Metody wyznaczania prędkości światła. Prędkość światła i metody jego pomiaru. Pierwsze propozycje Galileo: na blatach zamontowano latarnię i lustro. Prędkość światła i metody jej wyznaczania Metoda laboratoryjna po raz pierwszy zmierzyła prędkość światła test

Naprawdę jak? Jak zmierzyć najwyższą prędkość w Wszechświat w naszych skromnych, ziemskich warunkach? Nie musimy się już nad tym zastanawiać – w końcu przez kilka stuleci tak wiele osób pracowało nad tym zagadnieniem, opracowując metody pomiaru prędkości światła. Zacznijmy historię w kolejności.

prędkość światła– prędkość propagacji fale elektromagnetyczne w odkurzaczu. Jest oznaczony literą łacińską C. Prędkość światła wynosi około 300 000 000 m/s.

Początkowo nikt nie myślał o mierzeniu prędkości światła. Jest światło - to świetnie. Wtedy, w epoce starożytności, wśród filozofów naukowych dominował pogląd, że prędkość światła jest nieskończona, czyli chwilowa. Wtedy było Średniowiecze z Inkwizycją, kiedy głównym pytaniem myślących i postępowych ludzi było pytanie „Jak nie dostać się do ognia?” I tylko w epoce renesans oraz Oświecenie opinie naukowców zrodziły się i oczywiście podzieliły.

Więc, Kartezjusz, Keplera oraz Gospodarstwo rolne byli tego samego zdania co naukowcy starożytności. Uważał jednak, że prędkość światła jest skończona, choć bardzo duża. Właściwie dokonał pierwszego pomiaru prędkości światła. Dokładniej, podjął pierwszą próbę zmierzenia go.

Doświadczenie Galileusza

Doświadczenie Galileo Galilei był genialny w swojej prostocie. Naukowiec przeprowadził eksperyment, aby zmierzyć prędkość światła, uzbrojony w proste, improwizowane środki. W wielkiej i dobrze znanej odległości od siebie, na różnych wzgórzach, Galileusz i jego pomocnik stali z zapalonymi latarniami. Jeden z nich otworzył przesłonę na latarni, a drugi musiał zrobić to samo, gdy zobaczył światło pierwszej latarni. Znając odległość i czas (opóźnienie przed otwarciem latarni przez asystenta), Galileusz oczekiwał, że obliczy prędkość światła. Niestety, aby ten eksperyment się powiódł, Galileusz i jego asystent musieli wybrać wzgórza oddalone od siebie o kilka milionów kilometrów. Przypominam, że możesz zamówić esej wypełniając aplikację na stronie.

Eksperymenty Roemera i Bradleya

Pierwszym udanym i zaskakująco dokładnym eksperymentem w określaniu prędkości światła było doświadczenie duńskiego astronoma Olaf Römer. Roemer zastosował astronomiczną metodę pomiaru prędkości światła. W 1676 roku obserwował księżyc Jowisza Io za pomocą teleskopu i odkrył, że czas zaćmienia satelity zmienia się wraz z oddalaniem się Ziemi od Jowisza. Maksymalny czas opóźnienia wynosił 22 minuty. Zakładając, że Ziemia oddala się od Jowisza w odległości równej średnicy orbity Ziemi, Roemer podzielił przybliżoną wartość średnicy przez czas opóźnienia i otrzymał wartość 214 000 kilometrów na sekundę. Oczywiście takie obliczenia były bardzo przybliżone, odległości między planetami znane były tylko w przybliżeniu, ale wynik okazał się stosunkowo bliski prawdy.

Doświadczenie Bradleya. W 1728 James Bradley oszacował prędkość światła, obserwując aberrację gwiazd. aberracja to zmiana pozornej pozycji gwiazdy spowodowana ruchem Ziemi na jej orbicie. Znając prędkość Ziemi i mierząc kąt aberracji, Bradley uzyskał wartość 301 000 kilometrów na sekundę.

Doświadczenie Fizeau

Wynik eksperymentu Roemera i Bradleya został potraktowany z nieufnością przez ówczesny świat naukowy. Jednak wynik Bradleya był najdokładniejszy od ponad stu lat, aż do 1849 roku. W tym roku francuski naukowiec Armand Fizeau zmierzył prędkość światła za pomocą metody migawki obrotowej, bez obserwacji ciał niebieskich, ale tutaj na Ziemi. W rzeczywistości była to pierwsza po Galileo metoda laboratoryjna do pomiaru prędkości światła. Poniżej znajduje się schemat jego konfiguracji laboratoryjnej.

Światło odbite od lustra przeszło przez zęby koła i zostało odbite od innego lustra oddalonego o 8,6 km. Zwiększano prędkość koła, aż w następnej szczelinie pojawiło się światło. Obliczenia Fizeau dały wynik 313 000 kilometrów na sekundę. Rok później podobny eksperyment z obracającym się lustrem przeprowadził Léon Foucault, który uzyskał wynik 298 000 kilometrów na sekundę.

Wraz z pojawieniem się maserów i laserów ludzie mają nowe możliwości i sposoby mierzenia prędkości światła, a rozwój teorii umożliwił również obliczanie prędkości światła pośrednio, bez dokonywania bezpośrednich pomiarów.

Najdokładniejsza wartość prędkości światła

Ludzkość zgromadziła ogromne doświadczenie w mierzeniu prędkości światła. Do tej pory za najdokładniejszą wartość prędkości światła uważa się wartość 299 792 458 metrów na sekundę otrzymany w 1983 roku. Ciekawe, że dalszy, dokładniejszy pomiar prędkości światła okazał się niemożliwy z powodu błędów pomiaru metrów. Teraz wartość miernika jest powiązana z prędkością światła i równa się odległości, jaką światło pokonuje w 1/299 792 458 sekund.

Na koniec, jak zawsze, proponujemy obejrzeć film informacyjny. Przyjaciele, nawet jeśli staniesz przed takim zadaniem, jak samodzielne mierzenie prędkości światła za pomocą improwizowanych środków, możesz bezpiecznie zwrócić się o pomoc do naszych autorów. Test online możesz zamówić wypełniając wniosek na stronie kursu korespondencyjnego. Życzymy przyjemnej i łatwej nauki!

Laboratoryjne metody określania prędkości światła są zasadniczo udoskonaleniem metody Galileo.

a) Metoda przerwań.

Fizeau (1849) wykonał pierwsze oznaczenie prędkości światła w warunkach laboratoryjnych. charakterystyczna cecha jego metodą jest automatyczna rejestracja momentów uruchomienia i powrotu sygnału, realizowana poprzez regularne przerywanie strumienia świetlnego (koło zębate). Schemat eksperymentu Fizeau pokazano na ryc. 9.3. światło ze źródła S wchodzi między zęby kręcącego się koła W do lustra m i, odbite z powrotem, musi ponownie przejść między zębami do obserwatora. Dla wygody okular mi, służący do obserwacji, jest umieszczony przeciwko a i światło gaśnie z S Do W z półprzezroczystym lustrem n. Jeżeli koło obraca się, a ponadto z taką prędkością kątową, że w tym czasie światło przemieszcza się z a Do m i z powrotem w miejsce zębów będą szczeliny i odwrotnie, wtedy powracające światło nie zostanie przekazane do okularu i obserwator nie zobaczy światła (pierwsze zaćmienie). Wraz ze wzrostem prędkości kątowej światło częściowo dotrze do obserwatora. Jeśli szerokość zębów i szczelin jest taka sama, to przy podwójnej prędkości będzie maksimum światła, przy potrójnej prędkości - drugie zaćmienie itp. Znając odległość rano=D, Liczba zębów z, prędkość kątowa obrotu (liczba obrotów na sekundę) n, możesz obliczyć prędkość światła.

Lub Z=2Dzn.

Główna trudność w ustaleniu polega na dokładnym ustaleniu momentu zaćmienia. Dokładność wzrasta wraz ze wzrostem odległości D oraz przy częstotliwościach przerw umożliwiających obserwację zaćmień wyższego rzędu. Tak więc Perrotin przeprowadził swoje obserwacje w D=46 km i zaobserwowano zaćmienie 32. rzędu. W takich warunkach wymagane są instalacje o dużej aperturze, czyste powietrze (obserwacje w górach), dobra optyka i mocne źródło światła.

V Ostatnio zamiast kołowrotka z powodzeniem stosuje się inne, bardziej zaawansowane metody przerywania światła.

b) Metoda obracającego się lustra.

