Методи за измерване на скоростта на светлината. Скоростта на светлината и методи за нейното определяне. Физическа лабораторна работа за измерване на скоростта на светлината

С откриването в експеримента на корпускулните свойства и прояви на светлината (фотоефект, ефект на Комптон и други явления), квантовата природа на светлината е разработена от М. Планк и А. Айнщайн, в рамките на която светлината проявява както вълнови, така и корпускулярни свойства - т. нар. корпускулярно - вълнов дуализъм. (Макс Карл Ернст Лудвиг Планк - немски физик-теоретик, 1858-1947, 1918 Нобелова награда за откриването на законите на радиацията, Артър Хоти Комптън, американски физик, 1892-1962, 1927 Нобелова награда за ефекта, кръстен на него).

Въведение 3
1. Експерименти за определяне на скоростта на светлината. 4
1.1. Първи експерименти. 4
1.1.1. Опитът на Галилей. 4
1.2 Астрономически методи за определяне на скоростта на светлината. 4
1.2.1. Затъмнение на луната на Юпитер - Йо. 4
1.2.2. Светлинна аберация. 6
1.3. Лабораторни методи за измерване на скоростта на светлината. 7
1.3.1. Синхронен метод за откриване. 7
1.4. Експерименти върху разпространението на светлината в среда. девет
1.4.1. Опитът на Арман Физо. девет

1.4.3. Експерименти на А. Майкълсън и Майкълсън - Морли. 12
1.4.4 Подобряване на опита на Майкелсън. 13
2. Максимална скорост на светлината. четиринадесет
2.1. Тъжно преживяване. четиринадесет
2.2. Изживяването на Бертоци. 15
3. Скоростта на светлината в материята. 17
4. Тахиони. Частици, движещи се със скорост, по-голяма от скоростта на светлината. 17
4.1. Въображаеми маси. 17
4.2. Ускорение вместо забавяне. осемнадесет

5. Свръхсветлинна скорост. двадесет
Заключение 22
Литература 23

Работата съдържа 1 файл

Курсова работа по темата:

"Скоростта на светлината и методи за нейното определяне"

Въведение 3

1. Експерименти за определяне на скоростта на светлината. 4

1.1. Първи експерименти. 4

1.1.1. Опитът на Галилей. 4

1.2 Астрономически методи за определяне на скоростта на светлината. 4

1.2.1. Затъмнение на луната на Юпитер - Йо. 4

1.2.2. Светлинна аберация. 6

1.3. Лабораторни методи за измерване на скоростта на светлината. 7

1.3.1. Синхронен метод за откриване. 7

1.4. Експерименти върху разпространението на светлината в среда. девет

1.4.1. Опитът на Арман Физо. девет

1.4.2. Подобрението на Фуко. десет

1.4.3. Експерименти на А. Майкълсън и Майкълсън - Морли. 12

1.4.4 Подобряване на опита на Майкелсън. 13

2. Максимална скорост на светлината. четиринадесет

2.1. Тъжно преживяване. четиринадесет

2.2. Изживяването на Бертоци. 15

3. Скоростта на светлината в материята. 17

4. Тахиони. Частици, движещи се със скорост, по-голяма от скоростта на светлината. 17

4.1. Въображаеми маси. 17

4.2. Ускорение вместо забавяне. осемнадесет

4.3. Отрицателни енергии. 19

5. Свръхсветлинна скорост. двадесет

Заключение 22

Литература 23

Въведение

За природата на светлината се мисли от древни времена. Древните мислители са вярвали, че светлината е изтичане на "атоми" от обекти в очите на наблюдателя (Питагор - около 580 - 500 г. пр. н. е.). В същото време се определя праволинейността на разпространението на светлината, смяташе се, че тя се разпространява с много високи скорости, почти мигновено. През XVI-XVII век Р. Декарт (Рене Декарт, френски физик, 1596-1650), Р. Хук (Робърт Хук, английски физик, 1635-1703), Х. Хюйгенс (Кристиан Хюйгенс, холандски физик, 1669-1651). ) изхожда от факта, че разпространението на светлината е разпространение на вълни в среда. Исак Нютон (Исак Нютон, английски физик, 1643 - 1727) изтъква корпускулярната природа на светлината, т.е. вярвали, че светлината е излъчването на определени частици от телата и тяхното разпространение в пространството.

През 1801 г. Т. Юнг (Томас Юнг, английски физик, 1773-1829) наблюдава интерференцията на светлината, което води до разработването на експерименти със светлина върху интерференцията и дифракцията. И през 1818 г. О. Ж. Френел (Августин Жан Френел, френски физик, 1788-182 7) възроди вълновата теория за разпространението на светлината. Д.К. Максуел, след като установи общите закони на електромагнитното поле, стигна до заключението, че светлината е електромагнитни вълни. По-нататък беше изложена хипотезата за "световния етер", че светлината е разпространението на електромагнитни вълни в средата - "етер". Известните експерименти за проверка на съществуването на световния етер са проведени от А.А. Майкълсън и E.W. Морли (1837-1923) и от очарованието на светлината с движеща се среда - А.И. Физо. (Алберт Ейбрахам Михелсън, американски физик, 1852-1931, Нобелова награда за създаване на прецизни инструменти и спектроскопски и метрологични изследвания, извършени с тяхна помощ; Арман Иполит Луи Физо, френски физик, 1819-1896). В резултат на това се оказа, че световният етер (поне в смисъла, в който физиците вярваха по това време - някаква абсолютна неподвижна среда) не съществува.

Те също се опитаха да измерят скоростта на светлината по различни начини, както в естествени, така и в лабораторни условия.

1. Експерименти за определяне на скоростта на светлината.

1.1. Първи експерименти.

1.1.1. Опитът на Галилей.

