Измерение скорости света


Каждый кто не прогуливал уроки физики в школе, знает, что свет распространяется с конечной скоростью, которая равна чуть меньше, чем 300 000 км/с. Однако знали это люди не всегда. В этой статье мы расскажем о том, как люди смогли понять, что свет распространяется не мгновенно и как смогли точно измерить эту скорость.

Как измерять скорость света?

Учёные древнего мира и средних веков считали, что свет распространяется мгновенно. Аристотель, бывший для средневековых учёных непререкаемым авторитетом считал, что скорость света бесконечно велика. Ему вторили его многочисленные последователи. Первым учёным, который решил проверить так ли это на самом деле был Галилео Галилей.

Эксперимент Галилея

В 1600-м году он поставил опыт, при котором два человека стоя на удалённых друг от друга возвышенностях будут поочерёдно светить друг другу фонарями со специальными заслонками. На основании этого опыта Галилей пришел к выводу, что скорость света либо бесконечна, либо очень высока и не поддается измерению с помощью приборов того времени.

Галилео Галилей

Еще долгое время учёные никак не могли подступиться к проблеме измерения скорости света. Некоторые учёные считали скорость света бесконечной (Иоганн Кеплер, Рене Декарт, Пеьер де Ферма), некоторые — конечной, но слишком большой для измерения экспериментально (Роберт Бойль, Роберт Гук).

Который час?

Открытие конечности скорости света было сделано во многом случайно, как побочный результат решения совсем другой задачи. В эпоху великих географических открытий для успешной навигации в океане для моряков крайне важно было уметь определять географические координаты корабля и если с определением широты особых проблем не было: широта довольно точно определялась по положению полярной звезды над горизонтом, то с долготой вышла заминка.


Корабли 17-го века

Для определения долготы необходимо знать местное время и сравнить его со временем на нулевом меридиане и с этим были проблемы. Сейчас не составляет труда взять с собой часы, время которых совпадает с Гринвичем, но в те времена это было затруднительно. Маятниковые часы на корабле из-за качки мгновенно приходили в негодность и выходя в море моряки теряли возможность сравнивать своё время с Гринвичем.

Как была впервые измерена скорость света?

Проблема была настолько актуальна, что британский парламент учредил небывалый по тем временам приз в 20 000 фунтов стерлингов. С учётом инфляции сейчас эта сумма составила бы около полутора миллионов фунтов стерлингов.


Источник: zen.yandex.ru



Закон прямолинейного распространения света.

Свет в однородной среде распространяется прямолинейно.

Луч – часть прямой, указывающей направление распространения света. Понятие луча ввел Евклид (геометрическая или лучевая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света, основанные на понятии луча, без учета природы света).

Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени.

При малых размерах источника (источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь) получается только тень (область пространства, в которую свет не попадает).

При больших размерах источника света (или, если источник находится близко к предмету) создаются нерезкие тени (тень и полутень).

В астрономии – объяснение затмений.


Свет в однородной среде распространяется прямолинейно

Световые пучки распространяются независимо друг от друга. Например, проходя один через другой, они не влияют на взаимное распространение.

Световые пучки обратимы, т.е., если поменять местами источник света и изображение, полученное с помощью оптической системы, то ход лучей от этого не изменится.

Световые пучки распространяются независимо друг от друга

Скорость света и методы ее измерения.

Первые предложения выдвинуты Галилеем: фонарь и зеркало устанавливаются на вершинах двух гор; зная расстояние между горами и, измеряя время распространения, можно рассчитать скорость света.

 

Астрономический метод измерения скорости света

Впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру (на расстояние L1), промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние L2, спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин. позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние Δ ll 2 – l 1.

Скорость света

Астрономический метод измерения скорости света

Лабораторный метод измерения скорости света

Метод Физо (1849). Свет падает на полупрозрачную пластину и отражается, проходя через вращающееся зубчатое колесо. Пучок, отраженный от зеркала, может попасть к наблюдателю, только пройдя между зубьями. Если знать скорость вращения зубчатого колеса, расстояние между зубьями и расстояние между колесом и зеркалом, то можно рассчитать скорость света.

Метод Фуко – вместо зубчатого колеса вращающаяся зеркальная восьмигранная призма.

 

с=313 000 км/с. 

Лабораторный метод измерения скорости света

В настоящее время вместо механических делителей светового потока применяются оптоэлектронные (ячейка Керра – кристалл, оптическая прозрачность которого меняется в зависимости от величины электрического напряжения).

 

Можно измерить частоту колебаний волны и независимо – длину волны (особенно удобно в радиодиапазоне), а затем рассчитать скорость света по формуле .

 

По современным данным, в вакууме с=(299792456,2 ± 0,8) м/с.

 


Источник: www.eduspb.com

Опыт Галилео

Галилео Галилей провел эксперимент, который можно охарактеризовать фразой «все гениальное — просто». Чтобы измерить скорость света, ученый использовал самые обычные предметы. Галилей и его помощник зажгли фонари и забрались на холмы, которые находились друг от друга на большом расстоянии. Один из них открывал заслонку светильника, другой должен был проделать то же самое, когда увидит свет. Зная расстояние и время (задержку перед тем, как помощник откроет фонарь) Галилей рассчитывал вычислить скорость света. Но чтобы этот эксперимент увенчался успехом, его участникам следовало бы выбрать холмы на гораздо большем расстоянии друг от друга (несколько миллионов километров).

Галилео Галилей. Источник: pinterest.ru

Эксперименты Рёмера и Брэдли

В 17 веке астроном из Дании Олаф Рёмер провел удачный опыт по определению скорости света, результаты которого были очень точны. При наблюдении за планетами  ученый обнаружил, что по мере отдаления Земли от Юпитера меняется время затмения его спутника Ио. Максимальное время запаздывания составляло 22 минуты. Рёмер заметил, что наши планеты удаляются друг от друга на расстояние земной орбиты. Ученый разделил примерное значение диаметра на время запаздывания. В результате получилось 214 000 км/с. Бесспорно, это очень грубый подсчет, ведь расстояние между двумя планетами точно не известно. Но полученные Рёмером результаты оказались очень близки к истине.


К измерению скорости света Рёмером. Источник: pinterest.com

Спустя 100 лет Джеймс Брэдли попробовал оценить скорость света, наблюдая абберацию звезд. Это значит — изменение видимого положения звезды, вызванное движением земли по орбите. В своих расчетах Брэдли использовал скорость Земли и угол абберации и получил значение, равное 301 000 км/с.

Эксперимент Физо

Опыты Рёмера и Брэдли другие ученые восприняли с недоверием. Но результат, полученный последним, использовали в научном мире до 1849 года. До тех пор, пока ученый Арман Физо не попробовал в своих расчетах метод вращающегося затвора. Исследования приводились в лаборатории, без наблюдения за небесными телами. Ниже представлена схема его установки.

Установка Физо. Источник: pinterest.ru

Свет отражался от зеркала, проходил через зубья и отражался от еще одного зеркала, которое находилось на расстоянии 8,6 километров. Скорость колеса увеличивали до того момента, пока свет не становился виден в следующем зазоре. В результате исследования Физо получил результат — 313 000 км/с. Еще через год опыт повторил Леонор Фуко. Итог эксперимента отличался и составил 298 000 км/с.

Наука не стоит на месте, и современным ученым доступны лазеры и мазеры. Они дают возможность измерить скорость света косвенно, без прямых измерений. 


А можно точнее: какова все же скорость света?

Со времен античности человечество накопило огромный опыт по измерению скорости света. На данный момент научное сообщество считает наиболее точным значение, равное 299 792 458 метров в секунду. Этот результат был получен в 1983 году. Интересно, что более точному измерению мешает погрешность в измерении метра. Сейчас значение привязано к скорости света и равняется расстоянию, которое свет проходит за 1 / 299 792 458 секунды.

Надеемся, что теперь вы с легкостью справитесь с физическими задачами по этой теме. Если же вы понимаете, что без сторонней помощи не обойтись, авторы ФениксХелп к вашим услугам. Помогут, расскажут, объяснят, проконсультируют.

Источник: blog.fenix.help


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.