Postoje različite metode za mjerenje brzine svjetlosti, uključujući one astronomske i pomoću različitih eksperimentalnih tehnika. Točnost mjerenja količine S stalno se povećava. Ova tablica daje nepotpuni popis eksperimentalnih radova za određivanje brzine svjetlosti.
|
Eksperiment |
Rezultati mjerenja, km/sek |
Eksperimentalna pogreška |
||
|
Weber-Kohlrausch Maxwell Michelson Perrotine Rose i Dorsey Mittelyptedt Pease i Pearson Anderson |
Pomrčina Jupiterovog mjeseca Svjetlosna aberacija Tijela koja se kreću Rotirajuća ogledala Elektromagnetske konstante Elektromagnetske konstante Rotirajuća ogledala Rotirajuća ogledala Elektromagnetske konstante Rotirajuća ogledala Rotirajuća ogledala Elektromagnetske konstante Ćelija Kerr vrata Rotirajuća ogledala Ćelija Kerr vrata Mikrovalna interferometrija |
Na slici su grafički prikazane numeričke vrijednosti brzine svjetlosti dobivene u različite godine(Slika Olimpusmicro.com).
Možete pratiti kako se točnost mjerenja mijenjala s napretkom u području znanosti i tehnologije.
Prvo uspješno mjerenje brzine svjetlosti datira iz 1676. godine.
Crteži prikazuju reprodukciju Roemerovog crteža, kao i shematsku interpretaciju.
Römerova astronomska metoda temelji se na mjerenju brzina svjetlosti na temelju promatranja pomrčina Jupiterovih satelita sa Zemlje. Jupiter ima nekoliko mjeseca koji su ili vidljivi sa Zemlje blizu Jupitera ili skriveni u njegovoj sjeni. Astronomska promatranja Jupiterovih satelita pokazuju da prosječni vremenski interval između dvije uzastopne pomrčine bilo kojeg Jupiterovog satelita ovisi o tome koliko su Zemlja i Jupiter udaljeni u trenutku promatranja. Na slici: Roemerova metoda. S - sunce, S - jupiter, W - zemlja
Neka su u određenom trenutku Zemlja Z1 i Jupiter J1 u opoziciji iu tom trenutku jedan od Jupiterovih satelita, promatran sa Zemlje, nestaje u Jupiterovoj sjeni (satelit nije prikazan na slici). Zatim, ako označimo sa R i r polumjeri orbita Jupitera i Zemlje i krozc je brzina svjetlosti u koordinatnom sustavu povezanom sa Suncem C na Zemlji, odlazak satelita u sjenu Jupitera bit će zabilježen u ( R- r)/s sekundi kasnije nego što se to događa u sustavu izvješćivanja o vremenu povezanom s Jupiterom.
Nakon 0,545 godina, Zemlja Z2 i Jupiter J2 su u konjunkciji. Ako u ovom trenutku postojin-tu pomrčinu istog Jupiterovog satelita, tada će na Zemlji biti registrirana s kašnjenjem od ( R+ r)/s sekundi. Prema tome, ako je period revolucije satelita oko Jupiterat, zatim vremensko razdobljeT1 teče između prvog in-te pomrčine promatrane sa Zemlje jednako je
Nakon još 0,545 godina, Zemlja 33 i Jupiter 3 ponovno će biti u opoziciji. Za to vrijeme dogodilo se (n-1) okretaji satelita oko Jupitera i (n-1) pomrčine, od kojih se prva dogodila kada su Zemlja i Jupiter zauzeli položaje Z2 i Yu2, a posljednja - kada su zauzeli položaje Z3 i Yu3. Prva pomrčina uočena je na Zemlji sa zakašnjenjem ( R+ r)/s, a potonji s kašnjenjem ( R-r)/ c u odnosu na trenutke izlaska satelita iz sjene planeta Jupitera. Stoga u ovom slučaju imamo
Roemer je izmjerio vremenske intervale T1 i T2 i utvrdio da je T1-T2 = 1980 s. Ali iz gore napisanih formula slijedi da je T1-T2 = 4 r/c, dakle c=4 r/1980 m/s. Uzimanjer, prosječna udaljenost od Zemlje do Sunca jednaka je 1500000000 km, nalazimo da je vrijednost za brzinu svjetlosti 3,01*10 6 m/s.
Određivanje brzine svjetlosti iz opažanja aberacije 1725.-1728. Bradley je poduzeo promatranje kako bi saznao postoji li godišnja paralaksa zvijezda, tj. prividni pomak zvijezda na nebeskom svodu, koji odražava kretanje Zemlje u njezinoj orbiti i povezan je s konačnom udaljenošću od Zemlje do zvijezde.
Bradley je doista otkrio takvu pristranost. Objasnio je promatrani fenomen, koji je naz aberacija svjetla, konačnu vrijednost brzine širenja svjetlosti i upotrijebio je za određivanje te brzine.
Poznavajući kut α i brzine Zemljine orbite v, možemo odrediti brzinu svjetlosti c.
Dobio je vrijednost za brzinu svjetlosti jednaku 308 000 km/s.
Važno je napomenuti da je aberacija svjetlosti povezana s promjenom smjera brzine Zemlje tijekom godine. Konstantna brzina, koliko god velika bila, ne može se detektirati pomoću aberacije, jer pri takvom kretanju smjer prema zvijezdi ostaje nepromijenjen i ne može se procijeniti prisutnost te brzine i koji kut ona čini s smjer prema zvijezdi. Aberacija svjetlosti omogućuje nam da prosudimo samo promjenu brzine Zemlje.
A. Fizeau je 1849. prvi u laboratorijskim uvjetima odredio brzinu svjetlosti. Njegova metoda nazvana je metoda zupčanika.Karakteristična značajka Njegova metoda je automatska registracija početnih i povratnih trenutaka signala, koja se provodi redovitim prekidanjem svjetlosnog toka (zupčanik).