Първият, който се опита да измери скоростта на светлината експериментално, е италианецът Галилео Галилей. Експериментът се състоеше в следното: двама души, стоящи на върховете на хълмове на разстояние няколко километра един от друг, подавали сигнали с помощта на фенери, оборудвани с капаци. Този експеримент, който впоследствие беше извършен от учените от Флорентинската академия, той изрази в своя труд „Разговори и математически доказателства относно два нови клона на науката, свързани с механиката и местното движение“ (публикуван в Лайден през 1638 г.).

След експеримента Галилей стига до извода, че скоростта на светлината се разпространява мигновено и ако не мигновено, то с изключително висока скорост.

Средствата, с които Галилей разполага тогава, разбира се, не позволиха този въпрос да бъде разрешен толкова лесно и той беше напълно наясно с това.

1.2 Астрономически методи за определяне на скоростта на светлината.

1.2.1. Затъмнение на луната на Юпитер - Йо.

ДОБРЕ. Рьомер (1676, Оле Кристенсен Рьомер, холандски астроном, 1644-1710) наблюдава затъмнението на спътника на Юпитер (J) – Йо, открито от Галилей през 1610 г. (открива и още 3 спътника на Юпитер). Радиусът на орбитата на спътника на Йо около Юпитер е 421600 km, диаметърът на спътника е 3470 km (виж фигури 2.1 и 2.2). Времето на затъмнението беше = 1,77 дни = 152928 s. ДОБРЕ. Рьомер наблюдава нарушение на периодичността на затъмненията и Рьомер свързва това явление с крайната скорост на разпространение на светлината. Радиусът на орбитата на Юпитер около Слънцето Rj е много по-голям от радиуса на земната орбита R3, а орбиталният период е приблизително 12 години. Тоест, по време на полуоборота на Земята (шест месеца), Юпитер ще се движи в орбита на определено разстояние и, ако фиксираме времето на пристигане на светлинния сигнал от момента, в който Йо се появи от сянката на Юпитер, тогава светлината трябва да измине по-голямо разстояние до Земята в случай 2, отколкото в случай 1 (виж фиг.2.2). Нека бъде моментът във времето, когато Йо излиза от сянката на Юпитер според часовника на Земята, и да бъде истинският момент във времето, когато това се случва. тогава имаме:

къде е разстоянието, което светлината изминава до Земята. В следващия Io изход имаме подобно:

къде е новото разстояние, което светлината изминава до Земята. Истинският орбитален период на Йо около Юпитер се определя от разликата във времето:

Разбира се, в един период от време, когато се случи едно затъмнение, е трудно да се определят тези времена с голяма точност. Ето защо е по-удобно да се провеждат наблюдения в продължение на шест месеца, когато разстоянието до Земята се промени до максимална стойност. В този случай истинският период на затъмнение може да се определи като средна стойност за шест месеца или година. След това можете да определите скоростта на светлината след две последователни измервания на времето, когато Йо излезе от сянката:

Стойностите се намират от астрономически изчисления. Това разстояние обаче се променя малко за едно затъмнение. По-удобно е да се правят измервания за шест месеца (когато Земята се премести от другата страна на орбитата си) и да се получи пълното време на затъмнение:

където n е броят на затъмненията през тези шест месеца. Всички други междинни времена на разпространение на светлината до Земята са намалели, тъй като разстоянието се променя слабо при едно затъмнение. Оттук Рьомер получава скоростта на светлината, равна на c = 214300 km/s.

1.2.2. Светлинна аберация.

В астрономията аберацията е промяна във видимото положение на звезда в небесната сфера, тоест отклонението на видимата посока към звездата от истинската, причинено от ограничеността на скоростта на светлината и движението на наблюдател. Ежедневната аберация се дължи на въртенето на Земята; годишен - въртенето на Земята около Слънцето;

секуларно - движението на Слънчевата система в космоса.

Ориз. Аберация на звездната светлина.

За да се разбере това явление, може да се направи проста аналогия. Дъждовните капки, падащи вертикално при тихо време, оставят наклонена следа върху страничния прозорец на движеща се кола.

В резултат на аберация на светлината видимата посока към звездата се различава от истинската с ъгъл, наречен аберационен ъгъл. Фигурата показва това

където е компонента на скоростта на движение на Земята, перпендикулярна на посоката към звездата.

На практика явлението аберация (годишно) се наблюдава по следния начин. По време на всяко наблюдение оста на телескопа е ориентирана в пространството по същия начин спрямо звездното небе, а изображението на звездата е фиксирано във фокалната равнина на телескопа. Това изображение описва елипса през цялата година. Познавайки параметрите на елипсата и други данни, съответстващи на геометрията на експеримента, е възможно да се изчисли скоростта на светлината. През 1727 г. от астрономически наблюдения Дж. Брадли открива 2 * = 40,9" и получава

s = 303000 km/s.

1.3. Лабораторни методи за измерване на скоростта на светлината.

1.3.1. Синхронен метод за откриване.

За измерване на скоростта на светлината Арман Физо (1849) прилага метода на синхронно откриване. Той използва бързо въртящ се диск с N зъби (фиг. 2.3), които са непрозрачни сектори. Между тези сектори (зъби) светлината преминава от източника към отразяващото огледало и обратно към наблюдателя. В този случай ъгълът между средните точки на секторите е

Ъгловата скорост на въртене е избрана така, че светлината, след като се отрази от огледалото зад диска, да влезе в очите на наблюдателя при преминаване през съседния отвор. По време на движението на светлината от диска към огледалото и обратно:

завъртането на циферблата прави ъгъл

Знаейки разстоянието L, ъгловата скорост на диска ω и ъгъла △ φ, под който се появява светлината, може да се получи скоростта на светлината. Физо получи стойност на скоростта, равна на c = (315300500) km/s. Експериментаторите са получили актуализирана стойност на скоростта на светлината с приблизително същите методи с = (298000500) km/s (1862 г.), след това с = (2997964) km/s (A. Michelson през 1927 г. и 1932 г.). По-късно Бергстранд получава - s = (299793.10.3) km / s.

Нека да отбележим тук един от най-точните методи за измерване на скоростта на светлината - методът на резонатора на кухината, чиято основна идея е образуването на стояща светлинна вълна и изчисляването на броя на полувълните по протежение на резонатора дължина. Основните връзки между скоростта на светлината c, дължината на вълната λ, периода T и честотата ν са както следва:

Тук се въвежда и ъгловата честота, която не е нищо повече от ъгловата скорост на въртене ω на амплитудата, ако трептенията се представят като проекция на въртеливото движение върху оста. В случай на образуване на стояща светлинна вълна, цял брой полувълни се вписват в дължината на резонатора. Откривайки това число и използвайки отношенията (*), можете да определите скоростта на светлината.

Последните постижения (1978 г.) дадоха следната стойност за скоростта на светлината c = 299792,458 km/s = (299792458 1,2) m/s.

1.4. Експерименти върху разпространението на светлината в среда.

1.4.1. Опитът на Арман Физо.

Експериментът на Арман Физо (1851). Физо разглежда разпространението на светлината в движеща се среда. За да направи това, той прекара лъч светлина през стояща и течаща вода и, използвайки феномена на светлинна интерференция, сравнява модели на интерференция, чрез анализ на които е възможно да се прецени промяната в скоростта на разпространение на светлината (виж фигура 2.4). Два лъча светлина, отразени от полупрозрачно огледало (лъч 1) и преминаващи през него (лъч 2), преминават два пъти през тръба с вода и след това създават интерференционна картина на екрана. Първо, те се измерват в застояла вода, а след това в течаща вода със скорост V.

В този случай единият лъч (1) се движи с потока, а вторият (2) - срещу потока на водата. Интерференционните ресни се изместват поради промяна в разликата в пътя между двата лъча. Измерва се разликата в пътя на лъчите и от нея се намира промяната в скоростта на разпространение на светлината. Скоростта на светлината в неподвижна среда ĉ зависи от коефициента на пречупване на средата n:

Според принципа на относителността на Галилей, за наблюдател, спрямо когото светлината се движи в среда, скоростта трябва да бъде равна на:

Експериментално Физо установи, че има коефициент при скоростта на водата V и следователно формулата изглежда по следния начин:

където * е коефициентът на увличане на светлина от движещата се среда:

Така експериментът на Физо показа, че класическото правило за събиране на скорости е неприложимо за разпространението на светлината в движеща се среда, т.е. светлината се отвежда само частично от движещата се среда. Експериментът на Физо изигра важна роля в изграждането на електродинамиката на движещата се среда.

Той служи като обосновка за SRT, където коефициентът * се получава от закона за добавяне на скорости (ако се ограничим до първия ред на точност в малката стойност на ν / c). Изводът, който следва от този опит е, че класическите (Галилеевите) трансформации не са приложими за разпространението на светлината.

1.4.2. Подобрението на Фуко.

Когато Физо обяви резултата от измерването си, учените поставиха под въпрос надеждността на тази колосална фигура, според която светлината достига от Слънцето до Земята за 8 минути и може да облети Земята за осма от секундата. Изглеждаше невероятно, че човек може да измери такава огромна скорост с толкова примитивни инструменти. Светлината пътува ли повече от осем километра между огледалата на Физо за 1/36 000 от секундата? Невъзможно, казаха мнозина. Въпреки това, получената от Физо цифра беше много близка до резултата на Рьомер. Това едва ли може да е съвпадение.

Тринадесет години по-късно, със скептиците, които все още се съмняват и иронизират, Жан Бернар Леон Фуко, син на парижки издател, който по едно време се подготвяше да стане лекар, определи скоростта на светлината по малко по-различен начин. Той работи с Физо няколко години и мисли много как да подобри опита си. Вместо зъбно колело Фуко използва въртящо се огледало.

Ориз. 3. Монтаж на Фуко.

След някои подобрения Майкълсън използва това устройство, за да определи скоростта на светлината. В това устройство зъбното колело се заменя с въртящо се плоско огледало C. Ако огледалото C е неподвижно или се върти много бавно, светлината се отразява към полупрозрачното огледало B в посоката, посочена от плътната линия. Когато огледалото се върти бързо, отразеният лъч се измества в позицията, обозначена с пунктираната линия. Гледайки през окуляра, наблюдателят може да измери изместването на лъча. Това измерване му даде удвоена стойност на ъгъла α, т.е. ъгъла на въртене на огледалото през времето, докато светлинният лъч е минал от C към вдлъбнато огледало A и обратно към C. Знаейки скоростта на въртене на огледалото C, разстоянието от A до C и ъгъла на въртене на огледалото огледало C през това време беше възможно да се изчисли скоростта на светлината.

Много преди учените да измерят скоростта на светлината, те трябваше да работят усилено, за да дефинират самото понятие "светлина". Един от първите, които се замислят за това, е Аристотел, който смята светлината за вид подвижна субстанция, разпространяваща се в пространството. Неговият древен римски колега и последовател Лукреций Кар настоява за атомната структура на светлината.

До 17 век се формират две основни теории за природата на светлината - корпускулярна и вълнова. Нютон беше сред привържениците на първия. Според него всички източници на светлина излъчват най-малките частици. В процеса на "полет" те образуват светещи линии - лъчи. Неговият опонент, холандският учен Кристиан Хюйгенс, настоя, че светлината е вид вълново движение.

В резултат на вековни спорове учените стигнаха до консенсус: и двете теории имат право на живот, а светлината е спектърът от електромагнитни вълни, видими за окото.

Малко история. Как се измерва скоростта на светлината

Повечето древни учени са били убедени, че скоростта на светлината е безкрайна. Резултатите от изследванията на Галилео и Хук обаче признават своя предел, което е ясно потвърдено през 17 век от изключителния датски астроном и математик Олаф Рьомер.

Той направи първите си измервания, като наблюдава затъмненията на Йо, спътник на Юпитер по време, когато Юпитер и Земята са били разположени от противоположни страни спрямо Слънцето. Рьомер записва, че когато Земята се отдалечава от Юпитер на разстояние, равно на диаметъра на земната орбита, времето на забавяне се променя. Максималната стойност беше 22 минути. В резултат на изчисленията той получи скорост от 220 000 km / s.

50 години по-късно, през 1728 г., благодарение на откриването на аберацията, английският астроном Дж. Брадли „усъвършенства“ тази цифра до 308 000 km/s. По-късно скоростта на светлината беше измерена от френските астрофизици Франсоа Арго и Леон Фуко, които получиха 298 000 km / s на "изхода". Още по-точна техника за измерване е предложена от създателя на интерферометъра, известния американски физик Алберт Майкълсън.

Експеримент на Майкълсън за определяне на скоростта на светлината

Експериментите продължават от 1924 до 1927 г. и се състоят от 5 серии от наблюдения. Същността на експеримента беше следната. Източник на светлина, огледало и въртяща се октаедрична призма са монтирани на връх Уилсън в околностите на Лос Анджелис, а след 35 км на връх Сан Антонио е монтирано отразяващо огледало. Първо, светлината през лещата и процепа падна върху призма, въртяща се с помощта на високоскоростен ротор (при скорост 528 rps).

Участниците в експериментите можели да регулират скоростта на въртене, така че изображението на източника на светлина да се вижда ясно в окуляра. Тъй като разстоянието между върховете и честотата на въртене бяха известни, Майкълсън определи стойността на скоростта на светлината - 299796 km / s.

Учените окончателно решават със скоростта на светлината през втората половина на 20-ти век, когато са създадени мазери и лазери, характеризиращи се с най-висока стабилност на честотата на излъчване. До началото на 70-те години грешката в измерването спадна до 1 km / s. В резултат на това по препоръка на XV Генерална конференция по мерки и теглилки, проведена през 1975 г., беше решено да се приеме, че скоростта на светлината във вакуум сега е равна на 299792,458 km / s.

Постижима ли е скоростта на светлината за нас?

Очевидно е, че изследването на далечните кътчета на Вселената е немислимо без космически кораби, летящи с голяма скорост. Желателно със скоростта на светлината. Но възможно ли е това?

Бариерата за скоростта на светлината е едно от последствията от теорията на относителността. Както знаете, увеличаването на скоростта изисква увеличаване на енергията. Скоростта на светлината ще изисква почти безкрайна енергия.

Уви, законите на физиката са категорично против това. При скорост на космическия кораб от 300 000 km / s, частиците, летящи към него, например водородните атоми, се превръщат в смъртоносен източник на мощна радиация, равна на 10 000 sievert / s. Това е приблизително същото като да си вътре в Големия адронен колайдер.

Според учени от университета Джон Хопкинс, докато в природата няма адекватна защита от такова чудовищно космическо излъчване. Ерозията от въздействието на междузвездния прах ще завърши унищожаването на кораба.

Друг проблем със скоростта на светлината е забавянето на времето. В същото време старостта ще стане много по-продължителна. Зрителното поле също ще претърпи кривина, в резултат на което траекторията на кораба ще премине сякаш вътре в тунел, в края на който екипажът ще види блестяща светкавица. Зад кораба ще остане пълен мрак.

Така че в близко бъдеще човечеството ще трябва да ограничи своите високоскоростни "апетити" с 10% от скоростта на светлината. Това означава, че най-близката до Земята звезда - Проксима Кентавър (4,22 светлинни години) ще отнеме около 40 години, за да лети.

Има различни методи за измерване на скоростта на светлината, включително астрономически и с помощта на различни експериментални техники. Точност на измерване Снепрекъснато се увеличава. Таблицата предоставя непълен списък на експерименталната работа по определяне на скоростта на светлината.

дата

Експериментирайте

Експериментални методи

Резултати от измерването, км/сек

1676

1725

1849

1850

1857

1868

1875

1880

1883

1901

1907

1928

1932

1941

1952

Рьомер

Брадли

Физо

Фуко

Вебер-Колрауш

Максуел

Корну

Майкълсън

Томсън

Нюкомб

перротин

Роза и дорси

Mittelyptedt

Пийз и Пиърсън

Андерсън

Фрум

Затъмнение на луната на Юпитер

Светлинна аберация

Задвижващи тела

Въртящи се огледала

Електромагнитни константи

Въртящи се огледала

Електромагнитни константи

Въртящи се огледала

Електромагнитни константи

Клетка на затвора на Kerr

Въртящи се огледала

Клетка на затвора на Kerr

Микровълнова интерферометрия

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

Първото успешно измерване на скоростта на светлината датира от 1676 г.

Снимките показват репродукция на самата картина Рьомер,както и схематична интерпретация.

Астрономическият метод на Рьомер се основава на измерване скорост светлина от земни наблюдения на затъмнения на спътниците на Юпитер... Юпитер има няколкоза спътници, които са или видими от Земята близо до Юпитер, или

криейки се в сянката му.Астрономически наблюдения на spuтниците на Юпитер показват, че средният интервал от времеВремето между две последователни затъмнения на всяка конкретна луна на Юпитер зависи от това колко далеч са Земята и Юпитер по време на наблюдения. На снимката: Методът на Рьомер. C - слънце, U - Юпитер, W - земя.

Нека в определен момент от времето ЗемятаZ1 и Юпитер J1 са в опозиция и в този момент един от спътниците на Юпитер, наблюдаван от Земята, изчезва в сянката на Юпитер (сателитът не е показан на фигурата). Тогава, ако обозначим с R и r радиусите на орбитите на Юпитер и Земята и с c - скоростта наета в координатна система, свързана със Слънцето C, на Земята заминаването на спътника в сянката на Юпитер ще бъде записано (R-r)/s секунди по-късно, отколкото се случва в референтната рамка, свързана с Юпитер.

След 0,545 години Земята Z2 и Юпитер U2 са в съвпад. Ако по това време се случи n-тото затъмнение на същия спътник на Юпитер, то на Земята то ще бъде записано със закъснение от (R + r) / s секунди. Следователно, ако периодът на въртене на спътника около Юпитер е t, тогава интервалът от време T1 между първото и n-то затъмнение, наблюдавани от Земята, е равен на

След още 0,545 години Земята Z3 и Юпитер J3 отново ще бъдат в опозиция. През това време са извършени (n-1) обороти на спътника около Юпитер и (n-1) затъмнения, от които първото се е случило, когато Земята и Юпитер са заели позиции Z2 и Yu2, а последното - когато са заели позиции Z3 и Yu3. Първото затъмнение е наблюдавано на Земята със закъснение (R+r)/s, а последното със закъснение (R-r)/s по отношение на моментите, когато спътникът навлезе в сянката на планетата Юпитер. Следователно в този случай имаме

Roemer измерва интервалите от време T1 и T2 и установява, че T1-T2 = 1980 s. Но от формулите, написани по-горе, следва, че T1-T2 = 4r / s, следователно c = 4r / 1980 m / s. Като вземем r, средното разстояние от Земята до Слънцето, равно на 1 500 000 000 km, намираме стойността от 3,01 * 10 6 m / s за скоростта на светлината.

Този резултат е първото измерване на скоростта на светлината.

През 1725г. Джеймс Брадлиустанови, че звездата на Дракона, разположена в зенита (т.е. директно над главата), извършва видимо движение с период от една година в почти кръгова орбита с диаметър 40,5 дъгови секунди. За звезди, видими другаде по небосвода, Брадли също наблюдава подобно привидно движение - обикновено елиптично.

Явлението, наблюдавано от Брадли, се нарича аберация. Това няма нищо общо със собственото движение на звездата. Причината за аберацията се крие във факта, че величината на скоростта на светлината е крайна и наблюдението се извършва от Земята, като се движи по орбитата си с определена скорост v.

Ъгълът на отваряне на конуса, при който видимата траектория на звездата се вижда от Земята, се определя от израза: tgα = ν / c

Познаване на ъгъла α и скоростта на земната орбита v, може да се определи скоростта на светлината c.

Той получи стойността на скоростта на светлината, равна на 308 000 km / s.

През 1849 г. за първи път е извършено определянето на скоростта на светлината в лабораторни условия. А. Физо... Неговият метод се нарича метод на зъбно колело. Характерна особеност на неговия метод е автоматичното регистриране на моментите на стартиране и връщане на сигнала, осъществявано чрез редовно прекъсване на светлинния поток (зъбно колело).

Фигурата показва диаграма на експеримент за определяне на скоростта на светлината по метода на зъбното колело.

Светлината от източника премина през прекъсвача (зъбите на въртящото се колело) и, отразена от огледалото, се върна отново към зъбното колело. Познавайки разстоянието между колелото и огледалото, броя на зъбите на колелото, скоростта на въртене, можете да изчислите скоростта на светлината.

Познавайки разстоянието D, броя на зъбите z, ъгловата скорост на въртене (брой обороти в секунда) v, е възможно да се определи скоростта на светлината. Той го получи равен на 313 000 km / s.

Американски физик през целия си живот Алберт Ейбрахам Майкълсън(1852-1931) подобрява метода за измерване на скоростта на светлината. Създавайки все по-сложни инсталации, той се опита да получи резултати с минимална грешка. През 1924-1927 г. Майкълсън разработва схема за експеримент, при който лъч светлина се изпраща от върха на планината Уилсън до върха на Сан Антонио (на разстояние около 35 км). За въртящия се затвор е използвано въртящо се огледало, произведено с изключителна прецизност и задвижвано от специално проектиран високоскоростен ротор, който се върти до 528 оборота в секунда.

Чрез промяна на честотата на въртене на ротора, наблюдателят постига появата на стабилно изображение на източника на светлина в окуляра. Познаването на разстоянието между инсталациите и честотата на въртене на огледалото направи възможно изчисляването на скоростта на светлината.

От 1924 г. до началото на 1927 г. са проведени пет независими серии от наблюдения, точността на измерване на разстоянието и скоростта на ротора е увеличена. Средният резултат от измерването е 299 798 км в секунда.

Резултатите от всички измервания на Майкълсън могат да бъдат записани като c = (299796 ± 4) km / s.

Горната фигура показва диаграма на експеримента на Майкелсън. Долната фигура показва опростена диаграма на експеримента. Потребителят може да променя честотата на въртене на осмоъгълната призма, като наблюдава движението на светлинния импулс и го кара да попадне в окуляра на наблюдателя.

Честотата може да се променя от 0 до 1100 оборота в секунда за 2 s –1 стъпки. За да се улесни настройката на честотата в експеримента, беше направено копче за грубо регулиране на скоростта, по-точни настройки могат да бъдат зададени с помощта на допълнителните клавиши вдясно от прозореца на честотата. Оптимални резултати се постигат при 528 и 1056 оборота в секунда. При 0 оборота статичен светлинен лъч се изтегля от източника към наблюдателя.

Пример за изчисляване на скоростта на светлината за експеримент, при който появата на светлина се записва от наблюдател при честота на въртене на огледалото 528 s –1.

Тук ν и T са честотата и периодът на въртене на октаедричната призма, τ 1 е времето, през което светлинният лъч има време да измине разстоянието L от една инсталация до друга и да се върне обратно, също така е времето на въртене на едното лице на огледалото.

Въз основа на материали от www.school-collection.edu.ru

Лабораторните методи за определяне на скоростта на светлината са по същество подобрения на метода на Галилей.

а) Метод на прекъсване.

Физо (1849) извършва за първи път определянето на скоростта на светлината в лабораторни условия. Характерна особеност на неговия метод е автоматичното регистриране на моментите на стартиране и връщане на сигнала, осъществявано чрез редовно прекъсване на светлинния поток (зъбно колело). Схемата на експеримента на Физо е показана на фиг. 9.3. Светлина от източник Спреминава между зъбите на въртящо се колело Укъм огледалото Ми след като се отрази назад, трябва отново да премине между зъбите към наблюдателя. За удобство окулярът Е, служеща за наблюдение, се поставя срещу аи светлината се обръща от СДа се Ус помощта на полупрозрачно огледало н... Ако колелото се върти и освен това с такава ъглова скорост, че по време на движението на светлината от аДа се Ми обратно на мястото на зъбите ще има прорези, и обратно, върнатата светлина няма да се предава към окуляра и наблюдателят няма да види светлината (първо затъмнение). С увеличаване на ъгловата скорост светлината ще достигне частично до наблюдателя. Ако ширината на зъбите и пролуките е еднаква, тогава при двойна скорост ще има максимум светлина, при тройна скорост ще има второ затъмнение и т.н. Знаейки разстоянието сутринта=д, брой зъби z, ъглова скорост на въртене (брой обороти в секунда) н, можете да изчислите скоростта на светлината.

Ориз. 9.3. Схемата на опита на метода на прекъсване.

Или с=2дзн.

Основната трудност при определянето се крие в точното определяне на момента на затъмнението. Точността се увеличава с разстоянието ди при честота на прекъсване, позволяваща да се наблюдават затъмнения от по-висок порядък. И така, Перотин проведе своите наблюдения при д= 46 km и наблюдава затъмнение от 32-ри ред. При тези условия са необходими инсталации с голяма апертура, чист въздух (наблюдения в планината), добра оптика и силен източник на светлина.

Напоследък вместо въртящо се колело успешно се използват други, по-съвременни методи за прекъсване на светлината.

б) Методът на въртящото се огледало.

Фуко (1862) успешно прилага втория метод, чийто принцип е предложен от Араго още по-рано (1838), за да сравни скоростта на светлината във въздуха със скоростта на светлината в друга среда (вода). Методът се основава на много внимателни измервания на кратки интервали от време с помощта на въртящо се огледало. Схемата на експеримента е ясна от фиг. 9.4. Светлина от източник Сводени от леща Лвърху въртящо се огледало Р, отразено от него в посока на второто огледало Си се връща назад, минавайки път 2 CR=2дпо време на T... Това време се изчислява по ъгъла на завъртане на огледалото Рчиято скорост на въртене е точно известна; ъгълът на въртене се определя чрез измерване на изместването на петното, дадено от върнатата светлина. Измерванията се извършват с помощта на окуляр Еи полупрозрачна чиния Мкойто играе същата роля като при предишния метод; С 1 - позицията на зайчето с неподвижно огледало Р, С " 1 - когато огледалото се върти. Важна характеристика на инсталацията на Фуко беше използването като огледало Свдлъбнато сферично огледало, с център на кривината, разположен върху оста на въртене Р... Поради това светлината, отразена от РДа се С, винаги се връщам към Р; в случай на използване на плоско огледало Стова би се случило само при определена взаимна ориентация Ри Скогато оста на отразения конус на лъчите е разположена нормално на С.

Фуко, в съответствие с първоначалния план на Араго, извършва с помощта на своето устройство и определянето на скоростта на светлината във водата, тъй като успява да намали разстоянието RСдо 4 м, което дава на огледалото 800 оборота в секунда. Измерванията на Фуко показаха, че скоростта на светлината във водата е по-малка от тази във въздуха, в съответствие с идеите на вълновата теория на светлината.

Последната (1926) инсталация на Майкелсон е извършена между два планински върха, така че резултатът е разстояние д»35,4 км (по-точно 35 373,21 м). Огледалото представляваше октаедрична стоманена призма, въртяща се със скорост 528 об/с.

Времето, необходимо на светлината да извърви пълен път, е 0,00023 s, така че огледалото има време да се завърти на 1/8 от оборота и светлината пада върху лицето на призмата. По този начин изместването на петното е относително незначително и определянето на неговата позиция играе ролята на корекция, а не на основна измерена стойност, както в първите експерименти на Фуко, където цялото изместване достига само 0,7 mm.

Извършени са и много точни измервания на скоростта на разпространение на радиовълните. В случая са използвани радиогеодезически измервания, т.е. определяне на разстоянието между две точки с помощта на радиосигнали успоредно с точни триангулационни измервания. Най-добрата стойност, получена по този метод, намалена до вакуум, е c = 299 792 ± 2,4 km/s. И накрая, скоростта на радиовълните се определя чрез метода на стоящите вълни, генерирани в цилиндричен резонатор. Теорията позволява да се съпоставят данните за размерите на резонатора и неговата резонансна честота със скоростта на вълните. Експериментите бяха направени с евакуиран резонатор, така че не се изискваше намаляване на вакуума. Най-добрата стойност, получена по този метод, е s = 299 792,5 ± 3,4 km/s.

в) Фазови и групови скорости на светлината.

Лабораторните методи за определяне на скоростта на светлината, които позволяват да се направят тези измервания на кратка основа, позволяват да се определи скоростта на светлината в различни среди и следователно да се проверят връзките на теорията за пречупване на светлината. Както вече споменахме много пъти, коефициентът на пречупване на светлината в теорията на Нютон е н= грях и/ грях r=υ 2 /υ 1 и във вълновата теория н= грях и/ грях r=υ 1 /υ 2, където υ 1 е скоростта на светлината в първата среда и υ 2 - скоростта на светлината във втората среда. Араго също вижда в тази разлика възможността за experimentum crucis и предлага идеята за експеримент, който е извършен по-късно от Фуко, който намира стойност за съотношението на скоростите на светлината във въздуха и водата, близка до, както следва от Хюйгенс ' теория, а не, както следва от теорията на Нютон.

Конвенционална дефиниция на индекса на пречупване н= грях и/ грях r=υ 1 /υ 2 от промяната в посоката на нормата на вълната на границата на две среди дава съотношението на фазовите скорости на вълната в тези две среди. Концепцията за фазовата скорост обаче е приложима само за строго монохроматични вълни, които не са реално осъществими, тъй като би трябвало да съществуват неограничено във времето и да вият неограничено в пространството.

В действителност ние винаги имаме повече или по-малко сложен импулс, ограничен във времето и пространството. Когато наблюдаваме такъв импулс, можем да изберем някакво конкретно място от него, например мястото на максималната степен на това електрическо или магнитно поле, което е електромагнитен импулс. Скоростта на импулса може да бъде идентифицирана със скоростта на разпространение на всяка точка, например точката на максимална сила на полето.

Но средата (с изключение на вакуума) обикновено се характеризира с дисперсия, т.е. монохроматичните вълни се разпространяват с различни фазови скорости в зависимост от тяхната дължина и импулсът започва да се деформира. В този случай въпросът за скоростта на импулса става по-сложен. Ако дисперсията не е много голяма, тогава деформацията на импулса се случва бавно и можем да проследим движението на определена амплитуда на полето във вълновия импулс, например максималната амплитуда на полето. Въпреки това, скоростта на движение на импулса, наречена от Рейли групова скорост, ще се различава от фазовата скорост на която и да е от съставните му монохроматични вълни.

За опростяване на изчисленията ще мислим за импулса като съвкупност от две синусоиди с една и съща амплитуда, които са близки по честота, а не като колекция от безкраен брой близки синусоиди. С това опростяване се запазват основните характеристики на явлението. И така, нашият импулс или, както се казва, група вълни, се състои от две вълни.

където амплитудите се приемат за равни, а честотите и дължините на вълната се различават малко една от друга, т.е.

където и са малки стойности. Импулс (вълнова група) вима сума в 1 и в 2, т.е.

Въвеждайки обозначението, ние представяме нашия импулс във формата, където Ане постоянно, а се променя във времето и пространството, но се променя бавно, т.к δω и δk- малък (в сравнение с ω 0 и κ 0) стойности. Следователно, като приемем известна небрежност на речта, можем да считаме нашия импулс за синусоида с бавно променяща се амплитуда.

Така скоростта на импулса (групата), която според Рейли се нарича групова скорост, има скорост на движение амплитудии следователно, енергияносени от движещ се импулс.

И така, монохроматичната вълна се характеризира с фазова скорост υ=ω /κ , което означава скоростта на движение фаза, а импулсът се характеризира с груповата скорост u = dω/dκсъответстваща на скоростта на разпространение на енергията на полето на този импулс.

Не е трудно да се намери връзка между uи υ ... Наистина,

или, тъй като и следователно,

тези. накрая

(Формула на Релей).

Разлика между uи υ колкото по-значима, толкова по-голяма е дисперсията dυ/dλ... При липса на дисперсия ( dυ/dλ= 0) имаме u = υ... Този случай, както вече споменахме, се извършва само за вакуум.

Рейли показа, че в добре познатите методи за определяне на скоростта на светлината ние, по самата същност на техниката, не се занимаваме с непрекъснато трайна вълна, а я разбиваме на малки сегменти. Зъбното колело и другите прекъсвачи в метода на прекъсване дават отслабващо и нарастващо светлинно възбуждане, т.е. група вълни. Подобна е ситуацията и при метода на Рьомер, където светлината се прекъсва от периодични затъмнения. При метода на въртящо се огледало светлината също престава да достига до наблюдателя, когато огледалото се завърти достатъчно. Във всички тези случаи измерваме груповата скорост, а не фазовата скорост в дисперсионна среда.

Рейли вярваше, че при метода на светлинната аберация ние измерваме непосредствената фазова скорост, тъй като там светлината не се прекъсва изкуствено. Въпреки това, Ehrenfest (1910) показа, че наблюдението на аберацията на светлината по принцип е неразличимо от метода на Физо, т.е. също така дава групова скорост. Всъщност опитът с аберацията може да бъде обобщен по следния начин. Два диска с дупки са здраво закрепени върху обща ос. Светлината се изпраща по линията, свързваща тези дупки, и достига до наблюдателя. Нека приведем целия апарат в бързо въртене. Тъй като скоростта на светлината е крайна, светлината няма да премине през втория отвор. За предаване на светлина е необходимо един диск да се завърти спрямо другия под ъгъл, определен от съотношението на скоростите на дисковете и светлината. Това е типично изживяване с аберация; обаче не се различава от експеримента на Физо, при който вместо два въртящи се диска с дупки има един диск и огледало за завъртане на гредите, т.е. по същество два диска: истински и неговото отражение в неподвижно огледало. Така че методът на аберацията дава същото като метода на прекъсване, т.е. групова скорост.

По този начин, в експериментите на Майкълсън както с вода, така и с въглероден дисулфид, е измерено съотношението на груповите, а не на фазовите скорости.

Има различни методи за измерване на скоростта на светлината, включително астрономически и с помощта на различни експериментални техники. Точност на измерване снепрекъснато се увеличава. Тази таблица предоставя непълен списък с експериментална работа за определяне на скоростта на светлината.

Експериментирайте

Експериментални методи

Резултати от измерването, км/сек

Експериментална грешка,

Вебер-Колрауш

Максуел

Майкълсън

перротин

Роза и дорси

Mittelyptedt

Пийз и Пиърсън

Андерсън

Затъмнение на луната на Юпитер

Светлинна аберация

Задвижващи тела

Въртящи се огледала

Електромагнитни константи

Въртящи се огледала

Електромагнитни константи

Въртящи се огледала

Електромагнитни константи

Клетка на затвора на Kerr

Въртящи се огледала

Клетка на затвора на Kerr

Микровълнова интерферометрия

Фигурата представя графично числовите стойности на скоростта на светлината, получени през различни години (фигура Olimpusmicro.com).

Можете да проследите как точността на измерванията се е променила с напредъка в областта на науката и технологиите.

Първото успешно измерване на скоростта на светлината датира от 1676 г.

Фигурите показват репродукция на рисунка от самия Рьомер, както и схематична интерпретация.

Астрономическият метод на Рьомер се основава на измерване скоростта на светлината от земните наблюдения на затъмненията на спътниците на Юпитер... Юпитер има няколко спътника, които са или видими от Земята близо до Юпитер, или скрити в сянката му. Астрономическите наблюдения върху спътниците на Юпитер показват, че средният интервал от време между две последователни затъмнения на всеки конкретен спътник на Юпитер зависи от това колко далеч са Земята и Юпитер един от друг по време на наблюдения.На снимката: Методът на Рьомер. S - слънце, U - Юпитер, W - земя

Нека в определен момент от времето Земята Z1 и Юпитер J1 са в опозиция и в този момент един от спътниците на Юпитер, наблюдаван от Земята, изчезва в сянката на Юпитер (сателитът не е показан на фигурата ). Тогава, ако означим с R и r радиусите на орбитите на Юпитер и Земята и презc е скоростта на светлината в координатната система, свързана със Слънцето C; на Земята заминаването на спътника в сянката на Юпитер ще бъде записано в ( R- r) / s секунди по-късно, отколкото се случва в референтната рамка, свързана с Юпитер.

След 0,545 години Земята Z2 и Юпитер U2 са в съвпад. Ако в този момент имаn-то затъмнение на същия спътник на Юпитер, тогава на Земята то ще бъде записано със закъснение от ( R + r) / s секунди. Следователно, ако периодът на въртене на спътника около Юпитерt, след това интервалът от времеT1, протичащ между първия иn-то затъмнение, наблюдавано от Земята, е равно на

След още 0,545 години Земята Z3 и Юпитер J3 отново ще бъдат в опозиция. През това време (n-1) обороти на спътника около Юпитер и (n-1) затъмнения, от които първото се е случило, когато Земята и Юпитер са заели позиции Z2 и Yu2, и последното, когато са заели позиции Z3 и Yu3. Първото затъмнение е наблюдавано на Земята със закъснение ( R + r) / с, а последното със закъснение ( R- r) / c по отношение на моментите, когато спътникът напуска сянката на планетата Юпитер. Следователно в този случай имаме

Roemer измерва интервалите от време T1 и T2 и установява, че T1-T2 = 1980 s. Но от формулите, написани по-горе, следва, че T1-T2 = 4 r / c, така че c = 4 r / 1980 m / s. Приеманеr, средното разстояние от Земята до Слънцето, равно на 1 500 000 000 km, намираме за скоростта на светлината стойността 3,01 * 10 6 м/сек.

Определяне на скоростта на светлината чрез наблюдение на аберация през 1725-1728 г. Брадли предприе наблюдение, за да разбере дали има годишен паралакс на звездите, т.е. привидно изместване на звездите в небосвода, отразяващо орбиталното движение на Земята и свързано с крайността на разстоянието от Земята до звездата.

Брадли откри подобно пристрастие. Той обясни наблюдаваното явление, което нарече светлинна аберация, крайната стойност на скоростта на разпространение на светлината и я използва за определяне на тази скорост.

Познаване на ъгъла α и скоростта на земната орбита v, може да се определи скоростта на светлината c.

Той получи стойността на скоростта на светлината, равна на 308 000 km / s.

Важно е да се отбележи, че аберацията на светлината е свързана с промяна в посоката на скоростта на Земята в течение на една година. Постоянна скорост, колкото и голяма да е тя, не може да бъде открита с помощта на аберация, тъй като при такова движение посоката към звездата остава непроменена и няма как да се прецени наличието на тази скорост и какъв ъгъл прави тя. с посоката към звездата. Аберацията на светлината ни позволява да съдим само за промяната в скоростта на Земята.

През 1849 г. А. Физо е първият, който определя скоростта на светлината в лабораторни условия. Неговият метод се нарича метод на зъбно колело.Характерна особеност на неговия метод е автоматичното регистриране на моментите на стартиране и връщане на сигнала, осъществявано чрез редовно прекъсване на светлинния поток (зъбно колело).

Фиг.3. Схема на експеримента за определяне на скоростта на светлината по метода на зъбното колело.

Знаейки разстоянието D, броя на зъбите z, ъглова скорост на въртене (брой обороти в секунда)v, скоростта на светлината може да се определи. Той го получи равен на 313 000 km / s.

Разработени са много методи за допълнително подобряване на точността на измерванията. Скоро дори стана необходимо да се вземе предвид коефициентът на пречупване във въздуха. И скоро през 1958 г. Фрум получава стойността на скоростта на светлината, равна на 299792,5 km / s, използвайки микровълнов интерферометър и електрооптичен затвор (клетка на Кер).