Методы определения скорости света

Методы определения скорости света

Методы определения скорости света

Замечание 1

В настоящее время считают, что скорость света в вакууме равна:

$c=299792458 (1,2)$ м/c.

Далее мы учтём, что:

  1. Любой метод измерения скорости света связан с испусканием и регистрацией сигнала света, то есть использованием не монохроматической, а модулированной волны, которая является группой волн.
  2. Это означает, что во всех рассмотренных далее экспериментах на самом деле измеряется групповая скорость света.
  3. Фазовая и групповая скорости равны только если отсутствует дисперсия волн в веществе.
  4. Для волны света выше названные условия строго выполняются исключительно в вакууме.

Эксперименты О. Ремера

Первым скорость света в вакууме измерил О. Ремер в 1676 году. Он проводил наблюдение затмения Ио (спутника Юпитера). Обозначим $T_0$ период обращения Ио вокруг Юпитера

Замечание 2

Если наблюдать последовательные затмения Ио с нашей планеты, то временные промежутки между двумя затмениями ($T_i$) зависят от положения Земли относительно Юпитера. Тогда, когда Земля максимально приближена к Юпитеру $T_0=T_i$.

При удалении Земли от Юпитера период $T_i$ сначала увеличивается, потом убывает до $T_0$, когда Земля занимает положение максимального удаления от Юпитера. Данное явление Ремер объяснял тем, что скорость распространения света ($c$) является конечной.

За период времени, равный времени двух последовательных затмений Ио, Земля проходит некоторой расстояние, удаляясь от Юпитера. Для того чтобы пройти свету это дополнительное расстояние необходимо дополнительное время, которое можно найти как:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

$\Delta T_i=T_i-T_0$ (1).

Рисунок 1. Метод Ремера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Величины $\Delta T_i$ составляют не более 15 с. В XVII веке, когда жил Ремер, измерять такие малые времена с достаточной точностью еще не умели. Но во время перемещения Земли из точки 1 в точку 2 (рис.1) кажущиеся запаздывания некоторого количества ($N$) затмений спутника Ио , «запаздывание» $N$ — го затмения составит существенное время:

$\Delta T=\sum\limits_{i=1}N {\left( T_{i}-T_{0} \right)\left( 2 \right).} $

В этом случае увеличения расстояния от Земли до Юпитера будет равно диаметру орбиты Земли ($d=2,99 \bullet 10{11}$) м. Скорость света найдем как:

$c=d/ \Delta T$.

В соответствии со своими измерениями Ремер получил, что скорость света составляет$ c=2,15∙(10)8$ м/c.

По современным данным получают, что $ \Delta T=16,5$ мин, тогда $c≈3∙(10)8$ м/c.

Астрономический метод Д. Брэдли

Д. Брэдли свой астрономический метод измерения скорости света предложил в 1727 году. Он рассматривал траектории движения звезд и сделал вывод о том, что в течении года они движутся по эллиптическим орбитам. Углы, под которыми видны большие полуоси данных эллипсов всех звезд с нашей планеты, составляют ∝=20,5″.

Эксцентриситет ($e$) любого эллипса связан с углом ( $\varphi$), между направлением из центра Земли на рассматриваемую звезду и плоскостью орбиты нашей планеты. При изменении $\varphi $ от $\frac{\pi }{2}$ до 0 эксцентриситет увеличивается от 0 (орбита — круг), до 1 (отрезок прямой, соответствующий большой оси «эллипса»).

Данное явление изменения эксцентриситета называют годичной аберрацией света.

Определение 1

Аберрационным смещением звезды называют видимое изменение направления луча света от данного небесного тела, которое объясняется конечной скоростью света и положением наблюдателя.

Явление аберрации применяют для нахождения значения скорости света.

Рассмотрим влияние обращения Земли вокруг Солнца за один год, на наблюдение звезды для которой $\varphi =\frac{\pi }{2}$ . В нашем случае истинное направление ($AB$) на звезду (рис.2) всегда нормально к вектору скорости движения нашей планеты по ее орбите.

Но при направлении оси телескопа по прямой $AB$, изображение звезды станет смещено в приборе относительно центра $A$ (его поля зрения). Пусть $\Delta t$ — время, за которое свет проходит расстояние $L$ внутри телескопа.

За это время телескоп и Земля перемещаются в направлении вектора скорости планеты на расстояние:

$\Delta y=v\Delta t=\frac{v}{c}L\, \left( 3 \right)$.

Для того чтобы получить изображение звезды в точке $A$ ось телескопа следует отклонить от вертикали $AB$ в сторону перемещения Земли на угол $\propto$, который подчиняется условию:

$tg\, \left( \propto \right)=\frac{\Delta y}{L}=\frac{v}{c}\left( 4 \right)$.

Наблюдателю станет казаться, что рассматриваемая им звезда находится на продолжении оси телескопа (линия $AB’$) (рис.2).

Рисунок 2. Астрономический метод Д. Брэдли. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

При перемещении Земли по своей орбите вектор $\vec v$ и линия $AB’$ будет медленно вращаться вокруг оси $AB$. За один год $\vec v$ совершает поворот на 360°, при этом линия $AB’$ описывает коническую поверхность с осью вращения $AB$.

Движение кажущейся линии наблюдения — это причина аберрации света, так как воспринимается исследователем как результат движения звезды по орбите. Угловой размер радиуса данной орбиты нам известен (∝=20,5″).

С другой стороны, должно выполняться соотношение (4), отсюда скорость света равна:

$c=\frac{v}{tg\, \propto }\approx 3\bullet {10}{8}\, \left( \frac{м}{с}\right)$ ,

где $v$=29800 м/c – скорость движения Земли по своей орбите.

Опыты по установлению скорости света в условиях Земли

Наиболее известные методы измерения скорости света в условиях нашей планеты:

  • А. Физо;
  • Л. Фуко;
  • А. Майкельсона.

Для определения скорости света в условиях Земли, требуется с большой точностью проводить измерения маленьких промежутков времени, необходимых свету для прохождения относительно небольших расстояний.

Первым такие измерения провел А. Физо в 1849 году. Он сконструировал установку, в которой основным элементом служило зубчатое колесо. Это колесо было способно вращаться около некоторой оси.

Если колесо было неподвижно, то свет от точечного источника проходил сквозь линзу, отражался от полупрозрачного плоского зеркала и проходил между зубцами колеса. После этого система линз направляет свет на плоское зеркало. Отразившись от этого зеркала, свет снова направляется на колесо.

На обратном пути свет проходит вновь между зубцами колеса, полупрозрачное зеркало попадает в окуляр и затем глаз наблюдателя. При следовании света от колеса и обратно он тратит время:

$\Delta t=\frac{2l}{c}\left( 5 \right)$.

где $l$ — расстояние от колеса до непрозрачного зеркала.

Если колесо вращать, то можно задать ему такую скорость вращения $(\omega_{0})$, при которой за время ∆t оно будет поворачиваться на одну вторую зубца, тогда на пути света, который отразится от непрозрачного зеркала, окажется непрозрачная часть зубца:

$\omega_{0}=\frac{2\pi }{2Z\Delta t}=\frac{\pi c}{2Zt}\left( 6 \right)$.

где $Z$ — количество зубцов на ободе колеса. Так, зная, $Z$, $l$, измеряя экспериментально угловую скорость $\omega_{0}$, находят скорость света.

В 1850 году Л. Фуко использовал метод вращающегося зеркала для измерения скорости света в воздухе. Ученый показал, что скорость света в воде меньше, чем скорость света в вакууме, что соответствует волновой теории.

Опыт Майкельсона – это комбинация методов Физо и Фуко. Исследователь использовал вращающуюся восьмигранную зеркальную призму в своих экспериментах по определению скорости света.

Одним из самых точных методов измерения скорости света является эксперимент, в котором в роли высокочастотного модулятора интенсивности света применяется ячейка Керра. При этом устройство регистрирующее свет – это специальный фотоэлемент.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/metody_opredeleniya_skorosti_sveta/

Как измеряли скорость света?

Методы определения 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

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

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

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

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

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: https://Zaochnik-com.ru/blog/kak-izmeryali-skorost-sveta/

3.Способы определения скорости света

Методы определения скорости света

Существуетнесколько способов определения скоростисвета:

  1. Астрономический

  2. Лабораторные метод.

1)Впервые скорость света измерил датскийученый Ремер в 1676г используя астрономическийметод. Он засекал время которое самыйбольшой из спутников Юпитера Ио находилсяв тени этой огромной планеты.

Ремерпровел измерения в момент, когда нашапланета была ближе всего к Юпитеру, и вмомент, когда мы находились немного поастрономическим понятиям дальше отЮпитера. В первом случае промежутокмежду вспышками составил 48 часов 28минут.

Во втором случае спутник опоздална 22 минуты. Из этого был сделан вывод,что свету необходимо 22 минуты, чтобыпройти расстояние от места предыдущегонаблюдения до места настоящего наблюдения.

Так была доказана теория о конечнойскорости света, и была примерно подсчитанаего скорость она примерно составляла299800 км/с.

2)Лабораторный метод позволяет определитьскорость света на небольшом расстояниии большой точностью. Первые лабораторныеопыты провёл Фуко, а затем и Физо.

Ученыеи их эксперименты

Впервыескорость света определил в 1676 году О.К. Рёмер по изменению промежутков временимежду затмениями спутников Юпитера. В1728 году её установил Дж. Брадлей, исходяиз своих наблюдений аберрации светазвезд. В 1849 году А. И.

Л. Физо первымизмерил скорость света по временипрохождения светом точно известногорасстояния (базы), так как показательпреломления воздуха очень мало отличаетсяот 1, то наземные измерения дают величинувесьма близкую к скорости.

ОпытФизо

ОпытФизо— опыт по определению скорости светав движущихся средах (телах), осуществлённыйв 1851 Луи Физо. Опыт демонстрирует эффектрелятивистского сложения скоростей. Сименем Физо связан также первыйэксперимент по лабораторному определениюскорости света.

Вопыте Физо пучок света от источникасвета S, отраженный полупрозрачнымзеркалом 3, периодически прерывалсявращающимся зубчатым диском 2, проходилбазу 4-1 (около 8 км) и, отразившись отзеркала 1, возвращался к диску.

Попадаяна зубец, свет не достигал наблюдателя,а попавший в промежуток между зубцамисвет можно было наблюдать через окуляр4. По известным скоростям вращения дискаопределялось время прохождения светомбазы.

Физо получил значение c = 313300 км/с.

Опыт Фуко

В1862 году Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказаннуюв 1838 году идею Д. Арго, применив вместозубчатого диска быстровращающеесязеркало (512 оборотов в секунду).

Отражаясьот зеркала пучок света направлялся набазу и по возвращении вновь попадал нато же зеркало, успевшее повернуться нанекоторый малый угол. При базе всего 20м Фуко нашёл, что скорость света равна298000 500км/с.

Схемы и основные идеи методов Физои Фуко были многократно использованыв последующих работах по определениюскорости света.

Определениескорости света методом вращающегосязеркала (Метод Фуко): S– источник света;R – быстровращающееся зеркало; C –неподвижное вогнутое зеркало, центркоторого совпадает с осью вращения R(поэтому свет, отраженный C, всегдапопадает обратно на R); M – полупрозрачноезеркало; L– объектив; E – окуляр; RC –точно измеренное расстояние (база).Пунктиром показаны положение R,изменившееся за время прохождениясветом пути RC и обратно, и обратный ходпучка лучей через объектив L, которыйсобирает отраженный пучок в точке S’,а не в точке S, как это было бы принеподвижном зеркале R. Скорость светаустанавливается, измеряя смещение SS’.

