Современные методы измерения скорости света доклад
Обновлено: 05.07.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Реферат на тему:
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.
Скорость света в среде зависит от показателя преломления среды n , различного для разных частот излучения: с’() = c / n (). Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости от фазовой скорости света в среде, если речь идет не о монохроматическом свете (для скорости света в вакууме эти величины совпадают. Экспериментально определяя с’, всегда измеряют групповую скорость света.
Впервые скорость света определил в 1676 году О. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера. В 1728 году её установил Дж. Брадлей, исходя из своих наблюдений аберрации света звезд. В 1849 году А. И. Л. Физо первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы), так как показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают величину весьма близкую к скорости.
В опыте Физо пучок света от источника света S , отраженный полупрозрачным зеркалом 3, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском 2, проходил базу 4-1 (около 8 км) и, отразившись от зеркала 1, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в
промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр 4. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил значение c = 313300 км/с.
В 1862 году Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 году идею Д. Арго, применив вместо зубчатого диска быстровращающееся зеркало (512 оборотов в секунду). Отражаясь от зеркала пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол. При базе всего 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000 500 км/с. Схемы и основные идеи методов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света.
Определение скорости света методом вращающегося зеркала (Метод Фуко): S – источник света; R – быстровращающееся зеркало; C – неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения R (поэтому свет, отраженный C , всегда попадает обратно на R ); M – полупрозрачное зеркало; L – объектив; E – окуляр; RC – точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R , изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив L , который собирает отраженный пучок в точке S ’, а не в точке S , как это было бы при неподвижном зеркале R . Скорость света устанавливается, измеряя смещение SS ’.
Полученное А. Майкельсоном в1926 году значение c = 299796 4 км/с было тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин.
Измерение скорости света в 19 веке сыграли большую роль в физике, дополнительно подтвердив волновую теорию света. Выполненное Фуко в 1850 году сравнение скорости света одной и той же частоты в воздухе и воде показало, что скорость в воде u = c/ n () в соответствии с предсказанием волновой теории. Была так же установлена связь оптики с теорией электромагнетизма: измеренная скорость света совпала со скоростью электромагнитных волн, вычисленной из отношения электромагнитных и электростатических единиц электрического заряда.
В современных измерениях скорости света используется модернизированный метод Физо с заменой зубчатого колеса на интерференционный или какой-либо другой модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок. Приемником излучения служит фотоэлемент или фотоэлектрический умножитель. Применение лазера в качестве источника света, УЗ – модулятора со стабилизированной частотой и повышение точности измерения длины базы позволит снизить погрешности измерений и получить значение с = 299792,5 0,15 км/с. Помимо прямых измерения скорости света по времени прохождения известной базы, широко применяются косвенный методы, дающие большую точность.
Скорость света в вакууме принять считать 2999792458 1,2 м/с.
Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретическом плане и для определения значений других физических величин, но и для практических целей. К ним, в частности. Относится определение расстояний во времени прохождения радио- или световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии и др.
Методы определения скорости света делятся на два класса: астрономические и лабораторные.
Астрономические методы
Астрономические методы имеют в настоящее время главным образом историческое значение, и мы рассмотрим лишь два из них.
1) 1675 г., О. К. Рëмер: нарушение периодичности затмений спутника Юпитера Ио – открыт Галилеем в 1610 г. вместе с еще тремя спутниками Юпитера.
РИС. 4-1
=1.77 сут.=152928 с.
(За это время наблюдается затмение Ио с Земли).
РИС. 4-2
- Солнце, - Земля, - Юпитер.
Пока Земля перемещается из позиции в позицию , произойдет затмений Ио. Суммарное время наблюдения всех этих затмений: .
При перемещении из в произойдет столько же затмений Ио. Суммарное время всех этих затмений:
.
Разность времен: .
Наблюдалось с; =150000000 км. Значит 300000км/с=3×10 10 см/с.
2) Аберрация неподвижных звезд.
1725 г., Дж. Брэдли обнаружил сезонное изменение положения звезд, в частности -Дракона, находящейся в зените: почти круговое движение с диаметром 40.5 угл. сек. Для звезд, более близких к горизонту, обнаружилось движение по более или менее вытянутым эллиптическим орбитам, длина большой оси тоже ~40.5 угл.сек. Это явление не связано с движением самих звезд (смещение одинаковое и очень большое!). Скорость света конечна, а наблюдение ведется с Земли, движущейся по орбите с некоторой немалой скоростью (система отсчета, связанная с Землей, не является инерциальной).
РИС. 4-3
Наблюдателю, находящемуся на Земле, кажется, что свет имеет горизонтальную составляющую скорости .
Для звезды, находящейся в зените, аберрация является максимальной, когда скорость Земли перпендикулярна линии наблюдения. При этом
, =30 км/с, ”=1×10 -4 рад, .
Отсюда 300000 км/с=3×10 10 см/с.
Лабораторные методы
1) Метод Физо. А. Л. И. Физо (1849 г.).
РИС. 4-4
Время прохождения светом базы длиной L, .
При угловой скорости вращения колеса это условие выполнится, если время прохождения базы L совпадет с временем поворота на один зубец:
.
Из приведенной ниже таблицы видно, как повышалась точность измерения скорости света этим методом по мере увеличения базы и наблюдения затмения более высокого порядка (Перротен в 1902 г. наблюдал затемнение 32-го порядка):
| Физо (1849 г.) |  =8.63 км |  =315000 км/с |
| Корню (1876 г.) | =23 км | =300000±300 км/с |
| Перротен (1902 г.) | =46 км | =299870±50 км/с |
В радиочастотном диапазоне и в диапазоне - излучения используют метод совпадения импульсов – тот же метод Физо, но чувствительность приемника модулируется с частотой .
 |
РИС. 4-5
На приемнике появляется сигнал только в том случае, если время прохождения базы ( ) . Отсюда .
2) Метод объемного резонатора.
Можно с высокой степенью точности определить число полуволн электромагнитного излучения, укладывающихся в объемном резонаторе. Скорость света определяется из соотношения
, .
Этим методом получено: 299792.5±1 км/с.
3) Распространение света в движущейся среде (А. Л. И. Физо, 1851 г.).
Вода движется со скоростью .
РИС. 4-6
Скорость света в неподвижной воде , где - показатель преломления.
Для наблюдателя, относительно которого свет движется,
- из принципа относительности Галилея.
Экспериментально было установлено (и подтверждено современными измерениями):
.
Следовательно, классическая формула сложения скоростей здесь неприменима.
, где величина - коэффициент увлечения, .
Для света, распространяющегося в воде:
расчетное значение: =0.438;
Физо: =0.46;
Майкельсон-Морли (1886 г.): =0.434±0.020.
Итак, экспериментально установлено следующее.
1. Скорость света в вакууме является физической константой
(мировой постоянной) 299792456.2±1.1 м/с и не зависит от частоты электромагнитных волн и от способа измерения.
2. Для скорости света неприменима классическая формула сложения скоростей (опыт Физо, 1851 г.), т.е. основанная на принципе относительности Галилея:
Галилей - ,
Физо - .
Рассмотрим эксперименты, подтверждающие следующее.
3) Скорость света не зависит от взаимного движения приемника или источника.
а) Опыт Майкельсона-Морли
А. А. Майкельсон (1881 г.) поставил опыт с целью измерения влияния движения Земли на скорость света. Был использован интерферометр с равными плечами, одно - по движению Земли, другое перпендикулярно. Искался эфирный ветер, якобы увлекаемый Землей при ее прохождении через эфир, который и должен менять скорость света. Опыт не дал результата, как и опыт Морли в 1885 г.
РИС. 4-6-1
б) Опыт Саде (данный материал можно пропустить)
Опыт Саде (1963 г.) по влиянию движения электрон-позитронных пар на скорость испускаемых - лучей. Распространяющаяся с испусканием - лучей частица (электрон-позитронная пара) движется со скоростью ~ , и измеряется скорость распространения - лучей для этого случая и для неподвижной пары. С точностью ±10% установлено, что скорость - лучей в обоих случаях одинакова и равна .
4) Скорость света является максимальной достижимой скоростью движения материальных частиц
Опыт Бертоцци,1964 г.
РИС. 4-7
Электроны ускоряются электростатическим полем, а затем свободно движутся в вакууме без поля. Кинетическая энергия электронов определяется по нагреву мишени из Al. В результате ускорения полем электрон приобретает кинетическую энергию . В данном опыте =10 6 В, =10 6 эВ=1 МэВ=1.6×10 -6 эрг.