Slika 3. Shema pokusa određivanja brzine svjetlosti metodom zupčanika.
Svjetlost iz izvora prolazila je kroz sjeckalicu (zubce rotirajućeg kotača) i reflektirana od zrcala ponovno se vraćala na zupčanik. Znajući udaljenost između kotača i zrcala, broj zubaca kotača i brzinu rotacije, možete izračunati brzinu svjetlosti.
Poznavajući udaljenost D, broj zuba z, kutna brzina (rpm)v, možete odrediti brzinu svjetlosti. Dobio je da je jednaka 313 000 km/s.
Razvijene su mnoge metode za daljnje poboljšanje točnosti mjerenja. Ubrzo je čak postalo potrebno uzeti u obzir indeks loma zraka. Ubrzo 1958. Frum je pomoću mikrovalnog interferometra i elektrooptičkog zatvarača (Kerrova ćelija) dobio vrijednost za brzinu svjetlosti jednaku 299792,5 km/s.
Brzinu svjetlosti prvi je odredio danski astronom Roemer 1676. godine. Do tada su među znanstvenicima postojala dva suprotna mišljenja. Neki su vjerovali da je brzina svjetlosti beskonačno velika. Drugi, iako su ga smatrali vrlo velikim, ipak su bili ograničeni. Roemer je potvrdio drugo mišljenje. Ispravno je povezao nepravilnosti u vremenu pomrčina Jupiterovih mjeseca s vremenom koje je potrebno svjetlosti da prijeđe promjer Zemljine orbite oko Sunca. Prvi je izveo zaključak o konačnoj brzini širenja svjetlosti i odredio njezinu vrijednost. Prema njegovim proračunima, brzina svjetlosti iznosila je 300870 km/s moderne jedinice. (Podaci preuzeti iz knjige: G. Lipson. Great Experiments in Physics.)
Foucaultova metoda
Metoda za mjerenje brzine svjetlosti, koja se sastoji u uzastopnom reflektiranju zrake svjetlosti od brzo rotirajućeg zrcala, zatim od drugog stacionarnog zrcala koje se nalazi na točno izmjerenoj udaljenosti, a zatim ponovno od prvog zrcala koje se uspjelo okretati kroz određeni mali kut. Brzina svjetlosti se određuje (s obzirom na poznatu brzinu rotacije prvog zrcala i udaljenost između dva zrcala) promjenom smjera tri puta reflektirane zrake svjetlosti. Koristeći ovu metodu, brzinu svjetlosti u zraku prvi je izmjerio J. B. L. Foucault 1862. godine.
Godine 1878–82. i 1924–26. izveo je mjerenja brzine svjetlosti, koja su dugo vremena ostala nenadmašna u točnosti. Godine 1881. eksperimentalno je dokazao i zajedno s E. W. Morleyem (1885–87) s velikom točnošću potvrdio neovisnost brzine svjetlosti o brzini Zemlje.
Rad kutnih reflektora optičkog raspona temelji se na istom principu, a to je mala trokutasta prizma izrađena od prozirnog stakla, čiji su rubovi prekriveni tankim slojem metala. Takav U. o. ima visok Seff zbog visokog omjera a/l. Za dobivanje svesmjernog U. o. koristiti sustav od nekoliko prizmi. Optički U. o. postala široko rasprostranjena nakon pojave lasera. Koriste se u navigaciji, za mjerenje udaljenosti i brzine svjetlosti u atmosferi, u pokusima s Mjesecom itd. Optički optički instrumenti. u obliku obojenog stakla s mnogo šupljina tetraedarskog oblika, koriste se kao signalna sredstva u cestovnom sektoru iu svakodnevnom životu.
Poznati američki znanstvenik Albert Michelson posvetio je gotovo cijeli život mjerenju brzine svjetlosti.
Jednog dana, znanstvenik je ispitivao očekivanu putanju svjetlosne zrake duž platna. željeznička pruga. Želio je izgraditi još napredniju postavku za još precizniju metodu mjerenja brzine svjetlosti. Prije toga, već je nekoliko godina radio na ovom problemu i postigao najtočnije vrijednosti za to vrijeme. Novinari su se zainteresirali za znanstvenikovo ponašanje i zbunjeni su ga pitali što radi ovdje. Michelson je objasnio da je mjerio brzinu svjetlosti.
- Zašto? - uslijedilo je pitanje.
"Zato što je prokleto zanimljivo", odgovorio je Michelson.
I nitko nije mogao zamisliti da će Michelsonovi eksperimenti postati temelj na kojem će se graditi veličanstveno zdanje teorije relativnosti, dajući potpuno novo razumijevanje fizičke slike svijeta.
Pedeset godina kasnije, Michelson je još uvijek nastavljao svoja mjerenja brzine svjetlosti.
Jednom mu je veliki Einstein postavio isto pitanje:
– Zato što je vraški zanimljivo! - odgovorio je Michelson pola stoljeća kasnije i Einstein.
Fizeauova metoda
Godine 1849. A. Fizeau je proveo laboratorijski pokus za mjerenje brzine svjetlosti. Svjetlost iz izvora 5 prošla je kroz sjeckalicu K (zubi rotirajućeg kotača) i reflektirana od ogledala 3 ponovno se vratila na zupčanik. Pretpostavimo da zub i utor zupčanika imaju istu širinu i da mjesto utora na kotaču zauzima susjedni zub. Tada će svjetlo biti blokirano zubom i okular će postati taman. To će se dogoditi pod uvjetom da je vrijeme potrebno da svjetlost putuje naprijed-nazad t=2L/c jednako vremenu kada se zupčanik okrene na pola puta kroz utor t2=T/(2N)=1/(2Nv). Ovdje je L udaljenost od zupčanika do ogledala; T – period vrtnje zupčanika; N – broj zuba; v=1/T – frekvencija vrtnje. Iz jednakosti t1=t2 slijedi računska formula za određivanje brzine svjetlosti ovom metodom:
c=4LNv
Koristeći metodu rotirajućeg zatvarača, Fizeau je 1849. godine dobio brzinu svjetlosti c = 3,13-10**5 km/s, što za ono vrijeme nije bilo nimalo loše. Naknadno je korištenje različitih zatvarača omogućilo značajno preciziranje vrijednosti brzine svjetlosti. Tako je 1950. godine dobivena vrijednost brzine svjetlosti (u vakuumu) jednaka:
s= (299 793,1 ±0,25) km/s.
Genijalno rješenje teškog problema određivanja brzine svjetlosti pronašao je 1676. danski astronom Olaf Roemer.
Olaf Roemer, promatrajući kretanje Jupiterovih satelita, primijetio je da tijekom pomrčine satelit povremeno sa zakašnjenjem napušta područje sjene. Roemer je to objasnio činjenicom da je u vrijeme sljedećeg promatranja Zemlja na drugoj točki svoje orbite nego prethodni put, pa je stoga udaljenost između nje i Jupitera drugačija. Maksimalni iznos za koji se ta udaljenost povećava jednak je promjeru Zemljine orbite. A upravo kada je Zemlja najudaljenija od Jupitera, satelit izlazi iz sjene s najvećim kašnjenjem.
Uspoređujući te podatke, Roemer je došao do zaključka da svjetlost sa satelita prijeđe udaljenost jednaku promjeru zemljine orbite - 299.106 tisuća km u 1320 sekundi. Ovaj zaključak ne samo da nas uvjerava da brzina širenja svjetlosti ne može biti trenutna, već nam također omogućuje da odredimo veličinu brzine; Da biste to učinili, trebate podijeliti promjer Zemljine orbite s vremenom kašnjenja satelita.
Prema Roemerovim izračunima, brzina širenja svjetlosti iznosila je 215 tisuća km/s.
Naknadne, naprednije metode promatranja vremena kašnjenja Jupiterovih satelita omogućile su razjašnjenje ove vrijednosti. Brzina svjetlosti, prema suvremenim podacima, iznosi 299 998,9 km/s. Za praktične proračune uzima se da je brzina svjetlosti u vakuumu 300 tisuća km/s. Ogromna brzina svjetlosti zaprepastila je ne samo Roemerove suvremenike, već je poslužila i kao razlog za poricanje korpuskularne teorije svjetlosti.
Ako je svjetlost tok korpuskula, onda bi pri takvoj brzini kretanja njihova energija trebala biti vrlo velika. Udarci korpuskula pri padu na tijela moraju biti vidljivi, tj. svjetlost mora vršiti pritisak!
James Bradley je bio sljedeći koji je izmjerio brzinu svjetlosti nakon Roemera.
Dok je jednog dana prelazio rijeku Temzu, Bradley je primijetio da dok se brod kreće, čini se da vjetar puše u drugom smjeru nego što je zapravo bio. To mu je opažanje vjerojatno dalo temelj da sličnim fenomenom objasni prividno gibanje zvijezda fiksnica, tzv. aberacija Sveta.
Svjetlost zvijezde dopire do Zemlje baš kao što kapljice okomito padajuće kiše padaju na prozore vagona u pokretu. Kretanje svjetlosnog snopa i kretanje Zemlje se zbrajaju.
Prema tome, da bi svjetlost sa zvijezde koja se nalazi okomito na ravninu gibanja Zemlje pala u teleskop, ona mora biti nagnuta za određeni kut, koji ne ovisi o udaljenosti do zvijezde, već samo o brzini svjetlosti i brzine gibanja Zemlje (već tada je bila poznata – 30 km/s).
Izmjerivši kut, Bradley je utvrdio da je brzina svjetlosti 308 tisuća km/s. Bradleyjeva mjerenja, kao i Roemerova, nisu riješila kontroverzno pitanje vrijednosti konstante u zakonu refrakcije, budući da su Bradley i Roemer odredili zadanu brzinu ne u bilo kojem mediju, već u svemiru.
Ideju nove metode za mjerenje brzine svjetlosti predložio je D. Arago. Na dva su ga načina proveli I. Fizeau i L. Foucault.
Fizeau je 1849. pažljivo izmjerio udaljenost između dviju točaka. U dnu njih stavio je izvor svjetlosti, au drugom - ogledalo, od kojeg bi se svjetlost trebala reflektirati i ponovno vratiti u izvor.
Da bi se odredila brzina širenja svjetlosti, bilo je potrebno vrlo precizno izmjeriti vrijeme koje je svjetlosti trebalo da prijeđe dvostruki put od izvora do zrcala.
Udaljenost od izvora, koji se nalazi u pariškom predgrađu Surenes, do zrcala postavljenog na Montmartreu iznosila je 8633 m. To znači da je dvostruka udaljenost iznosila 17.266 m, ako koristimo rezultate Roemerovih mjerenja brzine, neće biti više od šest stotina tisućinki sekunde.
Tada nije bilo sredstava za mjerenje tako kratkih vremenskih razdoblja.
To znači da su ta mjerenja trebala biti isključena iz eksperimenta.
Optika je postavljena u Suresnesu, usmjerena prema Parizu. Sa strane je svjetlost iz izvora ulazila kroz drugu cijev. Od površine prozirne staklene ploče koja se nalazi u cijevi pod kutom od 45, svjetlo se djelomično reflektiralo prema Parizu.
U Parizu, na Montmartreu, postavljen je još jedan teleskop u koji je ulazila svjetlost odbijena od prozirne ploče.
