Home » Квант » Измерение скорости света

Измерение скорости света

Измерение скорости света.

Скачать Квант (все номера)
Квант №2 1972

Скачать  сборники журнала «Квант» в хорошем качестве.

Если хотите быстро ознакомится с содержанием статей, смотрите ниже.
Текст, для быстрого ознакомления (в тексте для быстрого ознакомления формулы могут отображаться не корректно):


Квант 2 февраль 1972

Квант 2 февраль 1972

Еще за 300 лет до нашей эры
греческие ученые уже знали, что свет
распространяется прямолинейно, об-
ладает свойством отражаться от глад-
ких поверхностей и при этом угол
падения равен углу отражения. Древ-
ние знали также о преломлении света.
Клавдий Птоломей, великий астро-
ном и математик древности, составил
таблицы измеренных им углов паде-
ния и преломления. Но но вопросу
о скорости света в древней науке не
было единого мнения. Большинство
ученых того времени, в том числе
и Аристотель, считали, что скорость
света бесконечно велика — ведь ни-
какими из существовавших тогда при-
боров и методов се нельзя было из-
мерить даже приблизительно. Тем
не менее, 900 лет назад арабский уче-
ный и врач Авиценна высказал пред-
положение, что скорость света, хотя
и очень велика, по конечна. С ним
соглашался и его современник Аль-
газен. Но, конечно, ни один из них
не мог подтвердить свое мнение фак-
тами или экспериментами.
Так или иначе, все поколения на
протяжении веков проявляли интерес
к природе света, о чем говорят и до-
шедшие до нас мифы, легенды, пре-
дания. Этот неиссякаемый интерес
к явлениям природы был сначала един-
ственным мотивом, побудившим уче-
ных приняться за экспериментальное
измерение скорости света. Один
из крупнейших физиков-эксперимен-
20
таторов Альберт Майкельсон, почти
всю жизнь посвятивший измерению
скорости света, на вопрос корреспон-
дентов: «А зачем это нужно?» отве-
чал: «Ведь это ужасно интересно!».
По еще до работ Майкельсона опре-
деление величины скорости света и
ее зависимости от различных усло-
вий приобрело характер не только
удовлетворен ия любознател ьности
ученых. Вес более волнующая умы
загадка «светоносного эфира», вопрос
о корпускулярной или волновой при-
роде света, а затем и теория относи-
тельности потребовали точного зна-
ния скорости света. В наше же время
точное определение этой величины
имеет уже чисто практическое зна-
чение. Ее необходимо знать и при
расчете энергетики ядерных реакций,
и для измерения расстояний между
космическими объектами в связи с
расширением космических исследо-
ваний, и во многих других, не менее
важных проблемах.
Первым, кто попытался экспери-
ментально определить скорость света,
был Галилео Галилей. Его метод был
чрезвычайно прост, но, к сожалению,
не дал результата. Вот как сам Гали-
лей описывал его:
«Опыт, который я придумал, за-
ключается в следующем. Два лица
держат каждый по огню, заключен-
ному в фонаре или чем-либо подоб-
ном, который можно открывать или
закрывать движением руки на виду

16 Измерение скорости света.

