Viteza luminii a fost determinată pentru prima dată în 1676 de Ole Roemer din modificările intervalelor de timp dintre eclipsele satelitului Io al lui Jupiter.
Ne-am familiarizat prima dată cu fenomenul luminii în clasa a IX-a. În al 11-lea începem să luăm în considerare cel mai interesant material despre care este viteza luminii.
Se pare că istoria descoperirii acestui fenomen nu este mai puțin interesantă decât fenomenul în sine.
Nevoile comerțului, care se dezvoltau rapid, și importanța tot mai mare a navigației au determinat Academia Franceză de Științe să înceapă să perfecționeze hărțile geografice, care, în special, necesitau o modalitate mai fiabilă de a determina longitudinea geografică. Ole Roemer, un tânăr astronom danez, a fost invitat să lucreze la noul observator din Paris.
Oamenii de știință au propus utilizarea unui fenomen ceresc observat în fiecare zi la aceeași oră pentru a determina ora Parisului și ora la bordul navei. Din acest fenomen un navigator sau un geograf ar putea recunoaște ora Parisului. Un astfel de fenomen, vizibil din orice locație pe mare sau pe uscat, este eclipsa unuia dintre cei patru mari luni ai lui Jupiter, descoperit de Galileo în 1609.
Satelitul Io a trecut prin fața planetei, apoi a plonjat în umbra ei și a dispărut din vedere. Apoi a reapărut ca o lampă intermitentă. Intervalul de timp dintre cele două focare a fost de 42 de ore și 28 de minute. Aceleași măsurători efectuate șase luni mai târziu au arătat că satelitul a întârziat, ieșind din umbră 22 de minute mai târziu, comparativ cu momentul de timp care ar putea fi calculat pe baza cunoștințelor perioadei orbitale a lui Io. Viteza are un rezultat inexact din cauza determinării incorecte a timpului de întârziere.
În 1849, fizicianul francez Armand Hippolyte Louis Fizeau a efectuat un experiment de laborator pentru a măsura viteza luminii. Parametrii de instalare Fizeau sunt următorii. Sursa de lumină și oglinda au fost amplasate în casa tatălui lui Fizeau de lângă Paris, iar oglinda 2 a fost situată în Montmartre. Distanța dintre oglinzi era de 8,66 km, roata avea 720 de dinți. S-a rotit sub acțiunea unui mecanism de ceas acționat de o greutate descendentă. Folosind un turator și un cronometru, Fizeau a constatat că prima întrerupere a avut loc la o viteză a roții de 12,6 rps.
Lumina de la sursă a trecut prin dinții roții rotative și, reflectată de oglindă, s-a întors din nou către roata dințată. Să presupunem că dintele și fanta roții dințate au aceeași lățime și locul fantei de pe roată este luat de dintele adiacent. Apoi lumina va fi blocată de dinte și ocularul se va întuneca. Folosind metoda obturatorului rotativ, Fizeau a obtinut viteza luminii: 3,14,105 km/s.
În primăvara anului 1879, New York Times a raportat: „O stea nouă strălucitoare a apărut în orizontul științific al Americii, sublocotenent al serviciului naval, absolvent al Academiei Navale din Annapolis, Albert Michelson, care nu are încă 27 de ani. ani, a obținut un succes remarcabil în domeniul opticii: a măsurat viteza luminii! Este de remarcat faptul că, în timpul examenelor sale finale la academie, lui Albert i s-a pus o întrebare despre măsurarea vitezei luminii. Cine și-ar fi putut imagina că în scurt timp Michelson însuși va intra în istoria fizicii ca un metru al vitezei luminii.
Înainte de Michelson, doar câțiva (toți erau francezi) au reușit să o măsoare folosind mijloace pământești. Și pe continentul american, nimeni nu încercase măcar acest experiment dificil înaintea lui.
Instalația Michelson a fost amplasată pe două vârfuri de munte separate de o distanță de 35,4 km. Oglinda era o prismă octogonală de oțel pe Muntele San Antonio din California, iar instalația în sine era situată pe Muntele Wilson. După reflectarea de la prismă, fasciculul de lumină a lovit un sistem de oglinzi care l-au returnat înapoi. Pentru ca fasciculul să lovească ochiul observatorului, prisma rotativă trebuie să aibă timp să se rotească cu cel puțin 1/8 de rotație în timpul în care lumina se deplasează înainte și înapoi.
Michelson a scris: „Faptul că viteza luminii este o categorie inaccesibilă imaginației umane și că, pe de altă parte, poate fi măsurată cu o acuratețe extraordinară, face ca definiția sa să fie una dintre cele mai fascinante probleme cu care se poate confrunta un cercetător.
Cea mai precisă măsurătoare a vitezei luminii a fost obținută în 1972 de omul de știință american K. Evenson și colegii săi. Ca rezultat al măsurătorilor independente ale frecvenței și lungimii de undă a măsurătorii laser, au obținut o valoare de 299792456,2 ± 0,2 m/s.
Totuși, în 1983, la o ședință a Adunării Generale a Greutăților și Măsurilor, a fost adoptată o nouă definiție a contorului (aceasta este lungimea traseului parcurs de lumină în vid în 1/299.792.458 de secundă), din care rezultă că viteza luminii în vid este absolut exact egală cu c = 299.792.458 m/s.
1676 - Ole Roemer - metoda astronomică
s= 2,22,108 m/s
1849 - Louis Fizeau - metoda de laborator
s= 3,12,108 m/s
1879 Albert Michelson - metoda de laborator
C= 3.001,108 m/s
1983 Şedinţa Adunării Generale a Greutăţilor şi Măsurilor
s=299792458 m/s
Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos
Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.
Postat pe http://www.allbest.ru/
Viteza luminii și metodele de determinare a acesteia
Plan
Introducere
1. Metode astronomice de măsurare a vitezei luminii
1.1 Metoda lui Roemer
1.2 Metoda aberației luminii
1.3 Metoda întreruperii (metoda Fizeau)
1.4 Metoda oglinzii rotative (metoda Foucault)
1.5 Metoda Michelson
Introducere
Viteza luminii este una dintre cele mai importante constante fizice, care se numesc fundamentale. Această constantă are o importanță deosebită atât în fizica teoretică, cât și în cea experimentală și în științele conexe. Valoarea exactă a vitezei luminii trebuie să fie cunoscută în locația radio și a luminii, atunci când se măsoară distanțe de la Pământ la alte planete și în controlul sateliților și navelor spațiale. Determinarea vitezei luminii este cea mai importantă pentru optică, în special pentru optica mediilor în mișcare, și pentru fizică în general. Să ne familiarizăm cu metodele de determinare a vitezei luminii.
1. Metode astronomice de măsurare a vitezei luminii
1.1 metoda lui Roemer
Primele măsurători ale vitezei luminii s-au bazat pe observații astronomice. O valoare sigură pentru viteza luminii, apropiată de valoarea sa modernă, a fost obținută pentru prima dată de Roemer în 1676 în timp ce observa eclipsele sateliților planetei Jupiter.
Timpul necesar unui semnal luminos pentru a călători de la un corp ceresc la Pământ depinde de distanță L locația luminii. Un fenomen care are loc pe un corp ceresc este observat cu o întârziere egală cu timpul de trecere a luminii de la luminator către Pământ:
Unde Cu- viteza luminii.
Dacă observăm orice proces periodic care are loc într-un sistem îndepărtat de Pământ, atunci, cu o distanță constantă între Pământ și sistem, prezența acestei întârzieri nu va afecta perioada procesului observat. Dacă în timpul perioadei Pământul se îndepărtează de sistem sau se apropie de acesta, atunci în primul caz sfârșitul perioadei va fi înregistrat cu o întârziere mai mare decât începutul acesteia, ceea ce va duce la o creștere aparentă a perioadei. În al doilea caz, dimpotrivă, sfârșitul perioadei va fi înregistrat cu mai puțină întârziere decât începutul acesteia, ceea ce va duce la o scădere aparentă a perioadei. În ambele cazuri, schimbarea aparentă a perioadei este egală cu raportul dintre diferența de distanțe dintre pământ și sistem la începutul și sfârșitul perioadei și viteza luminii.
Considerațiile de mai sus stau la baza metodei lui Römer.
Roemer a efectuat observații ale satelitului Io, a cărui perioadă orbitală este de 42 de ore 27 de minute și 33 de secunde.
Când Pământul se mișcă de-a lungul unei porțiuni a orbitei sale E 1 E 2 E 3 se îndepărtează de Jupiter și trebuie observată o creștere a perioadei. Când vă deplasați prin zonă E 3 E 4 E 1 perioada observată va fi mai mică decât cea adevărată. Deoarece schimbarea într-o perioadă este mică (aproximativ 15 s), efectul este detectat numai cu un număr mare de observații efectuate pe o perioadă lungă de timp. Dacă, de exemplu, observați eclipse timp de șase luni, începând din momentul opoziției cu Pământul (punctul E 1 ) până în momentul „conexiunii” (punctul E 3 ), atunci intervalul de timp dintre prima și ultima eclipsă va fi cu 1320 s mai lung decât este calculat teoretic. Calculul teoretic al perioadei de eclipsă a fost efectuat în puncte orbitale apropiate de opoziție. Unde distanța dintre Pământ și Jupiter practic nu se schimbă în timp.
Discrepanța rezultată poate fi explicată doar prin faptul că în șase luni Pământul s-a mutat din punct E 1 exact E 3 iar lumina de la sfârșitul semestrului trebuie să parcurgă un drum mai mare decât la început, prin dimensiunea segmentului E 1 E 3 , egal cu diametrul orbitei pământului. Astfel, întârzierile care sunt imperceptibile pentru o anumită perioadă se acumulează și formează întârzierea rezultată. Valoarea întârzierii determinată de Roemer a fost de 22 de minute. Luând diametrul orbitei Pământului egal cu km, putem obține o valoare pentru viteza luminii de 226.000 km/s.
Viteza luminii determinată pe baza măsurătorilor lui Roemer s-a dovedit a fi mai mică decât valoarea modernă. Ulterior, au fost făcute observații mai precise ale eclipselor, în care timpul de întârziere s-a dovedit a fi de 16,5 minute, ceea ce corespunde cu viteza luminii 301000 km/s.
1.2 Metoda aberației luminii
măsurarea vitezei luminii astronomice
Pentru un observator de pe pământ, direcția liniei de vedere către stea va fi diferită dacă această direcție este determinată în diferite momente ale anului, adică în funcție de poziția Pământului pe orbita sa. Dacă direcția către orice stea este determinată la intervale de șase luni, adică atunci când Pământul se află la capetele opuse ale diametrului orbitei Pământului, atunci unghiul dintre cele două direcții rezultate se numește paralaxă anuală (Fig. 2). Cu cât o stea este mai departe, cu atât unghiul ei de paralaxă este mai mic. Măsurând unghiurile de paralaxă ale diferitelor stele, este posibil să se determine distanța acestor stele de planeta noastră.
În 1725-1728 Bradley James, un astronom englez, a măsurat paralaxa anuală a stelelor fixe. În timp ce observa una dintre stele din constelația Draco, a descoperit că poziția ei s-a schimbat de-a lungul anului. În acest timp, ea a descris un cerc mic, ale cărui dimensiuni unghiulare erau egale cu 40,9”. În cazul general, ca urmare a mișcării orbitale a Pământului, steaua descrie o elipsă, a cărei axă majoră are aceleași dimensiuni unghiulare. Pentru stelele situate în planul ecliptic, elipsa degenerează într-o linie dreaptă, iar pentru stelele situate în apropierea polului - într-un cerc. (Ecliptica este cercul cel mare al sferei cerești de-a lungul căruia are loc mișcarea anuală vizibilă a Soarelui.)
Cantitatea de deplasare măsurată de Bradley a fost semnificativ mai mare decât deplasarea paralactică așteptată. Bradley a numit acest fenomen o aberație a luminii și l-a explicat prin viteza finită a luminii. În timpul scurt în care lumina care cade pe lentila telescopului se răspândește de la lentilă la ocular, ocularul se deplasează cu un segment foarte mic ca urmare a mișcării orbitale a Pământului (Fig. 3). Ca rezultat, imaginea stelei se va deplasa cu un segment A. Când îndreptați telescopul din nou spre stea, acesta va trebui să fie ușor înclinat în direcția mișcării Pământului, astfel încât imaginea stelei să coincidă din nou cu centrul reticulei din ocular.
Fie unghiul de înclinare al telescopului egal cu b. Să notăm timpul necesar luminii pentru a parcurge un segment V, egală cu distanța de la lentila telescopului la ocularul său, este egală cu f. Apoi segmentul, și
Din măsurătorile lui Bradley se știa că în două poziții ale Pământului situate pe același diametru orbital, steaua apare deplasată față de poziția sa adevărată cu același unghi. Unghiul dintre aceste direcții de observare, de unde, cunoscând viteza Pământului pe orbită, se poate afla viteza luminii. Bradley a primit Cu= 306000 km/s.
Trebuie remarcat faptul că fenomenul de aberație luminoasă este asociat cu o schimbare a direcției vitezei Pământului pe tot parcursul anului. Explicația acestui fenomen se bazează pe concepte corpusculare ale luminii. Considerarea aberației luminii din punctul de vedere al teoriei undelor este mai complexă și este asociată cu problema influenței mișcării Pământului asupra propagării luminii.
Roemer și Bradley au arătat că viteza luminii este finită, deși este de mare importanță. Pentru dezvoltarea ulterioară a teoriei luminii, a fost important să se stabilească de ce parametri depinde viteza luminii și cum se schimbă atunci când lumina trece dintr-un mediu în altul. Pentru a face acest lucru, a fost necesar să se dezvolte metode de măsurare a vitezei luminii din surse terestre. Primele încercări de astfel de experimente au fost făcute la începutul secolului al XIX-lea.
1.3 Metoda întreruperii (metoda Fizeau)
Prima metodă experimentală pentru determinarea vitezei luminii din surse terestre a fost dezvoltată în 1449 de către fizicianul francez Armand Hippolyte Louis Fizeau. Schema experimentală este prezentată în Fig. .4.
Lumina care se răspândește dintr-o sursă s, parțial reflectată de o placă translucidă Rși se duce la oglindă M. În calea fasciculului există un întrerupător de lumină - o roată dințată LA, a cărui axă OO" paralel cu fasciculul. Razele de lumină trec prin golurile dintre dinți și sunt reflectate de oglindă Mși sunt trimise înapoi prin angrenaj și placă R către observator.
Când roata se rotește încet LA lumina, trecând prin golul dintre dinți, reușește să revină prin același gol și intră în ochiul observatorului. În acele momente când calea razelor este străbătută de un dinte, lumina nu ajunge la observator. Astfel, la viteză unghiulară mică, observatorul percepe lumina pâlpâitoare. Dacă creșteți viteza de rotație a roții, atunci la o anumită valoare lumina care trece printr-un spațiu dintre dinți, ajungând în oglindă și revenind înapoi, nu va cădea în același spațiu. d, dar va fi blocat de un dinte care a luat pozitia golului in acest moment d. În consecință, la viteza unghiulară, nicio lumină nu va intra deloc în ochiul observatorului din spațiu d, nici din toate cele ulterioare (prima întunecare). Dacă luăm numărul de dinți P, atunci timpul de rotire a roții pe glisor este egal cu
Timpul necesar luminii pentru a parcurge distanța de la roată la oglindă Mși invers este egal
Unde l- distanta pana la roata fata de oglinda (baza). Echivalând aceste două intervale de timp, obținem condiția în care are loc prima întunecare:
unde se poate determina viteza luminii:
unde este numărul de rotații pe secundă.
În instalația Fizeau, baza era de 8,63 km, numărul de dinți ai roții a fost de 720, iar prima întunecare a avut loc la o frecvență de 12,6 rps. Dacă dublați viteza roții, se va observa un câmp vizual mai luminos la viteza de rotație triplă, va apărea din nou întuneric etc. Viteza luminii calculată de Fizeau este de 313300 km/s.
Principala dificultate a unor astfel de măsurători este de a determina cu exactitate momentul întunecării. Precizia crește atât cu baze mai mari, cât și cu rate de întrerupere care permit observarea obscurărilor de ordin mai mare. Astfel, Perrotin în 1902 a efectuat măsurători cu o lungime de bază de 46 km și a obținut o valoare pentru viteza luminii de 29987050 km/s. Lucrarea s-a desfășurat într-un aer marin extrem de curat, folosind optice de înaltă calitate.
În locul unei roți rotative, pot fi folosite alte metode de întrerupere a luminii, mai avansate, de exemplu, o celulă Kerr, care poate fi folosită pentru a întrerupe un fascicul de lumină de 107 ori pe secundă. În acest caz, puteți reduce semnificativ baza. Astfel, în configurația lui Anderson (1941) cu o celulă Kerr și înregistrarea fotoelectrică, baza a fost de numai 3 m Cu= 29977614 km/s.
1.4 Metoda oglinzii rotative (metoda Foucault)
Metoda de determinare a vitezei luminii, dezvoltată în 1862 de Foucault, poate fi pusă pe seama primelor metode de laborator. Folosind această metodă, Foucault a măsurat viteza luminii în medii pentru care indicele de refracție n>1 .
O diagramă a instalației Foucault este prezentată în Fig. 5.
Lumină de la sursă S trece printr-o placă translucidă R, obiectiv Lși cade pe o oglindă plată M1, care se poate roti în jurul axei sale DESPRE, perpendicular pe planul desenului. După reflectarea din oglindă M1 un fascicul de lumină este îndreptat către o oglindă fixă concavă M 2, situată astfel încât această rază să cadă întotdeauna perpendicular pe suprafața sa și să fie reflectată de-a lungul aceleiași căi pe oglindă M1 . Dacă oglinda M1 nemișcat, atunci fasciculul reflectat de acesta se va întoarce pe calea sa inițială către placă R, parțial reflectat din care va oferi o imagine a sursei S la punct S1 .
Când oglinda se rotește M1 în timpul necesar luminii pentru a călători 2 lîntre ambele oglinzi și se întoarce înapoi (), o oglindă care se rotește cu viteza unghiulară M1 se va întoarce într-un unghi
și va lua poziția prezentată în fig. .5 linie punctată. Fasciculul reflectat de oglindă va fi rotit la un unghi față de cel original și va oferi o imagine a sursei în punctul S2 . Măsurarea distanței S1 S2 și cunoscând geometria instalației, puteți determina unghiul și calcula viteza luminii:
Astfel, esența metodei Foucault este de a măsura cu precizie timpul necesar luminii pentru a parcurge o distanță. 2 l. Acest timp este estimat prin unghiul de rotație al oglinzii M1 , a cărui viteză de rotație este cunoscută. Unghiul de rotație este determinat pe baza măsurătorilor de deplasare S1 S2 . În experimentele lui Foucault, viteza de rotație a fost de 800 rps, baza l a variat de la 4 la 20 km. Valoarea a fost găsită Cu= 298000500 km/s.
Foucault a fost primul care a măsurat viteza luminii în apă folosind instalația sa. După ce a plasat o țeavă plină cu apă între oglinzi, Foucault a descoperit că unghiul de deplasare a crescut de * ori și, prin urmare, viteza de propagare a luminii în apă calculată folosind formula scrisă mai sus s-a dovedit a fi egală cu (3/4). Cu. Indicele de refracție al luminii în apă, calculat folosind formulele teoriei undelor, s-a dovedit a fi egal, ceea ce este pe deplin în concordanță cu legea lui Snell. Astfel, pe baza rezultatelor acestui experiment, a fost confirmată validitatea teoriei ondulatorii a luminii și s-a încheiat o dispută de secol și jumătate în favoarea acesteia.
1.5 Metoda Michelson
În 1926, între două vârfuri de munte a fost realizată o instalație Michelson, astfel încât distanța parcursă de o rază de la o sursă la imaginea acesteia după reflexiile de pe prima față a unei prisme oglinzi octogonale, oglinzi M 2 - M 7 iar a cincea față avea aproximativ 35,4 km. Viteza de rotație a prismei (aproximativ 528 rps) a fost aleasă astfel încât în timpul de propagare a luminii de la prima fațetă la a cincea, prisma să aibă timp să se rotească cu 1/8 de rotație. Posibila deplasare a iepurașului la o viteză incorect aleasă a jucat rolul unei corecții. Viteza luminii determinată în acest experiment s-a dovedit a fi egală cu 2997964 km/s.
Printre alte metode, remarcăm măsurarea vitezei luminii efectuată în 1972 prin determinarea independentă a lungimii de undă și a frecvenței luminii. Sursa de lumină a fost un laser cu heliu-neon generator de radiații la 3,39 μm. În acest caz, lungimea de undă a fost măsurată utilizând comparație interferometrică cu lungimea standard a radiației portocalii a kryptonului, iar frecvența a fost măsurată folosind metode de inginerie radio. Viteza luminii
determinată prin această metodă a fost 299792,45620,001 km/s. Autorii metodei consideră că precizia obținută poate fi mărită prin îmbunătățirea reproductibilității măsurătorilor standardelor de lungime și timp.
În concluzie, observăm că la determinarea vitezei luminii se măsoară viteza de grup Și, care coincide cu faza unu numai pentru vid.
Postat pe Allbest.ru
Documente similare
Împărțirea spațiului cu patru dimensiuni în timp fizic și spațiu tridimensional. Constanța și izotropia vitezei luminii, definiția simultaneității. Calculul efectului Sagnac în ipoteza anizotropiei vitezei luminii. Studierea proprietăților parametrului NUT.
articol, adăugat 22.06.2015
Radiații vizibile și transfer de căldură. Surse de lumină naturală, artificială luminiscentă și termică. Reflexia si refractia luminii. Umbra, penumbra si fascicul de lumina. Eclipsele de Lună și Soare. Absorbția energiei de către corpuri. Schimbarea vitezei luminii.
prezentare, adaugat 27.12.2011
Transformarea luminii atunci când aceasta cade la limita a două medii: reflexie (împrăștiere), transmisie (refracție), absorbție. Factori de modificare a vitezei luminii în substanțe. Manifestări de polarizare și interferență a luminii. Intensitatea luminii reflectate.
prezentare, adaugat 26.10.2013
Dezvoltarea conceptului de spațiu și timp. Paradigma science fiction. Principiul relativității și legile de conservare. Viteza absolută a luminii. Paradoxul liniilor lumii închise. Incetinirea trecerii timpului in functie de viteza de miscare.
rezumat, adăugat 05.10.2009
Conceptul de dispersie a luminii. Dispersie normală și anormală. Teoria clasică a dispersiei. Dependența vitezei de fază a undelor luminoase de frecvența lor. Descompunerea luminii albe printr-un rețele de difracție. Diferențele de difracție și spectre prismatice.
prezentare, adaugat 03.02.2016
Dispozitiv cu cap fotometric. Fluxul luminos și puterea sursei de lumină. Determinarea intensității luminoase, a luminozității. Principiul fotometriei. Compararea iluminării a două suprafețe create de sursele de lumină studiate.
munca de laborator, adaugat 03.07.2007
Principii de bază ale opticii geometrice. Studiul legilor de propagare a energiei luminoase în medii transparente pe baza conceptului de fascicul de lumină. Metode astronomice și de laborator pentru măsurarea vitezei luminii, luarea în considerare a legilor refracției acesteia.
prezentare, adaugat 05.07.2012
Măsurători spectrale ale intensității luminii. Studiul împrăștierii luminii în coloizii magnetici de ferită de cobalt și magnetită în kerosen. Curbe ale scăderii intensității luminii împrăștiate în timp după oprirea câmpurilor electrice și magnetice.
articol, adăugat 19.03.2007
Bazele teoretice ale dispozitivelor optico-electronice. Acțiunea chimică a luminii. Efectele fotoelectrice, magneto-optice, electro-optice ale luminii și aplicațiile acestora. Efectul Compton. Efectul Raman. Presiune ușoară. Acțiunile chimice ale luminii și natura ei.
rezumat, adăugat 11.02.2008
Teoria ondulatorie a luminii și principiul lui Huygens. Fenomenul interferenței luminii ca redistribuire spațială a energiei luminoase în timpul suprapunerii undelor luminoase. Coerență și fluxuri luminoase monocromatice. Proprietățile undei ale luminii și conceptul de tren de valuri.
Propagarea rectilinie a luminii
Ce este lumina?
Conform conceptelor moderne, lumina vizibilă este unde electromagnetice cu lungimi de undă de la 400 nm (violet) la 760 nm (roșu).
Lumina, ca toate undele electromagnetice, se deplasează la viteze foarte mari. În vid, viteza luminii este de aproximativ 3×10 8 m/s.
Cititor: Cum ați reușit să măsurați o viteză atât de „monstruoasă”?
Cum a fost determinată viteza luminii?
O metodă astronomică pentru măsurarea vitezei luminii. Viteza luminii a fost măsurată pentru prima dată de omul de știință danez Roemer în 1676. Succesul său se explică tocmai prin faptul că distanțele parcurse de lumină, pe care le folosea pentru măsurători, erau foarte mari. Acestea sunt distanțele dintre planetele sistemului solar.
Roemer a observat eclipsele sateliților lui Jupiter, cea mai mare planetă din sistemul solar. Jupiter, spre deosebire de Pământ, are cel puțin șaisprezece sateliți. Cel mai apropiat partener, Io, a devenit subiectul observațiilor lui Roemer. A văzut satelitul trecând prin fața planetei, apoi a plonjat în umbra ei și a dispărut din vedere. Apoi a reapărut, ca o lampă intermitentă. Intervalul de timp dintre cele două focare s-a dovedit a fi de 42 de ore și 28 de minute. Astfel, această „lună” era un ceas ceresc uriaș care își trimitea semnalele către Pământ la intervale regulate.
La început, observațiile au fost efectuate într-un moment în care Pământul, în mișcarea sa în jurul Soarelui, s-a apropiat cel mai mult de Jupiter (Fig. 1.1) . Cunoscând perioada de revoluție a satelitului Io în jurul lui Jupiter, Roemer a întocmit un program clar pentru momentele apariției acestuia cu un an înainte. Dar șase luni mai târziu, când Pământul s-a îndepărtat de Jupiter până la diametrul orbitei sale, Roemer a fost surprins să descopere că satelitul a întârziat să iasă din umbră cu până la 22 de minute în comparație cu timpul „calculat” al apariției sale. .
Roemer a explicat astfel: „Dacă aș putea rămâne de cealaltă parte a orbitei pământului, satelitul ar apărea întotdeauna din umbră la momentul stabilit; un observator de acolo ar fi văzut Io cu 22 de minute mai devreme. Întârzierea în acest caz are loc deoarece lumina durează 22 de minute pentru a călători de la locul primei mele observații la poziția mea actuală.” Cunoscând întârzierea apariției lui Io și distanța cu care este cauzată, putem determina viteza împărțind această distanță (diametrul orbitei Pământului) la timpul de întârziere. Viteza s-a dovedit a fi extrem de mare, aproximativ 215.000 km/s. Prin urmare, este extrem de dificil să captezi timpul de propagare a luminii între două puncte îndepărtate de pe Pământ. La urma urmei, într-o secundă, lumina parcurge o distanță mai mare decât lungimea ecuatorului pământului de 7,5 ori.
Metode de laborator pentru măsurarea vitezei luminii. Pentru prima dată, viteza luminii a fost măsurată folosind o metodă de laborator de către omul de știință francez Fizeau în 1849. În experimentul său, lumina dintr-o sursă, care trece printr-o lentilă, a căzut pe o placă translucidă. 1 (Fig. 1.2). După reflectarea de pe placă, un fascicul îngust focalizat a fost îndreptat către periferia unei roți dințate care se rotește rapid.
Trecând printre dinți, lumina a ajuns în oglindă 2, situat la o distanţă de câţiva kilometri de roată. După ce s-a reflectat din oglindă, lumina a trebuit să treacă din nou printre dinți înainte de a intra în ochiul observatorului. Când roata se învârtea încet, lumina reflectată de oglindă era vizibilă. Pe măsură ce viteza de rotație creștea, aceasta a dispărut treptat. Ce se întâmplă aici? În timp ce lumina care trecea între cei doi dinți mergea spre oglindă și înapoi, roata a avut timp să se rotească, astfel încât un dinte a înlocuit fanta și lumina a încetat să mai fie vizibilă.
Odată cu o creștere suplimentară a vitezei de rotație, lumina a devenit din nou vizibilă. Evident, în timpul în care lumina a călătorit spre oglindă și înapoi, roata a avut timp să se rotească atât de mult încât o nouă fantă a luat locul slotului precedent. Cunoscând acest timp și distanța dintre roată și oglindă, puteți determina viteza luminii. În experimentul lui Fizeau, distanța a fost de 8,6 km și s-a obținut o valoare de 313.000 km/s pentru viteza luminii.
Au fost dezvoltate multe alte metode de laborator mai precise pentru măsurarea vitezei luminii. În special, fizicianul american A. Michelson a dezvoltat o metodă perfectă pentru măsurarea vitezei luminii folosind oglinzi rotative în locul unei roți dințate.
Conform datelor moderne, viteza luminii în vid este de 299.792.458 m/s. Eroarea în măsurarea vitezei nu depășește 0,3 m/s.
Sarcina 1.1.În experimentul lui Fizeau pentru a determina viteza luminii, un fascicul de lumină a trecut printr-o fantă îngustă dintre dinții unei roți rotative și a fost reflectat de o oglindă situată la distanță. l= 8,6 km de roată, și s-a întors, trecând din nou printre dinții roții. La ce frecvență minimă n de rotație a roții dispare lumina reflectată? Numărul de dinți pe roată N= 720. Viteza luminii Cu= 3,0×10 8 m/s.
o fantă și un dinte, adică dacă roata pornește pe șenile.
La întoarcerea cu un dinte, unghiul de rotație va fi (rad), iar la întoarcerea cu jumătate de dinte (rad).
Fie ca viteza unghiulară de rotație a roții să fie egală cu w, apoi în timpul în care roata trebuie să se rotească printr-un unghi . Apoi
.
Din ultima egalitate găsim n:
12 1/s.
Răspuns: 12 1/s.
STOP! Decideți singuri: A1, B3, C1, C2.
Raza de lumina
Cititor: Dacă lumina este o undă, atunci ce ar trebui să se înțeleagă printr-o rază de lumină?
Autor: Da, lumina este o undă, dar lungimea acestei undă este comparată cu dimensiunea multor instrumente optice foarte mic. Să vedem cum se comportă valurile la suprafața apei atunci când dimensiunea obstacolelor este mult mai mare decât lungimea de undă.
 Orez. 1.3 |
Să repetăm experimentul cu valuri pe apă cauzate de vibrațiile marginii riglei LL lovind suprafata apei. Pentru a găsi direcția de propagare a undelor, le punem un obstacol în cale MM cu o gaură ale cărei dimensiuni sunt semnificativ mai mari decât lungimea de undă. Vom constata că în spatele despărțitorului undele se propagă într-un canal drept tras prin marginile găurii (Fig. 1.3) . Direcția acestui canal este direcția de propagare a undei. Rămâne neschimbat dacă punem o partiție strâmb (MM"). Direcția de-a lungul căreia se propagă undele se dovedește întotdeauna a fi perpendicular la o linie a cărei toate punctele sunt atinse de perturbația undei în același moment. Această linie se numește frontul de undă. O linie dreaptă perpendiculară pe frontul de undă (săgeata din Fig. . 1.3) indică direcția de propagare a undei. Vom numi această linie grindă. Asa de, raza este o linie geometrică trasată perpendicular pe frontul de undă și care arată direcția de propagare a perturbării undei.În fiecare punct al frontului de undă, este posibil să se deseneze o perpendiculară pe front, adică o rază.
| Orez. 1.4 |
În cazul pe care l-am considerat, frontul de undă are forma unei linii drepte; prin urmare, razele din toate punctele frontului sunt paralele între ele. Dacă repetăm experimentul, luând capătul oscilant al firului ca sursă a undelor, frontul de undă va avea forma unui cerc. Prin plasarea de bariere cu găuri în calea unui astfel de val, ale căror dimensiuni sunt mari în comparație cu lungimea de undă, obținem imaginea prezentată în Fig. 1.4. Astfel, în acest caz, direcția de propagare a undei coincide cu linii drepte perpendiculare pe frontul de undă, adică cu direcția razelor; în acest caz, razele sunt reprezentate ca raze trase din punctul de unde provin.
Observațiile arată că într-un mediu omogen, lumina se propagă și ea de-a lungul linii drepte.
O rază de lumină este înțeleasă nu ca un fascicul subțire de lumină, ci ca o linie care indică direcția de propagare a energiei luminoase. Pentru a determina această direcție, selectăm fascicule de lumină înguste, al căror diametru trebuie să depășească în continuare lungimea de undă. Apoi înlocuim aceste fascicule cu linii, care sunt axele fasciculelor de lumină (Fig. 1.6). Aceste linii reprezintă raze de lumină. Prin urmare, atunci când vorbim despre reflexia sau refracția razelor de lumină, ne referim la o schimbare a direcției de propagare a luminii.
Principalul beneficiu al introducerii conceptului de rază de lumină este că comportamentul razelor în spațiu este determinat de legi simple - legile opticii geometrice.
Optica geometrică este o ramură a opticii care studiază legile propagării luminii în medii transparente pe baza conceptului de rază de lumină.
Una dintre legile de bază ale opticii geometrice este legea propagării rectilinie a luminii: Într-un mediu omogen, lumina circulă în linie dreaptă.
Cu alte cuvinte, într-un mediu omogen, razele de lumină sunt linii drepte.
Surse de lumină
Sursele de lumină pot fi împărțite în surse de lumină independente și reflectate.
Independent - acestea sunt surse care emit lumină direct: Soarele, stelele, tot felul de lămpi, flăcări etc.
Surse de lumină reflectată Ele reflectă doar lumina care cade asupra lor din surse independente. Astfel, orice obiect dintr-o cameră iluminată de lumina soarelui: o masă, o carte, pereți, un dulap, este o sursă de lumină reflectată. Noi înșine suntem surse de lumină reflectată. Luna este, de asemenea, o sursă de lumină solară reflectată.
Rețineți, de asemenea, că atmosfera este o sursă de lumină reflectată și datorită atmosferei răsare dimineața cu mult înainte de răsăritul soarelui.
Cititor: De ce razele soarelui, care luminează toate obiectele din cameră, sunt ele însele invizibile?
Ochiul uman percepe doar acele raze care îl lovesc direct. Prin urmare, dacă o rază de soare trece pe lângă ochi, ochiul nu o vede. Dar dacă există mult praf sau fum în aer, atunci razele soarelui devin vizibile: împrăștiate pe particule de praf sau fum, o parte din lumina soarelui cade în ochii noștri și apoi vedem „calea” razei solare. .
STOP! Decideți singur: A2–A4, B1, B2, C3, C4.
A doua lege a opticii geometrice este legea independenței fasciculelor de lumină. Se intersectează în spațiu, raze nu au nicio influență unul asupra celuilalt.
Rețineți că valurile de la suprafața apei au aceeași proprietate: atunci când se intersectează, nu se afectează reciproc.
STOP! Decideți singur: Q4.
Umbra si penumbra
Corectitudinea propagării luminii explică formarea unei umbre, adică o zonă în care energia luminoasă nu intră. Când dimensiunea sursei (punctul luminos) este mică, se obține o umbră bine definită (Fig. 1.7). Dacă lumina nu ar călători în linie dreaptă, ar putea ocoli obstacolul și nu ar exista umbră.
Orez. 1.7 Fig. 1.8
| Orez. 1.9 |
Când sursa este mare, se creează umbre neclare (Fig. 1.8). Faptul este că din fiecare punct al sursei lumina se propagă în linie dreaptă și un obiect iluminat de două puncte luminoase va da două umbre divergente, a căror suprapunere formează o umbră de densitate neuniformă. O umbră completă a unei surse extinse se formează numai în acele zone ale ecranului unde lumina nu ajunge deloc. De-a lungul marginilor umbrei pline există o zonă mai deschisă - penumbra. Pe măsură ce vă îndepărtați de zona de umbră plină, penumbra devine din ce în ce mai ușoară. Din regiunea de umbră completă ochiul nu va vedea deloc sursa de lumină, iar din regiunea de umbră parțială va vedea doar o parte a suprafeței sale (Fig. 1.9).
Se știe că viteza luminii în vid este finită și se ridică la ≈300.000 km/s. Toată fizica modernă și toate teoriile spațiale moderne se bazează pe aceste date. Dar recent, oamenii de știință erau siguri că viteza luminii este infinită și vedem instantaneu ce se întâmplă în cele mai îndepărtate colțuri ale spațiului.
Oamenii au început să se gândească la ce este lumina în cele mai vechi timpuri. Lumina de la flacăra unei lumânări s-a răspândit instantaneu prin încăpere, fulgerele pe cer, observarea cometelor și a altor corpuri cosmice pe cerul nopții a dat senzația că viteza luminii era infinită. Într-adevăr, este greu de crezut că, de exemplu, când ne uităm la Soare, îl observăm nu în starea sa actuală, ci așa cum a fost acum aproximativ 8 minute.
Dar unii oameni încă au pus sub semnul întrebării adevărul aparent stabilit despre infinitatea vitezei luminii. Unul dintre acești oameni a fost Isaac Bengman, care în 1629 a încercat să efectueze un experiment pentru a determina viteza finală a luminii. Desigur, nu avea la dispoziție computere, lasere extrem de sensibile sau ceasuri de înaltă precizie. În schimb, omul de știință a decis să creeze o explozie. După ce a umplut recipientul cu o substanță explozivă, a instalat oglinzi mari la diferite distanțe de acesta și a cerut observatorilor să stabilească în care dintre oglinzi va apărea primul fulgerul de la explozie. Având în vedere că într-o secundă lumina poate înconjura pământul de 7,5 ori, se poate ghici că experimentul s-a încheiat cu eșec.
Puțin mai târziu, cunoscutul Galileo, care a pus sub semnul întrebării și infinitatea vitezei luminii, și-a propus experimentul. Și-a așezat asistentul cu un felinar pe un deal și a stat cu un felinar pe altul. Când Galileo a ridicat capacul de pe felinarul său, asistentul său a ridicat imediat capacul de pe felinarul opus. Desigur, acest experiment nu a putut fi încununat cu succes. Singurul lucru pe care Galileo l-a putut ghici a fost că viteza luminii este mult mai rapidă decât reacția umană.
Se pare că singura cale de ieșire din situație a fost participarea la experimentul unor corpuri destul de departe de Pământ, dar care puteau fi observate cu ajutorul telescoapelor din acea vreme. Astfel de obiecte au fost Jupiter și sateliții săi. În 1676, astronomul Ole Römer a încercat să determine longitudinea dintre diferite puncte de pe o hartă geografică. Pentru a face acest lucru, a folosit un sistem de observare a eclipsei uneia dintre lunile lui Jupiter, Io. Ole Roemer și-a efectuat cercetările de pe o insulă de lângă Copenhaga, în timp ce un alt astronom, Giovanni Domenico Cassini, a observat aceeași eclipsă de la Paris. Comparând ora de începere a eclipsei dintre Paris și Copenhaga, oamenii de știință au determinat diferența de longitudine. Câțiva ani la rând, Cassini a observat lunile lui Jupiter din același loc de pe Pământ și a observat că timpul dintre eclipsele sateliților a devenit mai scurt atunci când Pământul era mai aproape de Jupiter și mai lung când Pământul era mai departe de Jupiter. Pe baza observațiilor sale, el a presupus că viteza luminii este finită. Aceasta a fost o decizie absolut corectă, dar din anumite motive Cassani și-a retras cuvintele în curând. Dar Roemer a acceptat ideea cu entuziasm, ba chiar a reușit să creeze formule ingenioase care să țină cont de diametrul Pământului și de orbita lui Jupiter. Drept urmare, el a calculat că lumina durează aproximativ 22 de minute pentru a traversa diametrul orbitei Pământului în jurul Soarelui. Calculele sale au fost greșite: conform datelor moderne, lumina parcurge această distanță în 16 minute și 40 de secunde. Dacă calculele lui Ole ar fi precise, viteza luminii ar fi de 135.000 km/s.
Mai târziu, pe baza calculelor lui Roehner, Christian Huyens a substituit în formule date mai precise despre diametrul Pământului și orbita lui Jupiter. Drept urmare, a primit viteza luminii egală cu 220.000 km/s, ceea ce este mult mai aproape de valoarea corectă.
Dar nu toți oamenii de știință au considerat corectă ipoteza despre viteza finită a luminii. Dezbaterea științifică a continuat până în 1729, când a fost descoperit fenomenul aberației luminii, care a confirmat ipoteza că viteza luminii este finită și a făcut posibilă măsurarea mai precisă a valorii acesteia.
Acesta este interesant: oamenii de știință și istoricii moderni ajung la concluzia că, cel mai probabil, formulele lui Roemer și Huyens erau corecte. Eroarea a fost în datele privind orbita lui Jupiter și diametrul Pământului. Se pare că nu cei doi astronomi s-au înșelat, ci oamenii care le-au furnizat informații despre orbită și diametru.
Fotografie principală: depositphotos.com
Dacă găsiți o eroare, evidențiați o bucată de text și faceți clic Ctrl+Enter.
Viteza luminii este distanța pe care o parcurge lumina pe unitatea de timp. Această valoare depinde de substanța în care se propagă lumina.
În vid, viteza luminii este de 299.792.458 m/s. Aceasta este cea mai mare viteză care poate fi atinsă. La rezolvarea problemelor care nu necesită o precizie specială, această valoare este luată egală cu 300.000.000 m/s. Se presupune că toate tipurile de radiații electromagnetice se propagă în vid cu viteza luminii: unde radio, radiații infraroșii, lumină vizibilă, radiații ultraviolete, raze X, radiații gamma. Este desemnat printr-o scrisoare Cu .
Cum a fost determinată viteza luminii?
În antichitate, oamenii de știință credeau că viteza luminii era infinită. Mai târziu, au început discuțiile pe această temă între oamenii de știință. Kepler, Descartes și Fermat au fost de acord cu opinia oamenilor de știință antici. Și Galileo și Hooke credeau că, deși viteza luminii este foarte mare, aceasta are totuși o valoare finită.
Galileo Galilei
Unul dintre primii care a încercat să măsoare viteza luminii a fost omul de știință italian Galileo Galilei. În timpul experimentului, el și asistentul său au fost pe diferite dealuri. Galileo deschise obloanele lanternei sale. În momentul în care asistentul a văzut această lumină, a trebuit să facă aceleași acțiuni cu lanterna lui. Timpul necesar luminii pentru a călători de la Galileo la asistent și înapoi s-a dovedit a fi atât de scurt, încât Galileo și-a dat seama că viteza luminii este foarte mare și este imposibil să o măsori la o distanță atât de mică, deoarece lumina călătorește aproape. imediat. Iar timpul pe care l-a înregistrat arată doar viteza de reacție a unei persoane.
Viteza luminii a fost determinată pentru prima dată în 1676 de astronomul danez Olaf Roemer folosind distanțe astronomice. Folosind un telescop pentru a observa eclipsa lunii Io a lui Jupiter, el a descoperit că, pe măsură ce Pământul se îndepărtează de Jupiter, fiecare eclipsă ulterioară are loc mai târziu decât a fost calculat. Întârzierea maximă, atunci când Pământul se deplasează pe cealaltă parte a Soarelui și se îndepărtează de Jupiter la o distanță egală cu diametrul orbitei Pământului, este de 22 de ore. Deși diametrul exact al Pământului nu era cunoscut în acel moment, omul de știință și-a împărțit valoarea aproximativă la 22 de ore și a obținut o valoare de aproximativ 220.000 km/s.
Olaf Roemer
Rezultatul obținut de Roemer a provocat neîncredere în rândul oamenilor de știință. Dar în 1849, fizicianul francez Armand Hippolyte Louis Fizeau a măsurat viteza luminii folosind metoda obturatorului rotativ. În experimentul său, lumina dintr-o sursă a trecut între dinții unei roți care se învârte și a fost îndreptată spre o oglindă. Reflectat de la el, s-a întors înapoi. Viteza de rotație a roții a crescut. Când a atins o anumită valoare, fasciculul reflectat de oglindă a fost întârziat de un dinte în mișcare, iar observatorul nu a văzut nimic în acel moment.
Experiența lui Fizeau
Fizeau a calculat viteza luminii după cum urmează. Lumina își merge pe drum L de la roată la oglindă într-un timp egal cu t 1 = 2L/c . Timpul necesar pentru ca roata să rotească ½ slot este t2 = T/2N , Unde T - perioada de rotație a roții, N - numărul de dinți. Frecvența de rotație v = 1/T . Momentul în care observatorul nu vede lumină apare când t 1 = t 2 . De aici obținem formula pentru determinarea vitezei luminii:
c = 4LNv
După ce a efectuat calcule folosind această formulă, Fizeau a stabilit că Cu = 313.000.000 m/s. Acest rezultat a fost mult mai precis.
Armand Hippolyte Louis Fizeau
În 1838, fizicianul și astronomul francez Dominique François Jean Arago a propus utilizarea metodei oglinzii rotative pentru a calcula viteza luminii. Această idee a fost pusă în practică de către fizicianul, mecanicul și astronomul francez Jean Bernard Leon Foucault, care a obținut în 1862 valoarea vitezei luminii (298.000.000±500.000) m/s.
Dominique Francois Jean Arago
În 1891, rezultatul astronomului american Simon Newcomb s-a dovedit a fi cu un ordin de mărime mai precis decât rezultatul lui Foucault. Ca urmare a calculelor lui Cu = (99.810.000±50.000) m/s.
Cercetările efectuate de fizicianul american Albert Abraham Michelson, care a folosit o configurație cu o oglindă octogonală rotativă, au făcut posibilă determinarea vitezei luminii și mai precis. În 1926, omul de știință a măsurat timpul necesar luminii pentru a parcurge distanța dintre vârfurile a doi munți, egală cu 35,4 km, și a obținut Cu = (299.796.000±4.000) m/s.
Cea mai precisă măsurătoare a fost efectuată în 1975. În același an, Conferința Generală pentru Greutăți și Măsuri a recomandat ca viteza luminii să fie considerată egală cu 299.792.458 ± 1,2 m/s.
De ce depinde viteza luminii?
Viteza luminii în vid nu depinde nici de cadrul de referință, nici de poziția observatorului. Rămâne constantă, egală cu 299.792.458 ± 1,2 m/s. Dar în diferite medii transparente această viteză va fi mai mică decât viteza sa în vid. Orice mediu transparent are o densitate optică. Și cu cât este mai mare, cu atât viteza luminii se propaga mai lentă în ea. De exemplu, viteza luminii în aer este mai mare decât viteza sa în apă, iar în sticla optică pură este mai mică decât în apă.
Dacă lumina trece de la un mediu mai puțin dens la unul mai dens, viteza acesteia scade. Și dacă trecerea de la un mediu mai dens la unul mai puțin dens, atunci viteza, dimpotrivă, crește. Aceasta explică de ce fasciculul de lumină este deviat la limita de tranziție dintre două medii.