Gledajući kroz okular, mogao se vidjeti izvor svjetlosti smješten iza bočne cijevi. Okular trube postavljene na Montmartreu zamijenjen je ogledalom, zahvaljujući kojem se svjetlost vratila u Suresnes.
Svjetlost koju je zrcalo na Montmartreu reflektiralo, susrećući se s prozirnom staklenom pločom na povratku unutar cijevi, djelomično se odbijala od njezine površine, a svjetlost koja je prolazila kroz ploču i okular cijevi ulazila je u oko promatrača.
Teleskop u Suresnesu je osim bočne cijevi kroz koju je ulazila svjetlost imao i prorez na mjestu gdje se nalazilo žarište leće i okulara. Kroz utor je prolazio zupčanik koji je pokretao satni mehanizam. Kada je kotač bio nepomičan i postavljen tako da je svjetlost prolazila između zuba, svjetlost odbijena od zrcala na Montmartreu bila je vidljiva u okularu cijevi.
Kad se kotač pokrenuo, svjetlost je nestala. To se dogodilo u trenutku kada je svjetlost, prolazeći između zuba kotača prema Parizu, na povratku naišla na zub, a ne na razmak između zuba.
Da bi se svjetlo ponovno pojavilo u okularu, bilo je potrebno udvostručiti broj okretaja kotačića.
Kako se brzina dalje povećavala, svjetlost je ponovno nestala.
U Fizeauovim pokusima zupčanik je imao 720 zuba. Prvi nestanak skupa uočen je kada je kotač napravio 12,67 okretaja u sekundi.
Napravio je jedan okretaj u vremenu jednakom 1/12,67 sekundi. U ovom slučaju, razmak između zuba zamijenjen je zubom. Ako ima 720 zuba, onda postoji i 720 razmaka. Dakle, promjena se događa u vremenu jednakom 1/12,67*2*720 = 1/18245 sek.
Tijekom tog vremena svjetlost je prešla dva puta veću udaljenost od Suresnesa do Montmartrea.
Posljedično, njegova brzina bila je jednaka 315 tisuća km/s.
Ovom domišljatom metodom bilo je moguće izbjeći mjerenje kratkih vremenskih razdoblja, a ipak odrediti brzinu svjetlosti.
Relativno velika udaljenost između izvora svjetlosti i zrcala nije dopuštala da se bilo kakav medij postavi na put svjetlosti. Fizeau je odredio brzinu svjetlosti u zraku.
Brzinu svjetlosti u drugim medijima odredio je Foucault 1862. U Foucaultovim pokusima udaljenost od izvora do zrcala bila je samo nekoliko metara. To je omogućilo postavljanje cijevi napunjene vodom na put svjetlosti.
Foucault je utvrdio da je brzina širenja svjetlosti u različitim medijima manja nego u zraku. U vodi je, na primjer, jednako jednaka brzini svjetlo u zraku. Dobiveni rezultati riješili su dvostoljetni spor između korpuskularne i valne teorije o vrijednosti konstante u zakonu refrakcije. Pravo značenje u zakonu o lomu svjetla daje valna teorija svjetlosti.
Mjerenja brzine širenja svjetlosti u različitim medijima omogućila su uvođenje pojma optičke gustoće tvari.
Popis korištene literature
- Simulacijsko modeliranje. – [Elektronički izvor] – Način pristupa: webcache.googleusercontent.com – Datum pristupa: travanj 2014. - Cap. s ekrana.
Laboratorijske metode za određivanje brzine svjetlosti u biti su poboljšanja Galileove metode.
a) Metoda prekida.
Fizeau (1849.) prvi je u laboratorijskim uvjetima odredio brzinu svjetlosti. Karakteristična značajka njegove metode je automatsko bilježenje početnih i povratnih trenutaka signala, koje se provodi redovitim prekidanjem svjetlosnog toka (zupčanika). Shema Fizeauovog eksperimenta prikazana je na sl. 9.3. Svjetlo iz izvora S ide između zubaca kotača koji se okreće W do ogledala M i, nakon što se reflektira natrag, mora ponovno proći između zuba do promatrača. Za praktičnost, okular E, koji služi za promatranje, postavljen je nasuprot A, a svjetlo se okreće od S Do W pomoću prozirnog zrcala N. Ako se kotač okreće i to takvom kutnom brzinom da za vrijeme putovanja svjetlosti iz A Do M a natrag na mjestu zuba će biti prorezi, i obrnuto, tada se povratna svjetlost neće prenijeti na okular i promatrač neće vidjeti svjetlost (prva pomrčina). Kako se kutna brzina povećava, svjetlost će djelomično doći do promatrača. Ako su širina zuba i razmaka jednaki, tada će pri dvostrukoj brzini biti maksimum svjetlosti, pri trostrukoj brzini bit će druga pomrčina itd. Poznavajući udaljenost aM=D, broj zuba z, kutna brzina rotacije (broj okretaja u sekundi) n, možete izračunati brzinu svjetlosti.
| Riža. 9.3. Shema eksperimenta metode prekida. |
Ili S=2Dzn.
Glavna poteškoća određivanja leži u točnom trenutku pomrčine. Točnost raste s povećanjem udaljenosti D i pri brzinama prekida koje omogućuju promatranje pomrčina višeg reda. Stoga je Perrotin iznio svoja zapažanja na D=46 km i promatrao pomrčinu 32. reda. Pod ovim uvjetima potrebne su instalacije s velikim otvorom blende, čist zrak(promatranja u planinama), dobra optika, jak izvor svjetla.
U u posljednje vrijeme Umjesto rotirajućeg kotača uspješno se koriste druge, naprednije metode prekidanja svjetlosti.
b) Metoda rotirajućeg zrcala.