Foucault (1862) z powodzeniem wdrożył drugą metodę, której zasadę zaproponował już wcześniej (1838) Arago w celu porównania prędkości światła w powietrzu z prędkością światła w innych ośrodkach (woda). Metoda opiera się na bardzo dokładnych pomiarach małych odstępów czasu za pomocą obracającego się lustra. Schemat doświadczenia wynika z ryc. 9.4. światło ze źródła S prowadzony przez obiektyw L na obrotowym lustrze r, odbija się od niego w kierunku drugiego lustra Z i wraca, mijając ścieżkę 2 CR=2D podczas T. Czas ten jest szacowany na podstawie kąta obrotu lustra r, którego prędkość obrotowa jest dokładnie znana; kąt obrotu wyznaczany jest z pomiaru przemieszczenia plamki, wywołanego przez zwracane światło. Pomiary wykonuje się okularem. mi i półprzezroczysty talerz m, który pełni taką samą rolę jak w poprzedniej metodzie; S 1 - pozycja króliczka ze stałym lusterkiem r, S" 1 - gdy lustro się obraca. Ważną cechą instalacji Foucaulta było wykorzystanie jej jako lustra Z zwierciadło sferyczne wklęsłe, którego środek krzywizny leży na osi obrotu r. W rezultacie światło odbite od r Do Z, zawsze wracaj do gry r; w przypadku lustra płaskiego Z stałoby się to tylko przy pewnej wzajemnej orientacji r oraz Z gdy oś odbitego stożka wiązki jest normalna do Z.

Foucault, zgodnie z pierwotnym planem Arago, przeprowadził również za pomocą swojego urządzenia określenie prędkości światła w wodzie, ponieważ udało mu się zmniejszyć odległość RC do 4 m, dając lusterku 800 obrotów na sekundę. Pomiary Foucaulta wykazały, że prędkość światła w wodzie jest mniejsza niż w powietrzu, zgodnie z ideami falowej teorii światła.

Ostatnia instalacja Michelsona (1926) znajdowała się między dwoma szczytami górskimi, więc wynikiem jest odległość D» 35,4 km (dokładniej 35 373,21 m). Lustro było oktaedrycznym pryzmatem stalowym obracającym się z prędkością 528 obr./min.

Czas potrzebny, aby światło wykonało pełną ścieżkę to 0,00023 s, dzięki czemu zwierciadło zdążyło obrócić się o 1/8 obrotu i światło padło na krawędź pryzmatu. Przemieszczenie zająca było więc stosunkowo nieznaczne, a określenie jego pozycji pełniło rolę korekty, a nie głównej wartości pomiarowej, jak w pierwszych eksperymentach Foucaulta, gdzie całe przemieszczenie sięgnęło zaledwie 0,7 mm.

Dokonano również bardzo dokładnych pomiarów prędkości propagacji fal radiowych. W tym przypadku wykorzystano radiogeodezyjne pomiary, tj. wyznaczanie odległości między dwoma punktami za pomocą sygnałów radiowych równolegle z dokładnymi pomiarami triangulacyjnymi. Najlepsza wartość uzyskana tą metodą, zredukowana do próżni, c = 299 792 ± 2,4 km/s. Ostatecznie prędkość fal radiowych wyznaczono metodą fal stojących utworzonych w cylindrycznym rezonatorze. Teoria umożliwia powiązanie danych dotyczących wymiarów rezonatora i jego częstotliwości rezonansowej z prędkością fal. Eksperymenty przeprowadzono z rezonatorem próżniowym, tak że redukcja do próżni nie była wymagana. Najlepsza wartość uzyskana tą metodą to s = 299 792,5 ± 3,4 km/s.

c) Prędkości fazowe i grupowe światła.

Laboratoryjne metody wyznaczania prędkości światła, które umożliwiają wykonanie tych pomiarów w krótkim czasie, pozwalają na wyznaczenie prędkości światła w różnych ośrodkach, a w konsekwencji sprawdzenie zależności teorii załamania światła. Jak już wielokrotnie wspomniano, współczynnik załamania światła w teorii Newtona wynosi n= grzech i/grzech r=υ 2 /υ 1 , podczas gdy w teorii falowej n= grzech i/grzech r=υ 1 /υ 2 , gdzie υ 1 to prędkość światła w pierwszym ośrodku, a υ 2 to prędkość światła w drugim medium. Nawet Arago dostrzegł w tej różnicy możliwość eksperymentu crucis i zaproponował ideę eksperymentu, który przeprowadził później Foucault, który ustalił dla stosunku prędkości światła w powietrzu i wodzie wartość bliską, jak wynika z Teoria Huygensa, a nie, jak wynika z teorii Newtona.

Konwencjonalna definicja współczynnika załamania n= grzech i/grzech r=υ 1 /υ 2 ze zmiany kierunku normalnej fali na granicy dwóch ośrodków daje stosunek prędkości fazowych fali w tych dwóch ośrodkach. Jednak pojęcie prędkości fazowej ma zastosowanie tylko do fal ściśle monochromatycznych, co jest nie do zrealizowania, ponieważ musiałyby istnieć nieskończenie długo w czasie i wyć nieskończenie rozciągnięte w przestrzeni.

W rzeczywistości zawsze mamy mniej lub bardziej złożony impuls ograniczony w czasie i przestrzeni. Obserwując taki impuls, możemy wskazać jego konkretne miejsce, na przykład miejsce maksymalnego zasięgu tego elektrycznego lub pole magnetyczne, który jest impulsem elektromagnetycznym. Prędkość impulsu można utożsamić z prędkością propagacji jakiegoś punktu, na przykład punktu o maksymalnym natężeniu pola.

Jednak środowisko (z wyjątkiem próżni) zazwyczaj charakteryzuje się rozproszeniem, tj. Fale monochromatyczne rozchodzą się z różnymi prędkościami fazowymi w zależności od ich długości, a impuls zaczyna się deformować. W tym przypadku kwestia prędkości impulsu staje się bardziej skomplikowana. Jeśli dyspersja nie jest bardzo duża, to deformacja impulsu następuje powoli i możemy śledzić ruch określonej amplitudy pola w impulsie fali, np. maksymalną amplitudę pola. Jednak prędkość ruchu impulsu, zwana przez Rayleigha prędkość grupowa, będzie się różnić od prędkości fazowej którejkolwiek ze składowych fal monochromatycznych.

Dla uproszczenia obliczeń impuls wyobrazimy sobie jako zbiór dwóch sinusoid o tej samej amplitudzie, bliskiej częstotliwości, a nie jako zbiór nieskończonej liczby bliskich sinusoid. Dzięki temu uproszczeniu zachowane są główne cechy zjawiska. Tak więc nasz impuls lub, jak mówią, grupa fal, składa się z dwóch fal.

gdzie amplitudy są traktowane jako równe, a częstotliwości i długości fal niewiele różnią się od siebie, tj.

gdzie i są małe ilości. Impuls (grupa fal) w jest suma w 1 i w 2 , tj.

Wprowadzając notację , przedstawiamy nasz pęd jako , gdzie A nie stały, ale zmieniający się w czasie i przestrzeni, ale zmieniający się powoli, bo… δω oraz k mały (w porównaniu do ω 0 i κ 0) wartości. Dlatego też, dopuszczając pewną niefrasobliwość mowy, możemy uznać nasz impuls za sinusoidę o wolno zmieniającej się amplitudzie.

Tak więc prędkość impulsu (grupy), którą według Rayleigha nazywamy prędkość grupowa, to prędkość ruchu amplituda, i konsekwentnie, energia niesiony przez impuls ruchu.

Tak więc fala monochromatyczna charakteryzuje się prędkością fazową υ=ω /κ , co oznacza prędkość ruchu fazy, a pęd charakteryzuje się prędkością grupową u=dω/d, odpowiadający prędkości propagacji energii pola tego impulsu.

Łatwo jest znaleźć połączenie między ty oraz υ . W rzeczy samej,

lub, ponieważ i dlatego ,

tych. wreszcie

(wzór Rayleigha).

Różnice pomiędzy ty oraz υ im bardziej znaczące, tym większa dyspersja dv/dλ. W przypadku braku dyspersji ( dv/dλ=0) mamy u=υ. Ten przypadek, jak już wspomniano, ma miejsce tylko dla próżni.

Rayleigh pokazał, że w znanych metodach wyznaczania prędkości światła, z samej istoty techniki, nie mamy do czynienia z falą trwającą nieprzerwanie, ale rozbijaniem jej na małe odcinki. Koło zębate i inne przerywacze w metodzie przerywanej dają osłabienie i zwiększenie wzbudzenia świetlnego, tj. grupa fal. Podobnie dzieje się w metodzie Roemera, gdzie światło jest przerywane okresowymi zaciemnieniami. W metodzie obracającego się lustra również światło przestaje docierać do obserwatora, gdy lustro jest wystarczająco obrócone. We wszystkich tych przypadkach mierzymy prędkość grupową w ośrodku dyspersyjnym, a nie prędkość fazową.

Rayleigh uważał, że w metodzie aberracji światła mierzymy bezpośrednią prędkość fazową, ponieważ tam światło nie jest sztucznie przerywane. Jednak Ehrenfest (1910) wykazał, że obserwacja aberracji światła jest w zasadzie nie do odróżnienia od metody Fizeau, tj. daje również prędkość grupy. Rzeczywiście, aberracyjne doświadczenie można sprowadzić do następujących. Dwa dyski z otworami są sztywno zamocowane na wspólnej osi. Światło jest przesyłane wzdłuż linii łączącej te otwory i dociera do obserwatora. Wprawmy cały aparat w szybki obrót. Ponieważ prędkość światła jest skończona, światło nie przejdzie przez drugi otwór. Aby przepuścić światło, jeden dysk musi być obrócony względem drugiego o kąt określony przez stosunek prędkości dysków do światła. To typowe aberracyjne doświadczenie; nie różni się jednak od eksperymentu Fizeau, w którym zamiast dwóch obracających się dysków z otworami jest jeden dysk i lustro do obracania promieni, czyli tzw. zasadniczo dwa dyski: prawdziwy i jego odbicie w nieruchomym lustrze. Tak więc metoda aberracji daje to samo, co metoda przerwania, tj. prędkość grupy.

