Скорость света определение: СКОРОСТЬ СВЕТА — это… Что такое СКОРОСТЬ СВЕТА?

Содержание

Определение скорости свет — О’Пять пО физике!

Существуют различные методы измерения скорости света, в том числе астрономические и с использованием различной экспериментальной техники. Точность измерения величины С постоянно увеличивается. В таблице дан неполный перечень экспериментальных работ по определению скорости света.

Дата

Эксперимент

Экспериментальные методы

 

Результаты измерений, км/сек

1676

1725

1849

1850

1857

1868

1875

1880

1883

1883

1901

1907

1928

1932

1941

1952 

Рёмер

Брадли

Физо

Фуко

Вебер-Кольрауш

Максвелл

Корню

Майкельсон

Томсон

Ньюкомб

Перротин

Роза и дорси

Миттелыптедта

Пиз и Пирсона

Андерсон

Фрум

Затмение спутника Юпитера

Абберация света

Движущие тела

Вращающиеся зеркала

Электромагнитные постоянные

Электромагнитные постоянные

Вращающиеся зеркала

Вращающиеся зеркала

Электромагнитные постоянные

Вращающиеся зеркала

Вращающиеся зеркала

Электромагнитные постоянные

Ячейка затвора Керра

Вращающиеся зеркала

Ячейка затвора Керра

Микроволновая 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

        

Первое удачное измерение скорость света относится к 1676 г.

На рисунках представлены репродукция рисунка самого Рёмера, а также схематическая трактовка.

Астрономический метод Рёмера основывается на измерении скорости света по наблюдениям с Земли затмений спутников Юпитера. Юпитер имеет несколько спутников, которые либо видны с Земли вблизи Юпитера, либо

скрываются в его тени. Астрономические наблюдения над спутниками Юпитера показывают, что средний промежуток времени между двумя последовательными затмениями какого-нибудь определенного спутника Юпитера зависит от того, на каком расстоянии друг от друга находятся Земля и Юпитер во время наблюдений. На рисунке: Метод Ремера. С — солнце, Ю — юпитер, З – земля.

Пусть в определенный момент времени Земля З1 и Юпитер Ю1 находятся в противоположении, и в этот момент времени один из спутников Юпитера, наблюдаемый с Земли, исчезает в тени Юпитера (спутник на рисунке не показан). Тогда, если обозначить через R и r радиусы орбит Юпитера и Земли и через c – скорость света в системе координат, связанной с Солнцем С, на Земле уход спутника в тень Юпитера будет зарегистрирован на (R-r)/с секунд позже, чем он совершается во временной системе отчета, связанной с Юпитером.

По истечении 0,545 года Земля З2 и Юпитер Ю2 находятся в соединении. Если в это время происходит n-е затмение того же спутника Юпитера, то на Земле оно будет зарегистрировано с опозданием на (R+r)/с секунд. Поэтому, если период обращения спутника вокруг Юпитера t, то промежуток времени T1, протекающий между первым и n-м затмениями, наблюдавшимися с Земли, равен

По истечении еще 0,545 года Земля З3 и Юпитер Ю3 будут вновь находиться в противостоянии. За это время совершилось (n-1) оборотов спутника вокруг Юпитера и (n-1) затмений, из которых первое имело место, когда Земля и Юпитер занимали положения З2 и Ю2, а последнее – когда они занимали положение З3 и Ю3. Первое затмение наблюдалось на Земле с запозданием (R+r)/с, а последнее с запозданием (R-r)/c по отношению к моментам ухода спутника в тень планеты Юпитера.

Следовательно, в этом случае имеем

Рёмер измерил промежутки времени Т1 и Т2 и нашел, что Т1-Т2=1980 с. Но из написанных выше формул следует, что Т1-Т2=4r/с, поэтому с=4r/1980 м/с. Принимая r, среднее расстояние от Земли до Солнца, равным 1500000000 км, находим для скорости света значение 3,01*10

6 м/с.

Этот результат был первым измерением скорости света.

 В 1725 г. Джеймс Брэдли обнаружил, что звезда Дракона, находящаяся в зените (т.е. непосредственно над головой), совершает кажущееся движение с периодом в один год по почти круговой орбите с диаметром равным 40,5 дуговой секунды. Для звезд, видимых в других местах небесного свода, Брэдли также наблюдал подобное кажущееся движение — в общем случае эллиптическое.

Явление, наблюдавшееся Брэдли, называется аберрацией. Оно не имеет ничего общего с собственным движением звезды. Причина аберрации заключается в том, что величина скорости света конечна, а наблюдение ведется с Земли, движущейся по орбите с некоторой скоростью v.

Угол раствора конуса, под которым с Земли видна кажущаяся траектория звезды, определяется выражением: tgα=ν/c

Зная угол α и скорость движения Земли по орбите v, можно определить скорость света c.

У него получилось значение скорости света равной 308000 км/с.

 В 1849 г. впервые определение скорости света выполнил вы лабораторных условиях А. Физо. Его метод назывался методом зубчатого колеса. Характерной особенностью его метода является автоматическая регистрация моментов пуска и возвращения сигнала, осуществляемая путем регулярного прерывания светового потока (зубчатое колесо).

На рис представлена схема опыта по определению скорости света методом зубчатого колеса.

Свет от источника проходил через прерыватель (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала, возвращался опять к зубчатому колесу. Зная расстояние между колесом и зеркалом, число зубьев колеса, скорость вращения, можно вычислить скорость света.

Зная расстояние D, число зубьев z, угловую скорость вращения (число оборотов в секунду) v, можно определить скорость света.  У него получилось она равной 313000 км/с.

 

В течение всей своей жизни американский физик

Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) совершенствовал методику измерения скорости света. Создавая все более сложные установки, он пытался получить результаты с минимальной погрешностью. В 1924–1927 годах Майкельсон разработал схему опыта, в котором луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио (расстояние порядка 35 км). В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало, изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально разработанным высокоскоростным ротором, делающим до 528 оборотов в секунду.

Изменяя частоту вращения ротора, наблюдатель добивался возникновения в окуляре устойчивого изображения источника света. Знание расстояния между установками и частоты вращения зеркала позволяли вычислить скорость света.

Начиная с 1924 года и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений, повышалась точность измерения расстояния и частоты вращения ротора. Средний результат измерений составил 299 798 км в секунду.

Результаты же всех измерений Майкельсона можно записать как c = (299796 ± 4) км/с.

На верхнем рисунке изображена схема опыта Майкельсона. На нижнем рисунке представлена упрощенная схема опыта. Пользователь может изменять частоту вращения восьмиугольной призмы, наблюдая за движением светового импульса и добиваясь его попадания в окуляр наблюдателя.

Частоту можно изменять от 0 до 1100 оборотов в секунду с шагом 2 с–1. Чтобы легче было выставлять частоту в эксперименте, сделана ручка грубого регулятора частоты вращения, более точные настройки можно выставлять с помощью дополнительных клавиш справа от окна частоты. Оптимальный результат достигается при 528 и 1056 оборотах в секунду. При 0 оборотов рисуется статичный луч света от источника до наблюдателя.

Пример расчета скорости света для эксперимента, при котором появление света наблюдатель фиксирует при частоте вращения зеркала 528 с–1.

Здесь ν и T – частота и период вращения восьмигранной призмы, τ1 – время, за которое световой пучок успевает пройти расстояние L от одной установки до другой и вернутся обратно, оно же – время поворота одной грани зеркала.

По материалам www.school-collection.edu.ru

: : 18. : 18.

. . , , .

, , . . 1676. и11 . , 215 000 /.

, . , , 1727. .

, .

(.22).

. 22

. , , , , , . . , ,

(39)

(. .22). , , , .

, . . , . , . , , , . , , .

, . , (39), 303 000 /.

12 1849. . 23.

. 23

. . , , , . , , , . , .

, , , . . . , , .. , . , , , — , . 8,6 . 313 000 /.

1928 . (. .. « » .2 6.7). ( c), . .

. , 1932., 1,6, .

/ (40)

, , , , . .
: : 18. : 18.


08.02.2014

«Относительно чего измерена скорость света? » – Яндекс.Кью

Строго говоря, скорость света никто до сих пор не измерял. Мы предполагаем, что скорость света равна ~300 тыс. км/с. Однако, экспериментального подтверждения этого предположения пока ещё нет.

Откуда же тогда значение скорости света в вакууме 299792458 м/с? Это величина средней скорости в двух направлениях. Предположим, из Москвы в Питер автомобиль едет со скоростью 120 км/ч, а обратно со скоростью 200 км/ч — таким образом средняя скорость автомобиля в обе стороны будет 150 км/ч. Но насколько справедливо утверждать, что скорость автомобиля по пути из Питера в Москву равна 150 км/ч?

До сих пор не реализован ни один эксперимент по точному измерению скорости света в одном направлении. Таким образом, нет эмпирических оснований предполагать, что скорость света во всех направлениях одинакова.

Впервые на это обратил внимание Альберт Эйнштейн в своей работе 1905 года.

НЕВОЗМОЖНО без дальнейших предположений сравнивать время событий, если не ввести определение, что «время», необходимое для прохождения света из A в B, равно «времени», требуемому для прохождения света из B в A

Именно он ввёл допущение, что скорость света во все стороны одинакова — с тех пор в научном мире продолжают придерживаться данного предположения.

Эйнштейн определяет среднюю скорость света через путь от точки А до B и обратно.

В чём же проблема измерения скорости света? Чтобы измерить скорость некоторого тела, движущегося с постоянной скоростью — необходимо знать расстояние S между точками A и B (занятно, что по определению, метр — это расстояние, которое проходит свет в вакууме за секунду, делённое на 299792458 => определение метра завязано на величине двусторонней скорости света) и время t, за которое тело преодолело расстояния от A до B. Тогда скорость ϑ = S/t.

Окей, включи́м лазер в точке A, посылая пучок фотонов в точку B, и одновременно запустим часы, чтобы зафиксировать время вылета лазерного пучка. Но как узнать КОГДА свет достигнет точки B? Нужны вторые часы возле точки B, чтобы зафиксировать время финиширования света.

Мысленно вообразим, что у нас есть часы в виде двух параллельных зеркал (идеальных зеркал, которые не поглощают свет), между которыми переотражается фотон и, скажем, за миллиард переотражений «туда-обратно» пройдёт секунда. Ну или за триллион колебаний — это не важно, мы сами вообразили себе такие часы и определили какую единицу времени они нам дают.

Изготовим ТОЧНО ТАКИЕ ЖЕ часы из двух параллельных зеркал с фотоном между. И это будут идеально идентичные часы. И будут нам измерять время одинаково.

Окей, эта пара часов расположена в точке А и часы идеально синхронизированы. Отнесём одни часы в точку B. Но что происходит с ними?

В равномерно движущемся вагоне законы физики будут работать так же, как в покоящейся системе отсчёта на станции, мимо которой проезжает этот вагон. В принципе, не важно какие часы двигать относительно покоящихся (можно двигать любую пару зеркал) — но теперь фотон в движущихся часах проходит чуть бо́льшее расстояние (по диагонали), чем фотон в покоящихся часах (просто вверх-вниз). А мы точно знаем, что за миллиард колебаний проходит одна секунда. Это возможно лишь только, если в движущихся часах время идёт медленнее, чем в покоящихся. Тогда за миллиард колебаний фотона в движущихся часах так же пройдёт ровно одна секунда, но медленнее. Такое «замедление» течения времени движущихся часов предсказывается математически Специальной теорией относительности и это проверено экспериментально. На основе уравнений теории относительности работают GPS-спутники, и работают с непоколебимой точностью 🙂

Но как только мы отправились с нашими вторыми часами к точке B — они потеряли синхронизацию с часами возле точки A. И точно измерить скорость света теперь не получится.

Потому вместо часов возле точки B исследователи условно размещают зеркало, которое отражает луч обратно в точку A, где используется единственный таймер. Тогда мы можем измерить время, пройденное светом в двух направлениях. Именно в двух направлениях проводилось точное измерение скорости света, но в одном — пока ещё нет.

Возможно ли проверить, что свет летит в одну сторону не быстрее, чем в другую? Что если некоторое направление в пространстве-времени более выделенное? Симметрия радует глаз и разум человека, но Вселенная не обязана быть симметричной.

Больше ста лет учёные искали способ обойти эту проблему и измерить скорость света в одном направлении. Например, в работе Greaves et al (2009) авторы заявили, что им удалось это сделать, но в статье Finkelstein (2010) это опровергается.

Даже если ровно между точками A и B синхронизовать часы и разнести их к старту A и финишу B — если скорость света не одинакова в двух направлениях, это никак не ощутится в эксперименте. Ведь в таком случае одни часы будут опережать другие ровно настолько, что при измерении скорости света — всё равно получится, что она равна ‘c‘.

Тупиковость ситуации в том, что для измерения скорости света встаёт строгая необходимость точной синхронизации часов. Но, чтобы их синхронизовать — нужно точно знать скорость света в одном направлении.

В принципе, и так трудно говорить об одновременности событий, когда их разделяет расстояние, но всё сильно усложнится, если ещё и скорость света в разных направлениях будет не одинаковой.

