Lucrări de laborator privind fizica care măsoară viteza luminii. Cum a fost măsurată viteza luminii și care este valoarea ei reală? Coarda finală în măsurarea vitezei luminii

Prezentare pe tema „Determinarea vitezei luminii” la fizică pentru elevii de liceu.

Profesorul Kruchenok E.N.

Fragmente din prezentare

Natura luminii a fost speculată încă din cele mai vechi timpuri:

• Pitagora: „Lumina este fluxul de „atomi” din obiecte în ochii observatorului”
• În secolele XVI-XVII, Rene Descartes, Robert Hooke,
• Christiaan Huygens a presupus că propagarea luminii este propagarea undelor într-un mediu.
• Isaac Newton a prezentat natura corpusculară a luminii, adică a crezut că lumina este emisia anumitor particule de către corpuri și distribuția lor în spațiu.

Metoda astronomică de măsurare a vitezei luminii

Viteza luminii a fost măsurată pentru prima dată de omul de știință danez O. Roemer în 1676. Pentru măsurători, a folosit distanțele dintre planetele sistemului solar. Roemer a observat eclipsele lunii Io a lui Jupiter.

• Raza orbitei satelitului Io în jurul lui Jupiter este de 421600 km, diametrul satelitului este de 3470 km.
• Roemer a văzut satelitul trecând prin fața planetei, apoi a plonjat în umbra sa 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.

• Inițial, măsurătorile au fost făcute într-un moment în care Pământul, în mișcarea sa în jurul Soarelui, s-a apropiat cel mai mult de Jupiter.
• Aceleași măsurători 6 luni mai târziu, când Pământul s-a îndepărtat de Jupiter cu diametrul orbitei sale.
• Satelitul a întârziat 22 de minute să apară din umbră, comparativ cu calculul.
• Fie T1 momentul în timp în care Io iese din umbra lui Jupiter conform ceasului de pe Pământ, și fie t1 momentul real în timp în care se întâmplă acest lucru; Apoi:
• T1 = t1 + S1/c, unde S1 este distanța pe care lumina o parcurge până la Pământ.
• ... calcule

Metode de laborator pentru măsurarea vitezei luminii

Pentru prima dată, viteza luminii a fost măsurată printr-o metodă de laborator de către fizicianul francez I. Fizeau în 1849.

• Lumina de la sursă a lovit oglinda, apoi a fost direcționată către periferia roții care se rotește rapid.
• Apoi a ajuns în oglindă, a trecut printre dinți și a căzut în ochiul observatorului.
• Viteza unghiulară de rotație a fost selectată astfel încât lumina, după ce a fost reflectată de oglinda din spatele discului, să pătrundă în ochii observatorului când trece printr-o gaură adiacentă.
• Roata se învârtea încet - lumina era vizibilă.
• Pe măsură ce viteza creștea, lumina a dispărut treptat.
• Odată cu o creștere suplimentară a vitezei de rotație, lumina a devenit din nou vizibilă

Viteza luminii este de aproximativ 313.000 km/s.

Viteza luminii

• Viteza maximă posibilă pentru corpurile materiale.
• Progresele recente (1978) au dat următoarea valoare pentru viteza luminii: c = 299792,458 km/s = (299792458 ± 1,2) m/s.
• În toate celelalte substanțe viteza luminii este mai mică decât în ​​vid.
• Teoria cuantică a luminii a apărut la începutul secolului al XX-lea. A fost formulată în 1900 și fundamentată în 1905. Fondatorii teoriei cuantice a luminii sunt Planck și Einstein. Conform acestei teorii, radiația luminoasă este emisă și absorbită de particulele de materie nu continuu, ci discret, adică în porțiuni separate - cuante de lumină. Teoria cuantică, așa cum spune, a reînviat teoria corpusculară a luminii într-o formă nouă, dar în esență a fost dezvoltarea unității fenomenelor ondulatorii și corpusculare.

Una dintre proprietățile importante este viteza de propagare a luminii în vid și alte medii optice. Valoarea enormă a vitezei luminii în comparație cu viteza de propagare a diferitelor obiecte în mișcare observate de oameni în viața practică a pus multe dificultăți atât în ​​explicarea multor fenomene optice, cât și în determinarea practică a vitezei luminii. Pentru a arăta cât de greu era pentru o persoană să perceapă posibilitatea de a mișca materia, în acest caz lumina, la viteze enorme, putem da un exemplu de determinare a vitezei luminii întreprins de savantul italian Galileo Galilei, care, împreună cu colaborator, s-au poziționat pe două vârfuri de munte învecinate și s-au semnalat unul altuia cu lumina felinarelor. Un participant la acest experiment a deschis capacul lanternei și a pornit ceasul în același timp. Al doilea participant, după ce a primit un semnal luminos, a deschis și lanterna și a trimis lumină în direcția primului experimentator, care, după ce a primit un semnal de răspuns, a oprit ceasul. Cunoscând distanța dintre vârfurile munților și timpul necesar luminii pentru a parcurge această distanță înainte și înapoi, puteți obține viteza luminii. Desigur, ne este clar de ce această încercare de a determina viteza luminii nu a dat rezultatele dorite.

Curând a devenit clar că, pentru a măsura viteza de propagare a luminii cu precizia necesară, era necesar să existe distanțe mari pentru ca lumina să parcurgă, în primul rând, și a fost necesar să se măsoare timpul cu o precizie foarte mare, în al doilea rând.

Pentru a obține citiri precise ale timpului, se utilizează modularea luminii și se folosesc trei metode principale de modulare:

• metoda angrenajului,
• Metoda oglinzii rotative
• Metoda obturatorului electric.

În toate aceste metode, timpul de propagare este determinat dintr-o măsurătoare a frecvenței de modulație.

Să luăm în considerare pe scurt aceste trei opțiuni pentru modularea luminii folosind exemple.

metoda lui Fizeau. Figura 1.3.1 arată schema circuitului instalații utilizate în metoda Fizeau, unde fluxul luminos este modulat de o roată dințată rotativă. Lumină dintr-o sursă de lumină 1 sistemul de condensare este direcționat către o oglindă translucidă 2 , reflectată din care trece între dinții unei roți dințate care se rotește 5 . Apoi, sistemul colimator 3 direcționează un fascicul de raze spre o oglindă concavă 4 , reflectată de la care lumina călătorește înapoi pe aceeași cale către oglinda translucidă 2 . Observarea este realizată de ochiul uman printr-un ocular 6 .

Dacă roata dințată este staționară, atunci lumina va trece prin spațiul dintre dinți și se va întoarce înapoi prin același spațiu. Prin setarea roții dințate în rotație și creșterea vitezei de rotație, este posibil să se realizeze ca în timpul în care lumina vine de la roată 5 la oglinda 4 iar înapoi roata va întoarce lățimea dintelui și dintele va lua locul golului. În acest caz, lumina nu va intra în ocular 6 . Prin creșterea în continuare a vitezei de rotație a roții, puteți obține trecerea luminii înapoi prin golul adiacent etc.

Fizeau avea o roată cu 720 de dinți și o lungime dublă a fasciculului de lumină de aproximativ 17. km. Din experimentele sale, viteza luminii s-a dovedit a fi 3,15. 10 10 cm/Cu. Principala greșeală aici este legată de dificultatea înregistrării momentului de întunecare. Îmbunătățirile ulterioare ale acestei metode au condus la măsurători mai precise ale vitezei luminii.

Metoda oglinzii rotative. Această metodă, propusă de Wheatstone, a fost folosită de Foucault în 1960. Schema de instalare este prezentată în Fig. 1.3.2. De la sursa de radiații 1 lumină care trece printr-o oglindă translucidă 2 si lentila 3 ghidat de o oglindă rotativă 4 la o oglindă sferică 5 . Reflectat de oglindă 5 , fluxul luminos a revenit și a fost focalizat de sistemul de observare, inclusiv A(cu oglindă fixă 4 ). Cu o oglindă rotativă, în timpul timpului lumina parcurge de două ori calea L, oglinda a avut timp să se rotească la un anumit unghi și fluxul de lumină reflectat de ea în direcția inversă a fost focalizat într-un punct B. Măsurarea distanței dintre AȘi B, obținem unghiul la care se rotește oglinda 4 și, prin urmare, cunoscând viteza de rotație a oglinzii, timpul necesar luminii pentru a parcurge distanța. La , valoarea găsită a vitezei de propagare a luminii s-a dovedit a fi egală cu 2,98. 10 10 cm/Cu. Distanta intre AȘi B a fost egal cu doar 0,7 mm, iar principala sursă de erori constă în inexactitatea măsurării acestei distanțe.

Metoda obturatorului electric Kerr. În această metodă, o celulă Kerr acționează ca un dispozitiv de modulare (o celulă Kerr umplută cu un lichid polar și plasată între nicoli încrucișați transmite lumină numai atunci când este aplicat un câmp electric). Schema de instalare este prezentată în Fig. 1.3.3. Lumină de la o lampă cu mercur 1 trece printr-o poartă Kerr pe o oglindă translucidă 2 , se reflectă din ea spre dreapta și lovește oglinda 3 . După reflectarea din oglinda 3, lumina din calea inversă a razelor lovește receptorul de energie 8 .

O parte din energia luminoasă trece printr-o oglindă translucidă și depășește calea determinată de oglinzi 4 , 5 , 6 , 7 și înapoi, lovește și receptorul 8 .

Precizia acestei metode este determinată de modularea de înaltă frecvență a fluxului luminos creat de celula Kerr, care este expusă unui câmp electric de înaltă frecvență, și de capacitatea de a măsura cu precizie defazarea celor două fluxuri de lumină care provin din oglindă 3 si din oglinda 7 .

Valoarea obtinuta pentru viteza luminii este . Valoarea modernă general acceptată pentru viteza luminii în vid.

Pentru mediile optice cu indice de refracție, viteza luminii este determinată de expresia: .

Există diverse metode de măsurare a vitezei luminii, inclusiv cele astronomice și folosind diferite tehnici experimentale. Precizia măsurării cantității CU este în continuă creștere. Tabelul oferă o listă incompletă de lucrări experimentale pentru a determina viteza luminii.

Data	Experiment	Metode experimentale	Rezultate măsurători, km/sec
1676 1725 1849 1850 1857 1868 1875 1880 1883 1883 1901 1907 1928 1932 1941 1952	Roemer Bradley Fizeau Foucault Weber-Kohlrausch Maxwell Cornu Michelson Thomson Newcomb Perrotina Rose și Dorsey Mittelyptedt Pease și Pearson Anderson Froome	Eclipsa de lună a lui Jupiter Aberație ușoară Corpuri în mișcare Oglinzi rotative Constante electromagnetice Constante electromagnetice Oglinzi rotative Oglinzi rotative Constante electromagnetice Oglinzi rotative Oglinzi rotative Constante electromagnetice Celula poarta Kerr Oglinzi rotative Celula poarta Kerr Interferometrie cu microunde	214 459 308 000 313 290 298 000 310 000 288 000 299 990 299 910 282 000 299 880 299 777 299 784 299 778 299 774 299 782 299 792.45

Prima măsurare cu succes a vitezei luminii datează din 1676.

Imaginile arată o reproducere a desenului Roemer, precum şi o interpretare schematică.

Metoda astronomică a lui Römer se bazează pe măsurare viteză lumina din observațiile de pe Pământ ale eclipselor sateliților lui Jupiter. Jupiter are mai multedespre sateliții care sunt fie vizibili de pe Pământ lângă Jupiter, fie

ascunzându-se în umbra lui.Observații astronomice asupra stațiunii balnearetonicele lui Jupiter arată că perioada medie de timpDiferența dintre două eclipse succesive ale oricărui satelit anume al lui Jupiter depinde de distanța dintre Pământ și Jupiter în timpul observațiilor. În imagine: metoda lui Roemer. S este soarele, S este Jupiter, W este pământul.

Lasă la un moment dat PământulZ1 și Jupiter J1 sunt în opoziție, iar în acest moment unul dintre sateliții lui Jupiter, observați de pe Pământ, dispare în umbra lui Jupiter (satelitul nu este prezentat în figură). Atunci, dacă notăm cu R și r razele orbitelor lui Jupiter și Pământului și cu c viteza luminii eta in în sistemul de coordonate asociat Soarelui C, pe Pământ, plecarea satelitului în umbra lui Jupiter va fi înregistrată (R-r)/s secunde mai târziu decât are loc în sistemul de raportare a timpului asociat cu Jupiter.

După 0,545 ani, Pământul Z2 și Jupiter J2 sunt în conjuncție. Dacă în acest moment are loc a n-a eclipsă a aceluiași satelit al lui Jupiter, atunci pe Pământ va fi înregistrată cu o întârziere de (R+r)/s secunde. Prin urmare, dacă perioada de revoluție a satelitului în jurul lui Jupiter este t, atunci intervalul de timp T1 care are loc între prima și a n-a eclipsă observată de pe Pământ este egal cu

După încă 0,545 ani, Pământul 33 și Jupiter 3 vor fi din nou în opoziție. În acest timp, au avut loc (n-1) revoluții ale satelitului în jurul lui Jupiter și (n-1) eclipse, dintre care prima a avut loc când Pământul și Jupiter au ocupat pozițiile Z2 și Yu2, iar ultima când au ocupat pozițiile Z3. și Yu3. Prima eclipsă a fost observată pe Pământ cu o întârziere (R+r)/s, iar ultima cu o întârziere (R-r)/s în raport cu momentele în care satelitul a părăsit umbra planetei Jupiter. Prin urmare, în acest caz avem

Roemer a măsurat intervalele de timp T1 și T2 și a constatat că T1-T2 = 1980 s. Dar din formulele scrise mai sus rezultă că T1-T2 = 4r/s, deci c = 4r/1980 m/s. Luând r, distanța medie de la Pământ la Soare, egală cu 1500000000 km, aflăm că valoarea vitezei luminii este de 3,01 * 10 6 m/s.

Acest rezultat a fost prima măsurare a vitezei luminii.

În 1725 James Bradley a descoperit că steaua Draco, situată la zenit (adică direct deasupra capului), face o mișcare aparentă cu o perioadă de un an pe o orbită aproape circulară cu un diametru egal cu 40,5 secunde de arc. Pentru stelele vizibile în altă parte a cerului, Bradley a observat, de asemenea, o mișcare aparentă similară - în general eliptică.

Fenomenul observat de Bradley se numește aberație. Nu are nimic de-a face cu propria mișcare stele. Motivul aberației este că viteza luminii este finită, iar observația este efectuată de pe Pământul care se mișcă pe orbită cu o anumită viteză v.

Unghiul conului la care este vizibilă traiectoria aparentă a stelei de pe Pământ este determinat de expresia: tgα=ν/c

Cunoscând unghiul α iar viteza orbitei Pământului v, putem determina viteza luminii c.

A obținut o valoare pentru viteza luminii egală cu 308.000 km/s.

În 1849, ai fost primul care a determinat viteza luminii în condiții de laborator. A. Fizeau. Metoda lui a fost numită metoda roții dințate. Trăsătură caracteristică Metoda sa este înregistrarea automată a momentelor de pornire și întoarcere ale semnalului, realizată prin întreruperea regulată a fluxului de lumină (roata dințată).

Figura prezintă o diagramă a unui experiment pentru a determina viteza luminii folosind metoda roții dințate.

Lumina de la sursă a trecut prin tocător (dinții roții rotative) și, reflectată de oglindă, a revenit din nou către roata dințată. Cunoscând distanța dintre roată și oglindă, numărul de dinți ai roții și viteza de rotație, puteți calcula viteza luminii.

Cunoscând distanța D, numărul de dinți z, viteza unghiulară de rotație (rpm) v, puteți determina viteza luminii. El a ajuns să fie egal cu 313.000 km/s.

De-a lungul vieții sale, fizicianul american Albert Abraham Michelson(1852–1931) a îmbunătățit tehnica de măsurare a vitezei luminii. Creând instalații din ce în ce mai complexe, a încercat să obțină rezultate cu o eroare minimă. În 1924–1927, Michelson a dezvoltat un design experimental în care un fascicul de lumină a fost trimis din vârful Muntelui Wilson până în vârful San Antonio (o distanță de aproximativ 35 km). Obturatorul rotativ era o oglindă rotativă, fabricată cu o precizie extremă și condusă de un rotor de mare viteză special conceput, care face până la 528 de rotații pe secundă.

Prin modificarea frecvenței de rotație a rotorului, observatorul a obținut aspectul unei imagini stabile a sursei de lumină din ocular. Cunoașterea distanței dintre instalații și a frecvenței de rotație a oglinzii a făcut posibilă calcularea vitezei luminii.

Din 1924 până la începutul anului 1927, au fost efectuate cinci serii independente de observații, crescând precizia distanței de măsurare și viteza rotorului. Rezultatul mediu al măsurătorilor a fost de 299.798 km pe secundă.

Rezultatele tuturor măsurătorilor lui Michelson pot fi scrise ca c = (299796 ± 4) km/s.

Figura de sus prezintă o diagramă a experimentului lui Michelson. Figura de mai jos prezintă o diagramă simplificată a experimentului. Utilizatorul poate modifica frecvența de rotație a prismei octogonale, observând mișcarea pulsului de lumină și asigurându-se că acesta lovește ocularul observatorului.

Frecvența poate fi modificată de la 0 la 1100 rpm în pași de 2 s –1. Pentru a facilita setarea frecvenței în experiment, a fost realizat un buton de control grosier al vitezei, pot fi setate setări mai precise folosind taste suplimentare din dreapta ferestrei de frecvență. Rezultatul optim este atins la 528 și 1056 rpm. La 0 rotații, un fascicul de lumină static este tras de la sursă la observator.

Un exemplu de calcul al vitezei luminii pentru un experiment în care observatorul detectează apariția luminii la o frecvență de rotație a oglinzii de 528 s –1.

Aici ν și T sunt frecvența și perioada de rotație a prismei octogonale, τ 1 este timpul în care fasciculul luminos reușește să parcurgă distanța L de la o instalație la alta și să se întoarcă înapoi, este și timpul de rotație a uneia. fata oglinzii.

Pe baza materialelor de pe www.school-collection.edu.ru

Serios, cum? Cum să măsori cel mai mult de mare vitezăîn Universîn condițiile noastre modeste, pământești? Nu mai trebuie să ne batem mințile din cauza asta - la urma urmei, de-a lungul mai multor secole, atât de mulți oameni au lucrat la această problemă, dezvoltând metode de măsurare a vitezei luminii. Să începem povestea în ordine.

Viteza luminii– viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid. Este notat cu litera latină c. Viteza luminii este de aproximativ 300.000.000 m/s.

La început, nimeni nu s-a gândit la problema măsurării vitezei luminii. Există lumină - asta e grozav. Apoi, în epoca antichității, opinia predominantă printre filozofii științifici era că viteza luminii este infinită, adică instantanee. Apoi sa întâmplat Evul mediu odată cu Inchiziția, când principala întrebare a oamenilor gânditori și progresiști ​​era „Cum să nu fii prins de foc?” Și numai în epoci RenaştereȘi Iluminarea Opiniile oamenilor de știință s-au înmulțit și, desigur, au fost împărțite.

Asa de, Descartes, KeplerȘi Fermă erau de aceeași părere cu oamenii de știință din antichitate. Dar el credea că viteza luminii este finită, deși foarte mare. De fapt, el a făcut prima măsurătoare a vitezei luminii. Mai exact, a făcut prima încercare de a o măsura.

experimentul lui Galileo

Experienţă Galileo Galilei a fost genial prin simplitatea sa. Omul de știință a efectuat un experiment pentru a măsura viteza luminii, înarmat cu mijloace simple improvizate. La o distanță mare și binecunoscută unul de celălalt, pe diferite dealuri, Galileo și asistentul său stăteau cu felinare aprinse. Unul dintre ei a deschis obloanele lanternei, iar al doilea a trebuit să facă la fel când a văzut lumina primului felinar. Cunoscând distanța și timpul (întârzierea înainte ca asistentul să deschidă lanterna), Galileo se aștepta să calculeze viteza luminii. Din păcate, pentru ca acest experiment să reușească, Galileo și asistentul său au trebuit să aleagă dealuri aflate la distanță de câteva milioane de kilometri. Aș dori să vă reamintesc că puteți comanda un eseu completând o cerere pe site.

Experimentele Roemer și Bradley

Primul experiment de succes și surprinzător de precis în determinarea vitezei luminii a fost cel al unui astronom danez. Olaf Roemer. Roemer a folosit metoda astronomică de măsurare a vitezei luminii. În 1676, a observat satelitul lui Jupiter Io printr-un telescop și a descoperit că ora eclipsei satelitului se schimbă pe măsură ce Pământul se îndepărtează de Jupiter. Timpul maxim de întârziere a fost de 22 de minute. Calculând că Pământul se îndepărtează de Jupiter la o distanță de diametrul orbitei Pământului, Roemer a împărțit valoarea aproximativă a diametrului la timpul de întârziere și a primit o valoare de 214.000 de kilometri pe secundă. Desigur, un astfel de calcul a fost foarte dur, distanțele dintre planete erau cunoscute doar aproximativ, dar rezultatul s-a dovedit a fi relativ aproape de adevăr.

Experiența lui Bradley. În 1728 James Bradley a estimat viteza luminii observând aberația stelelor. Aberația este o modificare a poziției aparente a unei stele cauzată de mișcarea pământului pe orbita sa. Cunoscând viteza Pământului și măsurând unghiul de aberație, Bradley a obținut o valoare de 301.000 de kilometri pe secundă.

Experiența lui Fizeau

Lumea științifică din acea vreme a reacționat cu neîncredere la rezultatul experimentului lui Roemer și Bradley. Cu toate acestea, rezultatul lui Bradley a fost cel mai precis de peste o sută de ani, până în 1849. În acel an, un om de știință francez Armand Fizeau a măsurat viteza luminii folosind metoda obturatorului rotativ, fără a observa corpuri cerești, dar aici pe Pământ. De fapt, aceasta a fost prima metodă de laborator pentru măsurarea vitezei luminii de la Galileo. Mai jos este o diagramă a configurației sale de laborator.

Lumina, reflectată de oglindă, a trecut prin dinții roții și a fost reflectată de o altă oglindă, aflată la 8,6 kilometri distanță. Viteza roții a fost crescută până când lumina a devenit vizibilă în următorul gol. Calculele lui Fizeau au dat un rezultat de 313.000 de kilometri pe secundă. Un an mai târziu, un experiment similar cu o oglindă rotativă a fost efectuat de Leon Foucault, care a obținut un rezultat de 298.000 de kilometri pe secundă.

Odată cu apariția maserelor și laserelor, oamenii au noi oportunități și modalități de a măsura viteza luminii, iar dezvoltarea teoriei a făcut posibilă și calcularea vitezei luminii indirect, fără a face măsurători directe.

Cea mai precisă valoare a vitezei luminii

Omenirea a acumulat o vastă experiență în măsurarea vitezei luminii. Astăzi, cea mai precisă valoare pentru viteza luminii este considerată a fi 299.792.458 de metri pe secundă, primit în 1983. Este interesant că măsurarea suplimentară, mai precisă a vitezei luminii s-a dovedit a fi imposibilă din cauza erorilor de măsurare. metri. În prezent, valoarea unui metru este legată de viteza luminii și este egală cu distanța pe care lumina o parcurge în 1/299.792.458 dintr-o secundă.

În cele din urmă, ca întotdeauna, vă sugerăm să vizionați un videoclip educațional. Prieteni, chiar dacă vă confruntați cu o astfel de sarcină precum măsurarea independentă a vitezei luminii folosind mijloace improvizate, puteți apela în siguranță la autorii noștri pentru ajutor. Puteți comanda online o lucrare de testare completând o cerere de pe site-ul web al studentului prin corespondență. Vă dorim un studiu plăcut și ușor!

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, se controlează sateliți și nave 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 sens modern. 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 luminoase

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. Pentru asta un timp scurt, timp în care lumina care cade pe lentila telescopului se răspândește de la lentilă la ocular, ocularul, ca urmare a mișcării orbitale a Pământului, se deplasează cu un segment foarte mic (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 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 dezvoltare ulterioară teoria luminii, a fost important să se stabilească de ce parametri depinde viteza luminii și cum se schimbă ea 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 R si se duce la oglinda 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 precizie momentul întunecării. Precizia se îmbunătățește atât cu baze mai mari, cât și cu rate de întrerupere care permit observarea obscurărilor de ordin superior. 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 considerată una dintre primele metode de laborator. Folosind această metodă, Foucault a măsurat viteza luminii în medii pentru care indicele de refracție n>1 .

Schema 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 muntoase 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 corectii. 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. Comparația 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


Măsurătorile 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.