у компаньона; став друг против дру-
га на расстоянии нескольких локтей,
участники начинают упражняться в
открывании и закрывании огня та-
ким образом, что как только один
замечает свет другого, так тотчас же
открывает и свой… Мне удалось про-
извести его лишь на малом расстоя-
нии — менее одной мили,— почему
я не мог убедиться, действительно ли
появление противоположного света
совершается внезапно. Но если оно
происходит .и не внезапно, то, во
всяком случае, с чрезвычайной быст-
ротой».
Ясно, что имевшиеся тогда в рас-
поряжении Галилея средства не по-
зволяли решить этот вопрос. Споры
ученых продолжались, и единого мне-
ния по-прежнему не было: одни счита-
ли скорость света конечной величи-
ной, другие — настолько большой, что
не стоит и пытаться ее измерить,
третьи — бесконечной.
Первые измерения скорости света
были осуществлены в 1676 году. Мо-
лодой датский астроном Оле Рёмер
приступил кработев новой Парижской
обсерватории. Как и все астрономы
того времени, Рёмер знал, что время
между затмениями спутника Юпите-
ра — Ио — непсстоянно в течение года.
Если определить время начала зат-
мения в момент, когда Земля нахо-
дится в такой точке своей орбиты,
что расстояние Земля — Юпитер на-
именьшее (рис. 1: 3j — положение
Земли, IOj — положение Юпитера),
то можно предсказать время начала
следующего затмения Ио (зная пе-
риод обращения Ио вокруг Юпитера).
Рис. 1
4 Квапт К> 2
Однако следующее затмение на-
ступает несколько позже предвычис-
ленного момента времени. Постепенно
время «запаздывания» увеличивается,
а затем уменьшается, и примерно
через год (чуть больше) начало зат-
мения Ио наблюдается с Земли в тот
момент времени, который соответст-
вует вычислениям. Максимальное
запаздывание отмечается примерно
через полгода от того момента, когда
Земля и Юпитер находились в поло-
жениях 3j и Ю1( то есть когда Земля
находится в положении 32,а Юпитер—
в положении Ю2 (см. рис. 1). Рассто-
яние 32Ю2 (Земля—Юпитер) отлича-
ется от расстояния 3^x на величину
диаметра земной орбиты. Рёмер ре-
шил, что максимальное запаздыва-
ние начала затмения Ио равно време-
ни т, которое затрачивает свет на
прохождение пути, равного диаметру
земной орбиты d, то есть т = d/c.
Максимальное время запаздывания по
измерениям того времени составляло
1320 сек, диаметр земной орбиты
считался приблизительно равным
283 миллионам километров. Исполь-
зуя эти данные, Рёмер получил для
скорости света значение с =¦
*= 214300 км/сек.
Следующим, кто измерил ско-
рость света, был английский астро-
ном Джемс Брадлей. Он использовал
для вычислений явление аберрации
света.
Явление аберрации заключается
В том, что видимые положения звезд
на небе описывают в течение года
более или менее вытянутые эллипсы,
большие оси которых одинаковы.
Брадлей предположил, что аберра-
ционный эллипс получается в резуль-
тате сложения скорости света, идущего
от звезды, и скорости вращения Земли
вокруг Солнца. Допустим, — говорил
он, — что Земля в точке своей орбиты,
ближайшей к звезде, неподвижна;
наведем телескоп на эту звезду так,
чтобы ее изображение находилось в
центре поля зрения телескопа. Затем
придадим Земле ее обычную скорость
движения по орбите (у = 30 км/час).
Тогда за время т, пока свет от звезды

17 Измерение скорости света.

будет распространяться в трубе теле-
скопа (т =s —, где с — скорость све-
та, / — длина трубы), Земля пройдет
по орбите путь, равный и-т, и на
такое же расстояние изображение
звезды сдвинется из центра поля зре-
ния (рис. 2, а). Чтобы вернуть изоб-
ражение звезды на место, нужно,
очевидно, наклонить телескоп в сто-
рону движения Земли на такой угол
а, чтобы tgct = ~- (рис. 2, б). Так как
/ ~ ст, то tg а = —^ — —-. Отсюда
с ~ т-^-. То же самое бх-дет в про-
тивоположной точке земной орби-
ты, но телескопу нужно будет при-
дать наклон в противоположную сто-
рону. Таким образом, направления
на одну и ту же звезду могут отли-
чаться максимум на угод 2<х. Изме-
рения показали, что 2а — 41″. При
астрономических наблюдениях теле-
скоп, конечно, ие наклоняют. Благо-
даря изменению направления скоро-
сти Земли изображение звезды будет
в разные дни находится в разных точ-
ках поля зрения телескопа и в течение
года опишет эллипс. Большая ось
этого эллипса будет видна из центра
объектива под углом 2а. Зная угол
а, Брадлей нашел скорость света
и получил для нее значение
303 000 км/сек, ^го было в 1728 году.
Однако учение не были удовлет-
ворены, им хотелось бы измерить не-
доступную прежде скорость света на
Земле, не выходя за пределы родной
планеты, с тем, чтобы все условия опы-
та находились под контролем. Реше-
ния этой задачи пришлось ждать
сто двадцать лет.
В 1849 году французский физик
Арман Ииполнт.Луи Физо придумал
для этого довольно простой способ.
Схема его такова (рис. 3). Луч света
от источника 5 падает на полупро-
зрачную зеркальную пластину Я,
отражаясь от нее, направляется
через собирающие линзы к неподвиж-