Foucault (1862.) uspješno je primijenio drugu metodu, čije je načelo još ranije (1838.) predložio Arago u svrhu usporedbe brzine svjetlosti u zraku s brzinom svjetlosti u drugim medijima (voda). Metoda se temelji na vrlo pažljivim mjerenjima kratkih vremenskih razdoblja pomoću rotirajućeg zrcala. Eksperimentalni dizajn je jasan sa Sl. 9.4. Svjetlo iz izvora S vođen lećom L na rotirajućem zrcalu R, reflektira se od njega u smjeru drugog zrcala S i vraća se nazad, prolazeći stazom 2 CR=2D na vrijeme t. Ovo vrijeme se procjenjuje kutom rotacije zrcala R, čija je brzina vrtnje točno poznata; kut rotacije se određuje iz mjerenja pomaka zečića uzrokovanog povratnom svjetlošću. Mjerenja se vrše pomoću okulara E i prozirna ploča M, igrajući istu ulogu kao u prethodnoj metodi; S 1 – položaj zečića sa stacionarnim ogledalom R, S" 1 – kada se ogledalo okreće. Važna značajka Foucaultove instalacije bila je njezina uporaba kao zrcala S konkavno sferno zrcalo, sa središtem zakrivljenosti na osi rotacije R. Zbog toga se svjetlost odbija od R Do S, uvijek se vraćao na R; u slučaju korištenja ravnog zrcala S to bi se dogodilo samo uz određenu međusobnu usmjerenost R I S, kada se os reflektiranog stošca zraka nalazi normalno na S.
Foucault je, u skladu s izvornim Aragovim planom, svojim uređajem odredio i brzinu svjetlosti u vodi, jer je uspio smanjiti udaljenost RS do 4 m, dajući ogledalu 800 okretaja u sekundi. Foucaultova mjerenja su pokazala da je brzina svjetlosti u vodi manja nego u zraku, u skladu s idejama valne teorije svjetlosti.
Posljednja Michelsonova (1926.) instalacija izvedena je između dva planinska vrha, pa je nastala udaljenost D» 35,4 km (točnije 35.373,21 m). Zrcalo je osmerokutna čelična prizma koja se okreće brzinom od 528 okretaja u sekundi.
Vrijeme potrebno da svjetlost prijeđe cijeli put bilo je 0,00023 s, tako da je zrcalo imalo vremena da se okrene za 1/8 kruga i svjetlost je pala na rub prizme. Dakle, pomak zečića bio je relativno beznačajan, a određivanje njegovog položaja igralo je ulogu korekcije, a ne glavne izmjerene vrijednosti, kao u prvim Foucaultovim eksperimentima, gdje je cijeli pomak dosegao samo 0,7 mm.
Obavljena su i vrlo precizna mjerenja brzine širenja radiovalova. U ovom slučaju korištena su radiogeodetska mjerenja, tj. određivanje udaljenosti između dviju točaka uz pomoć radijskih signala paralelno s preciznim triangulacijskim mjerenjima. Najbolja vrijednost dobivena ovom metodom, reducirana na vakuum, je c = 299,792 ± 2,4 km/s. Konačno, brzina radiovalova određena je metodom stojnih valova generiranih u cilindričnom rezonatoru. Teorija omogućuje povezivanje podataka o dimenzijama rezonatora i njegovoj rezonantnoj frekvenciji s brzinom valova. Eksperimenti su rađeni s vakuumiranim rezonatorom, tako da redukcija na vakuum nije bila potrebna. Najbolja vrijednost, dobiven ovom metodom, c = 299 792,5 ± 3,4 km/s.
c) Fazne i grupne brzine svjetlosti.
Laboratorijske metode za određivanje brzine svjetlosti, koje omogućuju ova mjerenja u kratkom roku, omogućuju određivanje brzine svjetlosti u različitim medijima i, prema tome, provjeru odnosa teorije loma svjetlosti. Kao što je već nekoliko puta spomenuto, indeks loma svjetlosti u Newtonovoj teoriji jednak je n=grijeh ja/grijeh r=υ 2 /υ 1, te u teoriji valova n=grijeh ja/grijeh r=υ 1 /υ 2 gdje υ 1 je brzina svjetlosti u prvom mediju, i υ 2 – brzina svjetlosti u drugom mediju. Arago je u ovoj razlici također vidio mogućnost eksperimenta crucis i predložio ideju eksperimenta, koju je kasnije proveo Foucault, koji je za omjer brzina svjetlosti u zraku i vodi pronašao vrijednost blizu , kao slijedi iz Huygensove teorije, a ne, kako slijedi iz Newtonove teorije.
Konvencionalno određivanje indeksa loma n=grijeh ja/grijeh r=υ 1 /υ 2 iz promjene smjera valne normale na granici dvaju medija daje omjer faznih brzina vala u ta dva medija. Međutim, pojam fazne brzine primjenjiv je samo na striktno monokromatske valove, što nije realno izvedivo, jer bi morali postojati neograničeno dugo u vremenu i urlati beskonačno prošireni u prostoru.
U stvarnosti uvijek imamo više ili manje složen impuls, vremenski i prostorno ograničen. Pri promatranju takvog pulsa možemo odabrati određeno mjesto, npr. mjesto najvećeg proširenja tog električnog ili magnetsko polje, što je elektromagnetski puls. Brzina pulsa može se identificirati s brzinom širenja bilo koje točke, na primjer, točke maksimalne jakosti polja.
Međutim, medij (s izuzetkom vakuuma) obično karakterizira disperzija, tj. monokromatski valovi se šire različitim faznim brzinama ovisno o njihovoj duljini, a puls se počinje deformirati. U ovom slučaju pitanje brzine impulsa postaje složenije. Ako disperzija nije jako velika, tada se deformacija impulsa događa sporo i možemo pratiti kretanje određene amplitude polja u valnom impulsu, na primjer, maksimalne amplitude polja. Međutim, brzina kretanja pulsa, koju je nazvao Rayleigh grupna brzina, razlikovat će se od fazne brzine bilo kojeg monokromatskog vala koji ga čini.