Синхронизуем часы в марсоходом Perseverance. Отправим сигнал на Марс с Земли в 03:00 -> «на Земле сейчас 03:00«. Предполагается, что сигнал достигнет Марса за 10 минут, и в 03:10 с Марса уйдёт сигнал «на Марсе тогда сейчас 03:10«, причём сигнал этот придёт на Землю в 03:20.

Если же предположить, что сигнал с Земли до Марса передаётся мгновенно, а с Марса до Земли со скоростью c/2 -> тогда марсоход получит сигнал «на Земле сейчас 03:00» РОВНО в 03:00, и в то же мгновение отправит обратно сигнал «на Марсе тогда сейчас 03:10«, и этот сигнал со скоростью c/2 достигнет Земли через 20 минут, и никто не сможет заметить вкравшегося расхождения. При этом понятие «прямо сейчас» на двух планетах будут совершенно разными. Понятно, что рассмотрен совсем крайний случай. Но что, если разница скоростей света в разных направлениях составляет всего несколько процентов? Мы точно так же не сможем обнаружить это расхождение при синхронизации часов.

Можно всячески изобретать ухищрения, синхронизуя часы возле точек A и B по спутникам GPS — но пока загадочную природу перехитрить не удалось. Ведь и спутники работают в предположении, что скорость света одинакова во всех направлениях.

Эйнштейн ввёл допущение, что скорость света во всех направлениях одинакова, однако экспериментальных подтверждений этому пока ещё нет. При этом законы физики не сломаются, если это не так. Пока средняя скорость света «туда-обратно» равна ~300 тыс. км/с — физические законы непоколебимо продолжат работать 🙂

Скорость света методы определения — Справочник химика 21

    Гамма-лучи представляют собой проникающие электромагнитные колебания с длиной волны приблизительно от 0,005 до 0,4 А и с энергией 0,05—5 Мэе. Они распространяются со скоростью света их проникающая способность гораздо выше, чем у самого жесткого рентгеновского излучения длина пробега в воздухе составляет несколько километров. Гамма-лучи в отличие от альфа- и бета-излучения ионизируют материю косвенно посредством электронов, которые при столкновении с фотонами гамма-излучения получают часть их энергии и отрываются от атомов. Эти электроны при столкновениях с атомами и вызывают ионизацию. Бета-распад часто сопровождается гамма-излучением. Методы определения и измерения интенсивности радиоактивного излучения основаны на его ионизирующем действии. На этом же явлении основаны и принятые единицы дозы разных видов излучения. [c.644]
    Скорость всплывания пузырьков и их размер определяли также фотографическим методом. При фотографировании применялась боковая импульсная подсветка, дающая вспышку света через определенные промежутки времени. Пленки расшифровывались при помощи микроскопа МИР-12, соединенного с микрометрической насадкой. Цена деления шкалы наса. ки определялась объект-микрометром, Истинный диаметр пузырька определялся при помощи калибровочного графика, полученного путем фотографирования стальных шариков известного диаметра при том же способе подсветки, что п при фотографировании пузырьков. [c.20]

    Подобные исследования проводят в центрифугах с очень большой скоростью вращения, так называемых ультрацентрифугах. Этот метод, предложенный Думанским (1912 г.), был далее усовершенствован Сведбергом. В современных центрифугах число оборотов доходит до нескольких тысяч в секунду, а центробежное ускорение — до миллионов . Исследуемый раствор помещают в радиально расположенные кварцевые кюветы. В корпусе центрифуги имеются (наверху и внизу) кварцевые окошки. Через окоШки и вращающиеся кюветы пропускают пучок света на фотопластинку и по интенсивности почернения (снимая в контрольном опыте кривую зависимости почернения от концентрации) находят с = Кр) и по уравнению (111.18) вычисляют молекулярный вес Ма- Этот метод является одним из основных методов определения молекулярного веса макромолекул.[c.36]

    Эта книга, написанная английскими,американскими и канадскими специалистами, отражает современное состояние отдельных отраслей спектроскопии. В ней представлены разделы по спектроскопии свободных многоатомных радикалов, по спектроскопии в вакуумном ультрафиолете, спектрам комбинационного рассеяния света газами, инфракрасной спектроскопии полимеров, исследованию внутреннего вращения и поворотной изомерии в молекулах органических соединений. Кроме того, специальные разделы посвящены техническим вопросам спектроскопии—новым приемникам инфракрасного излучения, измерению показателя преломле-ния воздуха и определению скорости света. Каждый раздел снабжен списком работ по соответствующему вопросу, что позволяет читателю глубже познакомиться с современным состоянием спектроскопии и прикладными методами. [c.4]

    Совершенствуя методы возбуждения газов для получения их спектров, Крукс (1879) открыл так называемые катодные лучи, вызывающие фосфоресценцию веществ и распространяющиеся от катода к аноду. Дж. Томсон (1896—1897) изучил природу этих лучей и доказал, что они представляют собой поток электронов, вылетающих из катода со скоростью, близкой к скорости света. Ему также удалось найти отношение заряда к массе для электрона которое оказалось очень большой величиной (после уточнения 1,7588-10″ Кл/кг). Позднее, после работ Милликена, эта величина была использована для определения массы электрона и, таким образом, были получены его основные характеристики заряд 6=1,60210-10 Кл и масса покоя /п = 9,1091 — 10 кг. [c.27]


    В идеале, для установления механизма фотохимической реакции следовало бы знать состояния всех молекул, участвую-ш,их в реакции, их энергию и время жизни, а также все побочные реакции. Практически далеко не все эти данные бывают доступны. Установление истинных путей превраш,ения всех молекул, поглотивших квант света, и всех свободных радикалов, образуюш,ихся в фотохимическом процессе, представляет собой аналитическую задачу, решение которой до настоящего времени едва ли было возможно. .. [47]. Методы определения механизмов фотохимических реакций по существу не отличаются от методов определения механизмов обычных органических реакций (гл. 6) идентификация продуктов, изотопная метка, детектирование и улавливание интермедиатов, изучение кинетики. Однако в случае фотохимических реакций появляется ряд новых факторов 1) образование большого числа продуктов, до 10—15 соединений 2) возможность изучать кинетику реакции в зависимости от большего числа переменных, так как на скорость реакции влияет интенсивность или длина волны падающего света 3) возможность детектировать исключительно короткоживущие интермедиаты, используя технику флеш-фотолиза. Кроме того, имеются еще два специальных метода. [c.321]

    Стандартные методы определения акустических скоростей сводятся в принципе либо к прямому измерению времени распространения волн акустического сжатия между двумя точками, либо к измерению длины волны л в изучаемой среде. Кроме методов, основанных на рассеянии света, частоту ультразвука / можно определить по частоте электрического сигнала, используемого в ультразвуковом генераторе. Зная длину волны и частоту, можно вычислить скорость и  [c.422]

    В теории атомно-абсорбционного метода анализа некоторые теоретические модели рассматриваются на примере элементов с высокой степенью атомизации в пламенах, в частности натрия [845, 1080]. Так, в работе [1080] дается обоснование атомно-абсорбционного метода определения концентрации вещества в пламени без применения стандартных растворов. При расчете концентрации свободных атомов в пламени рассматривают количество вещества, попадающее в пламя в виде аэрозоля, распределение атомов в рабочей зоне, скорость прохождения газов через поглощающий слой. Вычисленные значения величины поглощения света для натрия (меди и серебра) сравнены с экспериментальными. Экспериментальные данные исполь- [c.126]

    В настоящее время имеется шесть совершенно различных экспериментальных методов, используемых для определения скорости света с высокой точностью. [c.103]

    Показателем преломления (п) называется отношение скорости света в вакууме к его скорости в данном веществе. Однако обычно в качестве показателя преломления приводят отношение скорости света в воздухе к его скорости в веществе, насыщенном воздухом. Показатель преломления используется для характеристики соединений, а также для расчета других физических констант. В работе Бауэра и Фаянса [2024] рассмотрены общие вопросы, связанные с показателем преломления, а также некоторые методы его определения и ПУТИ использования. Устройство и применение некоторых рефрактометров рассмотрены в работе Рейли и Рея [1537]. [c.26]

    Классические косвенные методы определения размера частиц основаны на изучении адсорбции, скоростей растворения и седиментации, седиментационного равновесия, осмотического давления, рассеяния света, рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами, ультрацентрифугирования и явлений электрофореза [1]. Однако эти методы, как правило, дают возможность определить средний размер коллоидных частиц и нри попытках представить полученные данные в виде кривой распределения частиц по размерам возникают существенные затруднения. Заключения о форме частиц могут быть выведены на основании исследования рассеяния света и двойного лучепреломления в потоке, но и здесь установление распределения связано с математическими трудностями. [c.130]

    Для исследования многочисленных сложных равновесий в растворах привлекают разнообразнейшие физико-химические методы, на которых в пределах данной книги нет возможности останавливаться. Наряду с обычными методами определения молекулярного веса используют измерение проводимости и чисел переноса, электродвижущих сил, коэффициентов распределения, поглощения света, эффекта Рамана, а также аналитические методы. В последнее время особенно развились методы точного измерения скорости диффузии и диализа о методике и значении полученных этими способами результатов появился очень подробный обзор [204]. В качестве примера исследования равновесия в растворе следует назвать исследование гидратации ионов [205], [c.194]


    Способность лазера испускать свет строго определенной длины волны в принципе позволяет идентифицировать в смесях без предварительного их разделения лишь один из компонентов. Однако такую селективность иногда не удается использовать в полной мере, поскольку полосы поглощения в спектрах атомов и молекул могут быть значительно шире, чем линии лазерного излучения. Однако возникающего при этом перекрывания линий можно избежать, воспользовавшись их сужением, которое происходит при глубоком охлаждении — до криогенных температур. Такое охлаждение газообразных веществ можно осуществить, заставляя газ проходить через узкое сопло со сверхзвуковой скоростью. Или же можно включить исследуемое вещество в криогенную матрицу, например в матрицу твердого аргона, при температурах, близких к температуре жидкого гелия. Этот прием называют матричной изоляцией. Два таких взаимодополняющих метода позволяют свести к минимуму перекрывание линий в колебательных и вращательных спектрах, и тем самым увеличить чувствительность при обнаружении и расширить возможности диагностики, [c.196]

    Следует отметить и недостатки книги. Основным из них, пожалуй, является известная случайность в отборе тем для отдельных разделов. Некоторые из вошедших в книгу разделов, например посвященные определению показателя преломления воздуха и методам измерения скорости света, представляют интерес для более узкого круга специалистов, и их можно было бы опубликовать позже, а за счет этого расширить содержание других разделов, скажем, важного, но написанного несколько конспективно раздела о спектрах в вакуумном ультрафиолете. Что касается недостатков общего тематического построения и отбора материалов, преимущественно используемых авторами, то более [c.7]

    Чтобы сделать полный обзор и дать подробное описание обширного разнообразия экспериментальных методов, использующихся для определения скорости света в свободном пространстве (с), потребовался бы по меньшей мере целый том. В настоящей статье мы ограничимся тем, что дадим библиографию по данному вопросу вместе с названием старых работ, относящихся к этой области. Периодически появляется довольно большое число работ, посвященных пересмотру состояния рассматриваемого вопроса. Эти обзорные статьи приводятся в списке литературы, начиная с ссылки [81] и далее. [c.102]

    После окончания второй мировой войны было развито относительно большое число новых методов измерения скорости света. Новые методы имеют такую высокую точность, что все старые определения скорости света не учитываются при решении вопроса о наиболее вероятном значении этой очень важной постоянной. Мы обсудим общее состояние этого вопроса в отношении согласия значений, полученных при использовании различных новых прецизионных методов, доступных теперь. При обсуждении работ, посвященных определению скорости света с высокой точностью, часто возникают два вопроса во-первых, изменяется ли скорость света со временем и, во-вторых, изменяется ли скорость света с длиной волны  [c.102]

    Если сравнить значения скорости света, установленные в период с 1929 по 1948 г., с данными современных измерений, приведенными в табл. 2, то станет ясным наличие систематической ошибки в старых измерениях. Старые определения основывались главным образом на одном методе, и разница порядка 16—17 км. сек между измерениями, производимыми до 1948 г. и после, должна происходить из-за некоторой, сейчас еще не ясной, систематической ошибки. [c.108]

    Сводка последних значений скорости света, определенных различными методами, с вероятными ошибками и весовыми множителями для каждого метода. Величины являются отклонениями от взвешенных средних [c.109]

    Экспериментальный материал, к которому можно применить приведенные выше соображения, является весьма скудным. Было бы желательно применить для кинетических исследований при сильном монохроматическом освещении точные методы определения скорости фотосинтеза, которые до сих пор использовались почти исключительно для определений квантового выхода на слабом свету. [c.601]

    Для измерения вязкости являющихся жидкостями нематиков пригодны все методы, применяемые при работе с обычными жидкостями и перечисленные, например, в [28]. Вследствие простоты наибольщее распространение получили методы, связанные с измерением времени протекания НЖК по капилляру при заданной скорости сдвига. Оказалось, что из-за анизотропии измеряемая величина вязкости чувствительна к большому количеству параметров, не всегда принимаемых во внимание в обычной вискозиметрии. Это — скорость сдвига, ориентация молекул на стенках капилляра, внешнее магнитное или электрическое поле, изменение которых приводит к изменению эффективной вязкости вследствие изменения ориентации молекул в потоке. Поток может стать неоднородным даже при очень малых скоростях сдвига при определенном соотношении коэффициентов Лесли. В то же время анизотропия свойств НЖК приводит к возможности использования иных методов регистрации вязкости, например, различных оптических и емкостных. Вязкость является комплексной частью модуля сдвига, поэтому для ее измерения могут применяться ультразвуковые методы. Наличие анизотропии распространения и поглощения ультразвука приводит к отличию значений вязкости, измеряемых ультразвуковым и капиллярным методами. К ультразвуковому методу примыкает определение коэффициентов вязкости НЖК при измерении спектра неупругого рассеяния света на приповерхностных волнах. [c.18]

    Очень важной количественной характеристикой двухквантовых реакций является квантовая эффективность у двухквантовой реакции. Величина у определяется как отношение числа прореагировавших молекул к числу квантов света, поглощенных в триплетном состоянии. Для определения y необходимо измерить скорость реакции и скорость поглощения света триплетными молекулами. Так как среди продуктов реакции всегда имеются парамагнитные частицы (радикалы, ион-радикалы, электроны), то наиболее общим методом определения скорости реакции является метод ЭПР. Если известен коэффициент экстинкции продукта реакции, то возможно использование метода низкотемпературной спектрофотометрии. [c.69]

    Буянов и соавт. [58] разработали метод определения фазового состава шламов ферровольфрамового производства. Метод основан на различии скоростей испарения металлического вольфрама и его трехокиси при различных режимах работы. На первом этапе работы источник света помещают в среду аргона (используют камеру проточного типа), применяя в качестве внутреннего стандарта порошок металлической меди. Пробу вводят в разряд методом движущегося электрода. На втором этапе камеру продувают кислородом, внутренним стандартом является СиО. Источник света — генератор, работающий в режиме униполярной дуги (ток 4,5 а, фаза поджига 60° С). Первый этап дает содержание WO3, второй — сумму WO3 + W количество вольфрама находят по разности. Аналитические линии W 2964, Си 3036 и 2824 А, коэффициент вариации 10—12%. [c.159]

    Среди применяемых для исследования процесса старения методов можно назвать следующие определение скорости газовы-деления в вакууме , скорости поглощения кислорода под действием света и тепла , определение ненасыщенности -з, поверхностного натяжения , определение интенсивности и характера спектров поглощения в инфракрасной области, позволяющее непосредственно установить количество и природу отдельных групп, связей и т. д. > , определение ультрафиолетовых спектров, по которым можно судить о расходе и изменениях противостарителей, ускорителей вулканизации и т. д.», измерение электропроводности для наполненных резин , а также измерение молекулярного веса полимеров (метод светорассеяния, метод определения вязкости, осмотический метод). Часто применяются простые методы измерения растворимости, набухания и т. д. [c.250]

    ЧТО позволяет рассматривать методы определения диэлектрических свойств полистирола как инструмент, с помощью которого можно следить за его старением под действием света. На рис. 3.18 приведена зависимость диэлектрических потерь, определенных на пленках толщиной 0,1 мм после их облучения монохроматичным светом с длиной волны 254 мкм при интенсивности потока 1,6-10 Е/(см2-с), от продолжительности облучения. С увеличением интенсивности светового потока возрастает скорость диэлектрической релаксации (рис. 3.19). При облучении полистирола УФ-светом с длиной волны более 300 мкм на графике зависимости диэлектрических потерь от продолжительности облучения появляется индукционный период, причем обнаруживается различие в поведении полистирола, полученного анионной и радикальной полимеризацией. Влияние давления кислорода на индукционный период фотоокисления и последующую скорость релаксации показано в табл. 3.10. [c.100]

    До конца второй мировой войны имелся только один общий метод прецизионного определения скорости света. Метод состоит по существу в измерении времени прохождения света вдоль длинной базисной линии. Этот метод использовался Майкельсоном и его сотрудниками в их знаменитых экспериментах с вращающимися зеркалами. Миттельштедт и позднее Андерсон усовершенствовали метод, производя модуляцию при помощи ячейки Керра. [c.103]

    Большое распространение получил метод определения коэффициентов диффузии электролитов по скорости продвижения фронта постоянной концентрации. Метод основан на определении расстояния в толще материала от поверхности пластины до границы, на которой за определенное время экспозиции еще обнаруживается минимальная конц-ентрация пенетранта. Глубину проникновения определяют с помощью различных индикаторов 21. 4о-4э оптически (в поляризованном свете) , авторадиографически 2 Следует подчеркнуть, что широко используемый термин глубина проникновения отнюдь не означает действительную глубину, до которой произошло распространение пенетранта. Речь может идти только о глубине проникновения конкретной индикаторной концентрации, зависящей от метода индикации. [c.208]

    Соединения ртути катализируют эту реакцию. При добавлении к раствору [Fe( N)в] нитробензола ( вH6N0) образуется ион [Fe( N)5 вH5NO] , который окрашен в красно-фиолетовый цвет ( ах = 528 нм) [406]. Наибольшая скорость реакции наблюдается при pH 4. Реакция чувствительна к свету. Метод применим для качественного и количественного определения до 0,005 мкг/мл Нд [406, 1315]. [c.120]

    Для определения удельной поверхности углеродистых саж применяют колориметрический метод, основанный на простой зависимости между оптической плотностью суспензии и размером взвешенных в ней частиц при данной концентрации. Эта зависимость справедлива для таких систем, в которых размер частиц близок к длине волны примененного света. Керкер измерял радиус частиц с помощью поляризованного света [218]. Методом рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами измеряли радиус частиц до 5 нм и меньше [219]. Теснер разработал кинетический метод определения удельной поверхности саж, основанный на экспериментально установленном факте, что разложение углеводородов на поверхности углерода представляет собой чисто поверхностный процесс. Скорость процесса при прочих равных условиях пропор-циональна поверхности и может быть измерена прямым гравиметрическим методом [220]. [c.94]

    Перекиси или гидроперекиси реагируют с бензоиллейкометиле-новым синим в бензольном растворе трихлоруксусной кислоты с образованием раствора, имеющего характерный цвет метиленового синего. Эйсс и Гиске [4] положили эту реакцию в основу метода определения органических перекисей. Эта реакция чувствительна к ультрафиолетовому излучению и в меньшей степени к искусственному свету и нагреванию, однако если получаемый раствор хранить в темноте при температуре 24 °С, то он сохраняет свою окраску в течение нескольких дней. Для ускорения разложения перекиси, а следовательно, и для увеличения скорости реакции с лейкокрасителем использовали нафтенат циркония. Из пяти перекисей, проанализированных этим методом, закон Бера выполнялся для перекисей бензоила и лауроила, гидроперекисей я-мен-тана и кумила результаты для гидроперекиси трет-бутлг несколько отклонялись от этого закона, и для определения этого [c.187]

    Поверхность контакта фаз. Интенаивяое движение элементов насадки, способствующее турбулизации потоков в трехфазной системе [65], не позволяет применить методы фотографирования, светоотраженйя и деполяризации света для определения опытным путём величины межфазной поверхности. Поэтому при определении этой величины для рассматриваемых аппаратов ис-, пользуется [47, 65, 66] метод, исходящий из известной скорости химической реакции Этот метод позволяет определить интегральное значение поверхности контакта фаз [67]. Сопоставление [66] удельной поверхности контакта фаз аппаратов ВН и аппаратов с провальной тарелкой показывает, что при одинаковых скоростях газового потока наличие взвешенной насадки приводит к увеличению удельной поверхности контакта фаз (отнесенной к поверхности тарелки) в 10—20 раз, а удельной объемной поверхности контакта фаз (отнесенной к объему слоя)— в 5—6 раз. Согласно [47] величина удельной поверхности контакта фаз в 2—5 раз превосходит межфазную поверхность на [c.151]

    Этот очень остроумный модуляционный метод Берг-штранда [54, 57, 58, 64] является по существу модифицированным методом ячейки Керра. Однако Бергштранд сумел в значительной степени избежать многих систематических ошибок, свойственных прежней методике Андерсона, использующей ячейку Керра. В качестве приемника применялся один фотоэлемент. Ограничение точности этих экспериментов, по-видимому, определяется точностью, с которой могут быть измерены относительная длина базисной линии и частота. Поскольку эксперименты проводятся в воздухе над длинными базисными линиями, то для определения скорости света существенно также точное значение показателя преломления воздуха и его изменение вдоль пути прохождения светового сигнала. [c.104]

    Строк и Захариас (Массачусетский технологический институт) занимаются определением скорости света, используя метод цилиндрического резонатора Эссена. Этот эксперимент будет проводиться в вакууме. Смещение поршня будет измеряться непосредственно при помощи интерферо-метрического метода. Таким образом, по-видимому, по крайней мере два современных метода измерения могут дать значения скорости света значительно более точные, чем полученные до сих пор. [c.107]

    Рассматриваются выполненные в Институте химии силикатов исследования по оптическому эмиссионному спектральному анализу чистых веществ и перспективы их развития пути совершенствования и применения источников света, методов предварительного концентрирования примесей и конечного их определения, некоторые актуальные метрологические и технические вопросы спектрального анализа чистых материалов. Указаны возможности совершенствования нейтронного активационного анализа чистых веществ путем разработки универсальных схем разделения активированных примесей с помощью экстракции и ионного обмена. Предложена ионообменная схема разделения 28 примесей, обеспечивающая высокую чувствите,т1ьность, точность и скорость их определения в ряде чистых материалов. Библ. — 18 назв., рис. — 1. [c.317]

    Н i 11 е 1 А., Ann. Phys., ser., 5, 37, 365 (1940). Метод определения скорости света, основанный на использовании эффекта Керра и фотоэлемента в качестве фазозависящего детектора. [c.111]

    Из других методов определения полидисперсиости следует указать на хроматографирование (основанное на различной адсорбционной способности молекул в зависимости от их величины), ультрацентрифугирование, определение скорости диффузии, а также на изучение рассеяния света и сравнение молекулярных весов, определенных различными методами (стр. 59—60). [c.56]

    Известен лишь один метод определения удельной поверхности, разработанный Ригденом специально для аэрозолей в качестве стандартного микрометода для навесок порядка 50 мг. Пыль плотно спрессовывается в цилиндрический столбик диаметром 2 мя и длиной 10 мм. Проницаемость такого столбика (вдоль оси) для газов очень мала даже при перепаде давления 1 ат, поэтому Ригден разработал два специальных метода измерения объемной скорости течения через цилиндрик прямое взвешивание воздуха, поступающего из столбика в небольшую колбочку, на чувствительных автоматических весах или же измерение возрастания давления в колбочке. Результаты измерений обрабатываются по довольно громоздкой формуле, приведенной в- оригинальной статье. При этом значения удельной поверхности меньше полученных методом ослабления света, однако, учитывая свойственные последнему ошибки, лучшего нельзя было и ожидать. [c.262]

    Поляризационно-оптический метод определения напряжений основан на том, что некоторые изотропные прозрачные материалы (стекло, отвержденные эпоксидные, фенолоформальдегидные, оли-гоэфирные смолы и многие линейные полимеры) в напряженном состоянии становятся оптически анизотропными. Луч поляризованного света, проходящий через слой напряженного материала, разлагается на два взаимно перпендикулярных луча, распространяющихся с различными скоростями. Возникающая при этом оптическая разность хода в области упругих и высокоэластических деформаций полимеров пространственной структуры пропорциональна напряжению [24, с. 190 25, с. 11 26]. Разность хода определяется при просвечивании оптически активного материала в круговом полярископе, состоящем из источника света, поляризатора, пластинки в Д длины волны (к), дающей поляризованный по кругу свет, компенсирующей пластинки Х/4, анализатора и экрана. Если оптические оси поляризатора и анализатора составляют друг с другом угол в 90°, а напряженный материал помещен между пластинами Х/4, то на изображении модели на экране появляется интерференционная картина—чередование темных и светлых полос при монохроматическом источнике света и цветных при белом свете. [c.54]

    Путем бромирования полистирола довольно просто получают чувствительный к ультрафиолетовому свету полимер, содержащий 3% бромированных третичных атомов углерода такой макрогалогенид был облучен в растворах метилметакрилата. Если бромированный полистирол играет роль только инициатора, то можно рассчитать длину боковых цепей, исходя из скорости реакции и значений кинетических констант, имеющихся в литературе [14]. Атомы брома, возникающие при фотохимической реакции, также инициируют полимеризацию мономера с образованием гомополимера метилметакрилата, длина цепей которого должна быть равна длине привитых боковых цепей. Таким образом, имеется два метода определения длины боковых цепей результаты, полученные обоими методами, совпадают между собой довольно хорошо. В табл. 39 приведены данные для нескольких образцов привитых сополимеров. [c.141]


Опыты по определению скорости света

ВВИДЕНИЕ О природе света размышляли с древних времен. Древние мыслители считали, что свет это истечение “атомов” от предметов в глаза наблюдателя (Пифагор — около 580 — 500 лет до нашей эры): Тогда же определили прямолинейность распространения света, считалось, что он распространяется с очень большими скоростями, практически мгновенно. В XVI-XVII веках Р.Декарт (Рене Декарт; французский физик, 1596-1650), Р. Гук (Роберт Гук, английский физик, 1635-1703), Х. Гюйгенн (Христиан Гюйгенс, голландский физик, 1629-1695) исходили из того, что распространение света — это распространение волн в среде. Исаак Ньютон (Исаак Ньютон, английский физик, 1643 — 1727) выдвигал корпускулярную природу света, т.е. считал, что свет — это излучение телами определенных частиц и их распространение в пространстве. В 1801 году Т. Юнг (Томас Юнг, английский физик, 1773-1829) наблюдал интерференцию света,- о послужило развитию экспериментов со светом по интерференции и дифракции. И в 1818 году О.Ж Френель (Огюстен Жан Френель, французский физик, 1788-1827) возродил волновую теорию распространения света. Д.К. Максвелл после установления общих законов электромагнитного поля пришел к выводу, что свет — это электромагнитные волны. Далее была выдвинута гипотеза” мирового эфира”, что свет — это распространение электромагнитных волн в среде -” эфире”. Знаменитые эксперименты по проверке существования мирового эфира Арбводплись А.А. Майкельсоном и Э.У.Морли (1837-1923 г.г.), а по увлечению света движущейся средой! — А.И. Физо. (Альберт Абрахам — Майкельсон, американский физик; 18524931$ Нобелевская премия 1907 г. за создание прецизионные инструменты и выполненные с их помощью спектроскопические и метрологические исследования; Армана Ипполит Луи Физо, французский физик, 1819-1896). В результате было показано, что 3 мирового эфира (по крайней мере, в том понимании, как считали физики в то время некоторая абсолютная неподвижная среда) не существует. С обнаружением на эксперименте корпускулярных свойств и проявлений света (фотоэффект, Комптон эффект другие явления) была разработана квантовая природа света М. Планком и А. Эйнштейном, в рамках которой свет проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства — так называемый, корпускулярно волновой дуализм. (Макс Карл Эрнст Людвиг Планк — немецкий физик- теоретик, 1858-1947, Нобелевская премия 1918 г. за открытие законов излучения, Артур Хоти Комптон, американский физик,4892-1962: Нобелевская премия 1927; за эффект. названный его именем). Скорость света также пытались измерить различными способами, как в естественных, так и в лабораторных условиях. 4 На рисунках: Метод Ремера. С — солнце, Ю — юпитер, З – земля. Пусть в определенный момент времени Земля З1 и Юпитер Ю1 находятся в противоположении, и в этот момент времени один из спутников Юпитера, наблюдаемый с Земли, исчезает в тени Юпитера (спутник на рисунке не показан). Тогда, если обозначить через R и r радиусы орбит Юпитера и Земли и через c – скорость света в системе координат, связанной с Солнцем С, на Земле уход спутника в тень Юпитера будет зарегистрирован на (R-r)/с секунд позже, чем он совершается во временной системе отчета, связанной с Юпитером. По истечении 0,545 года Земля З2 и Юпитер Ю2 находятся в соединении. Если в это время происходит n-е затмение того же спутника Юпитера, то на Земле оно будет зарегистрировано с опозданием на (R+r)/с секунд. Поэтому, если период обращения спутника вокруг Юпитера t, то промежуток времени T1, протекающий между первым и n-м затмениями, наблюдавшимися с Земли, равен По истечении еще 0,545 года Земля З3 и Юпитер Ю3 будут вновь находиться в противостоянии. За это время совершилось (n-1) оборотов спутника вокруг Юпитера и (n-1) затмений, из которых первое имело место, когда Земля и Юпитер занимали положения З2 и Ю2, а последнее – когда они занимали положение З3 и Ю3. Первое затмение наблюдалось на Земле с запозданием (R+r)/с, а последнее с запозданием (R-r)/c по отношению к моментам ухода спутника в тень планеты Юпитера. Следовательно, в этом случае имеем 7 Рёмер измерил промежутки времени Т1 и Т2 и нашел, что Т1-Т2=1980 с. Но из написанных выше формул следует, что Т1-Т2=4r/с, поэтому с=4r/1980 м/с. Принимая r, среднее расстояние от Земли до Солнца, равным 1500000000 км, находим для скорости света значение 3,01*106 м/с. Этот результат был первым измерением скорости света. 1.2L.2L Аберрация света Другой астрономический метод определения скорости света был использован в 1725 г. Джеймсом Брэдли. Наблюдая над звездой в созвездии Дракона, он обнаружил, что её положение явно менялось в течение года. Результаты его измерений количественно не согласовались с теоретическими вычислениями параллактического смещения, что позволило прийти к выводу, что это явление нельзя объяснить параллаксом. Брэдли обнаружил, что звезда Дракона, находящаяся в зените (т.е. непосредственно над головой), совершает кажущееся движение с периодом в один год по почти круговой орбите с диаметром равным 40,5 дуговой секунды. Этот эффект работал для всех звёзд, в отличие от параллакса, который заметнее для ближних звёзд. Аберрация аналогична влиянию движения на угол падения капель дождя. Если вы стоите, и нет ветра, то капли падают вертикально вам на голову. Если вы побежите, то окажется, что дождь идёт под углом и попадает вам в лицо. Брэдли измерил этот угол для света звёзд. Явление, наблюдавшееся Брэдли, называется аберрацией. Брэдли с начала не мог объяснить свои наблюдения кажущимся периодическим движением звёзд. Наконец, благодаря случайной помощи матросов парусника, на котором Брэдли в числе других совершал путешествие по реке Темзе, ему удалось найти истинное объяснение этому явлению. Парусник двигался долгое время то вниз, то вверх по реке. Из-за умеренного ветра Брэдли заметил, что при каждом повороте парусника флюгер на его мачте 8 немного поворачивался так, как будто изменилось направление ветра. Он спросил матросов, почему направление ветра регулярно меняется при каждом изменении курса парусника. Матросы объяснили Брэдли, что изменения направления ветра не происходит и всё обусловлено только изменением направления движения парусника. Это наблюдение навело Брэдли на мысль, что в явлении аберрации роль ветра играет распространение света, а роль парусника играет Земля. Оно не имеет ничего общего с собственным движением звезды. Причина аберрации заключается в том, что величина скорости света конечна, а наблюдение ведется с Земли, движущейся по орбите с некоторой скоростью v. Угол раствора конуса, под которым с Земли видна кажущаяся траектория звезды, определяется выражением: tgα=ν/cα=ν/Δtc Зная угол α и скорость движения Земли по орбите v, можно определить скорость света c. У него получилось значение скорости света равной 308000 км/с. 1.3 ЛАБОРАТОРНЫЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА 1.3.1 Метод Физо Первый лабораторный опыт по измерению скорости света с использованием метода вращающегося затвора провел в 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо. Физо несколько модернизировал схему эксперимента, предложенного ещё 250 лет назад Галилеем. 9 равным времени поворота зубчатого колеса на суммарную ширину зубца и прорези (шаг зубчатого колеса): Получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом: c = 2LNν2, где ν2 = 1/T2 – частота вращения, при которой в окуляре вновь появляется свет после первого исчезновения. 1.3.2L Усовершенствование Фуко Когда Физо объявил результаты своего измерения, учёные усомнились в достоверности этой колоссальной цифры, согласно которой свет доходит от Солнца до Земли за 8 минут и может облететь Землю за восьмую долю секунды. Многие не поверили результатом. Казалось невероятным, чтобы человек смог измерить столь огромную скорость такими примитивными инструментами. В 1850 г. Жан Фуко, видоизменив метод Физо, заменил зубчатое колесо вращающимся восьмигранным зеркалом. Это замена позволила осуществить лучшую фокусировку света и увеличить его интенсивность. Теперь вместо зубчатого колеса стояло вращающееся полупрозрачное зеркало. С тех пор скорость света полагалась равной 298 000 километров в секунду. В 1862 г. 12 Установка Фуко Фуко успешно осуществил второй метод, принцип которого которого ещё раньше в 1838 г. предложил Араго с целью сравнения скорости света в воздухе со скоростью света в других средах (в воде). Фуко поместил между отражающим и вращающимся зеркалами трубу с водой, чтобы определить скорость распространения света в воде. Оказалось, что скорость распространения света в воздухе больше. Метод основан на более тщательных измерениях малых промежутков времени при помощи вращающегося зеркала. И тот факт, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, «похоронило» ньютоновскую корпускулярную теорию света. Стало окончательно ясно что свет – это волна. 1.4 ОПЫТЫ А. МАЙКЕЛЬСОНА И МАЙКЕЛЬСОНА – МОРЛИ 1.4.1 Опыт А. Майкельсона В течение всей своей жизни американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) совершенствовал методику измерения скорости света. Создавая все более сложные установки, он пытался получить результаты с минимальной погрешностью. В 1924–1927 годах Майкельсон разработал схему опыта, в котором луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио (расстояние порядка 35 км). В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало, изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально разработанным высокоскоростным ротором, делающим до 528 оборотов в секунду. Изменяя частоту вращения ротора, наблюдатель добивался возникновения в окуляре устойчивого изображения источника света. Знание расстояния между 13 установками и частоты вращения зеркала позволяли вычислить скорость света. Начиная с 1924 года и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений, повышалась точность измерения расстояния и частоты вращения ротора. Средний результат измерений составил 299 798 км в секунду. Результаты же всех измерений Майкельсона можно записать как c = (299796 ± 4) км/с. Пользователь может изменять частоту вращения восьмиугольной призмы, наблюдая за движением светового импульса и добиваясь его попадания в окуляр наблюдателя. Частоту можно изменять от 0 до 1100 оборотов в секунду с шагом 2 с–1. Чтобы легче было выставлять частоту в эксперименте, сделана ручка грубого регулятора частоты вращения, более точные настройки можно выставлять с помощью дополнительных клавиш справа от окна частоты. Оптимальный результат достигается при 528 и 1056 оборотах в секунду. При 0 оборотов рисуется статичный луч света от источника до наблюдателя. Пример расчета скорости света для эксперимента, при котором появление света наблюдатель фиксирует при частоте вращения зеркала 528 с– 1. Здесь ν и T – частота и период вращения восьмигранной призмы, τ1 – время, за которое световой пучок успевает пройти расстояние L от одной установки до другой и вернутся обратно, оно же – время поворота одной грани зеркала. 1.4.2L Усовершенствования опыта Майкельсона В настоящее время благодаря использованию лазеров точность экспериментов увеличилась во много раз. Так, в 1964 г. Джасей, А.Джаван, Муррей, Чарльз Хард, за счёт фундаментальных исследований в области 14 В этом опыте с большой точностью была определена величина ускоряющего потенциала ϕ. Кинетическая энергия электрона равна K = eϕ, (ϕ = ϕ1 − ϕ2).ϕ, (ϕ = ϕ1 − ϕ2L). Если ϕ = 106 В, то электрон после ускорения приобретет энергию 1 МэВ = 106 эВ. Поскольку 1 эВ = 1,6 · 10−12 эрг, то приобретенная электронами кинетическая энергия равна K = 1,6 · 10−6 эрг. Если через сечение пучка пролетает N электронов в секунду, то мощность, передаваемая алюминиевой мишени в конце их пути, должна быть равна 1,6 · 10−6N эрг/сек. Это в точности совпадало с непосредственно определенной (с помощью термопары) поглощенной мишенью мощностью. Таким образом подтверждалось, что электроны отдавали мишени всю кинетическую энергию, полученную в ходе их ускорения. Далее, на основании нерелятивистской механики мы ожидали бы, что K = 1 2L mv2L. 17 Схема опыта Бертоцци по определению предельной скорости. Тогда график зависимости v 2 от кинетической энергии K должен был бы быть прямой линией. Однако для энергий электронов, превышающих примерно 105 эВ, линейное соотношение между v 2 и K экспериментально не выполнялось. Вместо этого на эксперименте наблюдалось, что скорость частиц при больших энергиях приближалась к предельной величине равной 3 · 1010 см/ сек. Из этих экспериментов следует, что электроны получали от ускоряющего поля энергию, пропорциональную приложенной разности потенциалов, но их скорость не могла тем не менее увеличиваться беспредельно и приближалась к значению скорости света в вакууме. Многие другие эксперименты, как и описанный выше, свидетельствуют о том, что c — это верхний предел скорости частиц. Таким образом, мы твердо убеждаемся, что c — это максимальная скорость передачи сигнала как с помощью частиц, так и с помощью электромагнитных волн; c — это предельная скорость. Вывод: 1. Величина c инвариантна для инерциальных систем отсчета. 2L. c — максимальная возможная скорость передачи сигнала. 3. СКОРОСТЬ СВЕТА В ВЕЩЕСТВЕ Из уравнений Максвелла скорость света можно определить, как электрическая и магнитная постоянная. Естественно, что свет распространяясь в прозрачных средах, изменяет свою скорость. Для описания скорости света в веществе служит одна из 18 Зависимость квадрата скорости электрона от его кинетической энергии в опыте Бертоцци. основных оптических характеристик – показатель (или коэффициент) преломления n. Показатель преломления показывает во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в веществе. Согласно решению системы уравнений Максвелла, для сред где – диэлектрическая проницаемость вещества, — магнитная проницаемость вещества. Для большинства прозрачных сред можно принять 1. В общем случае скорость света в веществе зависит от длины волны (дисперсии). 4. ТАХИОНЫ. ЧАСТИЦЫ, ДВИЖУЩИЕСЯ СО СКОРОСТЯМИ БОЛЬШЕ СВЕТА 4.1 Мнимые массы Частицы, движущиеся со скоростями, большими, чем скорость света, принято сейчас называть тахионами – от греческого слова «тахис», что означает «быстрый», «стремительный». Досконально изучить свойства таких частиц можно будет, конечно, лишь после того, как их откроют в эксперименте. Однако некоторые особенности этих частиц можно предсказать теоретически, на основе уже известных нам физических законов. Один из таких законов – взаимозависимость массы и скорости частиц. Действительно, один из основных выводов теории относительности состоит в том, что полная энергия частицы, движущейся с скорость и имеющей в состоянии покоя массу m, равна E= mc2 √1−( v c ) 2 , где≈ 3 ∙1010см /сек— скорость света в вакууме. И этого соотношения видно, что, когда скорость частицы приближается к скорости света, v→ с, энергия такой частицы обращается в бесконечность, а при скоростях, когда подкоренное выражение в знаменателе принимает отрицательны значения, вообще становится мнимой величиной. То же самок происходит импульсом 19 Исключение составляет случай, когда τ 0=∞ и тахион вообще является стабильной частицей. Парадоксальность свойств тахионов с точки зрения привычных для нас представлений ещё не может служить основанием для заключения о невозможности существования таких частиц в природе – за последние годы экспериментальная физика представила нам немало сюрпризов, радикально повлиявших на многие наши, казалось бы, самые неожидаемые представления об окружающей природе. Важно что ни один из перечисленных выше свойств тахионов само по себе не противоречит основным законам, лежащим в основе здания современной физики. 4.3 Отрицательные энергии Более серьезное возражение против существования тахионов заключается в том, что в отличие от обычных частиц, знак энергии сверхсветовой частицы может быть изменён на обратный путём простого перехода к другой системе координат, движущейся с некоторой скоростью и, меньше скорости света. При таком переходе энергия E →E ´, где в соответствии с преобразованием Лоренца для перехода от одной системы координат к другой новая энергия тахиона E ´=(E− puc )γ=(1− pu Ec )γ=E(1− uv c2 )γ (здесь γ=1 /√1−(uc ) 2 – упоминавшийся уже выше релятивистский фактор, p – импульс, а v=pc /E– скорость тахиона в старой системе координат). Очевидно, если произведение скоростей uv>c2, то энергии E и E´ будут иметь различные знаки. Трудность, связанная с изменением знака энергии, заключается не только в том, что полная а также кинетическая энергии частицы по самому смыслу должны быть положительными величинами; возможность сделать энергию тахиона отрицательной означает, что любая физическая система 22 была бы нестабильной по отношению к испусканию неограниченного числа тахионов, бесконечно увеличивая при этом свою энергию и реализуя тем самым идею вечного двигателя. Кроме того, из вакуума должны были бы спонтанно рождаться пары тахионов с энергиями −E и+E; образование неограниченного числа таких пар не противоречит законам сохранения энергии – импульса и не изменяет суммарную нулевую энергию вакуума. 5. СВЕРХСВЕТОВАЮ СКОРОСТЬ 5.1 Сверхсветовая скорость Середине прошлого года в журналах появилось сенсационное сообщение. Группа американских исследователей обнаружила, что очень короткий лазерный импульс движется в особым образом подобранной среде в сотни раз быстрее, чем в вакууме. Это явление казалось совершенно невероятным (скорость света в среде всегда меньше, чем в вакууме) и даже породило сомнения в справедливости специальной теории относительности. Между тем сверхсветовой физический объект — лазерный импульс в усиливающей среде — был впервые обнаружен не в 2000 году, а на 35 лет раньше, в 1965 году, и возможность сверхсветового движения широко обсуждалась до начала 70-х годов. Сегодня дискуссия вокруг этого странного явления вспыхнула с новой силой. Наверное, всем — даже людям, далеким от физики, — известно, что предельно возможной скоростью движения материальных объектов или распространения любых сигналов является скорость света в вакууме. Она обозначается буквой с и составляет почти 300 тысяч километров в секунду; точная величина с = 299 792 458 м/с. Скорость света в вакууме — одна из фундаментальных физических констант. Невозможность достижения скоростей, превышающих с, вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала 23 бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с. Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются. Для начала напомним основные аспекты, относящиеся к проблеме скорости света. Прежде всего: почему нельзя (при обычных условиях) превысить световой предел? Потому, что тогда нарушается фундаментальный закон нашего мира — закон причинности, в соответствии с которым следствие не может опережать причину. Никто никогда не наблюдал, чтобы, например, сначала замертво упал медведь, а потом выстрелил охотник. При скоростях же, превышающих с, последовательность событий становится обратной, лента времени отматывается назад. В этом легко убедиться из следующего простого рассуждения. Предположим, что мы находимся на неком космическом чудо-корабле, движущемся быстрее света. Тогда мы постепенно догоняли бы свет, испущенный источником во все более и более ранние моменты времени. Сначала мы догнали бы фотоны, испущенные, скажем, вчера, затем — испущенные позавчера, потом — неделю, месяц, год назад и так далее. Если бы источником света было зеркало, отражающее жизнь, то мы сначала увидели бы события вчерашнего дня, затем позавчерашнего и так далее. Мы могли бы увидеть, скажем, старика, который постепенно превращается в человека средних лет, затем в молодого, в юношу, в ребенка… То есть время повернуло бы вспять, мы двигались бы из настоящего в прошлое. Причины и следствия при этом поменялись бы местами. Хотя в этом рассуждении полностью игнорируются технические детали процесса наблюдения за светом, с принципиальной точки зрения оно 24 27 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Свойства скорости света и сама её величина играют огромную роль в природе. Предельный характер этой скорости существенно меняет наши представления о пространстве и времени. Скорость света с – это одна из основных мировых физических постоянных. Перечислим ряд основных фактов, касающихся скорости распространения света и установленных в результате многочисленных экспериментов: 1. Скорость света с является предельной скоростью движения материальных тел, постоянна в вакууме и не зависит от частоты света. Этот факт проверен в диапазоне длин электромагнитных волн λ от многих километров до очень коротких по длине волны γ – лучей: c=2.997924581010 cm c =2.99792458108 m c . 2. Свет имеет электромагнитную природу, распространяется в виде электромагнитных волн, фотонов. Скорость света с входит в уравнения системы уравнений Максвелла, описывающей электромагнитные явления. 3. Скорость света с входит во многие атомные и ядерные постоянные. Например, в постоянную тонкой структуры, которая определяет величину электромагнитного взаимодействия: в магнетон Бора, определяющий магнитный момент микрочастиц: 4. Существует гипотетическая частица – тахиона, которая движется со скоростью больше скорости света. 5. Существует эффект туннелирования из квантовой механики, при котором уже частицы, а не образы могут превысить скорость света. Список литературы: 28 1. Н.М.ГОДЖАЕВ. ОПТИКА. ©Издательство «Высшая школа» 1977 г. 2L. Г.С.ЛАНДСБЕРГ. ОПТИКА. ©Издательство «Наука» 1976 3. https:/Δt/Δtufn.ru/Δtufn74/Δtufn74_9/ΔtRussian/Δtr749f.pdf 4. http:/Δt/Δtn-t.ru/Δtri/Δtdj/Δtmc.htm 5. https:/Δt/Δtwww.nkj.ru/Δtarchiveϕ, (ϕ = ϕ1 − ϕ2)./Δtarticleϕ, (ϕ = ϕ1 − ϕ2).s/Δt5459/Δt 29

Как измеряют скорость света?

В 1676 датский астроном Оле Рёмер сделал первую грубую оценку скорости света. Рёмер заметил слабое расхождение в продолжительности затмений спутников Юпитера и сделал вывод, что движение Земли, либо приближающейся к Юпитеру, либо удаляющейся от него, изменяло расстояние, которое приходилось проходить свету, отраженному от спутников.

Измерив величину этого расхождения, Рёмер подсчитал, что скорость света составляет 219911 километров в секунду. В более позднем эксперименте в 1849 году французский физик Арман Физо получил, что скорость света равна 312873 километрам в секунду.

Как показано на рисунке вверху, экспериментальная установка Физо состояла из источника света, полупрозрачного зеркала, которое отражает только половину падающего на него света, позволяя остальному проходить дальше вращающегося зубчатого колеса и неподвижного зеркала. Когда свет попадал на полупрозрачное зеркало, он отражался на зубчатое колесо, которое разделяло свет на пучки. Пройдя через систему фокусирующих линз, каждый световой пучок отражался от неподвижного зеркала и возвращался назад к зубчатому колесу. Проведя точные измерения скорости вращения, при которой зубчатое колесо блокировало отраженные пучки, Физо смог вычислить скорость света. Его коллега Жан Фуко год спустя усовершенствовал этот метод и получил, что скорость света составляет 297 878 километров в секунду. Это значение мало отличается от современной величины 299 792 километров в секунду, которая вычисляется путем перемножения длины волны и частоты лазерного излучения.

Эксперимент Физо

Как показано на рисунках вверху, свет проходит вперед и возвращается назад через один и тот же промежуток между зубцами колеса в том случае, если оно вращается медленно (нижний рисунок). Если колесо вращается быстро (верхний рисунок), соседний зубец блокирует возвращающийся свет.

Результаты Физо

Разместив зеркало на расстоянии 8,64 километра от зубчатого колеса, Физо определил, что скорость вращения зубчатого колеса, необходимая для блокирования возвращающегося светового пучка, составляла 12,6 оборотов в секунду. Зная эти цифры, а также расстояние, пройденное светом, и расстояние, которое должно было пройти зубчатое колесо, чтобы блокировать световой пучок (равное ширине промежутка между зубцами колеса), он вычислил, что световому пучку потребовалось 0,000055 секунды на то, чтобы пройти расстояние от зубчатого колеса к зеркалу и обратно. Разделив на это время общее расстояние 17,28 километра, пройденное светом, Физо получил для его скорости значение 312873 километра в секунду.

Эксперимент Фуко

В 1850 году французский физик Жан Фуко усовершенствовал технику Физо, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Свет из источника доходил до наблюдателя только в том случае, когда зеркало совершало полный оборот на 360° за промежуток времени между отправлением и возвращением светового луча. Используя этот метод, Фуко получил для скорости света значение 297878 километров в секунду.

Финальный аккорд в измерениях скорости света.

Изобретение лазеров дало возможность физикам измерить скорость света с гораздо большей точностью, чем когда либо раньше. В 1972 году ученые из Национального института стандартов и технологии тщательно измерили длину волны и частоту лазерного луча и зафиксировали скорость света, произведение этих двух переменных, на величине 299792458 метров в секунду (186282 мили в секунду). Одним из последствий этого нового измерения было решение Генеральной конференции мер и весов принять в качестве эталонного метра (3,3 фута) расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 секунды. Таким образом/скорость света, наиболее важная фундаментальная постоянная в физике, сейчас вычисляется с очень высокой достоверностью, а эталонный метр может быть определен гораздо более точно, чем когда-либо ранее.

 

Скорость света и методы ее измерения.

Скорость света и методы ее определения. Чему равна скорость света в вакууме

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

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

План

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

Введение

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.

1. Астрономические методы измерения скорости света

1.1 Метод 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:

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 Е 1 Е 2 Е 3 она удаляется от Юпитера и должно наблюдаться увеличение периода. При движении по участку Е 3 Е 4 Е 1 наблюдаемый 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 Е 1 ) до момента «соединения» (точка Е 3 ), 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 Е 1 в точку Е 3 и свету приходится в конце полугодия проходить путь, больший, чем в начале, на величину отрезка Е 1 Е 3 , 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.

1.2 Метод 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

Из 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.

Свет, 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:

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.

1.4 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 M 1, которое может вращаться вокруг своей оси О , перпендикулярной к плоскости чертежа. После отражения от зеркала M 1 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 M 1 . Если зеркало M 1 неподвижно, то отраженный от него луч возвратится по своему первоначальному пути к пластинке Р , частично отражаясь от которой он даст изображение источника S в точке S 1 .

При вращении зеркала M 1 за время, пока свет проходит путь 2 l между обоими зеркалами и возвращается обратно (), вращающееся с угловой скоростью зеркало M 1 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 S 2 . Измерив расстояние S 1 S 2 и зная геометрию установки, можно определить угол и вычислить скорость света:

Таким образом, суть метода Фуко заключается в точном измерении времени прохождения светом расстояния 2 l . Это время оценивается по углу поворота зеркала M 1 , скорость вращения которого известна. Угол поворота определяется на основе измерений смещения S 1 S 2 . 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.

1.5 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 2 М 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

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

Подобные документы

    Разделение четырехмерного пространства на физическое время и трехмерное пространство. Постоянство и изотропия скорости света, определение одновременности. Расчет эффекта Саньяка в предположении анизотропии скорости света. Изучение свойств NUT-параметра.

    статья , добавлен 22.06.2015

    Видимое излучение и теплопередача. Естественные, искусственные люминесцирующие и тепловые источники света. Отражение и преломление света. Тень, полутень и световой луч. Лунное и солнечное затмения. Поглощение энергии телами. Изменение скорости света.

    презентация , добавлен 27.12.2011

    Преобразование света при его падении на границу двух сред: отражение (рассеяние), пропускание (преломление), поглощение. Факторы изменения скорости света в веществах. Проявления поляризации и интерференции света. Интенсивность отраженного света.

    презентация , добавлен 26.10.2013

    Развитие представления о пространстве и времени. Парадигма научной фантастики. Принцип относительности и законы сохранения. Абсолютность скорости света. Парадокс замкнутых мировых линий. Замедление хода времени в зависимости от скорости движения.

    реферат , добавлен 10.05.2009

    Понятие дисперсии света. Нормальная и аномальная дисперсии. Классическая теория дисперсии. Зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты. Разложение белого света дифракционной решеткой. Различия в дифракционном и призматическом спектрах.

    презентация , добавлен 02.03.2016

    Устройство фотометрической головки. Световой поток и мощность источника света. Определение силы света, яркости. Принцип фотометрии. Сравнение освещенности двух поверхностей, создаваемой исследуемыми источниками света.

    лабораторная работа , добавлен 07.03.2007

    Основные принципы геометрической оптики. Изучение законов распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче. Астрономические и лабораторные методы измерения скорости света, рассмотрение законов его преломления.

    презентация , добавлен 07.05.2012

    Спектральные измерения интенсивности света. Исследование рассеяния света в магнитных коллоидах феррита кобальта и магнетита в керосине. Кривые уменьшения интенсивности рассеянного света со временем после выключения электрического и магнитного полей.

    статья , добавлен 19.03.2007

    Теоретические основы оптико-электронных приборов. Химическое действие света. Фотоэлектрический, магнитооптический, электрооптический эффекты света и их применение. Эффект Комптона. Эффект Рамана. Давление света. Химические действия света и его природа.

    реферат , добавлен 02.11.2008

    Волновая теория света и принцип Гюйгенса. Явление интерференции света как пространственного перераспределения энергии света при наложении световых волн. Когерентность и монохроматичных световых потоков. Волновые свойства света и понятие цуга волн.

В 1676 датский астроном Оле Рёмер сделал первую грубую оценку скорости света. Рёмер заметил слабое расхождение в продолжительности затмений спутников Юпитера и сделал вывод, что движение Земли, либо приближающейся к Юпитеру, либо удаляющейся от него, изменяло расстояние, которое приходилось проходить свету, отраженному от спутников.

Измерив величину этого расхождения, Рёмер подсчитал, что скорость света составляет 219911 километров в секунду. В более позднем эксперименте в 1849 году французский физик Арман Физо получил, что скорость света равна 312873 километрам в секунду.

Как показано на рисунке вверху, экспериментальная установка Физо состояла из источника света, полупрозрачного зеркала, которое отражает только половину падающего на него света, позволяя остальному проходить дальше вращающегося зубчатого колеса и неподвижного зеркала. Когда свет попадал на полупрозрачное зеркало, он отражался на зубчатое колесо, которое разделяло свет на пучки. Пройдя через систему фокусирующих линз, каждый световой пучок отражался от неподвижного зеркала и возвращался назад к зубчатому колесу. Проведя точные измерения скорости вращения, при которой зубчатое колесо блокировало отраженные пучки, Физо смог вычислить скорость света. Его коллега Жан Фуко год спустя усовершенствовал этот метод и получил, что скорость света составляет 297 878 километров в секунду. Это значение мало отличается от современной величины 299 792 километров в секунду, которая вычисляется путем перемножения длины волны и частоты лазерного излучения.

Эксперимент Физо

Как показано на рисунках вверху, свет проходит вперед и возвращается назад через один и тот же промежуток между зубцами колеса в том случае, если оно вращается медленно (нижний рисунок). Если колесо вращается быстро (верхний рисунок), соседний зубец блокирует возвращающийся свет.

Результаты Физо

Разместив зеркало на расстоянии 8,64 километра от зубчатого колеса, Физо определил, что скорость вращения зубчатого колеса, необходимая для блокирования возвращающегося светового пучка, составляла 12,6 оборотов в секунду. Зная эти цифры, а также расстояние, пройденное светом, и расстояние, которое должно было пройти зубчатое колесо, чтобы блокировать световой пучок (равное ширине промежутка между зубцами колеса), он вычислил, что световому пучку потребовалось 0,000055 секунды на то, чтобы пройти расстояние от зубчатого колеса к зеркалу и обратно. Разделив на это время общее расстояние 17,28 километра, пройденное светом, Физо получил для его скорости значение 312873 километра в секунду.

Эксперимент Фуко

В 1850 году французский физик Жан Фуко усовершенствовал технику Физо, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Свет из источника доходил до наблюдателя только в том случае, когда зеркало совершало полный оборот на 360° за промежуток времени между отправлением и возвращением светового луча. Используя этот метод, Фуко получил для скорости света значение 297878 километров в секунду.

Финальный аккорд в измерениях скорости света.

Изобретение лазеров дало возможность физикам измерить скорость света с гораздо большей точностью, чем когда либо раньше. В 1972 году ученые из Национального института стандартов и технологии тщательно измерили длину волны и частоту лазерного луча и зафиксировали скорость света, произведение этих двух переменных, на величине 299792458 метров в секунду (186282 мили в секунду). Одним из последствий этого нового измерения было решение Генеральной конференции мер и весов принять в качестве эталонного метра (3,3 фута) расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 секунды. Таким образом/скорость света, наиболее важная фундаментальная постоянная в физике, сейчас вычисляется с очень высокой достоверностью, а эталонный метр может быть определен гораздо более точно, чем когда-либо ранее.

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.


Так, Декарт , Кеплер и Ферма были того же мнения, что и ученые античности. А вот 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 , оформив заявку на сайте.


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.


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.


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.


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. вы можете оформив заявку на сайте Заочника. Желаем Вам приятной и легкой учебы!

Известно, что скорость света в вакууме конечна и составляет ≈300 000 км/c. На этих данных основана вся современная физика и все современные космические теории. Но ещё совсем недавно ученые были уверены, что скорость света бесконечна, и мы мгновенно видим то, что происходит в самых дальних уголках космоса.

О том, что такое свет, люди начали задумываться ещё в глубокой древности. Свет от пламени свечи, мгновенно распространяющийся по помещению, вспышки молний на небесах, наблюдение за кометами и другими космическими телами на ночном небе давало ощущение, что скорость света бесконечна. Действительно, трудно поверить, что, например, смотря на Солнце, мы наблюдаем его не в настоящем состоянии, а таким, какое оно было около 8 минут назад.

Но некоторые люди всё же подвергали сомнению устоявшуюся, казалось бы, истину о бесконечности скорости света. Одним из таких людей был Исаак Бенгман, который в 1629 году попробовал провести эксперимент по определению конечной скорости света. В его распоряжении не было, конечно же, ни компьютеров, ни высокочувствительных лазеров, ни высокоточных часов. Вместо этого ученый решил произвести взрыв. Наполнив емкость взрывчатым веществом, он на различном расстоянии от неё установил большие зеркала и попросил наблюдателей определить, в каком из зеркал вспышка от взрыва появится раньше. Учитывая, что за одну секунду свет способен обогнуть землю 7,5 раз, можно догадаться, что эксперимент закончился провалом.

Чуть позже небезызвестный Галилей, который тоже подвергал сомнению бесконечность скорости света, предложил свой эксперимент. Он поставил своего помощника с фонарем на один холм, а сам встал с фонарем на другой. Когда Галилей поднял крышку со своего фонаря, его помощник сразу же поднял крышку с противоположного фонаря. Конечно, этот эксперимент тоже не мог увенчаться успехом. Единственное, что Галилей мог предположить, было то, что скорость света намного быстрее человеческой реакции.

Получается, единственным выходом из положения было участие в эксперименте тел, достаточно сильно удаленных от Земли, но которые можно было бы наблюдать при помощи телескопов того времени. Такими объектами стали Юпитер и его спутники. В 1676 году астроном Оле Рёмер пытался определить долготу между различными точками на географической карте. Для этого он использовал систему по наблюдению за затмением одного из спутников Юпитера – Ио. Свои исследования Оле Рёмер вел с острова недалеко от Копенгагена, в то время как другой астроном Джованни Доменико Кассини наблюдал за этим же затмением из Парижа. Сравнив время начала затмения между Парижем и Копенгагеном, ученые определили разницу в долготе. Несколько лет подряд Кассини наблюдал за спутниками Юпитера из одного и того же места на Земле и заметил, что время между затмениями спутников становится короче, когда Земля находится к Юпитеру ближе, и длиннее, когда Земля отдалена от Юпитера. На основании своих наблюдений он предположил, что скорость света конечна. Это было абсолютно верное решение, но почему-то Кассани вскоре отказался от своих слов. Зато Рёмер воспринял идею с энтузиазмом, и даже сумел составить хитроумные формулы, учитывающие диаметр Земли и орбиту Юпитера. В результате он посчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли вокруг Солнца. Его расчеты были неверны: по современным данным, свет проходит это расстояние за 16 минут и 40 секунд. Если бы вычисления Оле были бы точными, то скорость света составляла бы 135 000 км/c.

Позже, основываясь на вычислениях Рёнера, Христиан Гюйенс подставил в формулы более точные данные диаметра Земли и орбиты Юпитера. В итоге он получил скорость света равную 220 000 км/c, что намного ближе к верному значению.

Но не все ученые подсчитали гипотезу о конечности скорости света верной. Научные дебаты продолжались до 1729 года, когда было открыто явление световой абберации, которое подтвердило предположение о конечности скорости света и позволило более точно измерить её значение.

Это интересно: современные ученые и историки приходят к выводу, что, скорее всего, формулы Рёмера и Гюйенса были верными. Ошибка заключалась в данных об орбите Юпитера и диаметре Земли. Получается, ошибались не два астронома, а люди, предоставившие им информацию об орбите и диаметре.

Основное фото: depositphotos.com

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

В давние времена многие ученые считали скорость света бесконечной. Итальянский физик Галилео Галилей был одним из первых, кто попробовал ее измерить.

Первые попытки

В начале XVII столетия Галилей предпринял эксперимент, состоявший в том, что два человека с прикрытыми фонарями стояли на известном расстоянии друг от друга. Один человек подавал свет, и как только другой его видел, он раскрыл свой собственный фонарь. Галилей попытался записывать время между вспышками, но затея оказалась неудачной по причине слишком малого расстояния. Скорость света не могла быть измерена таким способом.

В 1676 году датский астроном Оле Ремер стал первым человеком, доказавшим, что свет распространяется с конечной скоростью. Он изучал затмения спутников Юпитера и заметил, что они происходят раньше или позже, чем ожидалось по расчетам (раньше, когда Земля ближе к Юпитеру, и позже, когда Земля дальше). Румер логично предположил, что запаздывание обусловлено временем, необходимым на преодоление расстояния.

На современном этапе

В последующие столетия ряд ученых работал над определением скорости света с использованием усовершенствованных приборов, изобретая все более точные методы расчетов. Французский физик Ипполит Физо произвел в 1849 году первые неастрономические измерения. В использованной методике применено вращающееся зубчатое колесо, через которое пропускался свет, и система зеркал, расположенная на значительном удалении.

Более точные расчеты скорости сделаны в 1920-е годы. Эксперименты американского физика Альберта Майкельсона проходили в горах Южной Калифорнии с применением восьмигранного вращающегося зеркального аппарата. В 1983 году Международная комиссия по мерам и весам официально признала величину скорости света в вакууме, которую сегодня применяют при расчетах все ученые мира. Она составляет 299 792 458 м/с (186,282 миль/сек). Таким образом, за одну секунду свет преодолевает расстояние, равное экватору Земли 7,5 раз.

Что такое скорость света?

К

Скорость света в свободном пространстве (то есть в вакууме) — постоянная величина, которая была измерена со значительной точностью. Для девяти значащих цифр это 299 792 458 метров в секунду (2,99792458 x 10 8 м / с). Это скорость, с которой все электромагнитные поля, включая радиоволны, инфракрасное (ИК), ультрафиолетовое (УФ), рентгеновское и гамма-лучи, распространяются в вакууме. Константа обозначена символом c .

Скорость света кажется для большинства повседневных целей бесконечной. Но истинная конечность его скорости становится очевидной при спутниковой связи, особенно при использовании геостационарных спутников. Эти спутники вращаются на орбите примерно на 36 000 километров (км) над Землей. Задержку распространения можно заметить как увеличенную задержку при использовании услуг спутникового Интернета. Электромагнитным волнам, включая видимый свет, требуется примерно 1,3 секунды, чтобы пройти расстояние между Землей и Луной, и примерно восемь минут (8 минут), чтобы добраться от Солнца до Земли.ЭМ-волнам от звезд в нашей галактике может потребоваться до тысяч лет, чтобы достичь нас; электромагнитные волны от самых далеких известных объектов в Космосе потратили миллиарды лет на своем пути к нам (где один миллиард определяется как 1 000 000 000 или 10 9 ).

Скорость света в свободном пространстве не зависит от относительной скорости между источником и наблюдателем. Некоторым это кажется нелогичным, но это было продемонстрировано экспериментами. Самый известный такой эксперимент был проведен двумя физиками, Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли, в конце 1800-х годов.Они обнаружили, что скорость света одинакова во всех направлениях, несмотря на то, что Земля движется в космосе.

См. Также нашу Таблицу физических единиц и констант.

Последнее обновление: декабрь 2007 г.

Продолжить чтение о скорости света

Кто определил скорость света?

В древние времена многие ученые считали, что скорость света бесконечна и он может мгновенно перемещаться на любое расстояние.Итальянский физик Галилео Галилей был одним из первых, кто попытался измерить скорость света. В начале 17 века он разработал эксперимент, в котором два человека с закрытыми фонарями стояли на известном расстоянии друг от друга. Один человек открыл свой фонарь, и как только другой увидел свет, он открыл свой собственный фонарь. Галилей попытался записать время между сигналами фонаря, но безуспешно, потому что расстояние было слишком маленьким, а свет просто перемещался слишком быстро, чтобы его можно было измерить таким образом.

Примерно в 1676 году датский астроном Оле Ремер стал первым человеком, доказавшим, что свет движется с конечной скоростью. Он изучил спутники Юпитера и заметил, что их затмения произошли раньше, чем предсказывалось, когда Земля была ближе к Юпитеру, и произошли позже, когда Земля была дальше от Юпитера. Ремер рассуждал, что это результат движения света с конечной скоростью; чтобы добраться до Земли, потребовалось больше времени, когда Юпитер находился на большем расстоянии.

В последующие века ряд других ученых работали над определением скорости света и, используя улучшенные методы, производили все более точные вычисления.Французскому физику Ипполиту Физо приписывают проведение первых неастрономических измерений в 1849 году с использованием метода, который включал передачу света через вращающееся зубчатое колесо, а затем его отражение обратно с помощью зеркала, расположенного на значительном расстоянии. Один из первых точных вычислений скорости света был произведен в 1920-х годах американским физиком Альбертом Майкельсоном, который проводил свои исследования в горах Южной Калифорнии с помощью восьмистороннего вращающегося зеркала. В 1983 году международная комиссия по мерам и весам установила скорость света в вакууме в соответствии с расчетами, которые мы используем сегодня: 299 792 458 метров в секунду (186 282 миль в секунду) — скорость, которая могла бы вращаться вокруг экватора 7.5 раз за одну секунду.

Откуда фотон знает, что он движется со скоростью света?

Pobytov / Getty Images

Откуда фотон «знает», что он движется со скоростью света?

Элейн Патрик Сайффиллиог, Денбишир, Великобритания

Не знаю, спросите Эрвина Шредингера. Он был моим родственником по материнской линии. Он сказал ее маме, но она тоже не могла этого понять.С тех пор мы пребываем в неведении.

Ян Гуйджен Балик Пулау, Пенанг, Малайзия

Законы Вселенной требуют, чтобы все частицы энергии и материи, занимающие ее пространство, подчинялись ее правилам — чтобы сохранить жизнеспособный дом и игровую площадку для всех. Одно из этих правил состоит в том, что если вы безмассовая частица электромагнитного происхождения и хотите играть в вакууме, вы должны постоянно двигаться со скоростью света, 299 792 458 метров в секунду.

Если вы — частица с массой, то есть и другие правила, которым вы можете следовать.

@kbachmann, через Twitter

Разве любая скорость, которую перемещают фотоны, не будет по определению скоростью света?

Ян Глендиннинг Вена, Австрия

Все безмассовые частицы всегда движутся со скоростью, обозначенной буквой c , тогда как массивные частицы могут двигаться с любой скоростью от нуля до c .Поскольку фотоны безмассовые, они движутся со скоростью c , которая называется скоростью света, потому что фотон был первым известным примером безмассовой частицы.

Итак, краткий ответ на вопрос: фотон знает, что он движется со скоростью света, потому что он безмассовый.

Кен Эпплби Ледбери, Херефордшир, Великобритания

То, что мы называем фотонами, на самом деле является взаимодействием электромагнитных полей. Между взаимодействиями фотонов не существует.Вы не можете наблюдать проходящий фотон, а только обнаруживать возбуждение электромагнитного поля, когда оно происходит.

Фотоны не существуют как частицы. Нет никаких частиц, только взаимодействия квантовых полей. Уравнения Максвелла воплощают и объясняют с помощью элегантной математики эмпирические результаты экспериментов Фарадея с электростатическими и магнитными полями — поля, являющиеся новой концепцией изобретения Фарадея. Уравнения показывают существование электромагнитных волн, которые всегда движутся с постоянной скоростью c , независимо от движения излучателя, приемника или наблюдателя.Этот очевидный парадокс был разрешен в статье Эйнштейна по специальной теории относительности, отказавшись от понятий одновременности, абсолютного пространства и времени.

Итак, по сути, ответ на ваш вопрос просто таков. Вот что мы наблюдаем. Причины поясняются уравнениями электродинамики, но в конечном итоге это эмпирическое наблюдение. По крайней мере, пока.

Джеймс Бейли Саутгемптон, Хэмпшир, Великобритания

Это неправильный вопрос.Фотон — это пакет электромагнитного излучения. Очень небольшая часть спектра этого излучения (длины волн от 400 до 750 нанометров) обнаруживается нашими глазами, и мы называем это светом. Это все равно, что спрашивать, почему свету требуется 1/299 792 458 секунды, чтобы пройти 1 метр, когда на самом деле мы просто находим более удобным определить его как это, а не использовать старое определение метра как десятимиллионную часть расстояния. от экватора до Северного полюса.

По-настоящему интересный вопрос для меня заключается в том, почему электромагнитное излучение распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду, и это возвращает нас к вопросу о времени, который поднимался ранее.Путешествует ли свет во времени? Если да, то через что именно он проходит? Или время само движется и постоянно несется мимо нас, как ветер, в то время как все остальное стоит на месте?

Действительно ли время существует как нечто или это просто удобное изобретение, позволяющее нам говорить о том, как вещи движутся?

Чтобы ответить на этот вопрос или задать новый, напишите по адресу [email protected]

Вопросы должны быть научными вопросами о повседневных явлениях, и как вопросы, так и ответы должны быть краткими.Мы оставляем за собой право редактировать элементы для ясности и стиля. Пожалуйста, укажите почтовый адрес, номер телефона в дневное время и адрес электронной почты.

New Scientist Ltd сохраняет за собой полный редакторский контроль над опубликованным содержанием и оставляет за собой все права на повторное использование материалов вопросов и ответов, представленных читателями, на любом носителе и в любом формате.

Применяются правила и условия.

Всегда ли свет движется с одинаковой скоростью?

НАСА / ЕКА / SSC / CXC / STScI

Как бы быстро вы ни двигались, всегда есть одна вещь, которую вы никогда не сможете уловить: свет. Скорость света — это не только самая высокая скорость, с которой может перемещаться что-либо во Вселенной, она считается универсальной константой. Включим ли мы фонарик, смотрим на Луну или Солнце или измеряем галактику на расстоянии в миллиарды световых лет, скорость света — это то, что никогда не меняется.Но так ли это на самом деле? Вот что хочет знать Вайолет Бретчнайдер:

.

Всегда ли свет движется с одинаковой скоростью? Если его что-то замедляет, будет ли он оставаться медленнее после того, как он больше не замедляется? Разгонится ли [он] до скорости света?

Начнем с того, что такое свет на фундаментальном уровне: частица.

Изображение в общественном достоянии

Это может не выглядеть как частица, когда вы видите, что она исходит от источника света, такого как лампочка, фонарик, лазерная указка или даже Солнце, но это потому, что мы недостаточно хорошо оснащены, чтобы видеть отдельные частицы. Если мы используем электронные фотодетекторы вместо наших глаз, мы обнаружим, что весь свет во Вселенной состоит из частиц одного и того же типа: фотона.У него есть несколько свойств, одинаковых для всех фотонов:

  • его масса (которая равна 0),
  • его скорость (которая всегда равна c , скорость света),
  • его вращение (которое всегда равно 1, мера его собственного углового момента),

и один очень важный, который меняется: его энергия. Фиолетовый свет имеет наибольшую энергию любого фотона, видимого человеческим глазом, в то время как красный имеет наименьшую энергию любого видимого фотона. Еще более низкие энергии имеют инфракрасные, микроволновые и радиофотоны, тогда как ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-фотоны могут быть обнаружены при более высоких энергиях.

Пользователь NASA и Wikimedia Commons Inductiveload

Через космический вакуум, независимо от их энергии, они всегда движутся со скоростью света. Неважно, как быстро вы преследуете или бежите к свету; скорость, с которой вы его видите, всегда будет одинаковой. То, что движется, вместо скорости, будет световой энергией.Двигайтесь к свету, и он станет более синим, увеличивая его до более высоких энергий. Отойдите от него, и он станет более красным, смещенным в сторону более низких энергий. Но ничто из этого, независимо от того, как вы двигаетесь, как вы заставляете двигаться свет или как вы меняете энергию, не приведет к изменению скорости света. Фотон с самой высокой энергией и фотон с самой низкой энергией, которые когда-либо наблюдались, движутся с одинаковой скоростью.

НАСА / Государственный университет Сономы / Аврора Симоннет

Но если вы хотите выйти за пределы вакуума и войти в материал, можно замедлить свет. Эти фотоны проходят через любой прозрачный для света материал, включая воду, акрил, кристаллы, стекло и даже воздух. Но поскольку в этих материалах есть заряженные частицы, в частности электроны, они взаимодействуют с фотонами таким образом, что замедляют их.Свет, даже если он не заряжен, ведет себя как волна. Когда фотон движется в пространстве, он проявляет колебательные электрические и магнитные поля и может взаимодействовать с заряженными частицами. Эти взаимодействия замедляют его и заставляют двигаться со скоростью меньше скорости света, пока он находится в материале.

Университет штата Айова

Различные фотоны имеют разную энергию, что также означает, что их электрические и магнитные поля колеблются с разной скоростью. Хотя скорость всех типов света одинакова в вакууме, эти скорости могут быть разными в любой среде. Посветите белым светом (состоящим из всех цветов) через каплю воды или призму, и более энергичные фотоны замедлятся даже больше, чем менее энергичные, в результате чего цвета разделятся.

Терье О. Нордвик из астрономической фотографии дня НАСА

Вот как сияющий свет через капли воды создает радугу, потому что фотоны разной энергии взаимодействуют с заряженными частицами в среде (и замедляются) в разной степени.

Научно-учебный центр / общественное достояние

Но при этом важно помнить, что в самом свете ничего не меняется. Это не потеря энергии; он не меняет своих фундаментальных, внутренних свойств; это не трансформируется ни во что другое.Все, что меняется, — это пространство вокруг него. Когда этот свет выходит из среды и возвращается в вакуум, он снова начинает двигаться со скоростью света в вакууме: 299 792 458 метров в секунду. Фактически, само определение расстояния и времени, которое мы даем как «метр» или «секунда», исходит от самого света. Атомы могут поглощать или излучать свет, в зависимости от того, как электроны внутри атома переходят.

А. Фишер и др., Журнал акустического общества Америки (2013)

Цезий, 55-й элемент периодической таблицы, имеет 55 электронов в одном стабильном нейтральном атоме. Первые 54 электрона обычно живут в состоянии с наименьшей энергией, но у 55-го есть два возможных энергетических уровня, которые он может занимать, которые находятся очень близко друг к другу. Если он переходит от чуть более высокого к чуть более низкому, эта энергия переходит в фотон очень определенной, четко определенной энергии.Если вы возьмете 9 192 631 770 циклов этого фотона, то так мы определим одну секунду. Если вы возьмете расстояние, которое он проходит за 30,663319 циклов (что составляет 9 192 631 770 делить на 299 792 458), вы получите определение одного метра.

Это учит нас чему-то феноменально глубокому: пока атомы одинаковы во Вселенной, наши определения времени, длины и скорости света никогда не изменятся, независимо от того, куда и когда мы смотрим во Вселенной.

НАСА, ЕКА / Хаббл, HST Frontier Fields

Итак, что мы узнаем, сложив все это вместе?

  1. Свет, независимо от того, насколько высоко он или низко по энергии, всегда движется со скоростью света, пока он проходит через вакуум пустого пространства.
  2. Ничто из того, что вы делаете со своим собственным движением или движением света, не изменит эту скорость.
  3. Пропуская этот свет в невакуумную среду, вы можете изменять его скорость, пока он находится в этой среде.
  4. Свет с разной энергией изменяет свою скорость на несколько разную величину, в зависимости от свойств этой среды.
  5. Как только вы покинете эту среду и снова вернетесь в вакуум, этот свет снова начнет двигаться со скоростью света.
  6. И, насколько нам известно и по измерениям, скорость света имеет одинаковое значение 299 792 458 м / с во все времена и во всех точках Вселенной.

Во многих отношениях свет — самая простая частица во Вселенной.Несмотря на то, что он всегда движется со скоростью света, он не всегда движется через совершенно пустое пространство. Пока во Вселенной есть прозрачная для света материя, вы не сможете избежать ее замедления. Но как только этот свет снова устремляется обратно в пустое пространство, он возвращается к скорости света в вакууме, причем каждый фотон движется так, как если бы он никогда не двигался с какой-либо другой скоростью!


Присылайте свои вопросы «Задайте Итану» на адрес startwithabang на gmail dot com!