18 Измерение скорости света.

пому зеркалу 3. Отразившись от
зеркала 3, луч возвращается по
тому же пути и через полупро-
зрачную пластину /7 попадает к на-
блюдателю. Если на пути луча помес-
тить зубчатое колесо К, то наблю-
датель может видеть свет от источни-
ка только в том случае, когда по пути
к зеркалу 3 и обратно луч проходит
в промежутке между зубцами колеса
К- Если же привести колесо К во вра-
щение с такой угловой скоростью ы,
чтобы луч, прошедший по пути от
пластины П через промежутки между
зубцами после отражения от зеркала
3 попал на место зубца, соседнего
с прорезью, то наблюдатель не уви-
дит света. Произойдет, как гово-
рят, первое затмение.
Если скорость вращения колеса
удвоить, что наблюдатель увидит мак-
симально яркий отраженный свет.
Если скорость вращения увеличить
в три раза — на пути отраженного от
3 света окажется соседний зубец. На-
ступит второе затмение.
Если число зубцов на колесе равно
г, то, очевидно, при первом затмении
угловая скорость вращения колеса
о» должна быть такой, чтобы за время
f := —, необходимое свету для про-
хождения расстояния от колеса К
к зеркалу 3 (это расстояние D назы-
вают базой) и обратно (рис. 3), колесо
повернулось на угол ф — 2л/2г (угол
между центром зубца и центром со-
седнего просвета), то есть
2л-с
2Z-2D
ИЛИ V»=
(v — частота вращения). Отсюда с =
В опыте, поставленном Физо, рас-
стояние D равнялось 8,63 км, z —720,
частота, при которой наблюдалось
первое затмение, v = 12,5 об/сек. Из
своих данных Физо получил значе-
ние с — 315 000 км/сек.
В XVIII веке в физике продол-
жался спор между сторонниками двух
теории о природе света — волновой
и корпускулярной. Согласно корпу-
скулярной теории Ньютона свет сос-
тоит из мельчайших частичек — кор-
пускул, которые вылетают из источ-
ника и распространяются прямоли-
нейно во всех направлениях с громад-
ной скоростью, и скорость эта тем
больше, чем больше плотность среды,
Последнее утверждение резко проти-
воречит волновой теории, согласно
которой скорость света в вакууме
должна быть больше, чем в веществе.
В 1838 году французский физик До-
миник Франсуа Араго предложил про-
вести опыт по измерению скорости
света в среде (например, в воде).
Сам Араго этот опыт не смог осущест-
вить. .Метод, которым пользовался
Физо, не давал возможности измерить
скорость света о веществе. В 1862 г.
Жан Бер нар Леон Фуко поставил опыт,
принцип которого был предложен
Араго. Метод Фуко основан на очень
тщательных измерениях малых про-
межутков времени.
Свет от источника S, пройдя полу-
прозрачную зеркальную пластину
П и линзу Л, отражался от плоского
зеркала Зх к вогнутому сферическому
зеркалу 32 и после этого попадал к
наблюдателю в точку 5′ (рис. 4).
Зеркало 3V могло вращаться вокруг
оси, перпендикулярной плоскости
чертежа. Расстояние между 31 и 32
(длина базы) было равно фокусному
расстоянию зеркала 32, то есть поло-
вине его радиуса, который составлял
4 м. Благодаря этому наблюдатель
видел отраженный от Я луч всегда
в одном и том же месте, независимо
от положения зеркала 3lt если только
оно покоилось. Но когда зеркало
3j вращалось, то за время, пока свет
проходил от 3j к 3S и обратно, зер-
кало J?i успевало повернуться на не-
который угол, и направление прямого
луча (падающего на зеркало 3i после
прохождения пластины // и линзы
Л) не совпадало с направлением об-
ратного луча (прошедшего путь 32Зг
и отраженного зеркалом 3t к
пластине П). В результате изображе-
ние источника, фиксируе.уое наблю-
дателем, смещалось по отношению
к изображению, видимому при не-
подвижном зеркале, в точку S]. Если

