Как рассчитали скорость света


измерение скорости света

Действительно, как? Как измерить самую высокую скорость во Вселенной в наших скромных, Земных условиях? Нам уже не нужно ломать над этим голову – ведь за несколько веков столько людей трудилось над этим вопросом, разрабатывая методы измерения скорости света. Начнем рассказ по порядку.

Скорость света – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме. Она обозначается латинской буквой c. Скорость света равняется приблизительно 300 000 000 м/с.

Сначала над вопросом измерения скорости света вообще никто не задумывался. Есть свет – вот и отлично. Затем, в эпоху античности, среди ученых философов господствовало мнение о том, что скорость света бесконечна, то есть мгновенна.  Потом было Средневековье с инквизицией, когда главным вопросом мыслящих и прогрессивных людей был вопрос «Как бы не попасть в костер?» И только в эпохи Возрождения и Просвещения мнения ученых расплодились и, конечно же, разделились.

 


8 минут - время, за которое свет проходит расстояние от Солнца до Земли
8 минут — время, за которое свет проходит расстояние от Солнца до Земли

 

Так, Декарт, Кеплер и Ферма были того же мнения, что и ученые античности. А вот Галилео Галилей считал, что скорость света конечна, хоть и очень велика. Собственно, он и произвел первое измерение скорости света. Точнее, предпринял первую попытку по ее измерению.

Опыт Галилея

Опыт Галилео Галилея был гениален в своей простоте. Ученый проводил эксперимент по измерению скорости света, вооружившись простыми подручными средствами. На большом и известном расстоянии друг от друга, на разных холмах, Галилей и его помощник стояли с зажженными фонарями. Один из них открывал заслонку на фонаре, а второй должен был проделать то же самое, когда увидит свет первого фонаря. Зная расстояние и время (задержку перед тем, как помощник откроет фонарь) Галилей рассчитывал вычислить скорость света. К сожалению, для того, чтобы этот эксперимент увенчался успехом, Галилею и его помощнику нужно было выбрать холмы, которые находятся на расстоянии в несколько миллионов километров друг от друга. Хотелось бы напомнить, что вы можете заказать эссе, оформив заявку на сайте.

 

Галилео Галилей
Галилео Галилей

 

Опыты Рёмера и Брэдли


Первым удачным и на удивление точным опытом по определению скорости света был опыт датского астронома Олафа Рёмера. Рёмер применил астрономический метод измерения скорости света. В 1676 он наблюдал в телескоп за спутником Юпитера Ио, и обнаружил, что время наступления затмения спутника меняется по мере отдаления Земли от Юпитера. Максимальное время запаздывания составило 22 минуты. Посчитав, что Земля удаляется от Юпитера на расстояние диаметра земной орбиты, Рёмер разделил примерное значение диаметра на время запаздывания, и получил значение 214000 километров в секунду. Конечно, такой подсчет был очень груб, расстояния между планетами были известны лишь примерно, но результат оказался относительно недалек от истины.

 

К измерению скорости света Рёмером
К измерению скорости света Рёмером

 

Опыт Брэдли. В 1728 году Джеймс Брэдли оценил скорость света наблюдая абберацию звезд. Абберация – это изменение видимого положения звезды, вызванное движением земли по орбите. Зная скорость движения Земли и измерив угол абберации, Брэдли получил значение в 301000 километров в секунду.

Опыт Физо


К результату опыта Рёмера и Брэдли тогдашний ученый мир отнесся с недоверием. Тем не менее, результат Брэдли был самым точным на протяжении сотни с лишним лет, аж до 1849 года. В тот год французский ученый Арман Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора, без наблюдений за небесными телами, а здесь, на Земле. По сути, это был первый после Галилея лабораторный метод измерения скорости света. Приведем ниже схему его лабораторной установки.

 

Установка Физо
Установка Физо

 

Свет, отражаясь от зеркала, проходил через зубья колеса и отражался от еще одного зеркала, удаленного на 8,6 километров. Скорость колеса увеличивали до того момента, пока свет не становился виден в следующем зазоре. Расчеты Физо дали результат в 313000 километров в секунду. Спустя год подобный эксперимент с вращающимся зеркалом быо проведен Леоном Фуко, получившим результат 298000 километров в секунду.

С появлением мазеров и лазеров у людей появились новые возможности и способы для измерение скорости света, а развитие теории позволило также рассчитывать скорость света косвенно, без проведения прямых измерений.

 

Арман Ипполит Луи Физо
Арман Ипполит Луи Физо

 

Самое точное значение скорости света


Человечество накопило огромный опыт по измерению скорости света. На сегодняшний день самым точным значением скорости света принято считать значение 299 792 458 метров в секунду, полученное в 1983 году. Интересно, что дальнейшее, более точное измерение скорости света, оказалось невозможным из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас значение метра привязано к скорости света и равняется расстоянию, которое свет проходит за 1 / 299 792 458 секунды.

Напоследок, как всегда, предлагаем посмотреть познавательное видео. Друзья, даже если перед Вами стоит такая задача, как самостоятельное измерение скорости света подручными средствами, Вы можете смело обратиться за помощью к нашим авторам. Заказать контрольную работу онлайн вы можете оформив заявку на сайте Заочника. Желаем Вам приятной и легкой учебы!

Источник: Zaochnik.ru

Что такое скорость света?

Давайте для начала разберемся, что такое скорость света. По-научному, это такая величина, которая показывает, насколько быстро перемещаются лучи в вакууме или в воздухе. Также нужно знать, что такое свет. Это излучение, которое воспринимается человеческим глазом. От условий окружения зависит быстрота, а также другие свойства, например, преломление.


Свет от Луны до Земли
Свет от Луны до Земли

Что такое скорость света своими словами?

Если объяснять простыми словами, скорость света — это временной промежуток, за который световой луч проходит какое-нибудь расстояние. Время принято измерять в секундах. Однако некоторые ученые используют другие единицы измерения. Расстояние тоже измеряется по-разному. В основном — это метр. То есть, эту величину считают в м/с. Физика объясняет это следующим образом: явление, которое движется с определенной скоростью (константой).

Чтобы легче понять, давайте рассмотрим следующий пример. Велосипедист движется с быстротой 20 км/ч. Хочет догнать водителя автомобиля, скорость которого равна 25 км/ч. Если посчитать, то авто едет на 5 км/час быстрее велосипедиста. С лучами света дела обстоят по-другому. Как быстро бы ни двигался первый и второй человек, свет, относительно них, движется с постоянной быстротой.

Чему равна скорость света?


При нахождении не в вакууме, на свет влияют различные условия. Вещество, через которое проходят лучи, в том числе. Если без доступа кислорода количество метров в секунду не меняется, то в среде с доступом воздуха значение изменяется.

Свет проходит медленнее через различные материалы, такие как стекло, вода и воздух. Этому явлению дан показатель преломления, чтобы описать, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, это означает, что свет проходит через него со скоростью около 200 тысяч километров в секунду. Показатель преломления воды равен 1,3, а показатель преломления воздуха — немного больше 1, это означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.

Следовательно, после прохождения через воздух или жидкость, скорость замедляется, становится меньшей, чем в вакууме. Например, в различных водоемах скорость передвижения лучей равна 0.75 от быстроты в космосе. Также при стандартном давлении в 1.01 бар, показатель замедляется на 1.5-2%. То есть при земных условиях скорость света варьируется в зависимости от условий окружающей среды.

Для такого явление придумали специальное понятие — рефракция. То есть преломление света. Это широко используется в различных изобретениях. К примеру, рефрактор — телескоп с оптической системой. Также с помощью этого также создают бинокли и другую технику, суть работы которой заключается в использовании оптики.


Телескоп рефрактор - схема
Телескоп рефрактор – схема

В общем, меньше всего луч поддается рефракции, проходя через обычный воздух. При прохождении через специально созданное оптическое стекло, скорость равняется примерно 195 тысячам километров в секунду. Это практически на 105 тыс км/сек меньше константы.

Самое точное значение скорости света

Ученые-физики за многие года накопили опыт исследований скорости световых лучей. На текущий момент самое точное значение скорости света — 299 792 километра в секунду. Константу установили в 1933 году. Число актуально до сих пор.

Однако в дальнейшем появились сложности с определением показателя. Это произошло из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас само значение метра напрямую зависит от скорости света. Оно равняется расстоянию, которое лучи проходят за определенное количество секунд — 1/скорость света.

Чему равна скорость света в вакууме?

Поскольку в вакууме на свет не влияют различные условия, то его скорость не меняется так, как на Земле. Скорость света в вакууме равна 299 792 километрам в секунду. Такой показатель является предельным. Считается, что ничто в мире не может двигаться быстрее, даже космические тела, которые движутся довольно быстро.

К примеру, истребитель, Боинг Х-43, который превышает скорость звука практически в 10 раз (более 11 тысяч км/ч), летит медленнее, чем луч. Последний движется более, чем на 96 тысяч километров в час быстрее.

Как измеряли скорость света?


Самые первые ученые пытались измерить эту величину. Использовались разные методы. В период античности, люди науки считали, что она бесконечная, поэтому невозможно ее измерить. Это мнение осталось надолго, вплоть до 16-17 века. В те времена появились другие ученые, которые предположили, что луч имеет конец, а скорость можно измерить.

Измерение скорости света
Измерение скорости света

Известный астроном из Дании Олаф Рёмер вывел знания о скорости света на новый уровень. Он заметил, что затмение спутника Юпитера опаздывает. Ранее на это никто не обращал внимание. Следовательно, он решил посчитать скорость.

Он выдвинул приблизительную скорость, которая была равна около 220 тысячам километров в секунду. Позже за исследования взялся ученый из Англии Джеймс Брэдли. Он хоть и не был прав полностью, но слегка приблизился к текущим результатам исследований.


Через некоторое время большинство ученых заинтересовались этой величиной. В исследованиях принимали участие люди науки из разных стран. Однако до 70-х годов 20 века каких либо грандиозных открытий не было. С 1970-х, когда придумали лазеры и мазеры (квантовые генераторы), ученые провели исследования и получили точную скорость. Текущее значение актуально с 1983 года. Исправляли лишь небольшие погрешности.

Опыт Галилея

Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.

Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.

Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.


Как измеряли скорость света?
Как измеряли скорость света?

Опыт Рёмера и Брэдли

Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.

Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.

Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.

В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.

Опыт Физо

Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.

Опыт Физо
Опыт Физо

Принцип опыта прост. Луч света был направлен на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8.6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.

Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.

Возможна ли сверхсветовая скорость?

Существуют объекты быстрее скорости света. Например, солнечные зайчики, тень, колебания волн. Хотя теоретически они могут развить сверхсветовую скорость, энергия, которую они выделяют не будет совпадать с вектором их движения.

Если световой луч проходит, к примеру, через стекло или воду, то его могут обогнать электроны. Они не ограничены в скорости передвижения. Следовательно, в таких условиях свет не движется быстрее всех.

Этот феномен назван эффектом Вавилова — Черенкова. Чаще всего встречается в глубоких водоемах и реакторах.

Источник: kipmu.ru

Сейчас скорость света в вакууме c не измеряют. В стандартных единицах она представлена точным неизменным числом. С 1983 г. по международному соглашению метр был определен как длина пути, которую свет проходит в вакууме за время в 1/299 792 458 секунды. Из-за этого скорость света получается равной в точности 299 792,458 км/сек. Поскольку дюйм определен как 2,54 сантиметра, то и в неметрических единицах у нее тоже точное значение. Определить единицы длины таким образом имело смысл только потому, что скорость света в вакууме постоянна; а вот для подтверждения этого факта опыты все еще нужны (см. вопрос «Постоянна ли скорость света? «). Кроме того, опыты все еще нужны для измерения скорости света в средах, вроде воздуха и воды.

До семнадцатого века думали, что свет распространяется мгновенно. Это подтверждалось тем, что когда земная тень двигалась по луне во время лунного затмения, не наблюдалось никакой задержки в ее положении, как должно было быть, если бы c была конечной. Сейчас мы знаем, что свет просто движется слишком быстро, чтобы эту задержку заметить. В том, что скорость света бесконечна, сомневался еще Галилео Галилей. Он описал опыт по измерению скорости, в котором надо было открывать и закрывать свет маяка и наблюдать за этим с расстояния в несколько миль. Мы не знаем, попробовал ли Галилей осуществить свой опыт, но опять-таки, c слишком велика чтобы сработал и его способ.

Первое удачное измерение c провел в 1676 г. Оле Кристенсен Рёмер. Он заметил, что время между затмениями спутников Юпитера меньше когда Земля движется к Юпитеру, чем когда она движется от него. Он правильно подумал, что это происходит от того, что при изменении расстояния от Юпитера до Земли, меняется и время, которое нужно свету, чтобы его пройти. У него получилось значение в 214 000 км/сек что оказалось неточным из-за того, что в то время не были точно известны расстояния между планетами.

В 1728 г. Джеймс Бредли провел еще один опыт, наблюдая за аберрацией звезд: кажущимся смещением звезд, происходящим из-за вращения Земли вокруг Солнца. Он наблюдал звезду в Драконе и увидел, что ее положение меняется в течение года. Таким образом меняются положения всех звезд, что отличает это явление от другого — звездного параллакса, которое сказывается на близких зведах в большей степени. Чтобы представить себе, что такое звездная аберрация, можно представить себе как движение влияет на угол падения дождя. Если встать неподвижно под дождь, и если не будет ветра, то капли будут падать вертикально прямо на голову. Если же побежать, то окажется, что теперь капли летят в лицо. Бредли измерил этот угол для звездного света. Зная скорость движения Земли вокруг Солнца, он получил скорость света в 301 000 км/с.

В этой таблице приведены некоторые наилучшие измерения (по Фруму и Эссену) .

Год Автор Способ Результат (км/с) Погрешность
1676 Рёмер Спутники Юпитера 214 000
1726 Бредли Звездная аберрация 301 000
1849 Физо Шестерня 315 000
1862 Фуко Вращающееся зеркало 298 000 500
1879 Михельсон Вращающееся зеркало 299 910 50
1907 Роза, Дорси Электромагнитные постоянные 299 788 30
1926 Михельсон Вращающееся зеркало 299 796 4
1947 Эссен, Горден-Смит Кавитационный резонатор 299 792 3
1958 Фрум Радио-интерферометр 299 792,5 0,1
1983 Принятое значение 299 792,458 0

Источник: otvet.mail.ru

Географические координаты — это две числовые величины — широта и долгота. С широтой все относительно просто: надо измерить высоту над горизонтом какого-то известного нам светила. В Северном полушарии это, скорее всего, будет Полярная звезда, в Южном — одна из звезд Южного Креста. Днем широту можно определить по Солнцу, но погрешность при этом существенно больше — светило имеет довольно большой размер, за ним сложно следить из-за яркости, а границы его видимого диска размываются под действием земной атмосферы. Тем не менее, это относительно несложная задача.

Который час

С долготой гораздо заковыристее. Земля вращается вокруг своей оси, и узнать, где мы находимся, можно, зная точное время в этой точке и время в каком-то месте, долгота которого нам известна. В литературе обычно пишут «нулевой меридиан», это, в общем-то, правильно, поскольку речь идет о том же самом. Если с местным временем все достаточно просто, то с нулевым меридианом гораздо сложнее.

