Brzinu svjetlosti prvi je odredio 1676. Ole Roemer iz promjena u vremenskim intervalima između pomrčina Jupiterova satelita Io.
S fenomenom svjetlosti prvi put smo se upoznali u 9. razredu. U 11. počinjemo razmatrati najzanimljiviji materijal o tome što je brzina svjetlosti.
Ispostavilo se da povijest otkrića ovog fenomena nije ništa manje zanimljiva od samog fenomena.
Potrebe trgovine koja se ubrzano razvijala i sve veća važnost plovidbe potaknuli su Francusku akademiju znanosti da započne doradu geografskih karata, što je posebice zahtijevalo pouzdaniji način određivanja geografske dužine. Ole Roemer, mladi danski astronom, pozvan je da radi u novoj pariškoj zvjezdarnici.
Znanstvenici su predložili korištenje nebeskog fenomena koji se promatra svaki dan u isti sat za određivanje pariškog vremena i vremena na brodu. Po ovom fenomenu moreplovac ili geograf mogao je prepoznati pariško vrijeme. Takav fenomen, vidljiv s bilo kojeg mjesta na moru ili kopnu, jest pomrčina jednog od četiri velika Jupiterova mjeseca, koje je otkrio Galileo 1609. godine.
Satelit Io prošao je ispred planeta, a zatim uronio u njegovu sjenu i nestao iz vidokruga. Zatim se ponovno pojavio poput svjetiljke koja bljeska. Vremenski razmak između dva izbijanja bio je 42 sata i 28 minuta. Ista mjerenja obavljena šest mjeseci kasnije pokazala su da je satelit kasnio, izašavši iz sjene 22 minute kasnije u usporedbi s trenutkom vremena koji se mogao izračunati na temelju poznavanja Iovog orbitalnog perioda. Brzina ima netočan rezultat zbog netočnog određivanja vremena odgode.
Godine 1849. francuski fizičar Armand Hippolyte Louis Fizeau proveo je laboratorijski eksperiment za mjerenje brzine svjetlosti. Parametri instalacije Fizeaua su sljedeći. Izvor svjetlosti i zrcalo nalazili su se u kući Fizeauova oca u blizini Pariza, a zrcalo 2 na Montmartreu. Udaljenost između zrcala bila je 8,66 km, kotač je imao 720 zuba. Okretala se pod djelovanjem satnog mehanizma pokretanog utegom koji se spuštao. Koristeći brojač okretaja i kronometar, Fizeau je otkrio da se prvo zamračenje dogodilo pri brzini kotača od 12,6 o/s.
Svjetlost iz izvora prolazila je kroz zupce rotirajućeg kotača i, reflektirana od ogledala, ponovno se vraćala na zupčanik. Pretpostavimo da su zub i utor zupčanika iste širine i da mjesto utora na kotaču zauzima susjedni zub. Tada će svjetlo biti blokirano zubom i okular će postati taman. Metodom rotirajućeg zatvarača Fizeau je dobio brzinu svjetlosti: 3.14.105 km/s.
U proljeće 1879. New York Times je izvijestio: "Na znanstvenom horizontu Amerike pojavila se sjajna nova zvijezda. Mlađi poručnik mornarice, diplomant Mornaričke akademije u Annapolisu, Albert Michelson, koji još nema 27 godina. godine, postigao je izvanredan uspjeh na području optike: izmjerio je brzinu svjetlosti! Zanimljivo je da je tijekom završnih ispita na akademiji Albertu postavljeno pitanje o mjerenju brzine svjetlosti. Tko je mogao zamisliti da će za kratko vrijeme i sam Michelson ući u povijest fizike kao metar brzine svjetlosti.
Prije Michelsona samo su rijetki (svi su bili Francuzi) uspjeli to izmjeriti zemaljskim sredstvima. A na američkom kontinentu nitko prije njega nije ni pokušao s ovim teškim eksperimentom.
Michelsonova instalacija nalazila se na dva planinska vrha udaljena 35,4 km. Ogledalo je bila osmerokutna čelična prizma na planini San Antonio u Kaliforniji, a sama instalacija nalazila se na planini Wilson. Nakon refleksije od prizme, svjetlosna zraka je udarila u sustav zrcala koja su je vratila natrag. Kako bi zraka mogla pogoditi promatračevo oko, rotirajuća prizma mora imati vremena da se okrene najmanje 1/8 okretaja tijekom vremena koje svjetlost putuje naprijed-natrag.
Michelson je napisao: “Činjenica da je brzina svjetlosti kategorija nedostupna ljudskoj mašti, a da se s druge strane može mjeriti s iznimnom točnošću, čini njezinu definiciju jednim od najfascinantnijih problema s kojima se istraživač može suočiti.
Najtočnije mjerenje brzine svjetlosti dobio je 1972. američki znanstvenik K. Evenson i njegovi kolege. Kao rezultat neovisnih mjerenja frekvencije i valne duljine laserskog mjerenja, dobili su vrijednost od 299792456,2 ± 0,2 m/s.
Međutim, 1983. godine na sastanku General Assembly of Weights and Measures usvojena je nova definicija metra (to je duljina puta koju svjetlost prijeđe u vakuumu za 1/299,792,458 sekunde), iz koje slijedi da je brzina svjetlosti u vakuumu apsolutno točno jednaka c = 299,792,458 m/s.
1676. - Ole Roemer - astronomska metoda
s= 2.22.108 m/s
1849. godine - Louis Fizeau - laboratorijska metoda
s= 3.12.108 m/s
1879 Albert Michelson - laboratorijska metoda
C= 3001,108 m/s
1983. Sastanak Generalne skupštine za utege i mjere
s=299792458 m/s
Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja jednostavno je. Koristite obrazac u nastavku
Studenti, diplomanti, mladi znanstvenici koji koriste bazu znanja u svom studiju i radu bit će vam vrlo zahvalni.
Objavljeno na http://www.allbest.ru/
Brzina svjetlosti i metode za njezino određivanje
Plan
Uvod
1. Astronomske metode mjerenja brzine svjetlosti
1.1 Roemerova metoda
1.2 Metoda svjetlosne aberacije
1.3 Metoda prekida (Fizeauova metoda)
1.4 Metoda rotirajućeg zrcala (Foucaultova metoda)
1.5 Michelsonova metoda
Uvod
Brzina svjetlosti je jedna od najvažnijih fizikalnih konstanti, koje se nazivaju fundamentalnim. Ova konstanta je od posebne važnosti u teorijskoj i eksperimentalnoj fizici i srodnim znanostima. Potrebno je znati točnu vrijednost brzine svjetlosti u radijskom i svjetlosnom lociranju, pri mjerenju udaljenosti od Zemlje do drugih planeta te pri upravljanju satelitima i svemirskim letjelicama. Određivanje brzine svjetlosti najvažnije je za optiku, posebice za optiku pokretnih medija, te fiziku općenito. Upoznajmo se s metodama određivanja brzine svjetlosti.
1. Astronomske metode mjerenja brzine svjetlosti
1.1 Roemerova metoda
Prva mjerenja brzine svjetlosti temeljila su se na astronomskim promatranjima. Pouzdanu vrijednost brzine svjetlosti, blisku njenoj suvremenoj vrijednosti, prvi je dobio Roemer 1676. promatrajući pomrčine satelita planeta Jupitera.
Vrijeme potrebno svjetlosnom signalu da putuje od nebeskog tijela do Zemlje ovisi o udaljenosti L mjesto svjetiljke. Pojava koja se događa na nekom nebeskom tijelu opaža se s kašnjenjem jednakim vremenu prolaska svjetlosti od svjetiljke do Zemlje:
Gdje S- brzina svjetlosti.
Ako promatramo bilo koji periodični proces koji se odvija u sustavu udaljenom od Zemlje, tada, uz konstantnu udaljenost između Zemlje i sustava, prisutnost ovog kašnjenja neće utjecati na period promatranog procesa. Ako se tijekom perioda Zemlja udalji od sustava ili mu se približi, tada će u prvom slučaju kraj perioda biti zabilježen s većim kašnjenjem od njegovog početka, što će dovesti do prividnog povećanja perioda. U drugom slučaju, naprotiv, kraj razdoblja bit će zabilježen s manjim kašnjenjem od njegovog početka, što će dovesti do prividnog smanjenja razdoblja. U oba slučaja, prividna promjena perioda jednaka je omjeru razlike u udaljenosti između Zemlje i sustava na početku i kraju perioda i brzine svjetlosti.
Gornja razmatranja čine temelj Römerove metode.
Roemer je proveo promatranja satelita Io, čiji je orbitalni period 42 sata 27 minuta 33 sekunde.
Kada se Zemlja kreće duž dijela svoje orbite E 1 E 2 E 3 udaljava se od Jupitera i trebalo bi uočiti povećanje perioda. Prilikom kretanja po prostoru E 3 E 4 E 1 promatrani period će biti manji od pravog. Budući da je promjena u jednom razdoblju mala (oko 15 s), učinak se detektira samo s velikim brojem promatranja provedenih tijekom dugog vremenskog razdoblja. Ako, na primjer, promatrate pomrčine šest mjeseci, počevši od trenutka suprotnosti sa Zemljom (točka E 1 ) do trenutka "spajanja" (točka E 3 ), tada će vremenski razmak između prve i posljednje pomrčine biti 1320 s duži od teoretski izračunatog. Teoretski proračun razdoblja pomrčine proveden je na orbitalnim točkama blizu opozicije. Gdje se udaljenost između Zemlje i Jupitera praktički ne mijenja tijekom vremena.
Rezultirajuća razlika može se objasniti samo činjenicom da se u roku od šest mjeseci Zemlja pomaknula s točke E 1 točno E 3 a svjetlost na kraju polugodišta mora prijeći put veći nego na početku, za veličinu segmenta E 1 E 3 , jednak promjeru zemljine orbite. Stoga se kašnjenja koja su neprimjetna za određeno razdoblje nakupljaju i tvore rezultirajuće kašnjenje. Vrijednost kašnjenja koju je odredio Roemer bila je 22 minute. Uzimajući promjer Zemljine orbite jednak km, možemo dobiti vrijednost za brzinu svjetlosti od 226 000 km/s.
Pokazalo se da je brzina svjetlosti određena na temelju Roemerovih mjerenja manja od moderne vrijednosti. Kasnije su napravljena točnija promatranja pomrčina, u kojima se pokazalo da je vrijeme kašnjenja 16,5 minuta, što odgovara brzini svjetlosti od 301000 km/s.
1.2 Metoda svjetlosne aberacije
mjerenje brzine svjetlosti astronomical
Za promatrača na zemlji, smjer linije gledanja na zvijezdu bit će različit ako se taj smjer odredi u različita doba godine, odnosno ovisno o položaju Zemlje u njezinoj orbiti. Ako se smjer prema bilo kojoj zvijezdi određuje u šestomjesečnim intervalima, to jest kada je Zemlja na suprotnim krajevima promjera Zemljine orbite, tada se kut između dobivena dva smjera naziva godišnja paralaksa (slika 2). Što je zvijezda udaljenija, njezin je kut paralakse manji. Mjerenjem kutova paralakse raznih zvijezda moguće je odrediti udaljenost tih zvijezda od našeg planeta.
Godine 1725-1728 Bradley James, engleski astronom, izmjerio je godišnju paralaksu fiksnih zvijezda. Promatrajući jednu od zvijezda u zviježđu Zmaj, otkrio je da se njezin položaj mijenja tijekom godine. Za to vrijeme opisala je mali krug čije su kutne dimenzije bile jednake 40,9”. U općem slučaju, kao rezultat orbitalnog gibanja Zemlje, zvijezda opisuje elipsu, čija glavna os ima iste kutne dimenzije. Za zvijezde koje leže u ravnini ekliptike, elipsa se degenerira u ravnu liniju, a za zvijezde koje leže blizu pola - u krug. (Ekliptika je veliki krug nebeske sfere po kojem se događa vidljivo godišnje kretanje Sunca.)
Količina pomaka koju je izmjerio Bradley bila je značajno veća od očekivanog paralaktičkog pomaka. Bradley je ovu pojavu nazvao aberacijom svjetlosti i objasnio je konačnom brzinom svjetlosti. Tijekom kratkog vremena tijekom kojeg se svjetlost koja pada na leću teleskopa širi od leće do okulara, okular se pomiče za vrlo mali segment kao rezultat kretanja Zemljine orbite (Sl. 3). Kao rezultat toga, slika zvijezde će se pomaknuti za segment A. Pri ponovnom usmjeravanju teleskopa prema zvijezdi morat će se lagano nagnuti u smjeru kretanja Zemlje kako bi se slika zvijezde ponovno poklopila sa središtem nišana u okularu.
Neka je kut nagiba teleskopa jednak b. Označimo vrijeme potrebno da svjetlost prijeđe segment V, jednaka udaljenosti od leće teleskopa do njegovog okulara, jednaka je f. Zatim segment, i
Iz Bradleyjevih mjerenja bilo je poznato da na dva položaja Zemlje koji leže na istom promjeru orbite, zvijezda izgleda pomaknuta od svog pravog položaja za isti kut. Kut između ovih smjerova promatranja, odakle se, znajući brzinu Zemlje u orbiti, može pronaći brzina svjetlosti. Bradley je dobio S= 306000 km/s.
Treba napomenuti da je fenomen svjetlosne aberacije povezan s promjenom smjera brzine Zemlje tijekom godine. Objašnjenje ovog fenomena temelji se na korpuskularnim konceptima svjetlosti. Razmatranje aberacije svjetlosti sa stajališta valne teorije je složenije i povezano je s pitanjem utjecaja gibanja Zemlje na širenje svjetlosti.
Roemer i Bradley pokazali su da je brzina svjetlosti konačna, iako je od velike važnosti. Za daljnji razvoj teorije svjetlosti bilo je važno utvrditi o kojim parametrima ovisi brzina svjetlosti i kako se ona mijenja pri prelasku svjetlosti iz jednog medija u drugi. Za to je bilo potrebno razviti metode za mjerenje brzine svjetlosti iz zemaljskih izvora. Prvi pokušaji takvih pokusa učinjeni su početkom 19. stoljeća.
1.3 Metoda prekida (Fizeauova metoda)
Prvu eksperimentalnu metodu za određivanje brzine svjetlosti iz zemaljskih izvora razvio je 1449. francuski fizičar Armand Hippolyte Louis Fizeau. Eksperimentalna shema prikazana je na sl. .4.
Širenje svjetlosti iz izvora s, djelomično reflektiran od prozirne ploče R i ode do ogledala M. Na putu snopa nalazi se svjetlosni razbijač – zupčanik DO, čija os oo" paralelno s gredom. Zrake svjetlosti prolaze kroz razmake između zuba i reflektiraju se u ogledalu M i šalju se natrag kroz zupčanik i ploču R promatraču.
Kad se kotač polako okreće DO svjetlo prošavši kroz razmak između zuba, uspijeva se vratiti kroz isti procjep i ulazi u oko promatrača. U onim trenucima kada put zrake presiječe zub, svjetlost ne dopire do promatrača. Dakle, pri maloj kutnoj brzini, promatrač percipira treperavu svjetlost. Ako povećate brzinu rotacije kotača, tada pri određenoj vrijednosti svjetlost koja prolazi kroz jedan razmak između zuba, dolazi do zrcala i vraća se natrag, neće pasti u isti razmak d, ali će biti blokiran zubom koji je zauzeo položaj praznine u ovom trenutku d. Posljedično, pri kutnoj brzini, nikakva svjetlost neće uopće ući u oko promatrača iz razmaka d, kao ni od svih sljedećih (prvo tamnjenje). Ako uzmemo broj zuba P, tada je vrijeme okretanja kotačića na klizaču jednako
Vrijeme koje je potrebno svjetlosti da prijeđe udaljenost od kotača do ogledala M i obrnuto je jednaka
Gdje l- udaljenost kotača od ogledala (baze). Izjednačavanjem ova dva vremenska intervala dobivamo uvjet pod kojim dolazi do prvog zamračenja:
gdje se može odrediti brzina svjetlosti:
gdje je broj okretaja u sekundi.
U Fizeau instalaciji baza je bila 8,63 km, broj zubaca u kotaču bio je 720, a prvo zatamnjenje dogodilo se pri frekvenciji od 12,6 okretaja u sekundi. Ako udvostručite brzinu kotača, vidjet ćete osvijetljeno vidno polje; pri utrostručenoj brzini vrtnje ponovno će se pojaviti tama itd. Brzina svjetlosti koju je izračunao Fizeau je 313300 km/s.
Glavna poteškoća takvih mjerenja je točno odrediti trenutak zamračenja. Točnost se povećava i s većim bazama i sa stopama prekida koje omogućuju promatranje zamračenja višeg reda. Tako je Perrotin 1902. izvršio mjerenja s duljinom baze od 46 km i dobio vrijednost za brzinu svjetlosti od 29987050 km/s. Radovi su izvedeni na iznimno čistom morskom zraku uz korištenje visokokvalitetne optike.
Umjesto rotirajućeg kotača mogu se koristiti i druge, naprednije metode prekidanja svjetla, primjerice Kerrova ćelija pomoću koje se svjetlosni snop može prekinuti 107 puta u sekundi. U ovom slučaju možete značajno smanjiti bazu. Tako je u Andersonovoj postavci (1941.) s Kerrovom ćelijom i fotoelektričnim snimanjem baza bila samo 3 m. Dobio je vrijednost S= 29977614 km/s.
1.4 Metoda rotirajućeg zrcala (Foucaultova metoda)
Metoda za određivanje brzine svjetlosti koju je 1862. godine razvio Foucault može se pripisati prvim laboratorijskim metodama. Koristeći ovu metodu, Foucault je mjerio brzinu svjetlosti u medijima za koje je indeks loma n>1 .
Dijagram Foucaultove instalacije prikazan je na sl. 5.
Svjetlo iz izvora S prolazi kroz prozirnu ploču R, leće L i pada na ravno ogledalo M1, koji se može okretati oko svoje osi OKO, okomito na ravninu crtanja. Nakon odraza od ogledala M1 snop svjetlosti je usmjeren na nepomično konkavno zrcalo M 2, smještena tako da ta zraka uvijek pada okomito na njezinu površinu i reflektira se na istom putu na zrcalu M1 . Ako ogledalo M1 nepomična, tada će se zraka odbijena od nje vratiti po svom izvornom putu do ploče R, djelomično reflektirano od čega će dati sliku izvora S u točki S1 .
Kad se zrcalo okreće M1 tijekom vremena koje je potrebno svjetlosti da putuje 2 l između oba zrcala i vraća se natrag (), zrcalo koje rotira kutnom brzinom M1 će se okrenuti pod kutom
i zauzet će položaj prikazan na sl. .5 isprekidana linija. Zraka reflektirana od zrcala bit će zakrenuta pod kutom u odnosu na izvornu i dat će sliku izvora u točki S2 . Mjerenje udaljenosti S1 S2 i znajući geometriju instalacije, možete odrediti kut i izračunati brzinu svjetlosti:
Stoga je bit Foucaultove metode točno izmjeriti vrijeme potrebno svjetlosti da prijeđe udaljenost 2 l. Ovo vrijeme se procjenjuje kutom rotacije zrcala M1 , čija je brzina rotacije poznata. Kut rotacije određuje se na temelju mjerenja pomaka S1 S2 . U Foucaultovim pokusima brzina vrtnje bila je 800 okretaja u sekundi, što je baza l varirao od 4 do 20 km. Vrijednost je pronađena S= 298000500 km/s.
Foucault je svojom instalacijom prvi izmjerio brzinu svjetlosti u vodi. Postavivši cijev napunjenu vodom između zrcala, Foucault je otkrio da se kut pomaka povećao * puta, pa je stoga brzina širenja svjetlosti u vodi izračunata prema gore napisanoj formuli jednaka (3/4) S. Pokazalo se da je indeks loma svjetlosti u vodi, izračunat prema formulama valne teorije, jednak, što je u potpunosti u skladu sa Snellovim zakonom. Tako je na temelju rezultata ovog eksperimenta potvrđena valjanost valne teorije svjetlosti, a okončana je stoljeće i pol rasprava u njezinu korist.
1.5 Michelsonova metoda
Godine 1926. napravljena je Michelsonova instalacija između dva planinska vrha, tako da je udaljenost koju zraka prijeđe od izvora do svoje slike nakon refleksije s prve strane osmerokutne zrcalne prizme, zrcala M 2 - M 7 a peto lice bilo je oko 35,4 km. Brzina rotacije prizme (približno 528 okretaja u sekundi) odabrana je tako da se tijekom vremena širenja svjetlosti od prve do pete strane, prizma imala vremena zarotirati za 1/8 okretaja. Mogući pomak zečića pri netočno odabranoj brzini igrao je ulogu korekcije. Pokazalo se da je brzina svjetlosti određena ovim eksperimentom jednaka 2997964 km/s.
Od ostalih metoda ističemo mjerenje brzine svjetlosti koje je izvedeno 1972. godine neovisnim određivanjem valne duljine i frekvencije svjetlosti. Izvor svjetlosti bio je helij-neonski laser koji je generirao zračenje na 3,39 μm. U ovom slučaju, valna duljina je izmjerena interferometrijskom usporedbom sa standardnom duljinom narančastog zračenja kriptona, a frekvencija je izmjerena metodama radiotehnike. Brzina svjetlosti
određena ovom metodom bila je 299792,45620,001 km/s. Autori metode smatraju da se postignuta točnost može povećati poboljšanjem ponovljivosti mjerenja etalona duljine i vremena.
U zaključku napominjemo da se pri određivanju brzine svjetlosti mjeri grupna brzina I, koji se poklapa s fazom jedan samo za vakuum.
Objavljeno na Allbest.ru
Slični dokumenti
Podjela četverodimenzionalnog prostora na fizičko vrijeme i trodimenzionalni prostor. Konstantnost i izotropnost brzine svjetlosti, definicija simultanosti. Izračun Sagnacovog efekta uz pretpostavku anizotropije brzine svjetlosti. Proučavanje svojstava NUT parametra.
članak, dodan 22.06.2015
Vidljivo zračenje i prijenos topline. Prirodni, umjetni luminiscentni i toplinski izvori svjetlosti. Refleksija i lom svjetlosti. Sjena, polusjena i svjetlosni snop. Pomrčine Mjeseca i Sunca. Apsorpcija energije od strane tijela. Mijenjanje brzine svjetlosti.
prezentacija, dodano 27.12.2011
Transformacija svjetlosti kada padne na granicu dva medija: refleksija (raspršenje), transmisija (lom), apsorpcija. Čimbenici promjene brzine svjetlosti u tvarima. Manifestacije polarizacije i interferencije svjetlosti. Intenzitet reflektirane svjetlosti.
prezentacija, dodano 26.10.2013
Razvoj pojma prostora i vremena. Znanstvenofantastična paradigma. Načelo relativnosti i zakoni očuvanja. Apsolutna brzina svjetlosti. Paradoks zatvorenih svjetskih linija. Usporavanje protoka vremena ovisno o brzini kretanja.
sažetak, dodan 05/10/2009
Pojam disperzije svjetlosti. Normalna i anomalna disperzija. Klasična teorija disperzije. Ovisnost fazne brzine svjetlosnih valova o njihovoj frekvenciji. Razlaganje bijele svjetlosti pomoću difrakcijske rešetke. Razlike u difrakcijskim i prizmatičnim spektrima.
prezentacija, dodano 02.03.2016
Fotometrijski uređaj za glavu. Svjetlosni tok i snaga izvora svjetlosti. Određivanje jakosti svjetlosti, svjetline. Princip fotometrije. Usporedba osvjetljenja dviju površina koju stvaraju izvori svjetlosti koji se proučavaju.
laboratorijski rad, dodan 07.03.2007
Osnovni principi geometrijske optike. Proučavanje zakona prostiranja svjetlosne energije u prozirnim medijima na temelju koncepta svjetlosnog snopa. Astronomske i laboratorijske metode mjerenja brzine svjetlosti, razmatranje zakona njezina loma.
prezentacija, dodano 07.05.2012
Spektralna mjerenja intenziteta svjetlosti. Proučavanje raspršenja svjetlosti u magnetskim koloidima kobalt ferita i magnetita u kerozinu. Krivulje smanjenja intenziteta raspršene svjetlosti tijekom vremena nakon isključivanja električnog i magnetskog polja.
članak, dodan 19.03.2007
Teorijske osnove optičko-elektroničkih uređaja. Kemijsko djelovanje svjetlosti. Fotoelektrični, magnetooptički, elektrooptički učinci svjetlosti i njihova primjena. Compton efekt. Ramanov učinak. Lagani pritisak. Kemijsko djelovanje svjetlosti i njezina priroda.
sažetak, dodan 02.11.2008
Valna teorija svjetlosti i Huygensov princip. Fenomen interferencije svjetlosti kao prostorne preraspodjele svjetlosne energije tijekom superpozicije svjetlosnih valova. Koherencija i monokromatski svjetlosni tokovi. Valna svojstva svjetlosti i pojam valnog niza.
Pravocrtno širenje svjetlosti
Što je svjetlost?
Prema suvremenim pojmovima, vidljiva svjetlost su elektromagnetski valovi valnih duljina od 400 nm (ljubičasto) do 760 nm (crveno).
Svjetlost, kao i svi elektromagnetski valovi, putuje vrlo velikom brzinom. U vakuumu je brzina svjetlosti oko 3×10 8 m/s.
Čitač: Kako ste uspjeli izmjeriti tako “monstruoznu” brzinu?
Kako je određena brzina svjetlosti?
Astronomska metoda za mjerenje brzine svjetlosti. Brzinu svjetlosti prvi je izmjerio danski znanstvenik Roemer 1676. godine. Njegov uspjeh objašnjava se upravo činjenicom da su udaljenosti koje svjetlost prijeđe, a koje je koristio za mjerenja, bile vrlo velike. To su udaljenosti između planeta Sunčevog sustava.
Roemer je promatrao pomrčine satelita Jupitera, najvećeg planeta Sunčevog sustava. Jupiter, za razliku od Zemlje, ima najmanje šesnaest satelita. Njegov najbliži pratilac, Io, postao je predmetom Roemerovih promatranja. Vidio je kako satelit prolazi ispred planeta, a zatim uranja u njegovu sjenu i nestaje iz vidokruga. Zatim se ponovno pojavio, poput svjetiljke koja bljeska. Pokazalo se da je vremenski interval između dva izbijanja bio 42 sata i 28 minuta. Dakle, ovaj “mjesec” je bio ogroman nebeski sat koji je slao svoje signale na Zemlju u pravilnim intervalima.
Isprva su promatranja vršena u vrijeme kada se Zemlja u svom kretanju oko Sunca najviše približavala Jupiteru (sl. 1.1). . Poznavajući razdoblje revolucije satelita Io oko Jupitera, Roemer je napravio jasan raspored trenutaka njegovog pojavljivanja za godinu dana unaprijed. Ali šest mjeseci kasnije, kada se Zemlja udaljila od Jupitera do promjera svoje orbite, Roemer je bio iznenađen otkrićem da je satelit kasnio s izlaskom iz sjene čak 22 minute u odnosu na "izračunato" vrijeme njegovog pojavljivanja .
Roemer je to ovako objasnio: “Kada bih mogao ostati s druge strane zemljine orbite, satelit bi se uvijek pojavio iz sjene u određeno vrijeme; tamošnji promatrač bi vidio Io 22 minute ranije. Do kašnjenja u ovom slučaju dolazi jer svjetlu treba 22 minute da putuje od mjesta mog prvog opažanja do moje sadašnje pozicije.” Poznavajući kašnjenje u pojavi Io i udaljenost kojom je ono uzrokovano, možemo odrediti brzinu dijeljenjem ove udaljenosti (promjera Zemljine orbite) s vremenom kašnjenja. Brzina se pokazala iznimno velikom, otprilike 215 000 km/s. Stoga je izuzetno teško uhvatiti vrijeme širenja svjetlosti između dvije udaljene točke na Zemlji. Uostalom, u jednoj sekundi svjetlost prijeđe udaljenost 7,5 puta veću od duljine Zemljinog ekvatora.
Laboratorijske metode za mjerenje brzine svjetlosti. Prvi put je brzinu svjetlosti laboratorijskom metodom izmjerio francuski znanstvenik Fizeau 1849. godine. U svom eksperimentu svjetlost iz izvora, prolazeći kroz leću, padala je na prozirnu ploču 1 (Slika 1.2). Nakon refleksije od ploče, fokusirana uska zraka bila je usmjerena na periferiju brzorotirajućeg zupčanika.
Prolazeći između zuba, svjetlost je dopirala do ogledala 2, koji se nalazi na udaljenosti od nekoliko kilometara od kotača. Nakon što se odrazila od zrcala, svjetlost je morala ponovno proći između zuba prije nego što je ušla u oko promatrača. Kad se kotač polako okretao, vidjela se svjetlost odbijena od zrcala. Kako se brzina rotacije povećavala, postupno je nestajao. Što je ovdje? Dok je svjetlost koja je prolazila između dva zuba išla do zrcala i natrag, kotačić se imao vremena okrenuti tako da je zub zamijenio prorez i svjetlost je prestala biti vidljiva.
Daljnjim povećanjem brzine rotacije svjetlost je ponovno postala vidljiva. Očito, tijekom vremena koje je svjetlost putovala do zrcala i natrag, kotačić se imao vremena okrenuti toliko da je novi utor zauzeo mjesto prethodnog utora. Znajući ovo vrijeme i udaljenost između kotača i zrcala, možete odrediti brzinu svjetlosti. U Fizeauovom pokusu udaljenost je bila 8,6 km, a za brzinu svjetlosti dobivena je vrijednost od 313 000 km/s.
Razvijene su mnoge druge, preciznije laboratorijske metode za mjerenje brzine svjetlosti. Konkretno, američki fizičar A. Michelson razvio je savršenu metodu za mjerenje brzine svjetlosti pomoću rotirajućih zrcala umjesto zupčanika.
Prema suvremenim podacima, brzina svjetlosti u vakuumu iznosi 299 792 458 m/s. Greška u mjerenju brzine ne prelazi 0,3 m/s.
Zadatak 1.1. U Fizeauovom eksperimentu za određivanje brzine svjetlosti, svjetlosna je zraka prošla kroz uski prorez između zuba rotirajućeg kotača i reflektirala se od zrcala koje se nalazilo na udaljenosti l= 8,6 km od kotača, i vratio se, ponovno prolazeći između zuba kotača. Pri kojoj najmanjoj frekvenciji n vrtnje kotača reflektirana svjetlost nestaje? Broj zuba na kotaču N= 720. Brzina svjetlosti S= 3,0×10 8 m/s.
prorez, i zub, tj. okrene li se kotač na gusjenici.
Kod tokarenja za jedan zub kut zakreta će biti (rad), a kod tokarenja za poluzub (rad).
Neka je kutna brzina vrtnje kotača jednaka w, tada se za to vrijeme kotač mora okrenuti za kut . Zatim
.
Iz posljednje jednakosti nalazimo n:
12 1/s.
Odgovor: 12 1/s.
STOP! Odlučite sami: A1, B3, C1, C2.
Svjetlosni snop
Čitač: Ako je svjetlost val, što onda treba razumjeti pod svjetlosnom zrakom?
Autor: Da, svjetlost je val, ali duljina ovog vala u usporedbi s veličinom mnogih optičkih instrumenata jako malo. Pogledajmo kako se valovi ponašaju na površini vode kada je veličina prepreka puno veća od valne duljine.
 Riža. 1.3 |
Ponovimo pokus s valovima na vodi uzrokovanim vibracijama ruba ravnala LL udarajući o površinu vode. Da bismo pronašli smjer širenja valova, na njihov put postavimo prepreku MM s rupom čije su dimenzije znatno veće od valne duljine. Utvrdit ćemo da se iza pregrade valovi šire u ravnom kanalu povučenom kroz rubove rupe (Sl. 1.3) . Smjer ovog kanala je smjer širenja valova. Ostaje nepromijenjen ako stavimo pregradu nakoso (MM"). Smjer duž kojeg se valovi šire uvijek se pokaže okomito na liniju čije sve točke valni poremećaj doseže u istom trenutku. Ta se linija naziva valna fronta. Ravna linija okomita na frontu vala (strelica na sl. . 1.3) označava smjer širenja vala. Nazvat ćemo ovu liniju greda. Tako, zraka je geometrijska crta povučena okomito na frontu vala i pokazuje smjer širenja poremećaja vala. U svakoj točki fronte vala moguće je povući okomicu na frontu, tj. zraku.
| Riža. 1.4 |
U slučaju koji smo razmatrali, valna fronta ima oblik ravne linije; dakle, zrake u svim točkama fronte su paralelne jedna s drugom. Ako ponovimo pokus, uzimajući za izvor valova oscilirajući kraj žice, valna fronta će imati oblik kruga. Postavljanjem barijera s rupama na putu takvog vala, čije su dimenzije velike u odnosu na valnu duljinu, dobivamo sliku prikazanu na sl. 1.4. Dakle, u ovom slučaju, smjer širenja valova podudara se s ravnim linijama okomitim na frontu vala, tj. sa smjerom zraka; u ovom slučaju, zrake su prikazane kao radijusi izvučeni iz točke odakle valovi nastaju.
Promatranja pokazuju da se u homogenom mediju svjetlost također širi duž ravne linije.
Svjetlosna zraka se ne shvaća kao tanki snop svjetlosti, već kao linija koja pokazuje smjer širenja svjetlosne energije. Da bismo odredili ovaj smjer, odabiremo uske svjetlosne zrake, čiji promjer ipak mora biti veći od valne duljine. Zatim te zrake zamijenimo linijama, koje su osi svjetlosnih zraka (slika 1.6). Ove linije predstavljaju svjetlosne zrake. Stoga, kada govorimo o odbijanju ili lomu svjetlosnih zraka, mislimo na promjenu smjera prostiranja svjetlosti.
Glavna korist od uvođenja pojma svjetlosne zrake je u tome što je ponašanje zraka u prostoru određeno jednostavnim zakonima – zakonima geometrijske optike.
Geometrijska optika je grana optike koja proučava zakone prostiranja svjetlosti u prozirnim medijima na temelju pojma svjetlosne zrake.
Jedan od osnovnih zakona geometrijske optike je zakon pravocrtnog prostiranja svjetlosti: U homogenom mediju svjetlost putuje pravocrtno.
Drugim riječima, u homogenom mediju, svjetlosne zrake su ravne linije.
Izvori svjetlosti
Izvore svjetlosti možemo podijeliti na samostalne i reflektirane izvore svjetlosti.
neovisno – to su izvori koji izravno emitiraju svjetlost: Sunce, zvijezde, sve vrste svjetiljki, plamenovi itd.
Reflektirani izvori svjetlosti Oni samo reflektiraju svjetlost koja na njih pada iz neovisnih izvora. Dakle, svaki predmet u prostoriji osvijetljen sunčevom svjetlošću: stol, knjiga, zidovi, ormar, izvor je reflektirane svjetlosti. Mi sami smo izvori reflektirane svjetlosti. Mjesec je također izvor reflektirane sunčeve svjetlosti.
Imajte na umu i da je atmosfera izvor reflektirane svjetlosti, a zahvaljujući atmosferi ujutro dobiva svjetlost mnogo prije izlaska sunca.
Čitač: Zašto su sunčeve zrake, koje osvjetljavaju sve predmete u sobi, same nevidljive?
Ljudsko oko opaža samo one zrake koje ga izravno pogode. Stoga, ako sunčeva zraka prođe pored oka, oko je ne vidi. Ali ako u zraku ima puno prašine ili dima, tada sunčeve zrake postaju vidljive: raspršene na česticama prašine ili dima, dio sunčeve svjetlosti pada u naše oči, a zatim vidimo "put" sunčeve zrake. .
STOP! Odlučite sami: A2–A4, B1, B2, C3, C4.
Drugi zakon geometrijske optike je zakon neovisnosti svjetlosnih zraka. Sjecanje u prostoru, zrake nemaju utjecaja jedni na druge.
Imajte na umu da valovi na površini vode imaju isto svojstvo: kada se sijeku, ne utječu jedni na druge.
STOP! Odlučite sami: Q4.
Sjena i polusjena
Pravocrtnost prostiranja svjetlosti objašnjava nastanak sjene, tj. područja u koje svjetlosna energija ne ulazi. Kada je veličina izvora (svjetleće točke) mala, dobiva se oštro definirana sjena (sl. 1.7). Da svjetlost ne putuje pravocrtno, mogla bi obići prepreku i ne bi bilo sjene.
Riža. 1.7 Sl. 1.8
| Riža. 1.9 |
Kada je izvor velik, stvaraju se neoštre sjene (Sl. 1.8). Činjenica je da se iz svake točke izvora svjetlost širi pravocrtno i objekt osvijetljen dvjema svjetlećim točkama dat će dvije divergentne sjene, čije preklapanje tvori sjenu nejednake gustoće. Potpuna sjena proširenog izvora formira se samo u onim područjima zaslona do kojih svjetlost uopće ne dopire. Uz rubove pune sjene nalazi se svjetlije područje - penumbra. Kako se udaljavate od područja pune sjene, polusjena postaje svjetlija i svjetlija. Iz područja potpune sjene oko uopće neće vidjeti izvor svjetlosti, a iz područja djelomične sjene vidjet će samo dio njegove površine (sl. 1.9).
Poznato je da je brzina svjetlosti u vakuumu konačna i iznosi ≈300 000 km/s. Sva moderna fizika i sve moderne teorije svemira temelje se na tim podacima. Ali nedavno su znanstvenici bili sigurni da je brzina svjetlosti beskonačna i mi odmah vidimo što se događa u najudaljenijim kutovima svemira.
Ljudi su počeli razmišljati o tome što je svjetlost u davna vremena. Svjetlost plamena svijeće koja se trenutno širila prostorijom, bljeskovi munja na nebu, promatranje kometa i drugih kozmičkih tijela na noćnom nebu davali su osjećaj da je brzina svjetlosti beskonačna. Doista, teško je povjerovati da, na primjer, kada gledamo Sunce, ne promatramo ga u sadašnjem stanju, već onakvom kakvo je bilo prije otprilike 8 minuta.
Ali neki su ljudi ipak doveli u pitanje naizgled utvrđenu istinu o beskonačnosti brzine svjetlosti. Jedan od tih ljudi bio je Isaac Bengman, koji je 1629. godine pokušao provesti eksperiment kojim je odredio konačnu brzinu svjetlosti. Naravno, nije imao na raspolaganju računala, visokoosjetljive lasere ili satove visoke preciznosti. Umjesto toga, znanstvenik je odlučio stvoriti eksploziju. Nakon što je napunio spremnik eksplozivnom tvari, postavio je velika zrcala na različitim udaljenostima od njega i tražio od promatrača da odrede u kojem će se zrcalu bljesak od eksplozije prvi pojaviti. S obzirom da u jednoj sekundi svjetlost može obići Zemlju 7,5 puta, može se pretpostaviti da je eksperiment završio neuspjehom.
Nešto kasnije, poznati Galileo, koji je također dovodio u pitanje beskonačnost brzine svjetlosti, predložio je svoj eksperiment. Postavio je svog pomoćnika sa svjetiljkom na jedno brdo, a on je stajao sa svjetiljkom na drugom. Kad je Galileo podigao poklopac sa svoje svjetiljke, njegov pomoćnik je odmah podigao poklopac sa suprotne svjetiljke. Naravno, ni ovaj eksperiment nije mogao biti okrunjen uspjehom. Jedino što je Galileo mogao pogoditi je da je brzina svjetlosti puno brža od ljudske reakcije.
Ispostavilo se da je jedini izlaz iz situacije bilo sudjelovanje u eksperimentu tijela prilično udaljenih od Zemlje, ali koja su se mogla promatrati pomoću teleskopa tog vremena. Takvi objekti bili su Jupiter i njegovi sateliti. Godine 1676. astronom Ole Römer pokušao je odrediti zemljopisnu dužinu između različitih točaka na geografskoj karti. Da bi to učinio, upotrijebio je sustav za promatranje pomrčine jednog od Jupiterovih mjeseca, Io. Ole Roemer proveo je svoje istraživanje s otoka u blizini Kopenhagena, dok je drugi astronom, Giovanni Domenico Cassini, promatrao istu pomrčinu iz Pariza. Uspoređujući vrijeme početka pomrčine između Pariza i Kopenhagena, znanstvenici su utvrdili razliku u zemljopisnoj dužini. Cassini je nekoliko godina za redom promatrao Jupiterove mjesece s istog mjesta na Zemlji i primijetio da vrijeme između pomrčina satelita postaje kraće kada je Zemlja bila bliže Jupiteru, a duže kada je Zemlja dalje od Jupitera. Na temelju svojih opažanja pretpostavio je da je brzina svjetlosti konačna. To je bila apsolutno ispravna odluka, no Cassani je iz nekog razloga ubrzo povukao svoje riječi. No Roemer je ideju prihvatio s oduševljenjem, pa je čak uspio osmisliti genijalne formule koje uzimaju u obzir promjer Zemlje i orbitu Jupitera. Kao rezultat toga, izračunao je da su svjetlosti potrebne oko 22 minute da prijeđu promjer Zemljine orbite oko Sunca. Njegovi su izračuni bili pogrešni: prema suvremenim podacima, svjetlost tu udaljenost prijeđe za 16 minuta i 40 sekundi. Da su Oleovi izračuni točni, brzina svjetlosti bila bi 135 000 km/s.
Kasnije je na temelju Roehnerovih izračuna Christian Huyens u formule zamijenio točnije podatke o promjeru Zemlje i orbiti Jupitera. Kao rezultat toga, dobio je brzinu svjetlosti jednaku 220 000 km/s, što je mnogo bliže ispravnoj vrijednosti.
Ali nisu svi znanstvenici hipotezu o konačnoj brzini svjetlosti smatrali točnom. Znanstvena rasprava trajala je sve do 1729. godine kada je otkriven fenomen svjetlosne aberacije, što je potvrdilo pretpostavku o konačnosti brzine svjetlosti i omogućilo točnije mjerenje njezine vrijednosti.
Ovo je zanimljivo: moderni znanstvenici i povjesničari dolaze do zaključka da su, najvjerojatnije, formule Roemera i Huyensa bile točne. Greška je bila u podacima o orbiti Jupitera i promjeru Zemlje. Ispostavilo se da nisu pogriješila dvojica astronoma, već ljudi koji su im dali podatke o orbiti i promjeru.
Glavna fotografija: depositphotos.com
Ako pronađete grešku, označite dio teksta i kliknite Ctrl+Enter.
Brzina svjetlosti je udaljenost koju svjetlost prijeđe u jedinici vremena. Ova vrijednost ovisi o tvari u kojoj se svjetlost širi.
U vakuumu je brzina svjetlosti 299 792 458 m/s. Ovo je najveća brzina koja se može postići. Pri rješavanju problema koji ne zahtijevaju posebnu točnost, ova vrijednost se uzima jednaka 300 000 000 m/s. Pretpostavlja se da se sve vrste elektromagnetskog zračenja šire u vakuumu brzinom svjetlosti: radio valovi, infracrveno zračenje, vidljiva svjetlost, ultraljubičasto zračenje, x-zrake, gama zračenje. Označava se slovom S .
Kako je određena brzina svjetlosti?
U davna vremena znanstvenici su vjerovali da je brzina svjetlosti beskonačna. Kasnije su počele rasprave o ovom pitanju među znanstvenicima. Kepler, Descartes i Fermat složili su se s mišljenjem antičkih znanstvenika. A Galileo i Hooke vjerovali su da, iako je brzina svjetlosti vrlo velika, ona još uvijek ima konačnu vrijednost.
Galileo Galilei
Jedan od prvih koji je pokušao izmjeriti brzinu svjetlosti bio je talijanski znanstvenik Galileo Galilei. Tijekom eksperimenta on i njegov pomoćnik bili su na različitim brežuljcima. Galileo je otvorio kapak na svom fenjeru. U trenutku kada je pomoćnik ugledao ovo svjetlo, morao je učiniti iste radnje sa svojom svjetiljkom. Vrijeme koje je svjetlosti trebalo da putuje od Galilea do pomoćnika i natrag pokazalo se toliko kratkim da je Galileo shvatio da je brzina svjetlosti vrlo velika, te ju je nemoguće izmjeriti na tako maloj udaljenosti, jer svjetlost putuje gotovo trenutno. A vrijeme koje je zabilježio samo pokazuje brzinu reakcije osobe.
Brzinu svjetlosti prvi je odredio 1676. danski astronom Olaf Roemer koristeći astronomske udaljenosti. Koristeći teleskop za promatranje pomrčine Jupiterovog mjeseca Io, otkrio je da kako se Zemlja udaljava od Jupitera, svaka sljedeća pomrčina nastupa kasnije nego što je izračunato. Maksimalno kašnjenje, kada se Zemlja pomakne na drugu stranu Sunca i udalji od Jupitera na udaljenost jednaku promjeru Zemljine orbite, iznosi 22 sata. Iako tada nije bio poznat točan promjer Zemlje, znanstvenik je njegovu približnu vrijednost podijelio s 22 sata i dobio vrijednost od oko 220.000 km/s.
Olaf Roemer
Rezultat koji je dobio Roemer izazvao je nepovjerenje među znanstvenicima. No 1849. godine francuski fizičar Armand Hippolyte Louis Fizeau izmjerio je brzinu svjetlosti koristeći metodu rotirajućeg zatvarača. U njegovom eksperimentu, svjetlost iz izvora prolazila je između zuba rotirajućeg kotača i usmjeravala se na zrcalo. Odražen od njega, vratio se natrag. Povećala se brzina vrtnje kotača. Kada je dosegla određenu vrijednost, zraka odbijena od zrcala bila je odgođena zubom koji se pomicao, a promatrač u tom trenutku nije ništa vidio.
Fizeauovo iskustvo
Fizeau je izračunao brzinu svjetlosti na sljedeći način. Svjetlo ide svojim putem L od kotača do ogledala u vremenu jednakom t 1 = 2L/c . Vrijeme potrebno da se kotač okrene za ½ utora je t 2 = T/2N , Gdje T - period rotacije kotača, N - broj zuba. Frekvencija rotacije v = 1/T . Trenutak kada promatrač ne vidi svjetlost nastaje kada t 1 = t 2 . Odavde dobivamo formulu za određivanje brzine svjetlosti:
c = 4LNv
Izvršivši izračune po ovoj formuli, Fizeau je utvrdio da S = 313 000 000 m/s. Ovaj je rezultat bio mnogo točniji.
Armand Hippolyte Louis Fizeau
Godine 1838. francuski fizičar i astronom Dominique François Jean Arago predložio je korištenje metode rotirajućeg zrcala za izračunavanje brzine svjetlosti. Tu ideju u djelo je proveo francuski fizičar, mehaničar i astronom Jean Bernard Leon Foucault, koji je 1862. godine dobio vrijednost brzine svjetlosti (298 000 000±500 000) m/s.
Dominique Francois Jean Arago
Godine 1891. rezultat američkog astronoma Simona Newcomba pokazao se za red veličine točnijim od Foucaultova rezultata. Kao rezultat njegovih proračuna S = (99 810 000 ± 50 000) m/s.
Istraživanje američkog fizičara Alberta Abrahama Michelsona, koji je koristio postavu s rotirajućim osmerokutnim zrcalom, omogućilo je još točnije određivanje brzine svjetlosti. Godine 1926. znanstvenik je izmjerio vrijeme koje je svjetlosti potrebno da prijeđe udaljenost između vrhova dviju planina, jednaku 35,4 km, i dobio S = (299 796 000 ± 4 000) m/s.
Najtočnije mjerenje obavljeno je 1975. Iste je godine Opća konferencija za utege i mjere preporučila da se brzina svjetlosti smatra jednakom 299 792 458 ± 1,2 m/s.
O čemu ovisi brzina svjetlosti?
Brzina svjetlosti u vakuumu ne ovisi ni o referentnom okviru ni o položaju promatrača. Ostaje konstantna, jednaka 299 792 458 ± 1,2 m/s. Ali u različitim prozirnim medijima ta će brzina biti niža od brzine u vakuumu. Svaki prozirni medij ima optičku gustoću. I što je viši, to se brzina svjetlosti u njemu širi sporije. Na primjer, brzina svjetlosti u zraku veća je od brzine svjetlosti u vodi, au čistom optičkom staklu manja je nego u vodi.
Ako se svjetlost kreće iz manje gustoće medija u gušće, njezina se brzina smanjuje. A ako se prijelaz dogodi iz gušćeg medija u manje gusti, tada se brzina, naprotiv, povećava. Ovo objašnjava zašto se svjetlosni snop skreće na prijelaznoj granici između dva medija.