19 Измерение скорости света.

длина базы равна г, то путь З^п
и обратно свет проходит за время
Д/=—. За это время зеркало Зц
вращающееся с частотой п (об/сек),
— О/-
повернется на угол а = 2л«— .
Поэтому по закону отражения угол
между лучами / и 2 (см. рис. 4) на
пути ЗгП будет равен 2а = 8ял—^- .
Таким образом, изображение Si,
которое видит наблюдатель при вра-
щающемся зеркале 3lt оказывается
смещенным от изображения S’, по-
лучаемого при неподвижном зеркале
3lt на угол, равный 8лп —-.
Пользуясь этим методом, Фуко
получил для скорости света в воз-
духе значение с — 298 000 км/сек.
В соответствии с первоначальным
замыслом Араго Фуко осуществил
при помощи своей установки изме-
рение скорости света в воде. Для этого
он несколько видоизменил свою уста-
новку, снабдив ее двумя симметрич-
но расположенными сферическими зер-
калами и поместив между одним из
них и вращающимся зеркалом трубу
с водой. Это позволило ему сравнить
скорости света в воде и воздухе и
найти, что скорость света в воде сос-
тавляет 3/4 от ее величины в воздухе.
Этот результат был последним ударом
по корпускулярной теории света, выд-
винутой Ньютоном.
Методы, которыми пользовались
Физо и Фуко, позволяли измерить
скорость света с точностью до
±500 км/сек.
В 1873 году Альфред Корню,
повторивший опыт Физо, измерил
скорость света с точностью до
±200 км/сск.
В 1877 году американский физик
Альберт Майкельсон, усовершенст-
вовав схему Фуко, провел серию
опытов и измерил скорость света с
точностью до ±50 км/сек.
Но Майкельсон не удовлетворил-
ся полученным результатом. С 1877
года и до конца своей жизни он не-
однократно возвращался к измерению
скорости света, непрерывно совер-
шенствуя свою установку. Получен-
ное Майкельсоном значение с =
= 299796±4 км/сек считалось долгое
время наиболее точным.
В проблеме измерения скорости
света опыты Майкельсона завершили
этап, который можно назвать клас-
сическим. Но еще до окончания работ
.Майкельсона были поставлены новые
эксперименты, уже на новой техниче-
ской и идейной основе, обеспеченной
бурным развитием физики. Эти экспе-
рименты продолжаются вплоть до на-
стоящего времени; их целью является
установление наиболее точного зна-
чения скорости света.
Современные методы измерения
скорости света можно разделить на

24 Измерение скорости света.

две группы. К первой относятся те,
которые используют ту же идею, что
Фуко и Физо, то есть измеряют время,
за которое свет проходит известное
расстояние. Это так называемые пря-
мые методы. Благодаря возможностям
точного измерения очень малых про-
межутков времени, которые пред-
ставляет сейчас радиотехника, точ-
ность прямых методов значительно
увеличилась.
Можно назвать и другие прямые
методы.
1) Радиолокационный — по из-
мерению времени, за которое радио-
волна, излученная локатором, воз-
вращается к приемнику, пройдя из-
вестное расстояние до отражателя
и обратно.
2) Измерение времени пролета у-
квантов между двумя счетчиками.
Второй группой методов явля-
ются косвенные, основанные на не-
зависимом измерении частоты и дли-
ны волны света (с = X-v).
К косвенным методам относится
также определение скорости света
по отношению электромагнитных и
электростатических единиц.
К настоящему времени скорость
света измерена с большой точностью.
Наиболее точное значение скорости
света, равно B99792,5±0,2) км/сек.

