Введение.

1.Скорость света. Прямые и косвенные способы измерения скорости света.

2.Астрономические способы измерения скорости света

3.Лабораторные способы измерения скорости света. Метод Физо.

4.Метод Майкельсона.

.

Скорость света.

Одна из характерных черт физика – количественный характер ее законов. Во многие соотношения, выражающие законы физики входят некоторые постоянные – так называемые физические константы. Это, например, гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения, удельная теплоемкость в уравнении теплового баланса, скорость света в законе Эйнштейна, связывающем массу тела и его полную энергию. Многие физические постоянные названы так весьма условно. Действительно, нагревается вместо воды спирт и в соответствующих уравнениях приходится использовать иную величину теплоемкости. Такими “относительными” постоянными являются коэффициент трения, удельное сопротивление, плотность и т.д. Но есть и константы, которые не меняют своего значения. Гравитационная постоянная не зависит от того, взаимодействуют ли тела из свинца или из стали. Электроны в меди и золоте имеют одинаковый заряд. Так же универсальна и постоянная с – скорость света в вакууме.

Именно вследствие своей универсальности, такие константы названы мировыми или фундаментальными постоянными. Величины фундаментальных постоянных определяют важнейшие особенности всего физического мира – от элементарных частиц до крупнейших астрономических объектов.

Принадлежность скорости света к весьма небольшой группе мировых постоянных объясняет интерес к этой величине. Однако надо признать, что даже в этой группе она занимает выдающееся место. Скорость света связана с физическими законами, относящимися к самым, казалось бы, далеким разделам физики. Постоянная с входит в преобразования Лоренца в специальной теории относительности, она связывает электрическую и магнитную постоянные. Формула Эйнштейна Е=mc² позволяет рассчитать количество энергии, выделяющейся при ядерных превращениях. И везде мы сталкиваемся со скоростью света.

Такая распространенность константы с служит для современной физики ярким проявлением единства физического мира и правильности пути, по которому развивается наука о природе.

Понимание этого единства прошло не сразу. Со времени первого определения значения скорости света прошло более 300 лет. Постепенно константа с раскрывала перед учеными свои тайны. Иногда за измерениями этой величины стояли годы целенаправленных поисков, работы по усовершенствованию методов измерения и научных приборов. Иногда скорость света возникала в экспериментах возникала неожиданно, ставя перед учеными вопросы, касавшиеся самых глубин физической науки. Измерение константы опровергали и подтверждали физические теории и способствовали прогрессу техники.

Прямые и косвенные измерения скорости света.

Существуют прямые и косвенные методы измерения скорости света. К прямым методам относятся опыты О.Ремера, А.Физо, Л.Фуко, А.Майкельсона. К косвенным методам относятся опыты Д.Брадлея, Ф.Кольрауша, В.Вебера.

Прямой способ основан на измерении пути, пройденного светом и времени прохождения этого пути c=l/t . В 1676 году Ремер наблюдал за затмением спутника Юпитера – Ио. Спутник проходил пeред планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Через 42 часа 28 минут Ио появлялся опять. Ремер проводил измерения, когда Земля ближе всего подходила к Юпитеру. Когда через несколько месяцев он повторил наблюдения, то оказалось, что спутник появился из тени на 22 минуты позже. Ученый объяснил, 22 минуты свет затрачивает на прохождение из предыдущей точки наблюдения до нынешней точки. Зная время запаздывания и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость света. Вследствие неточности измерений и неточного значения радиуса Земли Ремер получил значение скорости света равное 215000 километров в секунду.

В лабораторных условиях скорость света впервые удалось измерять в 1849 году французскому физику Физо. В его опыте свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную стеклянную пластинку. Отразившись от пластинки узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося колеса. Пройдя между зубцами свет достигал зеркала, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет проходил между зубцами колеса и затем попадал в глаз наблюдателя. Когда скорость вращения была маленькой, свет отраженный от зеркала был виден, при увеличении скорости вращения он исчезал. При дальнейшем увеличении скорости вращения, свет опять становился виден. То есть, за время распространения света до зеркала и обратно колесо успевало повернуться на столько, что на место прежней прорези вставала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 километров, а скорость света получилась равной 313000 километров в секунду.

В основе косвенного способа измерения скорости света лежит представление о свете как об электромагнитной волне и ее скорость находится путем умножения длины волны на частоту колебаний волны.

Развивая теорию электродинамики Ампера, в 1846 году Вебер и Кальрауш получили значение скорости света 310000 километров в секунду, но полученный результат объяснить они не могли, так как не существовало ясного понимания механизма передачи взаимодействия электрических зарядов. Формально теория дальнодействующих электромагнитных сил Вебера не сталкивалась со сколь-нибудь серьезной оппозицией, но уже зрели идеи близкодействия, важнейшим следствием которых является конечность скорости распространения взаимодействий.

Современная физика решительно утверждает, что история скорости света на закончена. Свидетельством тому служат работы по измерению скорости света, выполненные в последние годы.

Резкое повышение точности измерения скорости электромагнитных волн произошло после Второй мировой войны. Исследования, проведенные в военных целях, кроме угрозы существованию человечеству принесли множество важнейших, чисто научных результатов. Один из них – развитие техники сверхвысоких частот. Были созданы генераторы и приемники излучения, работающие в диапазоне длин волн от 1 метра до нескольких миллиметров. В СВЧ-диапазоне волн удалось провести очень точные и, что самое важное, независимые измерения частоты излучения и его длины волны. Такой метод определения скорости света очень удобен, так как длины волн порядка одного сантиметра можно определить с очень высокой точностью.

Конечно, не следует думать, что измерить величину с , используя новую технику, было очень просто. Каждый ученый, работавший в этой области, ставил перед собой задачу-максимум: провести предельно точные измерения длины волны и частоты для получения возможно более точного значения скорости света, а работа на пределе точности всегда сложна.

Определенным итогом измерения скорости света в СВЧ-диапазоне стала работа американского ученого К.Фрума, результаты которой были опубликованы в 1958 году. Ученый получил результат 299792,50 километров в секунду. В течение длительного периода эта величина считалась наиболее точной.

Для того, чтобы повысить точность определения скорости света требовалось создание принципиально новых методов, которые позволили бы проводить измерения в области больших частот и соответственно, меньших длин волн. Возможность разработки таких методов появилась после создания оптических квантовых генераторов – лазеров. Точность определения скорости света возросла по отношению к опытам Фрума практически в 100 раз. Способ определения частот с помощью использования лазерного излучения дает величину скорости света, равную 299792,462 километра в секунду.

Физики продолжают исследовать вопрос о постоянстве скорости света во времени. Исследования скорости света могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии. 300-летняя история фундаментальной постоянной с отчетливо демонстрируют ее связи с важнейшими проблемами физики.

Астрономические методы определения скорости света.

а) Метод Рёмера.

Юпитер имеет несколько спутников, которые либо видны с Земли вблизи Юпитера, либо скрываются в его тени. Астрономические наблюдения над спутниками Юпитера показывают, что средний промежуток времени между двумя последовательными затмениями какого-нибудь определённого спутника Юпитера зависит от того, на каком расстоянии друг от друга находятся Земля и Юпитер во время наблюдений.

Метод Рёмера (1676 г.), основанный на этих наблюдениях, можно пояснить с помощью рис.9.1. Пусть в определённый момент времени Земля З₁ и Юпитер Ю₁ находятся впротивостоянии и в этот момент времени один из спутников Юпитера, наблюдаемый с Земли, исчезает в тени Юпитера. Тогда, если обозначить через R и r радиусы орбит Юпитера и Земли и через с — скорость света в системе координат, связанной с Солнцем, на Земле уход спутника в тень Юпитера будет зарегистрирован на секунд позже, чем он совершается во временной системе отсчёта, связанной с Юпитером.

По истечении 0,545 года Земля З₂ и Юпитер Ю₂ находятся в соединении. Если в это время происходит n-е затмение того же спутника Юпитера, то на Земле оно будет зарегистрировано с опозданием на  секунд. Поэтому, если период обращения спутника вокруг Юпитера t, то промежуток времени T₁, протекший между первым и n-м затмениями, наблюдавшимися с Земли, равен

.

Рис. 9.1. К определению скорости света по методу Рёмера

По истечении ещё 0,545 года Земля З₃ и Юпитер Ю₃будут вновь находиться в противостоянии. За это время совершились (n-1) оборотов спутника вокруг Юпитера и (n-1) затмений, из которых первое имело место, когда Земля и Юпитер занимали положения З₂и Ю₂, а последнее — когда они занимали положениеЗ₃ и Ю₃. Первое затмение наблюдалось на Земле с запозданием , а последнее с запозданием  по отношению к моментам ухода спутника в тень планеты Юпитера. Следовательно, в этом случае имеем:

.

Рёмер измерил промежутки времени Т₁ и Т₂ и нашёл, что Т₁-Т₂=1980 с. Но из написанных выше формул следует, что Т₁-Т₂=, поэтому . Принимая r, среднее расстояние от Земли до Солнца, равным 150·10⁶ км, находим для скорости света значение: с=301·10⁶ м/с.