ПолученноеА. Майкельсоном в1926 году значение c =299796 4 км/с было тогда самым точным и вошлов интернациональные таблицы физическихвеличин. светскорость оптический волокно

Измерениескорости света в 19 веке сыграли большуюроль в физике, дополнительно подтвердивволновую теорию света.

Выполненное Фуков 1850 году сравнение скорости света однойи той же частоты в воздухе и воде показало,что скорость в воде u = c/n(n) в соответствиис предсказанием волновой теории.

Былатак же установлена связь оптики с теориейэлектромагнетизма: измеренная скоростьсвета совпала со скоростью электромагнитныхволн, вычисленной из отношенияэлектромагнитных и электростатическихединиц электрического заряда.

Всовременных измерениях скорости светаиспользуется модернизированный методФизо с заменой зубчатого колеса наинтерференционный или какой-либо другоймодулятор света, полностью прерывающийили ослабляющий световой пучок. Приемникомизлучения служит фотоэлемент илифотоэлектрический умножитель.

Применениелазера в качестве источника света, УЗ– модулятора со стабилизированнойчастотой и повышение точности измерениядлины базы позволит снизить погрешностиизмерений и получить значение с = 299792,50,15км/с.

Помимо прямых измерения скоростисвета по времени прохождения известнойбазы, широко применяются косвенныйметоды, дающие большую точность.

Скоростьсвета в вакууме принять считать 29997924581,2м/с.

Какможно более точное измерение величины«с» чрезвычайно важно не только вобщетеоретическом плане и для определениязначений других физических величин, нои для практических целей. К ним, вчастности. Относится определениерасстояний во времени прохождения радиоили световых сигналов в радиолокации,оптической локации, светодальнометриии в других подобных измерениях.

Светодальномерия

Светодальномер— геодезический прибор, позволяющий свысокой точностью (до несколькихмиллиметров) измерять расстояния вдесятки (иногда в сотни) километров.Так, например, светодальномером измеренорасстояние от Земли до Луны с точностьюдо нескольких сантиметров.

Лазерныйдальномер— прибор для измерения расстояний сприменением лазерного луча.

Источник: https://studfile.net/preview/3218420/page:2/

Скорость света и методы ее определения

Методы определения скорости света

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Скорость света и методы ее определения

fПлан

Введение

1. Астрономические методы измерения скорости света

1.1 Метод Рёмера

1.2 Метод аберрации света

1.3 Метод прерываний (метод Физо)

1.4 Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)

1.5 Метод Майкельсона

fВведение

Скорость света — одна из наиболее важных физических констант, которые называют фундаментальными. Эта константа имеет особое значение как в теоретической, так и в экспериментальной физике и смежных с нею науках.

Точное значение скорости света требуется знать в радио- и светолокации, при измерении расстояний от Земли до других планет, управлении спутниками и космическими кораблями.

Определение скорости света наиболее важно для оптики, в частности, для оптики движущихся сред, и физики вообще. Познакомимся с методами определения скорости света.

f1. Астрономические методы измерения скорости света

1.1Метод Рёмера

Первые измерения скорости света были основаны на астрономических наблюдениях. Достоверное значение скорости света, близкое к современному ее значению, было получено впервые Рёмером в 1676 году при наблюдении затмений спутников планеты Юпитер.

Время прохождения светового сигнала от небесного светила до Земли зависит от дальности L расположения светила. Явление, происходящее на каком-то небесном теле, наблюдается с запаздыванием, равным времени прохождения света от светила до Земли:

, (.1)

где с — скорость света.

Если наблюдать какой-либо периодический процесс, происходящий в удаленной от Земли системе, то при неизменном расстоянии между Землей и системой наличие этого запаздывания не будет влиять на период наблюдаемого процесса.

Если же за время периода Земля удалится от системы или приблизится к ней, то в первом случае окончание периода будет зарегистрировано с большим запаздыванием, чем его начало, что приведет к кажущемуся увеличению периода. Во втором случае, наоборот, окончание периода будет зафиксировано с меньшим запаздыванием, чем его начало, что приведет к кажущемуся уменьшению периода.

В обоих случаях кажущееся изменение периода равно отношению разности расстояний между землей и системой в начале и конце периода к скорости света.

Изложенные соображения лежат в основе метода Рёмера.

Рёмер проводил наблюдения за спутником Ио, период обращения которого 42 ч 27 мин 33 с.

При движении Земли по участку орбиты Е1Е2Е3она удаляется от Юпитера и должно наблюдаться увеличение периода. При движении по участку Е3Е4Е1наблюдаемый период будет меньше истинного.

Так как изменение одного периода мало (около 15 с), то эффект обнаруживается только при большом числе наблюдений, проводимых в течение длительного промежутка времени.

Если например, наблюдать затмения в течение полугода, начиная с момента противостояния Земли (точка Е1) до момента «соединения» (точка Е3), то промежуток времени между первым и последним затмениями будет на 1320 с больше вычисленного теоретически.

Теоретический расчет периода затмений проводился в точках орбиты, близких к противостоянию. Где расстояние между Землей и Юпитером практически не изменяется со временем.

Полученное расхождение можно объяснить только тем, что в течение полугода Земля перешла из точки Е1 в точку Е3 и свету приходится в конце полугодия проходить путь, больший, чем в начале, на величину отрезка Е1Е3, равного диаметру земной орбиты. Таким образом, незаметные для отдельного периода запаздывания накапливаются и образуют результирующее запаздывание. Величина запаздывания, определенная Рёмером, составляла 22 мин. Принимая диаметр орбиты Земли равным км, можно получить для скорости света значение 226000 км/с.

Значение скорости света, определенное на основании измерений Рёмера, оказалось меньше современного значения. Позже были выполнены более точные наблюдения затмений, в которых время запаздывания оказалось равным 16,5 мин, что соответствует скорости света 301000 км/с.

1.2Метод аберрации света

свет скорость измерение астрономический

Для земного наблюдателя направление луча зрения на звезду будет неодинаковым, если это направление определять в разные времена года, то есть в зависимости от положения Земли на ее орбите.

Если направление на какую-либо звезду определять с полугодовыми промежутками, то есть при положениях Земли на противоположных концах диаметра земной орбиты, то угол между полученными двумя направлениями называют годичным параллаксом (рис. .2).

Чем дальше находится звезда, тем меньше ее параллактический угол. Измеряя параллактические углы различных звезд, можно определить расстояние этих звезд до нашей планеты.

В 1725-1728 гг. Брэдли (Bradley) Джеймс, английский астроном, измерил годичный параллакс неподвижных звезд. Наблюдая за одной из звезд в созвездии Дракона, он обнаружил, что ее положение менялось в течение года. За это время она описала небольшую окружность, угловые размеры которой были равны 40,9”.

В общем случае в результате движения Земли по орбиту звезда описывает эллипс, большая ось которого имеет те же угловые размеры. Для звезд, лежащих в плоскости эклиптики, эллипс вырождается в прямую, а для звезд, лежащих у полюса — в окружность.

(Эклиптикой называется большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца.)

Величина смещения, измеренная Брэдли, оказалась значительно больше ожидаемого параллактического смещения. Брэдли назвал это явление аберрацией света и объяснил его конечностью скорости света.

За то короткое время, в течение которого свет, упавший на объектив телескопа, распространяется от объектива до окуляра, окуляр в результате движения Земли по орбите сдвигается на очень малый отрезок (рис. .3). Вследствие этого изображение звезды сместится на отрезок а.

Направляя вновь телескоп на звезду, его придется несколько наклонить в направлении движения Земли, чтобы изображение звезды опять совпало с центром перекрестия нитей в окуляре.

