Измерение скорости света ремером и физо. Измерение скорости света. Скорость света и методы ее определения
Презентация на тему "Определение скорости света" по физике для учеников средней школы.
Учитель Крученок Э.Н.
Фрагменты из презентации
О природе света размышляли с древних времен:
- Пифагор: «Свет – это истечение «атомов» от предметов в глаза наблюдателя»
- В XVI-XVII веках Рене Декарт, Роберт Гук,
- Христиан Гюйгенс исходили из того, что распространение света – это распространение волн в среде.
- Исаак Ньютон выдвигал корпускулярную природу света, т. е. считал, что свет – это излучение телами определенных частиц и их распространение в пространстве.
Астрономический метод измерения скорости света
Впервые скорость света удалось измерить датскому учёному О. Рёмеру в 1676 году. Для измерений он использовал расстояния между планетами Солнечной системы. Рёмер наблюдал затмения спутника Юпитера Ио.
- Радиус орбиты спутника Ио вокруг Юпитера равен 421600 км, диаметр спутника – 3470 км.
- Рёмер видел, как спутник проходил перед планетой, а затем погружался в её тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа.
Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 часа 28 минут.
- Вначале измерения проводились в то время, когда Земля при своём движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру.
- Такие же измерения через 6 месяцев, когда Земля удалилась от Юпитера на диаметр своей орбиты.
- Спутник опоздал появиться из тени на 22 минуты, по сравнению с расчётом.
- Пусть T1 - момент времени, когда Ио выходит из тени Юпитера по часам на Земле, а t1 - реальный момент времени, когда это происходит; тогда:
- T1 = t1 + S1/c, де S1 - расстояние, которое свет проходит до Земли.
- ... расчеты
Лабораторные методы измерения скорости света
Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику И. Физо в 1849 году.
- Свет от источника попадал на зеркало, затем направлялся на перифирию быстро вращающегося колеса.
- Затем достигал зеркала, проходил между зубцами и попадал в глаз наблюдателя.
- Угловая скорость вращения подбиралась так, чтобы свет после отражения от зеркала за диском попадал в глаза наблюдателю при прохождении через соседнее отверстие.
- Колесо вращалось медленно - свет был виден.
- При увеличении скорости - свет постепенно исчезал.
- При дальнейшем увеличении скорости вращения - свет опять становился видимым
Скорость света приближенно равна 313000 км/с.
Скорость света
- Максимально возможная скорость для материальных тел.
- Последние достижения (1978 г.) дали для скорости света следующее значение с=299792,458 км/с=(299792458±1,2)м/с.
- Во всех других веществах скорость света меньше, чем в вакууме.
- Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн. Согласно этой теории, световое излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами света. Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света, по существу же она явилась развитием единства волновых и корпускулярных явлений.
Еще задолго до того, как ученые измерили скорость света, им пришлось изрядно потрудиться над определением самого понятия «свет». Одним из первых над этим задумался Аристотель, который считал свет некой подвижной субстанцией, распространяющейся в пространстве. Его древнеримский коллега и последователь Лукреций Кар настаивал на атомарной структуре света.
К XVII веку сформировались две основные теории природы света – корпускулярная и волновая. К приверженцам первой относился Ньютон. По его мнению, все источники света излучают мельчайшие частицы. В процессе «полета» они образуют светящиеся линии – лучи. Его оппонент, голландский ученый Христиан Гюйгенс настаивал на том, что свет – это разновидность волнового движения.
В результате многовековых споров ученые пришли к консенсусу: обе теории имеют право на жизнь, а свет – это видимый глазу спектр электромагнитных волн.
Немного истории. Как измеряли скорость света
Большинство ученых древности были убеждены в том, что скорость света бесконечна. Однако результаты исследований Галилея и Гука допускали ее предельность, что наглядно было подтверждено в XVII веке выдающимся датским астрономом и математиком Олафом Ремером.
Свои первые измерения он произвел, наблюдая за затмениями Ио – спутника Юпитера в тот момент, когда Юпитер и Земля располагались с противоположных сторон относительно Солнца. Ремер зафиксировал, что по мере отдаления Земли от Юпитера на расстояние, равное диаметру орбиты Земли, изменялось время запаздывания. Максимальное значение составило 22 минуты. В результате расчетов он получил скорость 220000 км/сек.
Через 50 лет в 1728 году, благодаря открытию аберрации, английской астроном Дж. Брэдли «уточнил» этот показатель до 308000 км/сек. Позже скорость света измерили французские астрофизики Франсуа Арго и Леон Фуко, получив на «выходе» 298000 км/сек. Еще более точную методику измерения предложил создатель интерферометра, известный американский физик Альберт Майкельсон.
Опыт Майкельсона по определению скорости света
Опыты продолжались с 1924 по 1927 год и состояли из 5 серий наблюдений. Суть эксперимента заключалась в следующем. На горе Вильсон в окрестностях Лос-Анжелеса были установлены источник света, зеркало и вращающаяся восьмигранная призма, а через 35 км на горе Сан-Антонио – отражающее зеркало. Вначале свет через линзу и щель попадал на вращающуюся с помощью высокоскоростного ротора (со скоростью 528 об/сек.) призму.
Участники опытов могли регулировать частоту вращения таким образом, чтобы изображение источника света было четко видно в окуляре. Поскольку расстояние между вершинами и частота вращения были известны, Майкельсон определил величину скорости света – 299796 км/сек.
Окончательно со скоростью света ученые определились во второй половине XX века, когда были созданы мазеры и лазеры, отличающиеся высочайшей стабильностью частоты излучения. К началу 70-х погрешность в измерениях снизилась до 1 км/сек. В результате по рекомендации XV Генеральной конференции по мерам и весам, состоявшейся в 1975 году, было решено считать, что скоростью света в вакууме отныне равна 299792,458 км/сек.
Достижима ли для нас скорость света?
Очевидно, что освоение дальних уголков Вселенной немыслимо без космических кораблей, летящих с огромной скоростью. Желательно со скоростью света. Но возможно ли такое?
Барьер скорости света – одно из следствий теории относительности. Как известно, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света потребует практически бесконечной энергии.
Увы, но законы физики категорически против этого. При скорости космического корабля в 300000 км/сек летящие навстречу ему частицы, к примеру, атомы водорода превращаются в смертельный источник мощнейшего излучения, равного 10000 зивертов/сек. Это примерно то же самое, что оказаться внутри Большого адронного коллайдера.
По мнению ученых Университета Джона Хопкинса, пока в природе не существует адекватной защиты от столь чудовищной космической радиации. Довершит разрушение корабля эрозия от воздействия межзвездной пыли.
Еще одна проблема световой скорости – замедление времени. Старость при этом станет намного более продолжительной. Также подвергнется искривлению зрительное поле, в результате чего траектория движения корабля будет проходить как бы внутри тоннеля, в конце которого экипаж увидит сияющую вспышку. Позади корабля останется абсолютная кромешная тьма.
Так что в ближайшем будущем человечеству придется ограничить свои скоростные «аппетиты» 10 % от скорости света. Это означает, что до ближайшей к Земле звезды – Проксимы Центавра (4,22 св. лет) придется лететь примерно 40 лет.
Скорость света и методы ее измерения. Астрономический метод измерения скорости света Впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру (на расстояние L 1), промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние L 2, спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин. позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние Δ l= l 2 – l 1.
Лабораторный метод измерения скорости света Метод Физо (1849). Свет падает на полупрозрачную пластину и отражается, проходя через вращающееся зубчатое колесо. Пучок, отраженный от зеркала, может попасть к наблюдателю, только пройдя между зубьями. Если знать скорость вращения зубчатого колеса, расстояние между зубьями и расстояние между колесом и зеркалом, то можно рассчитать скорость света. Метод Фуко – вместо зубчатого колеса вращающаяся зеркальная восьмигранная призма.
С= км/с.
Можно измерить частоту колебаний волны и независимо – длину волны (особенно удобно в радиодиапазоне), а затем рассчитать скорость света по формуле. с=λں По современным данным, в вакууме с=(,2 ± 0,8) м/с.
Существуют различные методы измерения скорости света, в том числе астрономические и с использованием различной экспериментальной техники. Точность измерения величины с постоянно увеличивается. В данной таблице дан неполный перечень экспериментальных работ по определению скорости света.
|
Эксперимент |
Экспериментальные методы |
Результаты измерений, км/сек |
Экспериментальная погрешность, |
|
|
Вебер-Кольрауш Максвелл Майкельсон Перротин Роза и дорси Миттелыптедта Пиз и Пирсона Андерсон |
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 |
На рисунке графически представлены численные значения скорости света, полученные в разные годы (рисунок Olimpusmicro.com).
Можно проследить, как изменялась точность измерений с прогрессом в области науки и техники.
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=4 r/с, поэтому с=4 r/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 .
Определение скорости света по наблюдению аберрации в 1725-1728 гг. Брадлей предпринял наблюдение с целью выяснить, существует ли годичный параллакс звезд, т.е. кажущееся смещение звезд на небесном своде, отображающее движение Земли по орбите и связанное с конечностью расстояния от Земли до звезды.
Брадлей действительно обнаружил подобное смещение. Он объяснил наблюдаемое явление, названное им аберрацией света , конечной величиной скорости распространения света и использовал его для определения этой скорости.
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.
Важно заметить, что аберрация света связана с изменением направления скорости Земли в течение года. Постоянную скорость, как бы велика она ни была, нельзя обнаружить с помощью аберрации, ибо при таком движении направление на звезду остается неизменным и нет возможности судить о наличии этой скорости и о том, какой угол с направлением на звезду она составляет. Аберрация света позволяет судить лишь об изменении скорости Земли.
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).
Рис 3 . 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.
Разрабатывали много способов, чтобы еще повысить точность измерений. Вскоре даже стало необходимо учитывать показатель преломления в воздухе. И вскоре в 1958 г. Фрум получил значение скорости света равной 299792,5 км/с, применяя микроволновый интерферометр и электрооптический затвор (ячейку Керра).
Литература
Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика 11. Учебник. М.: Просвещение, 2004.
Цели урока
Рассмотреть различные способы измерения скорости света.
На данном уроке компьютерные модели используются для объяснения нового материала.
| № п/п | Этапы урока | Время, мин | Приемы и методы |
| 1 | Организационный момент | 2 | |
| 2 | Опрос по теме «Корпускулярная и волновая теории света» | 10 | Устный опрос |
| 3 | Объяснение нового материала по теме «Скорость света» | 30 | Работа с моделями «Опыт Физо» и «Опыт Майкельсона» |
| 4 | Объяснение домашнего задания | 3 |
Домашнее задание: § 59.
При объяснении нового материала используется демонстрация интерактивных моделей «Опыт Физо» и «Опыт Майкельсона». Способ демонстрации определяется техническими возможностями используемого учебного кабинета. Возможны следующие варианты:
- Демонстрация модели учителем с использованием мультимедийного проекционного оборудования.
- Демонстрация модели учителем с использованием системы удаленного управления персональными компьютерами учащихся, например NetOp School.
- Работа учащихся с моделью непосредственно на учебных ПК во время объяснения нового материала учителем и под его контролем.
Теория к уроку
Опыт Физо
В 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо (23.11.1819–18.09.1896, Париж, Франция) первым поставил лабораторный опыт по измерению скорости света с использованием метода вращающегося затвора. В установке Физо узкий луч света разбивался на импульсы, проходя сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. Импульсы попадали на зеркало, расположенное на расстоянии L = 8,66 км от источника и ориентированное перпендикулярно ходу луча. Экспериментатор, изменяя скорость вращения колеса, добивался, чтобы отраженный свет попадал в промежуток между зубцами. На диске Физо было 720 выступов. Зная величину расстояния между зубцами и скорости вращения колеса, при которой свет попадает в следующий промежуток, можно рассчитать значение скорости света.
Полученный Физо результат для скорости света составил 313 247 304 м/с. В дальнейшем ряд исследователей усовершенствовали метод, используя различные варианты затворов. В частности, американский физик А. Майкельсон разработал весьма совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал. Это позволило существенно уточнить значение скорости света.
Пример расчетной операции для варианта, при котором экспериментатор добивается исчезновения света в окуляре прибора
Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и за время движения импульса света до зеркала и обратно место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно:
Здесь L – расстояние от зубчатого колеса до зеркала, T 1 – период вращения зубчатого колеса, ν 1 = 1 / T 1 – частота вращения, при которой в первый раз исчезает световой поток в окуляре, N – число зубцов. Так как t = t 1 , получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом:| c = 4LN ν 1 . |
Пример расчетной операции для варианта, при котором экспериментатор добивается появления света после исчезновения в окуляре прибора
Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и за время движения импульса света до зеркала и обратно место первой прорези на колесе заняла следующая за ней прорезь. Тогда свет сможет вновь пройти до окуляра и в окуляре вновь станет светло. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно:
Получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом: c = 2LN ν 2 , где ν 2 = 1 / T 2 – частота вращения, при которой в окуляре вновь появляется свет после первого исчезновения.Опыт Майкельсона
В течение всей своей жизни американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (19.12.1852–09.05.1931) совершенствовал методику измерения скорости света. Создавая все более сложные установки, он пытался получить результаты с минимальной погрешностью. В 1924–1927 годах разработал схему опыта, в котором луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио. В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало, изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально разработанным устройством.
«Подготовка опыта велась с большой тщательностью. Было выбрано место для двух установок. Одна из них помещалась на уже знакомой ему вершине горы Маунт-Вильсон, а другая – на вершине горы Сан-Антонио, известной под прозвищем «Старая плешь», на высоте 5800 м над уровнем моря и на расстоянии 35 км от горы Маунт-Вильсон. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов было поручено точно измерить расстояние между двумя отражающими плоскостями – вращающимся призматическим зеркалом на Маунт-Вильсон и неподвижным зеркалом на Сан-Антонио. Возможная ошибка при измерении расстояния составляла одну семимиллионную, или долю сантиметра на 35 км. Вращающаяся призма из никелированной стали с восемью зеркальными поверхностями, отполированными с точностью до одной миллионной, была изготовлена для опыта бруклинской компанией «Сперри джироскоп компани», президент которой, инженер-изобретатель Эльмер А. Сперри, был другом Майкельсона. Кроме того, было изготовлено еще несколько стеклянных и стальных призм. Восьмиугольный высокоскоростной ротор делал до 528 оборотов в секунду. Он приводился в движение воздушной струей, и его скорость, как и в прошлых опытах, регулировалась при помощи электрического камертона. (Камертон используется не только музыкантами для определения высоты звука. С его помощью можно очень точно определять короткие равные отрезки времени. Можно создать инструмент с нужной частотой, который под действием электрического тока будет вибрировать, подобно электрическому звонку)».
(Бернард Джефф. Майкельсон и скорость света. Перевод с английского Р. С. Бобровой. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. Электронная версия – http://n-t.ru/ri/dj/mc.htm).
Начиная с 1924 года, и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений. Средний результат равнялся 299 798 км в секунду.
Результаты же всех измерений Майкельсона можно записать как c = (299796 ± 4) км/с.
Расчет скорости света
В эксперименте используется восьмигранная призма. Поэтому время поворота призмы на одну грань τ 1 = T / 8 , τ 1 = 1/ 8ν 1 , где ν 1 – частота вращения призмы, при которой свет появляется в первый раз. Таким образом, c = 2L / τ 1 = 16L ν 1 .
