Электромагнитті жарық табиғаты. Жарық жылдамдығы. Физика, 11 сынып, дидактикалық материал.

25-сабақ: Жарық жылдамдығы

Жүздеген жылдар бойы физиктер жарық жылдамдығын өлшеуге тырысты.

● Бұл оңай іс емес, өйткені ол өте жылдам қозғалады, сондықтан ол бірден қашықтықты дерлік жүріп өтеді.

● Көптеген ғалымдардың әрекеті сәтсіз аяқталды, бірақ әр әрекеттен кейін біз мұны қалай істеуге болатындығы туралы көбірек білдік.

Галилей

Сіз білесіз бе?

Ежелгі Грецияда Эмпедокл жарық белгілі бір жылдамдықпен қозғалады деп болжаған, ол оны өлшей алмады. Бұған дейін және одан кейінгі басқа адамдар жарық шексіз жылдамдықпен жүреді деп ойлады.

Галилей жарық жылдамдығын өлшей алатындығын тексеру үшін өзінің тәжірибесін өткізді.

Галилей төбенің бір басында, ал екінші адам екінші жақта, екеуі де жабық фонарьмен тұрды.

• • Галилей өз фонарьын ашты.
  • Оның көмекшісі Галилейден жарық көрген кезде өзінің фонарьын ашты.

Галилео таудың екі шыңы арасындағы қашықтықты және олардың арасындағы жарық өтуге қажетті уақытты біле отырып, жарық жылдамдығын есептей алады деп үміттенген.

Соңында, Галилей өлшеген уақыттың кішкентай айырмашылығы адамның реакция уақытына және өлшеу әдісінің нашарлығына байланысты екенін түсінді.

Галилей соңына дейін жарық жылдамдығын оның әдісін қолданбай өлшеуге болатынына сенді.

Оле Рёмер

Шамамен 75 жылдан кейін Даниялық Оле Ремер есімді астрономы Юпитердің серіктерінің тұтылуының негізінде жарық жылдамдығын өлшеу бойынша өте жақсы жұмыс жасады.

• Белгілі бір уақытта Жер мен Юпитер өз орбиталарында бір-біріне жақын ... кейде олар бір-бірінен алыстайды.
• Рёмер күндердің бір күнінде, Юпитер оның серігін жауып қалатынын байқайды.
• Жер Юпитерден біршама алыс болғанда, жарық шамадан тыс қашықтыққа жүруге тура келді.
• Ремер планеталардың өз орбиталарында қашықтықта бірнеше өрескел фигуралар болғандықтан, ол жарық жылдамдығын дұрыс есептей алды.
• Бүгінгі стандарт бойынша ол өте алыс мән болды, бірақ бұл жарық жылдамдығын өлшеуге арналған алғашқы әрекет болды, ол нақтырақ жауап берді.

Физо & Фуко

1800 жылдардың ортасында француз физигі Арманд Физо жарық жылдамдығын өлшеу үшін керемет әдіс ойлап тапты.

Ол айналмалы тісті дөңгелекті пайдаланды.

Дөңгелек (көз болып саналатын) пен айна арасындағы қашықтық белгілі болды.

Дөңгелекті белгілі бір жылдамдықпен бұра отырып, ол қашықтықтағы айнаға барар жолда тісті доңғалақтағы бір саңылау арқылы жарық көзінен өтуге мүмкіндік берді, ал шағылысқан жарық келесі жолмен кері жолда екінші саңылау арқылы өтті.

Дөңгелектің бұрыштық жиілігін білетіндіктен, ол екі бос орын арасындағы уақыт аралығын есептеп, жарық жылдамдығын есептеу үшін дөңгелек пен алыс айна арасындағы қашықтықты пайдалана алды.

Бірнеше жылдан кейін Жан Фуко (тағы бір француз физигі) айналмалы айналар көмегімен әдісті біршама жетілдірді және дәлірек өлшеу алды.

• Айналмалы айнадан шағылысқан жарық сәулесі шамамен 35 км қашықтықтағы екінші бекітілген айнаға бет бұрды.
• Жарық алғашқы айналмалы айнаға қайта оралып, соққы бергенде, айналмалы айна бұрышты аздап өзгертті, сондықтан жарық сәулесі бұрышта шағылысып кетті.
• Осы бұрышты жасау үшін айна қанша уақытқа бұрылатынын есептей отырып, Фуко жарық жылдамдығын дәл өлшей алды.

Альберт A. Майкельсон

Альберт А. Майкельсон Фуконың әдісінен сапалырақ әдіс қолданды. Ол айналмалы айналарды пайдаланды.

Зерттеу барысы

• сегіз қыры бар айнаны айналымға келтіру, жарық импульстарын шашырату;
• айнаның айналу жылдамдығын өзгерту
• белгілі бір жылдамдықта сіз жарық импульстарын көре аласыз
• жылдамдықпен айна 2*35км қашықтықта жарық өтуге қажетті уақыттың 1/8 бөлігін айналады
• жарық жылдамдығын есептеу

Сурет 2:

Альберт А. Майкельсон

mirrors

telescope

curved mirror

Сурет 3: Майкельсон аппараты.

Майкельсон секундына 520 айналу жылдамдығымен айналатын айнаны қолданды. Жарық жылдамдығы = 2*35 км/уақыт. Уақыт = 1/8 айналуға кететін уақыт. Мұны белгілі айналу жылдамдығынан есептеп алуға болады. Майкельсон шамамен 299 775 000 м/с мәнін алды.

Пример 1: Когда Майкельсон провел свой эксперимент с изогнутым зеркалом на расстоянии 35,0 км, он обнаружил, что 8-стороннее зеркало должно вращаться со скоростью 32 000 об / мин. Используя эту информацию, определите скорость света.

Нам нужно свести это к самой основной информации, необходимой для расчета скорости по формуле .

Луч света должен пройти 35,0 км до изогнутого зеркала и обратно, поэтому он на самом деле проходит 70,0 км (70,0 10³ м). Обратите внимание, что расстояние от источника света до 8-стороннего зеркала и от 8-стороннего зеркала до наблюдателя настолько мало, что мы даже не обращаем на него внимания.

Зеркало вращается со скоростью 32 000 оборотов в минуту, и мы изменим стандартное измерение частоты…

f = 32 000 об/мин ÷ 60 = 533.33 Гц

Что нам действительно нужно, так это период вращения зеркал, так как нам нужно время, необходимое для вращения всего лишь 1/8 пути до полного оборота.

Но так как зеркалу нужно вращаться только на 1/8 пути, нам нужна только 1/8 этого периода. t = 1.875e-3 s ÷ 8 = 2.34375e-4 с

Теперь мы можем рассчитать скорость.

Между 1880-ми и 1920-ми годами Майкельсон делал все более точные измерения скорости света, используя этот метод.

• Именно его способность так хорошо измерять скорость света принесла ему Нобелевскую премию в 1907 году.

В настоящее время самое точное измерение, которое мы имеем (все еще используя метод Майкельсона!), Составляет 2.99792458e8 м / с. Это значение было измерено в 1986 году.

• Это измерение является таким принятым стандартом, что мы фактически используем его для определения счетчика. Расстояние, которое проходит луч света за 1 / 2.99792458e8 секунд, составляет один метр.

Пример 2. Если Солнце взорвется прямо сейчас, определите, сколько времени потребуется, прежде чем мы увидим взрыв на Земле.

Чтобы увидеть, как он взрывается, свет от взрыва должен пройти от взрыва (на Солнце) до наших глаз (здесь, на Земле). В среднем Земля находится на расстоянии 1.49e11 м от Солнца, поэтому…