Если поток электронов составляет штук в секунду, то на мишени выделяется мощность эрг/с - это точно определяется термопарой.
Зная величину тока (º , - заряд электрона), можно легко рассчитать .
С другой стороны, ( - масса электрона). Скорость электрона можно измерить по времени пролета t участка L. Теперь можно построить график зависимости v 2 от K, где обе величины измерены независимо. В классической механике эта зависимость должна быть линейной.
РИС. 4-8
Максимальной достижимой скоростью движения материальных частиц, как следует из эксперимента, действительно является скорость света.
Зная лишь часть изложенной информации, Эйнштейн сформулировал постулат (принцип относительности):
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.
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.
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.
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!
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
На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 1,2 м/с . Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды.
В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):
- собственно, видимый свет и другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-кванты и др.);
- предположительно — гравитационные волны.
Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например — солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой).
Если взять фонарик (или, скажем, лазер, дающий узкий луч) и быстро описать им в воздухе дугу, то линейная скорость светового зайчика будет увеличиваться с расстоянием и на достаточно большом удалении превысит с. Световое пятно переместится между точками А и В со сверхсветовой скоростью, но это не будет передачей сигнала из А в В, так как такой световой зайчик не несёт никакой информации о точке А.
Представим себе две лежащие в одной плоскости достаточно длинные линейки, одна из которых расположена горизонтально, а другая пересекает её под малым углом. Если первую линейку двигать вниз (в направлении, указанном стрелкой) с большой скоростью, точку пересечения линеек можно заставить бежать сколь угодно быстро, но эта точка — не материальное тело.
Скорость света в среде всегда ниже скорости света в вакууме. Поэтому физические объекты могут двигаться в среде со скоростью больше скорости света в среде, но меньше скорости света в вакууме. Так происходит, например, в охлаждающей жидкости ядерного реактора, когда через воду проходят электроны, выбитые гамма-квантами со своих орбит, со скоростью больше скорости света в воде. При этом всегда возникает излучение Вавилова — Черенкова.
Первое удачное измерение скорость света относится к 1676 г.
Астрономический метод измерения скорости света
Датский ученый Олаф Ремер в 1676 г. засекал время, которое самый большой из спутников Юпитера Ио находился в тени этой огромной планеты.
Ремер провел измерения в момент, когда наша планета была ближе всего к Юпитеру, и в момент, когда мы находились немного по астрономическим понятиям дальше от Юпитера. В первом случае промежуток между вспышками составил 48 часов 28 минут. Во втором случае спутник опоздал на 22 минуты. Из этого был сделан вывод, что свету необходимо 22 минуты, чтобы пройти расстояние от места предыдущего наблюдения до места настоящего наблюдения. Так была доказана теория о конечной скорости света, и была примерно подсчитана его скорость она примерно составляла 299800 км/с.
Лабораторные методы
Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику Арману Ипполиту Луи Физо в 1849 г.
В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку. После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала З, находившегося на расстоянии нескольких километров (8,6 км) 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.
В 1862 году Жан Бернар Леон Фуко применил вместо зубчатого диска быстровращающееся зеркало (512 оборотов в секунду). Отражаясь от зеркала пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол. При базе всего 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000 500 км/с. Схемы и основные идеи методов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света.
Американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) в 1924–1927 годах разработал схему опыта, в котором луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио (расстояние порядка 35 км). В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало, изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально разработанным высокоскоростным ротором, делающим до 528 оборотов в секунду.
Изменяя частоту вращения ротора, наблюдатель добивался возникновения в окуляре устойчивого изображения источника света. Знание расстояния между установками и частоты вращения зеркала позволяли вычислить скорость света.
Современные методы измерения скорости света
В 1972 г. значение скорости света было определено на основе независимых измерений длины волны и частоты света. В качестве источника был выбран, по ряду причин, гелий-неоновый лазер, генерирующий излучение с длиной волны 3,39 мкм. Длина волны этого излучения измерялась с помощью интерферометрического сравнения с эталоном длины, т.е. с длиной волны оранжевого излучения криптона. Методами нелинейной оптики (генерация излучения с суммарными и разностными гармониками) частоту лазерного излучения удалось сравнить с эталоном времени. Таким образом было получено значение скорости света с = λν, превосходящее по точности все ранее известные значения более чем на два порядка:
Читайте также: