Астрономический способ измерения скорости света кратко
Обновлено: 05.07.2024
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Физика 9 класс
Скорость света. Методы измерения скорости света
На этом уроке
· Каковы лабораторные методы определения скорости света.
· Что такое скорость света в вакууме как фундаментальная константа.
Ключевые слова
Скорость света, астрономический метод определения скорости света, метод Физо, метод Майкельсона.
Основное содержание урока
1. Орг.момент. Мотивация к учебной деятельности обучающихся.
2. Актуализация опорных знаний учащихся.
3. Изучение нового материала.
Первый исторически известный эксперимент по определению скорости света был выполнен Галилеем. Один из двух наблюдателей, расположенных на расстоянии нескольких километров открывал свой фонарь и начинал отсчёт времени. Другой наблюдатель, увидев свет, посылал световой сигнал обратно первому наблюдателю. Когда первый наблюдатель видел свет фонаря второго наблюдателя, он заканчивал отсчёт времени.
Скорость света определялась как отношение двойного расстояния между наблюдателями к промежутку времени между посылкой и приёмом сигнала.
Датский астроном Рёмер наблюдал затмения спутника Юпитера Ио. Рёмер измерял время между двумя последовательными появлениями спутника из тени Юпитера. Измерения проводились 2 раза: когда положения Земли и Юпитера на орбитах соответствовали их максимальному сближению и когда Земля удалилась от Юпитера на расстояние, равное диаметру своей орбиты. Во втором случае Ио в поле зрения телескопа появился на 22 мин позже.
υ = ≈ 230 000 км/с.
Первый лабораторный метод по определению скорости света выполнил французского физика Физо. Узкий световой пучок от источника после отражения от полупрозрачной пластинки направлялся на кромку вращающегося зубчатого колеса. Пройдя в прорезь между зубцами, свет падал на отдалённое зеркало, и отразившись, возвращался назад.
Смена зубцов происходит за время t = c = 2,395·10 –5 c .
Скорость света, полученная Физо: c = = ≈ 312 000 км/с
Б олее точный лабораторный метод определения скорости света был выполнен Майкельсоном. Прерывание света осуществлялось при помощи быстро вращающегося стального восьмигранного зеркала в форме призмы.
Луч – часть прямой, указывающей направление распространения света. Понятие луча ввел Евклид (геометрическая или лучевая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света, основанные на понятии луча, без учета природы света).
Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени.
При малых размерах источника (источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь) получается только тень (область пространства, в которую свет не попадает).
При больших размерах источника света (или, если источник находится близко к предмету) создаются нерезкие тени (тень и полутень).
В астрономии – объяснение затмений.
Световые пучки распространяются независимо друг от друга. Например, проходя один через другой, они не влияют на взаимное распространение.
Световые пучки обратимы, т.е., если поменять местами источник света и изображение, полученное с помощью оптической системы, то ход лучей от этого не изменится.
Скорость света и методы ее измерения.
Первые предложения выдвинуты Галилеем: фонарь и зеркало устанавливаются на вершинах двух гор; зная расстояние между горами и, измеряя время распространения, можно рассчитать скорость света.
Астрономический метод измерения скорости света
Впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру (на расстояние L1), промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние L2, спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин. позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние Δ l= l 2 – l 1.
Лабораторный метод измерения скорости света
Метод Физо (1849). Свет падает на полупрозрачную пластину и отражается, проходя через вращающееся зубчатое колесо. Пучок, отраженный от зеркала, может попасть к наблюдателю, только пройдя между зубьями. Если знать скорость вращения зубчатого колеса, расстояние между зубьями и расстояние между колесом и зеркалом, то можно рассчитать скорость света.
Метод Фуко – вместо зубчатого колеса вращающаяся зеркальная восьмигранная призма.
с=313 000 км/с.
В настоящее время вместо механических делителей светового потока применяются оптоэлектронные (ячейка Керра – кристалл, оптическая прозрачность которого меняется в зависимости от величины электрического напряжения).
Можно измерить частоту колебаний волны и независимо – длину волны (особенно удобно в радиодиапазоне), а затем рассчитать скорость света по формуле .
По современным данным, в вакууме с=(299792456,2 ± 0,8) м/с.
На рисунках представлены репродукция рисунка самого Рёмера, а также схематическая трактовка.
Астрономический метод Рёмера основывается на измерении скорости света по наблюдениям с Земли затмений спутников Юпитера. Юпитер имеет нескольк о спутников, которые либо видны с Земли вблизи Юпитера, либо
скрываются в его тени. Астрономические наблюдения над спу тниками Юпитера показывают, что средний промежуток вре мени между двумя последовательными затмениями какого-нибудь определенного спутника Юпитера зависит от того, на каком расстоянии друг от друга находятся Земля и Юпитер во время наблюдений. На рисунке: Метод Ремера. С - солнце, Ю - юпитер, З – земля.
По истечении еще 0,545 года Земля З3 и Юпитер Ю3 будут вновь находиться в противостоянии. За это время совершилось (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 (R+r)/с, а последнее с запозданием (R-r)/c по отношению к моментам ухода спутника в тень планеты Юпитера. Следовательно, в этом случае имеем
Рёмер измерил промежутки времени Т1 и Т2 и нашел, что Т1-Т2=1980 с. Но из написанных выше формул следует, что Т1-Т2=4r/с, поэтому с=4r/1980 м/с. Принимая r, среднее расстояние от Земли до Солнца, равным 1500000000 км, находим для скорости света значение 3,01*10 6 м/с.
Этот результат был первым измерением скорости света.
В 1725 г. Джеймс Брэдли обнаружил, что звезда Дракона, находящаяся в зените (т.е. непосредственно над головой), совершает кажущееся движение с периодом в один год по почти круговой орбите с диаметром равным 40,5 дуговой секунды. Для звезд, видимых в других местах небесного свода, Брэдли также наблюдал подобное кажущееся движение - в общем случае эллиптическое.
Явление, наблюдавшееся Брэдли, называется аберрацией. Оно не имеет ничего общего с собственным движением звезды. Причина аберрации заключается в том, что величина скорости света конечна, а наблюдение ведется с Земли, движущейся по орбите с некоторой скоростью v.
Угол раствора конуса, под которым с Земли видна кажущаяся траектория звезды, определяется выражением: tgα=ν/c
Зная угол α и скорость движения Земли по орбите v, можно определить скорость света c.
У него получилось значение скорости света равной 308000 км/с.
В 1849 г. впервые определение скорости света выполнил вы лабораторных условиях А. Физо. Его метод назывался методом зубчатого колеса. Характерной особенностью его метода является автоматическая регистрация моментов пуска и возвращения сигнала, осуществляемая путем регулярного прерывания светового потока (зубчатое колесо).
На рис представлена схема опыта по определению скорости света методом зубчатого колеса.
Свет от источника проходил через прерыватель (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала, возвращался опять к зубчатому колесу. Зная расстояние между колесом и зеркалом, число зубьев колеса, скорость вращения, можно вычислить скорость света.
Зная расстояние D, число зубьев z, угловую скорость вращения (число оборотов в секунду) v, можно определить скорость света. У него получилось она равной 313000 км/с.
В течение всей своей жизни американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) совершенствовал методику измерения скорости света. Создавая все более сложные установки, он пытался получить результаты с минимальной погрешностью. В 1924–1927 годах Майкельсон 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.
Начиная с 1924 года и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений, повышалась точность измерения расстояния и частоты вращения ротора. Средний результат измерений составил 299 798 км в секунду.
Результаты же всех измерений Майкельсона можно записать как c = (299796 ± 4) км/с.
На верхнем рисунке изображена схема опыта Майкельсона. На нижнем рисунке представлена упрощенная схема опыта. Пользователь может изменять частоту вращения восьмиугольной призмы, наблюдая за движением светового импульса и добиваясь его попадания в окуляр наблюдателя.
Частоту можно изменять от 0 до 1100 оборотов в секунду с шагом 2 с –1 . Чтобы легче было выставлять частоту в эксперименте, сделана ручка грубого регулятора частоты вращения, более точные настройки можно выставлять с помощью дополнительных клавиш справа от окна частоты. Оптимальный результат достигается при 528 и 1056 оборотах в секунду. При 0 оборотов рисуется статичный луч света от источника до наблюдателя.
Пример расчета скорости света для эксперимента, при котором появление света наблюдатель фиксирует при частоте вращения зеркала 528 с –1 .
Здесь ν и T – частота и период вращения восьмигранной призмы, τ1 – время, за которое световой пучок успевает пройти расстояние L от одной установки до другой и вернутся обратно, оно же – время поворота одной грани зеркала.
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.
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 Т1-Т2=1980 с. Но из написанных выше формул следует, что Т1-Т2= , 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=u0t. 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 u0 2nd Июнь 2009
Читайте также: