Колледж инновационных технологий и предпринимательства

Индивидуальный проект

по дисциплине: «Физика »

на тему:

«Скорость света и методы ее определения»

Оглавление

Введение. 3

1.Скорость света в прозрачной среде. 4

2. Скорость света в вакууме. 5

3. Астрономические методы измерения скорости света. 6

         3.1 Метод Рёмера. 6

          3.2 Определение скорости света по наблюдению аберрации. 8

3.3 Метод прерываний (метод Физо) 10

              3.4 Метод вращающегося зеркала. 12

     3.5 Метод Майкельсона. 12

Экспериментальная часть. 14

Заключение. 16

Введение

 В этом реферате я  рассмотрю  очень важную и  значимую тему. Свет мы используем в обыденных вещах, таких как фонарики, светильники,  люстры, освещение в комнате, радио, но мы ничего не знаем о его свойствах, таких как скорость света.  Скорость света - одна из наиболее важных физических постоянных, которые называют фундаментальными. Эта постоянная  имеет особое значение, как в теории, так и в экспериментальной части физике и похожих  с нею науках. Точное значение скорости света требуется знать в радио- и светолокации, при измерении расстояний от Земли до других планет, (это был один из первых  способов   измерять скорость света) управлении спутниками и космическими кораблями. Определение скорости света наиболее важно для оптики, в частности, для оптики движущихся сред, и физики вообще. Одним и способов определения световой волны  в домашних условиях является микроволновая  печь – этот эксперимент мы   рассмотрим   чуть позже. Существует множество разных способов определять скорость света и самые известные мы сегодня  рассмотрим, а так же расскажем, кто и когда проводил эти эксперименты и какое оборудование использовалось. А так же к каким новым открытиям послужило это изучение.

1.Скорость света в прозрачной среде.

Скорость света в прозрачной среде — это скорость, с которой свет передаётся в среде. Если в среде преобладает  дисперсия, то различают фазовую и групповую скорость. 

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны чёрно-белого   света в среде . Эта скорость обычно, но не всегда меньше {\displaystyle c}c. Отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в среде называется показателем преломления среды. Если угловая частота {\displaystyle \omega } волны в среде зависит от волнового числа k {\displaystyle k}нелинейным образом, то групповая скорость равняется первой производной {\displaystyle {\frac {\partial \omega }{\partial k}}} , в отличие от фазовой скорости {\displaystyle {\frac {\omega }{k}}}.

Групповая скорость света определяется как скорость распространения колебаний между двумя волнами с близкой частотой и в соответственной  среде всегда меньше {\displaystyle c}c. Однако в непостоянных средах, например, мощно поглощающих, она может превышать {\displaystyle c}c. При этом,  передний фронт импульса  движется со скоростью, ограниченной скорости света в вакууме. Таким образом  сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение относительно среды светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

2. Скорость света в вакууме.

Скорость света  — это абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике принято  обозначать  латинской буквой «{\displaystyle c} с » (произносится как «цэ»). Скорость света в вакууме —  это фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к неизменяемым  физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства геометрии пространства-времени в целом. Из постулата причинности (любое событие может оказывать влияние только на события, происходящие позже него, и не может оказывать влияние на события, произошедшие раньше него) и постулата специальной теории относительности о независимости скорости света в вакууме от выбора инерциальной системы отсчёта (скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга) следует, что скорость любого сигнала и элементарной частицы не может превышать скорость света. Таким образом, скорость света в вакууме — это  предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

 Для преодоления расстояния. От поверхности Земли до поверхности Луны свет преодолевает расстояние которое равно 1,255 с.

В 1975 году было проведено наиболее точное измерение скорости света на основе эталонного метра который равен 299 792 458 ± 1,2 м/с.  

На данный момент считают, что скорость света в вакууме — это фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч.

В природе со скоростью света (в вакууме) распространяются:

·              собственно, видимый свет и другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-кванты и др.). Законы Максвелла предскажут волны в пустоте со скоростью {\displaystyle c=1/{\sqrt {\epsilon _{0}\mu _{0}}}}с =  где {\displaystyle \epsilon _{0}} и {\displaystyle \mu _{0}} — электрическая и магнитная постоянные.

·              предположительно — гравитационные волны (подтверждено с точностью от −3×10⁻¹⁵ до +0,7×10⁻¹⁵, то есть совместимо с нулём в пределах погрешности).

Массивные частицы могут иметь  приближённую скорость, которая  почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость, лишь на 3 м/сек меньше скорости света, имеют массивные частицы (протоны), полученные на ускорителе (Большой адронный коллайдер) или входящие в состав космических лучей.

В принципе движение каких-то объектов, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако, такие объекты не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например, солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью, большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой).

3. Астрономические методы измерения скорости света

3.1 Метод Рёмера

Первые измерения скорости света были изучены на астрономических наблюдениях. В 1676 году было получено впервые Рёмером достоверное значение скорости света, близкое к современному ее значению 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 светового луча  от светила до Земли.

Если происходит удаление светила от Земли, то это не будет влиять на период наблюдаемого процесса.

Если  за время прохождения периода Земля удалится от системы или приблизится к ней, то в первом случае окончание периода будет записана  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 светилом  в начале и конце периода к скорости света.

Эти  соображения лежат в основе метода Рёмера.

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

Проводя наблюдения затмений, Рёмер заметил, что моменты затмений сдвигаются во времени в зависимости от положения Земли на орбите, а именно, когда Земля находится ближе к Юпитеру, моменты затмений наступают ранее усреднённых на больших интервалах времени средних значений, а когда Земля находится дальше от Юпитера — отстают.

Для объяснения этих колебаний Рёмер предположил, что скорость света конечна, а разница во времени наблюдения затмений вызвана изменяющимся расстоянием между планетами. При росте расстояния событие наблюдается позже, т.к. свет от Юпитера должен пробегать больший путь, а при уменьшении расстояния — раньше. Его расчёт, основанный на современных ему неточных знаниях об орбитах планет и доступных ему способах изменения времени, дал для скорости света величину 230 000 км/с, что примерно на четверть ниже истинного  значения (c ≈ 300 000 км/с).

3.2 Определение скорости света по наблюдению аберрации.

Астрономическое изменение скорости света

В 1725-1728 гг. Брадлей провёл  наблюдения с целью выяснить, существует ли годичный параллакс звёзд, т. е. кажущееся смещение звёзд на небосклоне, отображающее передвижение Земли по орбите и связанное с конечностью расстояния от Земли до звезды. Для звёзд, лежащих в поверхности  эклиптики, этот эллипс вырождается в прямую, а для звёзд у полюса - в окружность. Брадлей действительно  разыскал  подобное смещение. Но большая ось эллипса оказалась для всех звёзд имеющие одни и те размер угла, а именно 2α=40",9.  В 1728 г -  Брадлей объяснил явление, названное им аберрацией света,  конечностью скорости распространения света и использовал его для определения этой скорости. 1837 - 1838 гг - В. Я. Струве и Бесселем  установили годичный параллакс, который был ими открыт спустя сто  лет от явления аберрации света.

 Будем использоваться вместо телескопа визирным приспособлением, который состоит  из двух небольших отверстий, размещён  по оси трубы. Когда скорость Земли совпадает по направлению с SE, ось трубы показывает на звезду. Когда же скорость Земли (и трубы) составляет угол j с указанием  на звезду, то для того, чтобы луч света оставался на оси трубы, трубу надо повернуть на угол a (рис. 9.2), ибо за время t, пока свет проходит путь SE, сама труба передвигаетя на расстояние E'Е=u₀t. Из рис. 1 можно определить угол a. Здесь SE определяет направление оси трубы без учёта аберрации, SE' - смещенное направление оси, обеспечивающее проникание  света вдоль оси трубы в период  всего времени t.  Используя то, что угол a очень мал, так как u₀<<с (пренебрегая членами порядка ).

Если звезд располагается  в плоскости эклиптики, то  вектора скорости Земли u₀ меняется по отношению к направлению звезды  (ES) в рамках  года по закону 

 Где Т - период обращения Земли, и зависимость угла аберрации от времени показывает  периодической функцией .

Рис. 1 К вычислению аберрационного смещения

Таким образом, направление на звезду меняется постоянно  в течение года: звезда совершает мнимые  колебания с угловой амплитудой  около средней позиции, соответствующего значению j=0.

Если звезда находится в полюсе эклиптики, то j=90° в пределах   всего года, т. е. угловое отклонение звезды  неизменным по формуле  (); но так как направление вектора u₀ изменяется в течение года на угол 2p, то и угловое смещение звезды меняется по направлению: звезда описывает кажущуюся круговую орбиту с угловым радиусом .

В общем случае, когда звезда расположена на угловом расстоянии d от плоскости эклиптики, аберрационная траектория звезды представляет собой эллипс, большая полуось которого имеет угловые размеры a₀, а малая - a₀sind. Именно такой характер и носило кажущееся смещение звёзд по наблюдению Брадлея. Определив из наблюдений a₀ и зная u₀, можно найти с. Брадлей нашёл с=308 000 км/с. В. Я. Струве (1845 г.) значительно улучшил точность наблюдений и получил a₀=20",445. Самые последние определения дают a₀=20",470, чему соответствует с=299 900 км/с.

Аберрация света связана с изменением направления скорости Земли в течение года.

3.3 Метод прерываний (метод Физо)

В 1449г. французский физик  Арман Ипполит Луи Физо провёл первый экспериментальный метод  определения скорости света земных источников.

 Отличительной особенностью этого метода является автоматическая регистрация моментов пуска и возвращения сигнала, которая  осуществляется   регулярным  прерыванием  светового потока (зубчатое колесо). Схема опыта Физо изображена ниже описания. Свет проходит от источника света и идёт между зубьями движущегося колеса  к зеркалу и, отразившись обратно, должен опять пройти между зубьями к наблюдателю. Для удобства окуляр, служащий для наблюдения, помещается против зубчиков вращающегося колеса, а свет поворачивается от источника света  к  зубчатому колесу при помощи полупрозрачной пластины. При увеличении  угловой скорости свет не полностью дойдёт до наблюдателя. Если ширина зубьев и просветов одинакова, то при увеличении скорости в два раза будет максимум света, при увеличении в  три раза – второе затмение и т.д.

 с =.- формула по которой вычисляется скорость света.

Где с – скорость света;

L –расстояние между зубчатым колесом и зеркалом;

 – угловая скорость колеса;

N – число зубьев.

На рисунке изображена схема опыта метода прерывания

В установке Физо база составляла 8,63 км, число зубцов в колесе 720 и первое затемнение наступило при частоте 12,6 об/с. Расчёт Физо значение скорости света = 313300 км/с.

Трудность измерений  заключается в определении момента затмения. Точное значение  повышается при увеличении базы, а так же и при  скоростях прерываний, позволяющих следить затемнение высших порядков. В 1902 году Перротен провёл тот же эксперимент, но при длине  базы  46 км и поучил более точное значение скорости света равной 29987050 км/с. Опыт проводился при чистом морском воздухе с использованием на тот момент высококачественной оптики.

Вместо вращающегося зубчатого колеса можно применить ячейку Керра, которая прерывает световой пучок 107 раз в секунду, при этом можно на много сократить базу. В 1941 году в установке Андерсона была использована ячейка Керра, при этом база составляла 3 метра. И получено значение  с = 29977614 км/с.

3.4 Метод вращающегося зеркала.

В 1862 году Фуко  разработал метод определения скорости света, так же это метод можно отнести к  первым лабораторным методам. Этим методом  измерил скорость света в среде, где показатель преломления был больше 1. (n>1)

Свет от источника проходит через полупрозрачную пластинку , линзу и падает на плоское зеркало, которое  вращатся вокруг своей оси ,  к плоскости чертежа. После отражения луча  от зеркала  луч света направляется на неподвижное вогнутое зеркало, расположенное таким образом, чтобы этот луч всегда падал перпендикулярно к его поверхности и отражался по тому же пути на зеркало, которое вращается вокруг своей оси. Если зеркало, которое должно вращаться   неподвижно, то отражённый  от него луч возвратится к пластинке, не полностью отражаясь от которой он даст изображение источника S в точке S1.

S, S1, S2-отражённый от зеркала луч.

С уверенностью можно сказать, что суть метода Фуко заключается в истинном  измерении времени прохождения светом расстояния 2l. Всё это время выражается  по углу поворота зеркала вращения, скорость вращения  известна. Угол поворота определяется на основе измерений смещения S1S2. В опыте Фуко скорость вращения составляла 800 об/с, база l меняется  от 4 до 20 км. Было найдено значение скорости света  с = 298000500 км/с.

Так же с помощью своей установки Фуко впервые измерил скорость света в воде

3.5 Метод Майкельсона

В 1926 году эксперимент  Майкельсона была выполнена между двумя горными верхушками, 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 прохождения света от первой грани до пятой, призма успевала повернуться на оборота. Роль поправки - было возможное смещение зайчика при неточно подобранной скорости. Скорость света, в этом опыте, была равной 2997964 км/с.

Отметим ещё один из методов выполненного в 1972 году измерение скорости света путем свободного определения длины волны и частоты света. Источником света был гелий-неоновый лазер, производящий излучение 3,39 мкм. Скорость света определенная этим методом, составила 299792,45620,001 км/с.  Точность может быть повышена за счет улучшения воспроизводимости измерений эталонов длины и времени.

Экспериментальная часть

В этом эксперименте я буду находить длину световой волны с помощью микроволновой печи и плитки шоколада. Сначала вынимаем  у микроволновой печи подставку из тарелки. Потом берём молочный шоколад БЕЗ НАЧИНКИ И ОРЕХОВ. Эту плитку положим в тарелку, а тарелку поставим в микроволновую печь, потом включим микроволновку на 2-4 минут (лучше на 2минуты, если поставить больше шоколад начнёт подгорать ). После выключения микроволновой печи достаём тарелку с шоколадом. На шоколаде хорошо видны две выпуклые точки или две подпаленные точки (как это вышло у меня), эти две точки надо измерить линейкой.

Шоколад до микроволновки.

Шоколад после микроволновки.

На шоколадки видны подгоревшие места

У меня получилось 6 см. Эти две точки обозначают половину длины волны, поэтому мы умножаем 6см  на 2 и получаем 12см.  Чтобы не ошибиться в расчётах, лучше сразу перевести сантиметры  в метры. И у нас получается  о,12метра.

Что бы найти скорость света «с» нужно длину волны «» умножить на частоту колебаний «v»

Частота колебаний указана на обратной стороне микроволновке. И она ровна 2450000000Гц

С=0.12*24500000000=294000000м\сек

Вот м и нашли скорость света через микроволновую печь.

Заключение

В этом реферате мы подробно познакомились с понятием скорости света, как измеряется эта величина, а также узнали о талантливых людях, что проводили разные методы изучения скорости света. Конечно это не все методы изучения световой волны, но мы разобрали самые основные и известные методы. Так же этими всеми опытами было доказано, что скорости света составляет 299792,45620,001 км/с. Каждый учёный уточнял, что можно сделать расчёты более, точнее, с определёнными условиями. Мы узнали, что  скорость света в вакууме больше чем в прозрачной среде. Так же поняли, почему со скоростью света мы не можем переносить информацию – этому может объ0яснить простой пример с солнечным зайчиком. Солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью, большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой.

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

Скачано с www.znanio.ru