Скорость света | Факты, информация, история и определения

Точное значение скорости света определено как 299.792,458 метра в секунду или примерно 300 000 км / 186 000 миль в секунду в вакууме.

Мы знаем, что ничто не может превзойти скорость света, по крайней мере, теоретически. Если бы у вас была возможность двигаться со скоростью света, вы могли бы обойти Землю 7,5 раз за одну секунду.

Свет — это тип энергии, и ранние ученые полагали, что он должен перемещаться мгновенно, не подозревая о своем движении. Поскольку измерения этих волнообразных частиц стали более точными, мы теперь понимаем, что скорость света является теоретическим пределом.

В настоящее время мы знаем, что скорость света недостижима для чего-либо, обладающего массой. Так работают телескопы, поскольку большинство небесных объектов находятся так далеко от нас; мы действительно видим их в прошлом. Хотя мы еще не достигли скорости света, вот несколько интересных фактов об этом.

Скорость света не обязательно постоянна

Как и звук, свет распространяется волнами и может замедляться в зависимости от того, через что он движется. В вакууме ничто не может превзойти свет; однако, если область содержит материю, даже самые крошечные ее частицы, такие как пыль, свет может искривляться при соприкосновении, что приводит к снижению скорости.

Свет, проходящий через атмосферу Земли, движется со скоростью света в вакууме, в то время как свет, проходящий через алмаз, замедляется менее чем вдвое.

Быстрее скорости света?

Каждый раз, когда кто-то ставит предел чему-либо, мы склонны как-то его нарушить. Фантазии о движении со скоростью, превышающей скорость света, довольно распространены в таких научно-фантастических шоу, как «Звездный путь».

Что-то вроде скорости деформации возможно; однако практичность путешествия со скоростью, превышающей скорость света, делает эту идею довольно надуманной.

Если принять во внимание общую теорию относительности Эйнштейна, масса объекта увеличивается по мере того, как он движется быстрее, а его длина сокращается. Со скоростью света такой объект имел бы бесконечную массу, в то время как его длина была бы равна нулю — или это невозможно.

Таким образом, согласно теории, ничто не может достичь скорости света. Тем не менее, многие до сих пор верят, что идея скорости деформации возможна и когда-нибудь в будущем ее можно будет использовать.

Некоторые предполагают, что космический корабль, способный складывать вокруг себя пузырь пространства-времени, может превышать скорость света.Ясно одно: пространство само по себе не поддается действию наших текущих законов, а наше нынешнее понимание Вселенной диктует, что само пространство движется быстрее скорости света. Теоретически это возможно, но нам еще многому нужно научиться.

Световой год / далекое прошлое

Возможно, вы слышали о термине световой год. По сути, это расстояние, которое свет проходит в течение года, и это измерение как времени, так и расстояния.

Возьми это так; свет проходит от Луны к нашим глазам примерно за 1 секунду. Свет от Солнца достигает наших глаз примерно за 8 минут, и поэтому Солнце находится на расстоянии восьми световых минут от нас.

Ближайшая к нам звездная система, Альфа Центавра, находится на расстоянии 4,3 световых года от нас, и, таким образом, мы доберемся до нее примерно за 4,3 года. Многие небесные объекты находятся на расстоянии световых лет от нас.

Некоторые из них удалены от нас на миллиарды световых лет. Таким образом, когда мы изучаем небесный объект, который находится на расстоянии более одного светового года, мы видим его таким, каким он существовал в то время, когда свет покинул его.Таким образом, почти все, что мы видим во Вселенной, в буквальном смысле является историей.

Этот принцип направляет нас в нашем понимании Вселенной после Большого взрыва. Чем дальше находится небесный объект, тем раньше мы видим начало нашей Вселенной.

Датский астроном измерил скорость света

Олаус Ремер был первым астрономом, успешно измерившим скорость света. Это произошло в 1676 году, когда он наблюдал временной интервал между последовательными затмениями спутников Юпитера.

Это было примерно на семь минут больше, чем когда проводились наблюдения, когда Земля на своей орбите удалялась от Юпитера. Ремер утверждал, что, когда Земля удалялась от Юпитера, наблюдаемое время между затмениями увеличивалось по сравнению с истинным значением примерно на 3,5 минуты.

Это произошло из-за дополнительного расстояния, которое свет должен был пройти от каждого следующего затмения, чтобы достичь нашей планеты. И наоборот, когда наша планета двигалась к Юпитеру, наблюдаемый интервал уменьшился примерно на 3.5 минут за счет меньшего расстояния.

Ремер очень хорошо оценил скорость света, учитывая использованный метод. С тех пор многие ученые предпринимали разные попытки более точно измерить скорость света.

Источники изображений:

Почему «C» скорость света?

Мы получаем всевозможные вопросы в нашем почтовом ящике «Спроси физика» (включая положительно обескураживающий номер от людей, которые, кажется, думают, что это «Спроси экстрасенса»), но одна тема, которая, кажется, постоянно пробуждает воображение и любопытство людей, — это скорость свет.Что это определяет и почему ничто не может идти быстрее этого? Что будет, если мы попробуем? Обдумывать эти вопросы и пытаться найти на них ответы увлекательно и весело само по себе, но, что более важно, это дает нам представление о правилах, лежащих в основе нашей Вселенной. Сегодня мы рассмотрим один из этих вопросов и его поучительный (без каламбура) ответ: почему скорость света в вакууме составляет ~ 300000000 метров в секунду? Почему c ?

Независимо от длины волны и энергии, все электромагнитные волны движутся с одинаковой скоростью.
Представьте, что у вас есть заряженный провод, который бесконечно тянется в обоих направлениях. Поскольку он бесконечен, трудно говорить о том, сколько всего заряда находится на проводе, как если бы это было что-то вроде сферы. Однако, глядя на конечную единицу длины, мы можем говорить, например, о заряде на метр или плотности заряда .

Бесконечный провод выглядит одинаково из любой точки по своей длине, поэтому, когда вы думаете о силе электрического поля, создаваемого зарядом в этом проводе — насколько сильно заряженная частица будет притягиваться или отталкиваться им — это будет зависеть исключительно от плотности заряда провода и расстояния от частицы до провода (а также от диэлектрической проницаемости среды, в которой вы находитесь, которая для наших целей является вакуумом.) Уравнение электрического поля вокруг этого провода показано ниже:


Теперь, на бесконечном расстоянии, кто-то начинает наматывать этот провод, протягивая его вдоль своей оси. Для всех практических целей это движение создает ток; вместо того, чтобы перемещать заряды в проводе (как при изменении напряжения на одном конце), мы перемещаем сам провод вместе с содержащимися в нем зарядами. Что касается того, почему, вы, надеюсь, скоро поймете.

Как вы, возможно, знаете, ток в проводе создает магнитное поле, которое вращается вокруг этого провода.Сила этого магнитного поля будет зависеть от вашего расстояния до провода ( d ), а также от силы тока, которая в данном случае является произведением плотности заряда провода и скорости, с которой он протягивается. .

А теперь представьте, что у вас есть второй из этих проводов, параллельный первому, заряженный тем же напряжением и протянутый в том же направлении с той же скоростью. Обладая одинаковым зарядом, два провода будут отталкиваться друг от друга из-за своего электростатического отталкивания.
При вычислении силы между двумя заряженными объектами их заряды умножаются вместе, что приводит к приведенному выше члену в квадрате лямбда (поскольку каждый провод имеет плотность заряда лямбда).
Статический электрический заряд на этих проводах заставляет их отталкиваться друг от друга. Однако, поскольку провода тянутся в одном направлении, в каждом из них фактически присутствует ток и магнитное поле, которое сопровождает эти токи.Когда у вас есть два тока, направленные в одном направлении в параллельных проводах, их магнитные поля создают силу притяжения между ними — чем быстрее они движутся, тем сильнее становится эта сила притяжения.
Уравнение магнитной силы притяжения между проводами.
Если вы внимательно следите, то увидите, что мы создали сценарий, в котором сила притяжения магнетизма противодействует отталкивающей электрической силе между этими проводами.Однако, как вы можете видеть из приведенных выше уравнений, сила этой магнитной силы зависит от того, насколько быстро движутся провода, а отталкивающая электрическая сила — нет (отсюда общий физический термин , электростатический, ). Итак, с какой скоростью должны двигаться провода, чтобы электрическое отталкивание нейтрализовалось магнитным притяжением? Мы можем выяснить это, установив два уравнения силы равными друг другу, как показано ниже, а затем решив для v .
Немного алгебры помогает нам избавиться от скобок и уменьшить дробь в правой части уравнения, в результате получится:
Один удивительный результат на этом этапе состоит в том, что член плотности заряда появляется в одном и том же месте на обеих сторонах уравнения и возведен в одну и ту же степень, что означает, что его можно «сократить» — скорость, с которой провода должны двигаться. их электрические и магнитные силы уравновешивают совершенно не зависит от того, насколько сильно они заряжены.Коэффициент 2 * pi * d также сокращается, что означает, что расстояние между проводами также не имеет значения в этом уравнении. Разделение всех лишних членов превращает уравнение в:
и, наконец, решение для v дает:
Если вы подставите фактические числовые значения диэлектрической проницаемости и проницаемости вакуума, получится 299 792 400 метров в секунду — именно скорость света!

Так что это значит? Во-первых, это означает, что на самом деле вы никогда не сможете перемещать провода достаточно быстро, чтобы их электрическое отталкивание полностью нейтрализовалось их магнитным притяжением, поскольку ни один массивный объект никогда не может двигаться со скоростью света.Что еще более важно, это дает нам ключ к разгадке , почему скорость света в вакууме именно такая; это скорость, при которой электрические и магнитные силы уравновешиваются, чтобы создать стабильный пакет электромагнитных волн, который может перемещаться бесконечно. Если помедленнее, фотон рассыплется, точно так же, как провода будут раздвинуты электрическим отталкиванием. Еще быстрее, и магнетизм преодолеет это отталкивание и сблизит их, разрушив систему. С помощью не более чем математики уровня средней школы легко показать, что скорость света в среде (или в космическом вакууме) неизбежно возникает как следствие электрической и магнитной проницаемости этой среды.

Я знаю, что это было ужасно математически для сообщения в блоге (на самом деле нам приходилось решать все это как домашнее задание еще в колледже), но, надеюсь, это дало вам представление об одной из самых захватывающих и увлекательных частей физики — возможность выводить и открывать буквальные универсальные истины с помощью всего лишь небольшого количества воображения и математики.

Почему скорость света не бесконечна?

Стивен Рекрофт и Джон Суэйн, профессора физики Северо-Восточного университета в Бостоне, штат Массачусетс, дали следующее объяснение:

Обычный опыт включения выключателя света определенно показывает, что свет распространяется очень быстро.Но тщательные эксперименты показывают, что он движется с конечной скоростью. Эта скорость, которую мы называем «с», составляет 300000000 метров в секунду.

Скорость света необычна тем, что она имеет одно и то же значение независимо от относительной скорости между источником и наблюдателем. Это экспериментальный факт, который может иметь смысл только в том случае, если относительное движение изменяет соотношение между пространственными и временными интервалами, чтобы расстояние, пройденное светом в единицу времени, было одинаковым для всех наблюдателей.

Тот факт, что пространство и время должны смешиваться, чтобы скорость света оставалась постоянной, означает, что в некотором смысле пространство и время должны быть одинаковыми, несмотря на нашу привычку измерять пространство в метрах, а время в секундах. Но если время и пространство похожи в той степени, в которой они могут быть преобразованы одно в другое, тогда для преобразования единиц требуется некоторая величина, а именно, что-то, измеряемое в метрах в секунду, которое можно использовать для умножения секунд времени, чтобы получить метров пространства. Это нечто, универсальный коэффициент преобразования, и есть скорость света.Причина, по которой он ограничен, заключается просто в том, что конечное количество пространства эквивалентно конечному количеству времени.

Другое объяснение конечной природы света может быть получено, если подумать о том, что мы подразумеваем под самим светом. Свет по определению — это электромагнитная волна, распространяющееся в пространстве и времени возмущение, несущее информацию об ускорении зарядов.

Если бы скорость света имела бесконечное значение, свет вообще не существовал бы.Математически волновое уравнение, описывающее свет как электромагнитную волну, потеряло бы свою зависимость от времени.

С физической точки зрения электромагнитная волна возникает из-за конечного времени, которое требуется, чтобы известия об изменении местоположения ускоренного заряда достигли удаленной точки. Думайте об электрическом заряде как о еже с гибкими резиновыми шипами, уходящими в бесконечность во всех направлениях. Эти пики представляют собой силовые линии электрического поля, линии, по которым будет двигаться пробный заряд.

Если заряд дергается, сегменты шипов, близкие к заряду, будут двигаться, но те, что расположены дальше, все равно будут указывать в своем первоначальном направлении. В результате у каждого шипа будет изгиб, уходящий в бесконечность. Этот излом передает новость о том, что заряд переместился в отдаленные части шипов и соответствует электромагнитной волне. Если волна движется бесконечно быстро, это как если бы ее вообще не было; шипы бесконечно жесткие, и новости доходят до всех без видимых изгибов.Другими словами, не было бы электромагнитной волны и, следовательно, света.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *