (Зеркала находились на горах Вильсон и Сан-Антонио. Определение с такой точностью расстояния между зеркалами само по себе представляет сложную триангуляционную задачу).

Зеркалом R служила восьмигранная стальная призма, вращавшаяся с частотой n. Принципиальным отличием в установке Майкельсона было то, что измерялось не смещение точки О, а подбиралась частота вращения n зеркала R такой, чтобы зайчик О оставался на месте. Это происходило в том случае, когда за время движения света от одной грани зеркала R до другой зеркало успевало повернуться точно на 1/8 оборота и принимало тождественное положение.

Измерения Майкельсона позволили получить самое точное для того времени значение скорости света. При n = 529,702 с –1 получается с = 16nL = (299796 ± 4) км/с.

8. Измерение скорости света другими методами. После того, как было доказано, что свет – это электромагнитное излучение, появилась возможность измерения скорости света радиофизическими методами. Наиболее развит из них метод стоячих волн в полом цилиндрическом резонаторе. Зная длину волны излучения l, по резонансной частоте n определяется скорость света с = nl. Откачивая из резонатора воздух или заполняя его разными веществами, можно измерить скорость света как в вакууме, так и в разных средах.

Точность измерения величины с такими методами достигла в 70-х годах 20 века 11 знаков. По рекомендации Комиссии обозначений, единиц измерения и терминологии Международного совета теоретической и прикладной физики современное значение скорости света в вакууме принято равным с = (299792458 ± 1) м/с.

9. Роль скорости света в развитии физических теорий. Измерения скорости света сыграло важную роль в развитии физических теорий. В 19 веке они не только выполнили свою прямую задачу, но и дополнительно подтвердили волновую природу света.

В корпускулярной модели Ньютона скорость света в веществе должна быть больше скорости света в вакууме. Скорость световых частиц, переходящих из менее плотной среды более плотную, вследствие гравитационного притяжения более плотной средой должна, по Ньютону, увеличиваться. Поэтому показатель преломления, как видно из рис.219-а, в теории Ньютона есть отношение скорости света v2 в более плотной среде к скорости света v1 в менее плотной среде. , n > 1, v2 > v1. (26.7)

В волновой теории дело обстоит наоборот. Скорость света в веществе меньше скорости света в вакууме.

Действительно, если на рис.219-б ОА – волновой фронт в менее плотной среде 1 (вакуум), а СВ – волновой фронт в среде 2 (стекло), то луч в стекле пойдёт круче лишь при условии, что отрезок ОС меньше отрезка АВ.

Здесь АВ – расстояние, проходимое световой волной за время t в вакууме, АВ = v1t. В течение этого времени t точка О волнового фронта ОА генерирует в среде 2 волну, распространяющуюся со скоростью v2. Отрезок ОС = v2×t.

Из геометрии рисунка следует , Þ v1 > v2. (26.8)

В 1850 г. Леон Фуко сравнил скорость света в воздухе v1 со скоростью света в воде v2. Для этого между зеркалами М и R в своей установке (рис.217) он располагал трубу с водой. Торцы трубы закрывались прозрачными стёклами. (Заметим, что первоначально установка была построена именно с целью сравнения скорости света в воде и в воздухе).

Результаты опытов Фуко показали, что скорость света в воде меньше скорости света в воздухе. Отношение скоростей оказалось равным v1/v2 = 4/3 = 1,33, что как раз и соответствует показателю преломления воды. Итак, чем оптически плотнее среда, тем меньше в ней скорость света. С максимальной скоростью свет распространяется в вакууме. Это явилось прямым доказательством справедливости волновой модели света.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9930 — | 7720 — или читать все.

источник