Этот результат был исторически первым измерением скорости света.

Б) Определение скорости света по наблюдению аберрации.

В 1725-1728 гг. Брадлей предпринял наблюдения с целью выяснить, существует ли годичный параллакс звёзд, т. е. кажущееся смещение звёзд на небесном своде, отображающее движение Земли по орбите и связанное с конечностью расстояния от Земли до звезды. Звезда в своём параллактическом движении должна описывать эллипс, угловые размеры которого тем больше, чем меньше расстояние до звезды.

Для звёзд, лежащих в плоскости эклиптики, этот эллипс вырождается в прямую, а для звёзд у полюса — в окружность. Брадлей действительно обнаружил подобное смещение. Но большая ось эллипса оказалась для всех звёзд имеющие одни и те же угловые размеры, а именно 2α=40″,9. Брадлей объяснил (1728 г.) наблюдённое явление, названное им аберрацией света, конечностью скорости распространения света и использовал его для определения этой скорости. Годичный параллакс был установлен более ста лет спустя В. Я. Струве и Бесселем (1837, 1838 гг.).

Для простоты будем вместо телескопа пользоваться визирным приспособлением, состоящим из двух небольших отверстий, расположенных по оси трубы. Когда скорость Земли совпадает по направлению с SE, ось трубы указывает на звезду. Когда же скорость Земли (и трубы) составляет угол j с направлением 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 перемещается на расстояние E‘Е=u₀t. Из рис. 9.2 можно определить поворот a. Здесь SE определяет направление оси трубы без учёта аберрации, SE‘ — смещенное направление оси, обеспечивающее прохождение света вдоль оси трубы в течение всего времени t. Пользуясь тем, что уголa очень мал, так как u₀<<с (пренебрегая членами порядка ), можно считать, что

ÐSE‘Р » ÐSEP = j.

Тогда из треугольника E‘SE получаем

 или .

Если звезда лежит в плоскости эклиптики, то направление вектора скорости Земли u₀меняется по отношению к направлению на звезду (ES) в течение года по закону , где Т — период обращения Земли, и зависимость угла аберрации от времени выражается периодической функцией .

Рис. 9.2. К вычислению аберрационного смещения.

Таким образом, направление на звезду меняется периодически в течение года: звезда совершает кажущееся колебания с угловой амплитудой  около среднего положения, соответствующего значению j=0 или p.

Если звезда находится в полюсе эклиптики, то j=90° в течение всего года, т. е. угловое отклонение звезды сохраняется неизменным по величине (); 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 наблюденийa₀ 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.

Следует отметить, что аберрация света связана с изменением направления скорости Земли в течение года.

Лабораторные методы определения скорости света.

Лабораторные методы определения скорости света представляют собой, по существу, усовершенствования метода Галилея.

а) Метод прерываний.

Физо (1849 г.) выполнил впервые определение скорости света в лабораторных условиях. Характерной особенностью его метода является автоматическая регистрация моментов пуска и возвращения сигнала, осуществляемая путём регулярного прерывания светового потока (зубчатое колесо). Схема опыта Физо изображена на рис. 9.3. Свет от источника S идёт между зубьями вращающегося колеса W к зеркалу М и, отразившись обратно, должен вновь пройти между зубьями к наблюдателю. Для удобства окуляр Е, служащий для наблюдения, помещается против а, а свет поворачивается от S к W при помощи полупрозрачного зеркала N. Если колесо вращается, и притом с такой угловой скорость, что за время движения света от а к М и обратно на месте зубьев окажутся прорези, и наоборот, то вернувшийся свет не будет пропущен к окуляру и наблюдатель не увидит света (первое затмение). При возрастании угловой скорости свет частично дойдёт до наблюдателя. Если ширина зубьев и просветов одинакова, то при двойной скорости будет максимум света, при тройной — второе затмение и т. д. Зная расстояниеаМ=D, число зубьев z, угловую скорость вращения (число оборотов в секунду) n, можно вычислить скорость света.

Рис. 9.3. Схема опыта метода прерываний.

, или с=2Dzn.

Главная трудность определения лежит в точном установлении момента затмения. Точность повышается при увеличении расстояния D и при скоростях прерываний, позволяющих наблюдать затмения высших порядков. Так, Перротен вёл свои наблюдения при D=46 км и наблюдал затмение 32-го порядка. При этих условиях требуются светосильные установки, чистый воздух (наблюдения в горах), хорошая оптика, сильный источник света.

В последнее время вместо вращающегося колеса с успехом применяют другие, более совершенные методы прерывания света.