Tak więc w eksperymentach Michelsona z wodą i dwusiarczkiem węgla zmierzono stosunek prędkości grupowych, a nie prędkości fazowych.

W 1676 duński astronom Ole Römer dokonał pierwszego przybliżonego oszacowania prędkości światła. Römer zauważył niewielką rozbieżność w czasie trwania zaćmień satelitów Jowisza i doszedł do wniosku, że ruch Ziemi, zbliżając się do Jowisza lub oddalając się od niego, zmienił odległość, jaką musiało pokonać światło odbite od satelitów.

Mierząc wielkość tej rozbieżności, Römer obliczył, że prędkość światła wynosiła 219 911 kilometrów na sekundę. W późniejszym eksperymencie z 1849 roku francuski fizyk Armand Fizeau odkrył, że prędkość światła wynosi 312 873 kilometrów na sekundę.

Jak pokazano na powyższym rysunku, eksperymentalna konfiguracja Fizeau składała się ze źródła światła, półprzezroczystego lustra, które odbija tylko połowę padającego na nie światła, pozwalając reszcie przejść poza obracające się koło zębate i nieruchome lustro. Kiedy światło padało na półprzezroczyste lustro, odbijało się od koła zębatego, które dzieliło światło na wiązki. Po przejściu przez system soczewek skupiających, każda wiązka światła była odbijana od nieruchomego lustra i wracała z powrotem do koła zębatego. Dokonując precyzyjnych pomiarów prędkości, z jaką koło zębate blokowało odbite promienie, Fizeau był w stanie obliczyć prędkość światła. Jego kolega Jean Foucault ulepszył tę metodę rok później i stwierdził, że prędkość światła wynosi 297 878 ​​kilometrów na sekundę. Wartość ta niewiele różni się od współczesnej wartości 299.792 kilometrów na sekundę, która jest obliczana przez pomnożenie długości fali i częstotliwości promieniowania laserowego.

Eksperyment Fizeau

Jak widać na powyższych zdjęciach, światło przemieszcza się do przodu i do tyłu przez tę samą szczelinę między zębami koła, jeśli obraca się ono powoli (zdjęcie na dole). Jeśli koło szybko się kręci (górny obrazek), sąsiednie koło zębate blokuje powracające światło.

Wyniki Fizeau

Umieszczając lustro w odległości 8,64 km od koła zębatego, Fizeau ustalił, że prędkość obrotu koła zębatego wymagana do zablokowania powracającej wiązki światła wynosiła 12,6 obrotów na sekundę. Znając te liczby, a także odległość przebytą przez światło i odległość, jaką musiało przebyć koło zębate, aby zablokować wiązkę światła (równą szerokości szczeliny między zębami koła), obliczył, że zajęło to wiązkę światła 0,000055 sekundy na pokonanie odległości od koła zębatego do lusterka iz powrotem. Dzieląc w tym czasie całkowitą odległość 17,28 km przebytą przez światło, Fizeau uzyskał dla swojej prędkości wartość 312 873 kilometrów na sekundę.

Eksperyment Foucault

W 1850 roku francuski fizyk Jean Foucault ulepszył technikę Fizeau, zastępując koło zębate obrotowym lustrem. Światło ze źródła docierało do obserwatora dopiero wtedy, gdy lustro wykonało pełny obrót o 360° w czasie pomiędzy odejściem i powrotem wiązki światła. Korzystając z tej metody, Foucault uzyskał wartość 297 878 ​​kilometrów na sekundę dla prędkości światła.

Ostatni akord w pomiarach prędkości światła.

Wynalezienie laserów umożliwiło fizykom pomiar prędkości światła z dużo większą dokładnością niż kiedykolwiek wcześniej. W 1972 roku naukowcy z National Institute of Standards and Technology dokładnie zmierzyli długość fali i częstotliwość wiązki laserowej i ustalili prędkość światła, iloczyn tych dwóch zmiennych, na 299792458 metrów na sekundę (186282 mil na sekundę). Jedną z konsekwencji tego nowego pomiaru była decyzja Generalnej Konferencji Miar, aby przyjąć jako metr odniesienia (3,3 stopy) odległość, jaką światło pokonuje w 1/299792458 sekundy. W ten sposób / prędkość światła, najważniejsza fundamentalna stała w fizyce, jest teraz obliczana z bardzo dużą pewnością, a miernik referencyjny można wyznaczyć znacznie dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej.

Istnieją różne metody pomiaru prędkości światła, w tym astronomiczne i wykorzystujące różne techniki eksperymentalne. Dokładność pomiaru ilości Z stale rośnie. W tabeli podano niepełny wykaz prac eksperymentalnych dotyczących wyznaczania prędkości światła.

Rysunki przedstawiają reprodukcję rysunku autorstwa Romera, a także schematyczna interpretacja.

Metoda astronomiczna Römera opiera się na pomiarze prędkość światło z obserwacji zaćmień Ziemi satelitów Jowisza. Jowisz ma kilkao satelitach, które są widoczne z Ziemi w pobliżu Jowisza lub

Niech w pewnym momencie ZiemiaZ1 i Jowisz Yu1 są w opozycji iw tym momencie jeden z satelitów Jowisza, obserwowany z Ziemi, znika w cieniu Jowisza (satelita nie jest pokazany na rysunku). Następnie, jeśli przez R i r oznaczymy promienie orbit Jowisza i Ziemi, a przez c prędkość eta in w układzie współrzędnych związanym ze Słońcem C, na Ziemi, odejście satelity w cień Jowisza zostanie zarejestrowane (R-r)/s później niż ma to miejsce w ramach czasowych związanych z Jowiszem.

Po 0,545 roku Ziemia Z2 i Jowisz U2 są w koniunkcji. Jeśli w tym czasie nastąpi n-te zaćmienie tego samego satelity Jowisza, to na Ziemi zostanie ono zarejestrowane z opóźnieniem (R + r) / s sekund. Zatem jeśli okres obrotu satelity wokół Jowisza wynosi t, to odstęp czasu T1 między pierwszym a n-tym zaćmieniem obserwowanym z Ziemi jest równy

Po kolejnych 0,545 roku Ziemia 33 i Jowisz 33 ponownie staną w opozycji. W tym czasie miały miejsce (n-1) obroty satelity wokół Jowisza oraz (n-1) zaćmienia, z których pierwsze miało miejsce, gdy Ziemia i Jowisz zajęły pozycje Z2 i Yu2, a ostatnie - gdy zajęły pozycje Z3 i Yu3. Pierwsze zaćmienie zaobserwowano na Ziemi z opóźnieniem (R+r)/s, a ostatnie z opóźnieniem (R-r)/s w stosunku do momentów odlotu satelity w cień planety Jowisz. Dlatego w tym przypadku mamy

Römer zmierzył odstępy czasu T1 i T2 i stwierdził, że T1-T2 = 1980 s. Ale z podanych wyżej wzorów wynika, że ​​T1-T2=4r/s, a więc c=4r/1980 m/s. Przyjmując r, średnią odległość Ziemi od Słońca, równą 1500000000 km, otrzymujemy wartość 3,01*106 m/s dla prędkości światła.

Ten wynik był pierwszym pomiarem prędkości światła.

W 1725 James Bradley odkrył, że gwiazda Draco, znajdująca się w zenicie (tj. bezpośrednio nad głową), wykonuje pozorny ruch z okresem jednego roku na prawie kołowej orbicie o średnicy 40,5 sekundy kątowej. W przypadku gwiazd widocznych w innych miejscach na firmamencie, Bradley również zaobserwował podobny pozorny ruch — generalnie eliptyczny.

Zjawisko obserwowane przez Bradleya nazywa się aberracją. Nie ma to nic wspólnego z ruchem gwiazdy. Powodem aberracji jest to, że wartość prędkości światła jest skończona, a obserwacja pochodzi z Ziemi poruszającej się po orbicie z określoną prędkością v.

Kąt otwarcia stożka, pod którym widoczna jest z Ziemi pozorna trajektoria gwiazdy, określa wyrażenie: tanα=ν/c

Znając kąt α a prędkość orbity Ziemi v, możemy określić prędkość światła c.

Uzyskał wartość prędkości światła równą 308 000 km/s.

W 1849 roku po raz pierwszy wykonałeś w warunkach laboratoryjnych wyznaczenie prędkości światła”. A. Fizeau. Jego metoda została nazwana metodą koła zębatego. Cechą charakterystyczną jego metody jest automatyczna rejestracja momentów rozruchu i powrotu sygnału, realizowana poprzez regularne przerywanie strumienia świetlnego (koło zębate).

Rysunek przedstawia schemat eksperymentu wyznaczania prędkości światła metodą koła zębatego.

Światło ze źródła przechodziło przez przerywacz (zęby obracającego się koła) i odbite od lustra wracało ponownie do koła zębatego. Znając odległość między kołem a lustrem, liczbę zębów koła, prędkość obrotową, możesz obliczyć prędkość światła.

Znając odległość D, liczbę zębów z, prędkość kątową obrotu (liczbę obrotów na sekundę) v, można wyznaczyć prędkość światła. Uzyskał to równe 313 000 km/s.

Przez całe życie amerykański fizyk Albert Abraham Michelson(1852–1931) udoskonalił metodę pomiaru prędkości światła. Tworząc coraz bardziej skomplikowane instalacje, starał się uzyskiwać wyniki z minimalnym błędem. W latach 1924-1927 Michelson opracował eksperyment, w którym wiązka światła została wysłana ze szczytu Mount Wilson na szczyt San Antonio (odległość około 35 km). Zastosowana migawka obrotowa to obrotowe lustro wykonane z niezwykłą precyzją i napędzane przez specjalnie zaprojektowany szybki wirnik, który obraca się z prędkością do 528 obrotów na sekundę.

Zmieniając częstotliwość obrotów wirnika, obserwator uzyskał stabilny obraz źródła światła w okularze. Znajomość odległości między ustawieniami i częstotliwości obrotu zwierciadła pozwoliła na obliczenie prędkości światła.

Od 1924 r. do początku 1927 r. przeprowadzono pięć niezależnych serii obserwacji, zwiększyła się dokładność pomiaru odległości i prędkości wirnika. Średni wynik pomiaru wyniósł 299 798 km na sekundę.

Wyniki wszystkich pomiarów Michelsona można zapisać jako c = (299796 ± 4) km/s.

Górny rysunek przedstawia schemat eksperymentu Michelsona. Poniższy rysunek przedstawia uproszczony schemat eksperymentu. Użytkownik może zmieniać częstotliwość rotacji pryzmatu ośmiokątnego obserwując ruch impulsu świetlnego i doprowadzając go do okularu obserwatora.

Częstotliwość można zmieniać w zakresie od 0 do 1100 obr./min w krokach co 2 s -1 . Aby ułatwić ustawianie częstotliwości w eksperymencie, wykonano zgrubne pokrętło regulacji prędkości, dokładniejsze ustawienia można ustawić za pomocą dodatkowych przycisków po prawej stronie okna częstotliwości. Najlepszy wynik osiąga się przy 528 i 1056 obr./min. Przy 0 obrotach statyczna wiązka światła jest ciągnięta od źródła do obserwatora.

Przykład obliczenia prędkości światła dla eksperymentu, w którym obserwator wykrywa pojawienie się światła przy częstotliwości obrotu lustra 528 s–1.

Tutaj ν i T to częstotliwość i okres obrotu pryzmatu oktaedrycznego, τ 1 to czas, w którym wiązka światła ma czas na pokonanie odległości L z jednej instalacji do drugiej i powrót z powrotem, jest to również czas obrotu jedna twarz lustra.

Według www.school-collection.edu.ru

Jedną z ważnych właściwości jest prędkość propagacji światła w próżni i innych mediach optycznych. Ogromna wartość prędkości światła w porównaniu z prędkością propagacji różnych poruszających się obiektów, obserwowana przez człowieka w praktyce, nastręczała wiele trudności zarówno w wyjaśnieniu wielu zjawisk optycznych, jak iw praktycznym określeniu prędkości światła. Aby pokazać, jak trudno było człowiekowi dostrzec możliwość poruszania się materii, w tym przypadku światła, z ogromnymi prędkościami, można podać przykład określenia prędkości światła, którego podjął się włoski naukowiec Galileo Galilei, który wraz z jego kolega, ulokowany na dwóch sąsiednich szczytach górskich i sygnalizował się światłem latarni. Jeden z uczestników tego eksperymentu otworzył pokrywę latarni i jednocześnie włączył zegarek. Drugi uczestnik, po otrzymaniu sygnału świetlnego, również otworzył latarnię i wysłał światło w kierunku pierwszego eksperymentatora, który po otrzymaniu sygnału odpowiedzi zatrzymał zegar. Znając odległość między szczytami gór i czas potrzebny na pokonanie tej odległości tam iz powrotem, możesz określić prędkość światła. Oczywiście jest dla nas jasne, dlaczego ta próba określenia prędkości światła nie dała pożądanych rezultatów.

Szybko okazało się, że aby zmierzyć prędkość propagacji światła z wymaganą dokładnością, trzeba było po pierwsze dysponować dużymi odległościami, jakie pokonywałoby światło, a po drugie trzeba było liczyć czas z bardzo dużą dokładnością.

Aby uzyskać dokładne odczyty czasu, stosuje się modulację światła, przy czym stosuje się trzy główne metody modulacji:

• metoda przekładni,
• metoda lustra obrotowego,
• Metoda migawki elektrycznej.

We wszystkich tych metodach czas propagacji jest określany na podstawie pomiaru częstotliwości modulacji.

Rozważmy pokrótce te trzy warianty modulacji światła na przykładach.

Metoda Fizeau. Rysunek 1.3.1 przedstawia schemat ideowy instalacji stosowanej w metodzie Fizeau, gdzie strumień światła jest modulowany przez obracającą się przekładnię. Światło ze źródła światła 1 układ skraplacza skierowany na półprzezroczyste lustro 2 , odbity od którego przechodzi między zębami obracającego się koła zębatego 5 . Następnie system kolimatora 3 kieruje wiązkę promieni na wklęsłe lustro 4 , od którego odbite światło wraca tą samą ścieżką do półprzezroczystego lustra 2 . Obserwację wykonuje oko ludzkie przez okular 6 .

Jeśli koło zębate jest nieruchome, światło przejdzie przez szczelinę między zębami i powróci z powrotem przez tę samą szczelinę. Wprowadzając koło zębate w ruch obrotowy i zwiększając prędkość obrotową można osiągnąć, że w czasie, gdy światło pada z koła 5 do lustra 4 i z powrotem koło obróci się na szerokość zęba, a ząb zajmie miejsce szczeliny. W takim przypadku światło nie dostanie się do okularu. 6 . Poprzez dalsze zwiększanie prędkości obrotowej koła można uzyskać przejście światła z powrotem przez sąsiednią szczelinę i tak dalej.

Fizeau miał koło z 720 zębami i podwójną drogą wiązki światła rzędu 17 km. Z jego eksperymentów okazało się, że prędkość światła wynosi 3,15. 10 10 cm/Z. Główny błąd jest tutaj związany z trudnością ustalenia momentu zaciemnienia. Dalsze doskonalenie tej metody doprowadziło do dokładniejszych wyników pomiaru prędkości światła.

Metoda obracającego się lustra. Ta metoda, zaproponowana przez Wheatstone'a, została zastosowana przez Foucaulta w 1960 roku. Schemat instalacji pokazano na ryc. 1.3.2. Ze źródła promieniowania 1 światło przechodzące przez półprzezroczyste lustro 2 i obiektyw 3 prowadzony przez obracające się lustro 4 na sferycznym lustrze 5 . Odbite od lustra 5 , strumień światła cofnął się i został skupiony przez system obserwacyjny, w tym A(ze stałym lustrem) 4 ). Z obracającym się lustrem, w tym czasie światło przemierza podwójną ścieżkę L zwierciadło zdążyło się obrócić o pewien kąt i odbite od niego w odwrotnym kierunku strumień światła był skupiony w punkcie b. Mierząc odległość między A oraz b, otrzymujemy kąt, o jaki lustro jest obrócone 4 a zatem znając prędkość wirowania lustra, czas, w jakim światło przebyło tę odległość. W , znaleziona wartość prędkości propagacji światła okazała się równa 2,98 . 10 10 cm/Z. Odległość pomiędzy A oraz b było tylko 0,7 mm, a głównym źródłem błędu była niedokładność pomiaru tej odległości.

Metoda migawki elektrycznej Kerra. W tej metodzie ogniwo Kerra działa jak urządzenie modulujące (komórka Kerra wypełniona cieczą polarną i umieszczona pomiędzy skrzyżowanymi nikolami przepuszcza światło tylko pod wpływem pola elektrycznego). Schemat instalacji pokazano na ryc. 1.3.3. Światło z lampy rtęciowej 1 przechodzi przez przesłonę Kerra na półprzezroczyste lustro 2 , odbija się od niego w prawo i uderza w lustro 3 . Po odbiciu od lustra 3 światło w odwrotnym kierunku promieni trafia do odbiornika energii 8 .

Część energii świetlnej przechodzi przez przezroczyste lustro i pokonuje ścieżkę wyznaczoną przez lustra 4 , 5 , 6 , 7 i odwrotnie, również trafia do odbiorcy 8 .

Określa się dokładność tej metody Wysoka częstotliwość modulacja strumienia świetlnego wytwarzanego przez ogniwo Kerra, który znajduje się pod wpływem pola elektrycznego o wysokiej częstotliwości oraz możliwość dokładnego pomiaru przesunięcia fazowego dwóch strumieni świetlnych pochodzących z lustra 3 i z lustra 7 .

Wartość uzyskana dla prędkości światła wynosi . Aktualna ogólnie przyjęta wartość prędkości światła w próżni.

W przypadku nośników optycznych o współczynniku załamania, prędkość światła określa wyrażenie: .