Пусть угол наклона телескопа равен б. Обозначим время, необходимое свету для прохождения отрезка в, равного расстоянию от объектива телескопа до его окуляра, равно ф. Тогда отрезок , и

.

fИз измерений Брэдли было известно, что при двух положениях Земли, лежащих на одном диаметре орбиты, звезда кажется смещенной от истинного положения на один и тот же угол . Угол между этими направлениями наблюдения , откуда, зная скорость Земли на орбите, можно найти скорость света. Брэдли получил с = 306000 км/с.

Следует отметить, что явление аберрации света связано с изменением направления скорости Земли в течение года. Объяснение этого явления базируется на корпускулярных представлениях о свете. Рассмотрение аберрации света с позиций волновой теории более сложно и связано с вопросом о влиянии движения Земли на распространение света.

Рёмером и Брэдли было показано, что скорость света конечна, хотя и имеет огромное значение.

Для дальнейшего развития теории света важно было установить, от каких параметров зависит скорость света и как она изменяется при переходе света из одной среды в другую.

Для этого необходимо было разработать методы измерения скорости света земных источников. Первые попытки таких экспериментов были предприняты в начале XIX века.

1.3 Метод прерываний (метод Физо)

Первый экспериментальный метод определения скорости света земных источников был разработан в 1449 г. французским физиком Арманом Ипполитом Луи Физо. Схема опыта представлена на рис. .4.

fСвет, распространяющийся от источника s, частично отражается от полупрозрачной пластинки Р и направляется к зеркалу М.

На пути луча располагается прерыватель света — зубчатое колесо К, ось которого ОО' параллельна лучу.

Лучи света проходят через промежутки между зубьями, отражаются зеркалом М и направляются обратно через зубчатое колесо и пластинку Р к наблюдателю.

При медленном вращении колеса К свет, пройдя через промежуток между зубьями, успевает возвратиться через тот же промежуток и попадает в глаз наблюдателя. В те моменты, когда путь лучей пересекается зубцом, свет не попадает к наблюдателю.

Таким образом, при малой угловой скорости наблюдатель воспринимает мелькающий свет.

Если увеличить скорость вращения колеса, то при некотором значении свет, прошедший через один промежуток между зубьями, дойдя до зеркала и вернувшись обратно, не попадет в тот же самый промежуток d, а будут перекрыт зубцом, занявшим к этому моменту положение промежутка d. Следовательно, при угловой скорости в глаз наблюдателя свет совсем не будет попадать ни от промежутка d, ни от всех последующих (первое затемнение). Если взять число зубцов п, то время поворота колеса на ползубца равно

.

Время прохождения светом расстояния от колеса до зеркала М и обратно равно

,

где l — расстояние до колеса от зеркала (база). Приравнивая эти два интервала времени, получаем условие, при котором наступает первое затемнение:

f,

откуда можно определить скорость света:

,

где — число оборотов в секунду.

В установке Физо база составляла 8,63 км, число зубцов в колесе 720 и первое затемнение наступило при частоте 12,6 об/с. Если увеличить скорость колеса вдвое, то будет наблюдаться просветленное поле зрения, при утроенной скорости вращения опять наступит затемнение и т.д. Вычисленное Физо значение скорости света 313300 км/с.

Основная трудность таких измерений заключается в точном установлении момента затемнения. Точность повышается как при увеличении базы, так и при скоростях прерываний, позволяющих наблюдать затемнения высших порядков.

Так, Перротен в 1902 году провел измерения при длине базы 46 км и получил значение скорости света 29987050 км/с.

Работа проводилась в условиях чрезвычайно чистого морского воздуха с использованием высококачественной оптики.

Вместо вращающегося колеса можно применять другие, более совершенные методы прерывания света, например, ячейку Керра, с использованием которой можно прерывать световой пучок 107 раз в секунду.