Часов, способных показывать точное время того места, откуда их увезли, в эпоху Великих географических открытий еще не было. Тогда высокоточной техникой считался часовой механизм, оснащенный минутной стрелкой. Первые хронометры, пригодные для определения долготы, появились в середине XVIII века, а до этого мореплавателям приходилось обходиться без них.

Географическая долгота

Самым старым теоретически проработанным способом был метод лунных расстояний, предложенный немецким математиком Иоганном Вернером в 1514 году. Он основывался на том, что Луна довольно быстро движется по ночному небосводу и, измеряя при помощи специального прибора — поперечного жезла — ее смещение относительно каких-то известных звезд, можно установить время. Практическая реализация метода Вернера оказалась очень сложной, и в навигации он заметной роли так и не сыграл.

В 1610 году Галилео Галилей открыл четыре наиболее крупных спутника Юпитера. Это было важным научным событием — в пределах возможностей тогдашней наблюдательной астрономии отыскалось еще одно, помимо Земли, небесное тело, вокруг которого вращались собственные спутники. Но самым важным для современников было то, что движение этих спутников можно было одновременно и одинаково наблюдать из всех точек Земли, где в этот момент виден Юпитер.

Галилео Галилей Галилео Галилей

Уже в 1612 году Галилей предложил определять точное время, а значит — и долготу, по движению Ио, одного из четырех спутников Юпитера. Он имеет много замечательных особенностей, о которых Галилей, конечно, не знал, но, самое главное, — его относительно несложно наблюдать. Выясняя, когда он вошел в тень планеты, можно было точно установить время. Но первые же попытки составить таблицы затмений Ио (и других галилеевых спутников) выявили, что это время непостижимым для науки той эпохи образом смещалось. Причины оставались непонятными три четверти века.

Сын купца

Оле Рёмер (Ole Christensen Rømer) родился в семье датского купца в 1644 году. Сведения о его молодости отрывочны — он не был родовит, а персональная известность к нему придет существенно позже. Известно, что он окончил Копенгагенский университет, и, видимо, был заметен интеллектом. В 1671 Рёмер переехал в Париж, стал сотрудником Кассини и очень скоро был избран в Академию наук — тогда это собрание ученых людей было менее элитарным, чем впоследствии.

Оле Рёмер Оле Рёмер

Под конец века он вернулся в Данию, продолжал быть практикующим астрономом и умер там в 1710 году. Но это все будет потом.

Она конечна!

А в 1676 году он предложил незамысловатые, по нынешним временам, вычисления, обессмертившие его имя. Суть дела проста. Юпитер находится от Солнца примерно впятеро дальше, чем Земля. Один оборот вокруг Солнца он совершает примерно за 12 земных лет (мы округляем цифры для простоты). Это значит, что за полгода с небольшим расстояние от Юпитера до Земли изменится примерно на треть. И это более-менее соответствует наблюдаемой разнице времен затмений галилеевых спутников.

Ио Ио в наши дни

Нам сейчас очень несложно понять логику этого рассуждения, но в XVII веке было принято думать, что скорость света бесконечна. А Рёмер предположил, что это не так. По его расчетам, скорость света была равна примерно 220 тысячам километров в секунду, что на четверть ниже значения, установленного в наши дни. Но для XVII века это было, по меньшей мере, неплохо.

Потом выяснится, что все не так просто, и через два века Лаплас учтет гравитационное влияние спутников друг на друга, но это уже совсем другая история.

Существенной роли в географических открытиях идея Рёмера не сыграла. Наблюдать спутники Юпитера в телескоп, установленный на борту корабля, было, из-за качки, практически невозможно. А в середине XVIII века были разработаны первые хронометры, пригодные для определения долготы.

Источник: www.PopMech.ru


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.