Способы определения скорости света физика кратко

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

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

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

Астрономический метод Д. Брэдли

Д. Брэдли свой астрономический метод измерения скорости света предложил в 1727 году. Он рассматривал траектории движения звезд и сделал вывод о том, что в течении года они движутся по эллиптическим орбитам. Углы, под которыми видны большие полуоси данных эллипсов всех звезд с нашей планеты, составляют ∝=20,5″. Эксцентриситет ($e$) любого эллипса связан с углом ( $\varphi$), между направлением из центра Земли на рассматриваемую звезду и плоскостью орбиты нашей планеты. При изменении $\varphi $ от $\frac<\pi ><2>$ до 0 эксцентриситет увеличивается от 0 (орбита — круг), до 1 (отрезок прямой, соответствующий большой оси «эллипса»). Данное явление изменения эксцентриситета называют годичной аберрацией света.

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

Явление аберрации применяют для нахождения значения скорости света.

Рассмотрим влияние обращения Земли вокруг Солнца за один год, на наблюдение звезды для которой $\varphi =\frac<\pi ><2>$ . В нашем случае истинное направление ($AB$) на звезду (рис.2) всегда нормально к вектору скорости движения нашей планеты по ее орбите. Но при направлении оси телескопа по прямой $AB$, изображение звезды станет смещено в приборе относительно центра $A$ (его поля зрения). Пусть $\Delta t$ — время, за которое свет проходит расстояние $L$ внутри телескопа. За это время телескоп и Земля перемещаются в направлении вектора скорости планеты на расстояние:

$\Delta y=v\Delta t=\fracL\, \left( 3 \right)$.

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

$tg\, \left( \propto \right)=\frac<\Delta y>=\frac\left( 4 \right)$.

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

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

При перемещении Земли по своей орбите вектор $\vec v$ и линия $AB’$ будет медленно вращаться вокруг оси $AB$. За один год $\vec v$ совершает поворот на 360°, при этом линия $AB’$ описывает коническую поверхность с осью вращения $AB$. Движение кажущейся линии наблюдения — это причина аберрации света, так как воспринимается исследователем как результат движения звезды по орбите. Угловой размер радиуса данной орбиты нам известен (∝=20,5″). С другой стороны, должно выполняться соотношение (4), отсюда скорость света равна:

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

Опыты по установлению скорости света в условиях Земли

Наиболее известные методы измерения скорости света в условиях нашей планеты:

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

Первым такие измерения провел А. Физо в 1849 году. Он сконструировал установку, в которой основным элементом служило зубчатое колесо. Это колесо было способно вращаться около некоторой оси. Если колесо было неподвижно, то свет от точечного источника проходил сквозь линзу, отражался от полупрозрачного плоского зеркала и проходил между зубцами колеса. После этого система линз направляет свет на плоское зеркало. Отразившись от этого зеркала, свет снова направляется на колесо. На обратном пути свет проходит вновь между зубцами колеса, полупрозрачное зеркало попадает в окуляр и затем глаз наблюдателя. При следовании света от колеса и обратно он тратит время:

$\Delta t=\frac<2l>\left( 5 \right)$.

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

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

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

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

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

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

Источник

Скорость света: методы определения

Содержание:

• Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
• Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

Введение:

Скорость света является одной из важнейших физических констант, которые называются фундаментальными. Эта константа имеет особое значение как в теоретической, так и в экспериментальной физике и смежных науках. Точное значение скорости света необходимо знать по радио и локации света, при измерении расстояний от Земли до других планет, при управлении спутниками и космическими кораблями.

Определение скорости света наиболее важно для оптики, в частности, для оптики движущихся сред и физики в целом. Давайте познакомимся с методами определения скорости света.

Астрономические методы измерения скорости света

Метод Ремера

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

Время прохождения светового сигнала от небесного тела к Земле зависит от расстояния L до расположения звезды. Явление, которое происходит на каком-то небесном теле, наблюдается с задержкой, равной времени прохождения света от звезды к Земле.

Если вы наблюдаете какой-либо периодический процесс, происходящий в системе, удаленной от Земли, то при постоянном расстоянии между Землей и системой наличие этой задержки не повлияет на период наблюдаемого процесса. Если в течение периода Земля удаляется от системы или приближается к ней, то в первом случае конец периода будет записан с большей задержкой, чем его начало, что приведет к очевидному увеличению периода. Во втором случае, напротив, конец периода будет зафиксирован с меньшей задержкой, чем его начало, что приведет к очевидному уменьшению периода. В обоих случаях кажущееся изменение периода равно отношению разницы расстояний между Землей и системой в начале и конце периода к скорости света.

Приведенные выше соображения лежат в основе метода Рёмера.

Ремер сделал наблюдения спутника Ио, орбитальный период которого составил 42 часа 27 минут 33 секунды.

Когда Земля движется вдоль участка орбиты E₁, E₂, E₃, она удаляется от Юпитера, и следует наблюдать увеличение периода. При движении по участку Е₃, Е₄, Е₁ наблюдаемый период будет меньше истинного. Поскольку изменение за один период невелико (около 15 с), эффект обнаруживается только при большом количестве наблюдений, выполненных в течение длительного периода времени. Если, например, мы наблюдаем затмения в течение шести месяцев, начиная с момента противостояния Земли (точка E₁) до момента «соединения» (точка E₃), то интервал времени между первым и последним затмениями будет 1320 s больше, чем теоретически рассчитанный. Теоретический расчет периода затмения проводился в точках орбиты, близких к противоположности. Там, где расстояние между Землей и Юпитером практически не меняется со временем.

Результирующее расхождение может быть объяснено только тем, что в течение шести месяцев Земля перешла из точки E₁ в точку E₃, и в конце шести месяцев свет должен пройти путь, больший, чем в начале, по значению сегмента E₁E₃, равный диаметру земной орбиты. Таким образом, лаги, которые не заметны в течение отдельного периода, накапливаются и образуют результирующее отставание. Задержка, определенная Ремером, составила 22 минуты. Принимая диаметр орбиты Земли равным км, можно получить значение скорости света 226 000 км/с.

Значение скорости света, определенное на основе измерений Рёмера, оказалось меньше текущего значения. Позже были сделаны более точные наблюдения затмений, в которых время задержки оказалось равным 16,5 минутам, что соответствует скорости света 301 000 км/ с.

Метод легкой аберрации

Для наземного наблюдателя направление линии визирования к звезде не будет одинаковым, если это направление определяется в разное время года, то есть в зависимости от положения Земли на ее орбите. Если направление к какой-либо звезде определяется с шестимесячным интервалом, то есть в положениях Земли на противоположных концах диаметра орбиты Земли, то угол между двумя полученными направлениями называется годовым параллаксом. Чем дальше звезда, тем меньше ее угол параллакса. Измеряя углы параллакса различных звезд, вы можете определить расстояние этих звезд от нашей планеты.

В 1725-1728 гг. Брэдли Джеймс, английский астроном, измерил годовой параллакс неподвижных звезд. Наблюдая за одной из звезд в созвездии Драко, он обнаружил, что ее положение изменилось в течение года. За это время она описала небольшой круг, угловые размеры которого были равны 40,9″. В целом, в результате орбитального движения Земли звезда описывает эллипс, главная ось которого имеет такие же угловые размеры. Для звезд, лежащих в плоскости эклиптики, эллипс вырождается в прямую линию, а для звезд, лежащих на полюсе по кругу (эклиптика это большой круг небесной сферы, вдоль которого происходит видимое годовое движение Солнца происходит).

Величина смещения, измеренная Брэдли, была значительно выше, чем ожидаемое смещение параллакса. Брэдли назвал это явление аберрацией света и объяснил это конечностью скорости света. За то короткое время, в течение которого свет, падающий на линзу телескопа, распространяется от линзы к окуляру, окуляр смещается на очень маленький отрезок в результате орбитального движения Земли. В результате изображение звезды сместится к сегменту а. Направив телескоп на звезду снова, его придется немного наклонить в направлении движения Земли, чтобы изображение звезды снова совпадало с центром перекрестия в окуляре.

Пусть угол наклона телескопа будет б. Обозначим время, необходимое для прохождения света через отрезок, равное расстоянию от объектива телескопа до его окуляра, равное f. Затем сегмент.

Из измерений Брэдли было известно, что при двух положениях Земли, лежащих на одном диаметре орбиты, звезда, по-видимому, смещена из своего истинного положения на тот же угол. Угол между этими направлениями наблюдения, откуда, зная скорость Земли на орбите, можно узнать скорость света. Брэдли получил s = 306000 км/с.

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

Ремер и Брэдли показали, что скорость света конечна, хотя это имеет большое значение. Для дальнейшего развития теории света было важно 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 наземных источников. Первые попытки таких экспериментов были предприняты в начале 19 века.

Метод прерывания (метод Физо)

Первый экспериментальный метод определения скорости света земных источников был разработан в 1449 году французским физиком Арманом Ипполитом Луи Физо.

Свет, распространяющийся от источника s, частично отражается от полупрозрачной пластины P и направляется на зеркало M. На пути луча находится прерыватель света K, ось которого OO ‘параллельна лучу. Лучи света проходят через зазоры между зубцами, отражаются зеркалом М и возвращаются через зубчатое колесо и пластину Р к наблюдателю.

При медленном вращении колеса K свет, пройдя через зазор между зубами, успевает вернуться через тот же зазор и попадает в глаз наблюдателя. В те моменты, когда путь лучей пересекает зуб, свет не достигает наблюдателя. Таким образом, при низкой угловой скорости наблюдатель воспринимает мерцающий свет. Если скорость вращения колеса увеличивается, то при определенном значении свет, проходящий через один зазор между зубами, доходящий до зеркала и возвращающийся назад, не попадет в тот же зазор d, но будет заблокирован зубом который занял позицию промежутка d к этому времени. Следовательно, при угловой скорости свет вообще не попадет в глаз наблюдателя ни из интервала d, ни из всех последующих (первое затемнение).

В установке Физо длина основания составляла 8,63 км, количество зубьев в колесе 720, и первое потемнение происходило с частотой 12,6 об/с. Если скорость вращения колеса удвоится, то будет наблюдаться просветленное поле зрения, при тройной скорости вращения снова произойдет потемнение и т. д. по расчетам Физо, значение скорости света составляет 313300 км / с.

Основная сложность таких измерений точное установление времени потемнения. Точность улучшается как с увеличением базовой частоты, так и с частотой прерываний, что позволяет наблюдать затемнение более высокого порядка. Так, в 1902 году Перротин провел измерения с базовой длиной 46 км и получил значение скорости света 29987050 км/с работы проводились в исключительно чистом морском воздухе с использованием высококачественной оптики.

Вместо вращающегося колеса могут использоваться другие, более продвинутые способы прерывания света, например, ячейка Керра, с помощью которой луч света может прерываться 107 раз в секунду. В этом случае вы можете значительно уменьшить базу. Так, в установке Андерсона (1941) с ячейкой Керра и фотоэлектрической записью база составляла всего 3 метра. Он получил значение с = 29977614 км/с.

Метод вращающегося зеркала (метод Фуко)

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

Свет от источника S проходит через полупрозрачную пластину P, линзу L и падает на плоское зеркало M₁, которое может вращаться вокруг своей оси O, перпендикулярной плоскости чертежа. После отражения от зеркала M₁ луч света направляется на стационарное вогнутое зеркало M₂, расположенное так, что этот луч всегда падает перпендикулярно его поверхности и отражается по одному и тому же пути на зеркало M₁. Если зеркало M₁ неподвижно, то отраженный от него луч вернется по своей первоначальной траектории к пластине P, частично отражая, с которой он даст изображение источника S в точке S₁.

Когда зеркало M₁ вращается в течение времени, пока свет проходит путь 2l между обоими зеркалами и возвращается назад, зеркало M₁, вращающееся с угловой скоростью, будет вращаться на угол и принять положение, пунктирная линия Пучок, отраженный от зеркала относительно исходного, будет повернут на угол и даст изображение источника в точке S₂. Измеряя расстояние S₁S₂ и зная геометрию установки, вы можете определить угол и рассчитать скорость света.

Таким образом, суть метода Фуко заключается в точном измерении времени, когда свет проходит расстояние 2l. Это время оценивается по углу поворота зеркала M₁, скорость вращения которого известна. Угол поворота определяется на основании измерений смещения S₁S₂. В экспериментах Фуко скорость вращения составляла 800 об / с, база l варьировалась от 4 до 20 км. Значение было найдено с = 298000500 км/с.

Фуко на своей установке впервые измерил скорость света в воде. Поместив трубу, заполненную водой между зеркалами, Фуко обнаружил, что угол сдвига увеличился в раз, и поэтому скорость распространения света в воде, рассчитанная по приведенной выше формуле, оказалась равной (3/4) с. Показатель преломления света в воде, рассчитанный по формулам волновой теории, оказался равным, что полностью соответствует закону Снелла. Таким образом, на основании результатов этого эксперимента была подтверждена обоснованность волновой теории света, и полувековой спор в ее пользу был окончен.

Заключение

В 1926 году установка Майкельсона была выполнена между двумя горными вершинами, так что расстояние, пройденное лучом от источника до его изображения после отражений от первой грани восьмигранной зеркальной призмы, зеркал M₂ M₇ и пятой грани, составляло около 35,4 км. Скорость вращения призмы (приблизительно 528 об/с) была выбрана такой, чтобы при распространении света от первой грани к пятой призма успевала вращаться на 1/8 оборота. Возможное смещение пятна на неточно выбранной скорости сыграло роль коррекции. Скорость света, определенная в этом эксперименте, оказалась равной 2997964 км/с.

Среди других методов отметим измерение скорости света, проведенное в 1972 году путем независимого определения длины волны и частоты света. Источником света служил гелий-неоновый лазер, излучающий 3,39 мкм. В этом случае длина волны измерялась с помощью интерферометрического сравнения со стандартом оранжевого излучения криптона, а частота измерялась с помощью радиотехнических методов. Скорость света определено по этому методу 299792,45620,001 км/с. Авторы метода считают, что достигнутая точность может быть увеличена за счет улучшения воспроизводимости измерений длины и стандартов времени.

В заключение отметим, что при определении скорости света измеряются и групповые скорости, которые совпадают с фазовой скоростью только для вакуума.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Источник