Radi jednostavnosti izračuna, puls ćemo zamisliti kao skup dviju sinusoida jednake amplitude koje su bliske po frekvenciji, a ne kao skup beskonačnog broja bliskih sinusoida. Ovim pojednostavljenjem očuvane su glavne značajke fenomena. Dakle, naš impuls ili, kako se kaže, skupina valova, sastoji se od dva vala.
gdje se pretpostavlja da su amplitude jednake, a da se frekvencije i valne duljine malo razlikuju jedna od druge, tj.
gdje su i male količine. Impuls (valna grupa) na postoji zbroj na 1 i na 2, tj.
Uvodeći notaciju, predstavimo naš impuls u obliku gdje A ne stalno, nego se mijenja u vremenu i prostoru, ali se mijenja polako, jer δω I δk– mali (u usporedbi s ω 0 i κ 0) količine. Stoga, dopuštajući određenu nepažnju u govoru, možemo smatrati da je naš impuls sinusoida sa sporo promjenjivom amplitudom.
Dakle, brzina impulsa (skupina), koja se, prema Rayleighu, naziva grupna brzina, je brzina kretanja amplitude, i, prema tome, energije, nošen pokretnim impulsom.
Tako, monokromatski val karakteriziran faznom brzinom υ=ω /κ , označavajući brzinu kretanja fazama, a impuls karakterizira grupna brzina u=dω/dκ, što odgovara brzini širenja energije polja ovog impulsa.
Nije teško pronaći vezu između u I υ . Zapravo,
ili, budući i stoga,
one. konačno
(Rayleighova formula).
Razlika između u I υ disperzija je značajnija što je veća dυ/dλ. U nedostatku disperzije ( dυ/dλ=0) imamo u=υ. Ovaj slučaj, kao što je već rečeno, događa se samo za vakuum.
Rayleigh je pokazao da se u poznatim metodama za određivanje brzine svjetlosti, po samoj biti metode, ne radi o valovima koji kontinuirano traju, već o njihovom razbijanju na male segmente. Zupčanik i drugi prekidi u metodi prekidanja daju slabljenje i povećanje svjetlosne pobude, tj. skupina valova. Ista stvar se događa u Roemerovoj metodi, gdje se svjetlost prekida periodičnim zatamnjenjem. U metodi rotirajućeg zrcala, svjetlost također prestaje dopirati do promatrača kada se zrcalo dovoljno zakrene. U svim tim slučajevima mjerimo grupnu brzinu u disperzivnom mediju, a ne faznu brzinu.
Rayleigh je smatrao da u metodi svjetlosne aberacije mjerimo izravnu faznu brzinu, jer se tu svjetlost ne prekida umjetno. Međutim, Ehrenfest (1910) je pokazao da se promatranje svjetlosne aberacije u principu ne razlikuje od Fizeauove metode, tj. također daje grupnu brzinu. Doista, iskustvo aberacije može se svesti na sljedeće. Dva diska s rupama kruto su pričvršćena na zajedničku os. Svjetlost se šalje duž linije koja povezuje te rupe i dolazi do promatrača. Stavimo cijeli aparat u brzu rotaciju. Budući da je brzina svjetlosti konačna, svjetlost neće proći kroz drugu rupu. Za prijenos svjetlosti potrebno je jedan disk zakrenuti u odnosu na drugi za kut određen omjerom brzina diskova i svjetlosti. Ovo je tipično iskustvo aberacije; međutim, ne razlikuje se od Fizeauova pokusa u kojem umjesto dva rotirajuća diska s rupama postoji jedan disk i zrcalo za okretanje zraka, tj. u biti dva diska: pravi i njegov odraz u fiksnom zrcalu. Dakle, metoda aberacije daje isto što i metoda prekida, tj. grupna brzina.
Stoga je u Michelsonovim pokusima s vodom i ugljikovim disulfidom mjeren omjer grupnih, a ne faznih brzina.
Davno prije nego što su znanstvenici izmjerili brzinu svjetlosti, morali su naporno raditi kako bi definirali sam koncept "svjetlosti". Među prvima je o tome razmišljao Aristotel, koji je svjetlost smatrao nekom vrstom pokretne tvari koja se širi prostorom. Njegov starorimski kolega i sljedbenik Lukrecije Kar inzistirao je na atomskoj strukturi svjetlosti.
DO XVII stoljeće Formirane su dvije glavne teorije o prirodi svjetlosti - korpuskularna i valna. Newton je bio jedan od pristaša prvoga. Po njegovom mišljenju, svi izvori svjetlosti emitiraju sitne čestice. U procesu "leta" formiraju svjetleće linije - zrake. Njegov protivnik, nizozemski znanstvenik Christiaan Huygens, inzistirao je na tome da je svjetlost vrsta valnog gibanja.
Kao rezultat stoljetnih sporova, znanstvenici su došli do konsenzusa: obje teorije imaju pravo na život, a svjetlost je vidljiv oku spektra elektromagnetskih valova.
Malo povijesti. Kako je izmjerena brzina svjetlosti?
Većina drevnih znanstvenika bila je uvjerena da je brzina svjetlosti beskonačna. Međutim, rezultati istraživanja Galilea i Hookea dopustili su njegovu ekstremnu prirodu, što je u 17. stoljeću jasno potvrdio izvrsni danski astronom i matematičar Olaf Roemer.
Svoja prva mjerenja napravio je promatrajući pomrčine Ia, Jupiterovog satelita, u vrijeme kada su se Jupiter i Zemlja nalazili na suprotnim stranama u odnosu na Sunce. Roemer je zabilježio da se vrijeme odgode mijenja kako se Zemlja udaljava od Jupitera za udaljenost jednaku promjeru Zemljine orbite. Maksimalna vrijednost bila je 22 minute. Kao rezultat izračuna, dobio je brzinu od 220 000 km/s.
50 godina kasnije, 1728. godine, zahvaljujući otkriću aberacije, engleski astronom J. Bradley “pročistio” je ovu brojku na 308 000 km/s. Kasnije su brzinu svjetlosti izmjerili francuski astrofizičari François Argot i Leon Foucault, dobivši rezultat od 298 000 km/s. Još precizniju tehniku mjerenja predložio je tvorac interferometra, poznati američki fizičar Albert Michelson.
Michelsonov pokus za određivanje brzine svjetlosti
Pokusi su trajali od 1924. do 1927. godine i sastojali su se od 5 serija promatranja. Suština eksperimenta bila je sljedeća. Izvor svjetlosti, zrcalo i rotirajuća osmerokuta prizma postavljeni su na Mount Wilson u blizini Los Angelesa, a reflektirajuće zrcalo postavljeno je 35 km kasnije na Mount San Antonio. U početku je svjetlost kroz leću i prorez udarila u prizmu koja se okreće s rotorom velike brzine (brzinom od 528 okretaja u sekundi).
Sudionici u pokusima mogli su prilagoditi brzinu rotacije tako da je slika izvora svjetlosti bila jasno vidljiva u okularu. Budući da su bili poznati razmak između vrhova i frekvencija rotacije, Michelson je odredio brzinu svjetlosti - 299,796 km/s.
O brzini svjetlosti znanstvenici su se konačno odlučili u drugoj polovici 20. stoljeća, kada su nastali maseri i laseri, koje karakterizira najveća stabilnost frekvencije zračenja. Do početka 70-ih godina pogreška u mjerenjima pala je na 1 km/s. Kao rezultat toga, na preporuku XV Generalne konferencije za utege i mjere, održane 1975. godine, odlučeno je pretpostaviti da je brzina svjetlosti u vakuumu sada jednaka 299792,458 km/s.
Je li nam brzina svjetlosti dostižna?
Očito je istraživanje dalekih kuteva Svemira nezamislivo bez svemirskih brodova koji lete ogromnom brzinom. Po mogućnosti brzinom svjetlosti. Ali je li ovo moguće?
Brzina svjetlosne barijere jedna je od posljedica teorije relativnosti. Kao što znate, povećanje brzine zahtijeva povećanje energije. Brzina svjetlosti zahtijevala bi gotovo beskonačnu energiju.
Nažalost, zakoni fizike su kategorički protiv toga. Na brzinu svemirski brod pri 300 000 km/s, čestice koje lete prema njemu, na primjer, atomi vodika, pretvaraju se u smrtonosni izvor snažnog zračenja od 10 000 siverta/s. To je otprilike isto kao da ste unutar Velikog hadronskog sudarača.
Prema znanstvenicima sa Sveučilišta Johns Hopkins, u prirodi ne postoji odgovarajuća zaštita od tako monstruoznog kozmičkog zračenja. Uništenje broda bit će dovršeno erozijom od učinaka međuzvjezdane prašine.
Drugi problem s brzinom svjetlosti je dilatacija vremena. Starost će postati mnogo duža. Vidno polje će također biti iskrivljeno, zbog čega će putanja broda prolaziti kao u tunelu, na čijem će kraju posada vidjeti blještavi bljesak. Iza broda će biti apsolutni mrkli mrak.
Dakle, u bliskoj budućnosti čovječanstvo će morati ograničiti svoje "apetite" za brzinom na 10% brzine svjetlosti. To znači da će trebati oko 40 godina da se doleti do Zemlji najbliže zvijezde, Proxime Centauri (4,22 svjetlosne godine).
Književnost
Myakishev G.Ya. Bukhovtsev B.B. Fizika 11. Udžbenik. M.: Obrazovanje, 2004.
Ciljevi lekcije
Razmotrite različite načine mjerenja brzine svjetlosti.
U ovoj se lekciji koriste računalni modeli za objašnjenje novog gradiva.
| Ne. | Koraci lekcije | Vrijeme, min | Tehnike i metode |
| 1 | Organizacijski trenutak | 2 | |
| 2 | Anketa na temu “Porpukularne i valne teorije svjetlosti” | 10 | Usmena anketa |
| 3 | Objašnjenje novog materijala na temu "Brzina svjetlosti" | 30 | Rad s modelima “Fizeau eksperiment” i “Michelson eksperiment”. |
| 4 | Objašnjenje domaće zadaće | 3 |
Domaća zadaća: § 59.
Pri objašnjavanju novog gradiva koristi se demonstracija interaktivnih modela “Fizeauovo iskustvo” i “Michelsonovo iskustvo”. Određuje se metoda demonstracije tehničke mogućnosti korištena učionica. Moguće su sljedeće opcije:
- Demonstracija modela od strane nastavnika pomoću multimedijske projekcijske opreme.
- Demonstracija modela od strane nastavnika pomoću sustava za daljinsko upravljanje osobnim računalima učenika, na primjer NetOp School.
- Učenici rade s modelom izravno na obrazovnim računalima dok nastavnik objašnjava novo gradivo i pod njegovom kontrolom.
Teorija za lekciju
Fizeauovo iskustvo
Godine 1849. francuski fizičar Armand Hippolyte Louis Fizeau (23. 11. 1819. – 18. 9. 1896., Pariz, Francuska) prvi je proveo laboratorijski pokus za mjerenje brzine svjetlosti metodom rotirajućeg zatvarača. U Fizeauovoj instalaciji, uski snop svjetlosti bio je podijeljen u impulse, prolazeći kroz praznine između izbočina na obodu diska koji se brzo okreće. Impulsi pogađaju zrcalo koje se nalazi na udaljenosti L = 8,66 km od izvora i orijentirano je okomito na putanju snopa. Eksperimentator je promjenom brzine rotacije kotača osigurao da reflektirana svjetlost padne u razmak između zuba. Na Fizeau disku je bilo 720 projekcija. Poznavajući udaljenost između zuba i brzinu rotacije kotača pri kojoj svjetlost ulazi u sljedeći procjep, možemo izračunati brzinu svjetlosti.
Fizeauov rezultat za brzinu svjetlosti bio je 313 247 304 m/s. Naknadno je niz istraživača poboljšao metodu korištenjem različitih opcija zatvarača. Konkretno, američki fizičar A. Michelson razvio je vrlo naprednu metodu za mjerenje brzine svjetlosti pomoću rotirajućih zrcala. To je omogućilo značajno razjašnjavanje vrijednosti brzine svjetlosti.
Primjer računske operacije za opciju u kojoj eksperimentator čini da svjetlost nestane u okularu uređaja
Pretpostavimo da zub i utor zupčanika imaju istu širinu i da tijekom kretanja svjetlosnog impulsa prema zrcalu i natrag, mjesto utora na kotaču zauzima susjedni zub. Tada će svjetlo biti blokirano zubom i okular će postati taman. To će se dogoditi pod uvjetom da je vrijeme potrebno da svjetlost putuje tamo i natrag:
Ovdje je L udaljenost od zupčanika do zrcala, T 1 je period vrtnje zupčanika, ν 1 = 1 / T 1 je frekvencija vrtnje pri kojoj svjetlosni tok u okularu prvi put nestaje, N je broj zuba. Budući da je t = t 1, dobivamo formulu za izračun za određivanje brzine svjetlosti pomoću ove metode:| c = 4LN ν 1 . |
Primjer računske operacije za opciju u kojoj eksperimentator čini da se svjetlo pojavi nakon što je nestalo u okularu uređaja
Pretpostavimo da su zub i utor zupčanika iste širine i da tijekom kretanja svjetlosnog impulsa do zrcala i natrag mjesto prvog utora na kotaču zauzima utor koji ga slijedi. Tada će svjetlost ponovno moći proći do okulara i okular će ponovno postati svjetla. To će se dogoditi pod uvjetom da je vrijeme potrebno da svjetlost putuje tamo i natrag:
Ovom metodom dobivamo računsku formulu za određivanje brzine svjetlosti: c = 2LN ν 2, gdje je ν 2 = 1 / T 2 rotacijska frekvencija pri kojoj se svjetlost ponovno pojavljuje u okularu nakon prvog nestanka.Michelsonov eksperiment
Američki fizičar Albert Abraham Michelson (19. 12. 1852. – 9. 5. 1931.) tijekom svog je života usavršavao tehniku mjerenja brzine svjetlosti. Stvarajući sve složenije instalacije, nastojao je dobiti rezultate s minimalnom greškom. U 1924. – 1927. razvio je nacrt eksperimenta u kojem je snop svjetlosti poslan s vrha Mount Wilson na vrh San Antonija. Rotirajući zatvarač bio je rotirajuće zrcalo, proizvedeno s iznimnom preciznošću i pokretano posebno dizajniranim uređajem.
“Priprema eksperimenta obavljena je s velikom pažnjom. Odabrano je mjesto za dvije instalacije. Jedan od njih nalazio se na njemu već poznatom vrhu Mount Wilson, a drugi na vrhu Mount San Antonio, poznatom pod nadimkom “Stara Ćelavost”, na nadmorskoj visini od 5800 m i na udaljen 35 km od Mount Wilson. Obalna i geodetska služba Sjedinjenih Država dobila je zadatak točno izmjeriti udaljenost između dvije reflektirajuće ravnine, rotirajućeg prizmatičnog zrcala na Mount Wilsonu i fiksnog zrcala na San Antoniju. Moguća pogreška u mjerenju udaljenosti bila je jedan sedammilijunti dio, ili djelić centimetra, na 35 km. Rotirajuću prizmu od poniklanog čelika s osam zrcalnih površina poliranih na jedan u milijun za eksperiment je proizvela Sperry Gyroscope Company iz Brooklyna, čiji je predsjednik, inženjer-izumitelj Elmer A. Sperry, bio Michelsonov prijatelj. Osim toga, izrađeno je još nekoliko staklenih i čeličnih prizmi. Osmerokutni rotor velike brzine napravio je do 528 okretaja u sekundi. Pogonila ga je struja zraka, a brzina mu se, kao i u prijašnjim pokusima, regulirala pomoću električne vilice za ugađanje. (Vilicu za ugađanje koriste ne samo glazbenici za određivanje visine zvuka. Pomoću nje možete vrlo precizno odrediti kratke jednake vremenske periode. Možete stvoriti instrument sa željenom frekvencijom, koja pod utjecajem električna strujaće vibrirati poput električnog zvona)."
(Bernard Jeff. Michelson i brzina svjetlosti. Prijevod s engleskog R. S. Bobrova. M.: Izdavačka kuća strane književnosti, 1963. Elektronička verzija– http://n-t.ru/ri/dj/mc.htm).
Počevši od 1924. do početka 1927. godine, provedeno je pet neovisnih serija promatranja. Prosječni rezultat bio je 299,798 km u sekundi.
Rezultati svih Michelsonovih mjerenja mogu se zapisati kao c = (299796 ± 4) km/s.
Proračun brzine svjetlosti
Eksperiment koristi osmerokutnu prizmu. Dakle, vrijeme rotacije prizme na jednoj plohi je τ 1 = T / 8, τ 1 = 1/ 8ν 1, gdje je ν 1 frekvencija rotacije prizme pri kojoj se svjetlost prvi put pojavljuje. Dakle, c = 2L / τ 1 = 16L ν 1.