Литература

Элементарный учебник физики пол ре-
дакцией академика Г. С. Ландсберга, т. III,
М., «Наука», 1970.
Г. С. Л л л д с С с р г. Оптика. М.. Гостсх-
издат. 1957.
М. Л ь о ц ц и. История физики, М., «Мир»,
1970.
Ч. К и т т с л ь. У. Н ;i п т. М. Р у л с р —
м а и. Механика. .М.. «Наука», 1971.
Б. Джефф. MafiKC.ibcOH и скорость cue-
га. М., ИЛ. 19(>Л.
П. С. К у д р я и и с п, История физики,
М., Учгк-Агих 1948.
ФИЗИ’ЮСКШ! ЭНИИК.ЮНСЛПЧОСКмА С.’ЮИЛрЬ.
т. 4. М., «Соистская энциклопедия», 19A5.
Детскля энциклопедия, т. 3, нзд-во ЛШ1
РСФСР, 1959.

Задачи о прямых  линиях

1. Дан треугольник ABC,
Р — середина стороны ВС
Опустим высоту AD и про-
ведем отрезок РН параллель-
но AD так, чтобы Н и А
лежали по одну сторону от
ВС, и 2РН~АВ-\-АС. Про-
редем теперь прямую НТ,
пересекающую AD в точке Т.
так, чтобы углы РИТ и
ИВР были равны. Дока-
зать, что TD равно одной
из сторон АВ, АС.
2. Через вершины тре-
угольника ABC, имеющего
площадь S, проведены пря-
мые линии, делящие углы
А, В. С треугольника на уг-
лы а,, а,; ft. fl2; ?,, Тг соот-
ветственно. Найти площадь
треугольника, ограниченно-
го этими тремя прямыми.
При каком условии эти пря-
мые пересекаются в одной
точке?
3. Дан треугольник ABC
и точка 0 вне этого треуголь-
ника. Провести через точку
О прямую I так, чтобы отре-
зок ВС делил пополам пло-
щадь треугольника B0D, где
D — точка пересечения /
и АС.
4. Через точку Р, лежа-
щую внутри угла ВАС, про-
вести прямую /, пересекаю-
щую стороны А В и АС
в точках М и Н так. чтебы
сумма отрезков AM и АН
была заданной. Далее, про-
вести прямую / так, чтебы
эта сумма была минималь-
ной.
5. Дан треугольник ABC;
D, E, F — середины сторон
А В, ВС и АС соответственно.
Пусть биссектриса угли
DFE пересекает отрезок DE
в точке G. Доказать, что
если A G перпендикулярно к
DF, то FG — диагональ
квадрата, сторона которого
равна DG.
6. Доказать, что расстоя-
ния от вершин ромба до дан-
ной точки О однозначно оп-
ределяют размеры ромба.

25 Измерение скорости света.

ЗАДАЧИ ПО ФИЗИКЕ.
Физика для поступающих в вуз.

One thought on “Измерение скорости света

  1. sergey:

    От Земли к Луне тормозит фотон, масса Земли его тормозит, а путь от Луны к Земле, они ту скорость фотона и замерили и внесли во все мыслимые пространства Вселенной ошибки. Так вот разница в скоростях имеет отношение, как три к одному, свет идёт от Земли к Луне, а на больших расстояниях та разница доходит до миллионов лет. У них Вселенная получилась на порядки больше, чем в действительности. Ту скорость замерить не просто и Эйнштейну понадобилось время, понять, что фотон разгоняется притяжением Земли и несётся по прямой. Если прикинуть путь от Солнца к Земле, то он на величину больше и составляет двести тридцать миллионов километров. В первую секунду скорость фотона 33км., в последнюю 130000км.

Comments are closed.

Статистика


Яндекс.Метрика