При этом можно существенно сократить базу. Так, в установке Андерсона (1941 г.) с ячейкой Керра и фотоэлектрической регистрацией база составляла всего 3 м.

Им получено значение с = 29977614 км/с.

f1.4 Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)

Метод определения скорости света, разработанный в 1862 году Фуко, можно отнести к первым лабораторным методам. Этим методом Фуко измерил скорость света в средах, для которых показатель преломления n>1.

Схема установки Фуко приведена на рис. 5.

Свет от источника S проходит через полупрозрачную пластинку Р, линзу L и падает на плоское зеркало M1, которое может вращаться вокруг своей оси О, перпендикулярной к плоскости чертежа.

После отражения от зеркала M1 луч света направляется на неподвижное вогнутое зеркало М 2, расположенное так, чтобы этот луч всегда падал перпендикулярно к его поверхности и отражался по тому же пути на зеркало M1.

Если зеркало M1 неподвижно, то отраженный от него луч возвратится по своему первоначальному пути к пластинке Р, частично отражаясь от которой он даст изображение источника Sв точке S1.

При вращении зеркала M1 за время, пока свет проходит путь 2l между обоими зеркалами и возвращается обратно (), вращающееся с угловой скоростью зеркало M1 повернется на угол

и займет положение, показанное на рис. .5 пунктиром. Отраженный от зеркала луч по отношению к первоначальному будет повернут на угол и даст изображение источника в точке S2. Измерив расстояние S1S2 и зная геометрию установки, можно определить угол и вычислить скорость света:

.

Таким образом, суть метода Фуко заключается в точном измерении времени прохождения светом расстояния 2l. Это время оценивается по углу поворота зеркала M1, скорость вращения которого известна.

Угол поворота определяется на основе измерений смещения S1S2. В опытах Фуко скорость вращения составляла 800 об/с, база l изменялась от 4 до 20 км.

Было найдено значение с = 298000500 км/с.

Фуко на своей установке впервые измерил скорость света в воде. Поместив между зеркалами трубу, наполненную водой, Фуко обнаружил, что угол сдвига возрос в ѕ раза, а следовательно, рассчитанная по записанной выше формуле скорость распространения света в воде оказалась равной (3/4)с.

Вычисленный по формулам волновой теории показатель преломления света в воде получился равным , что полностью соответствует закону Снеллиуса.

Таким образом, на основе результатов этого эксперимента была подтверждена справедливость волновой теории света, и был закончен полутора вековой спор в ее пользу.

f1.5 Метод Майкельсона

В 1926 году установка Майкельсона была выполнена между двумя горными вершинами, так что расстояние, проходимое лучом от источника до его изображения после отражений от первой грани восьмигранной зеркальной призмы, зеркал М 2М 7 и пятой грани, составляло около 35,4 км.

Скорость вращения призмы (приблизительно 528 об/с) выбиралась такой, чтобы за время распространения света от первой грани до пятой призма успевала повернуться на 1/8 оборота. Возможное смещение зайчика при неточно подобранной скорости играло роль поправки.

Скорость света, определенная в этом опыте, оказалась равной 2997964 км/с.

Из других методов отметим выполненное в 1972 году измерение скорости света путем независимого определения длины волны и частоты света.

Источником света служил гелий-неоновый лазер, генерирующий излучение 3,39 мкм.

При этом длина волны измерялась с помощью интерферометрического сравнения с эталоном длины оранжевого излучения криптона, а частота — с помощью радиотехнических методов. Скорость света

f,

определенная этим методом, составила 299792,45620,001 км/с. Авторы метода считают, что достигнутая точность может быть повышена за счет улучшения воспроизводимости измерений эталонов длины и времени.

В заключение отметим, что при определении скорости света измеряется групповая скорость и, которая лишь для вакуума совпадает с фазовой.

Размещено на Allbest.ru

Источник: https://otherreferats.allbest.ru/physics/00271684_0.html

Booksm
Добавить комментарий