АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция

Методы определения скорости света

Читайте также:
  1. I. Открытые способы определения поставщика.
  2. II. Методы непрямого остеосинтеза.
  3. IV. Современные методы синтеза неорганических материалов с заданной структурой
  4. V. ОСНОВНАЯ ПРАКТИКА ЯСНОГО СВЕТА
  5. А) Спектр света и значение разного типа излучений
  6. А. Механические методы
  7. Абсолютно неупругий удар. Абсолютно упругий удар. Скорости шаров после абсолютно упругого центрального удара.
  8. Автоматизированные методы анализа устной речи
  9. Адаптивные методы прогнозирования
  10. АДМИНИСТРАТИВНО-ПРАВОВЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
  11. АДМИНИСТРАТИВНЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ, ИХ СУЩНОСТЬ, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
  12. Административные, социально-психологические и воспитательные методы менеджмента

Методы определения скорости света делятся на два класса: астрономические и лабораторные.

Астрономические методы

Астрономические методы имеют в настоящее время главным образом историческое значение, и мы рассмотрим лишь два из них.

 

1) 1675 г., О. К. Рëмер: нарушение периодичности затмений спутника Юпитера Ио – открыт Галилеем в 1610 г. вместе с еще тремя спутниками Юпитера.

 

РИС. 4-1

 

=1.77 сут.=152928 с.

(За это время наблюдается затмение Ио с Земли).

РИС. 4-2

- Солнце, - Земля, - Юпитер.

 

Пока Земля перемещается из позиции в позицию , произойдет затмений Ио. Суммарное время наблюдения всех этих затмений: .

При перемещении из в произойдет столько же затмений Ио. Суммарное время всех этих затмений:

.

Разность времен: .

Наблюдалось с; =150000000 км. Значит 300000км/с=3×1010 см/с.

(Рëмер получил »214000 км/с, так как он не знал точно радиус орбиты Земли!)

 

2) Аберрация неподвижных звезд.

1725 г., Дж. Брэдли обнаружил сезонное изменение положения звезд, в частности -Дракона, находящейся в зените: почти круговое движение с диаметром 40.5 угл. сек. Для звезд, более близких к горизонту, обнаружилось движение по более или менее вытянутым эллиптическим орбитам, длина большой оси тоже ~40.5 угл.сек. Это явление не связано с движением самих звезд (смещение одинаковое и очень большое!). Скорость света конечна, а наблюдение ведется с Земли, движущейся по орбите с некоторой немалой скоростью (система отсчета, связанная с Землей, не является инерциальной).

РИС. 4-3

 

Наблюдателю, находящемуся на Земле, кажется, что свет имеет горизонтальную составляющую скорости .

Для звезды, находящейся в зените, аберрация является максимальной, когда скорость Земли перпендикулярна линии наблюдения. При этом

, =30 км/с, ”=1×10-4рад, .

Отсюда 300000 км/с=3×1010 см/с.

 

Лабораторные методы

1) Метод Физо. А. Л. И. Физо (1849 г.).

РИС. 4-4


Время прохождения светом базы длиной L, .

Выйти в базу свет может только в том случае, если на его пути будет отверстие, а не зубец. Если прерыватель вращается с такой угловой скоростью, что за время «путешествия» на его пути окажется зубец, то наблюдатель увидит затемнение. Для этого необходимо, чтобы за время прерыватель повернулся на угол (угловое расстоянием между просветом и зубцом).

При угловой скорости вращения колеса это условие выполнится, если время прохождения базы L совпадет с временем поворота на один зубец:

.

 

Из приведенной ниже таблицы видно, как повышалась точность измерения скорости света этим методом по мере увеличения базы и наблюдения затмения более высокого порядка (Перротен в 1902 г. наблюдал затемнение 32-го порядка):

 

Физо (1849 г.) =8.63 км =315000 км/с
Корню (1876 г.) =23 км =300000±300 км/с
Перротен (1902 г.) =46 км =299870±50 км/с

 

В более современных установках, основанных (в принципе) на методе Физо, используют в качестве прерывателя электрооптические кристаллы (эффект Керра) или пьезокварцевые модуляторы (дифракция в кварце при прохождении звуковых волн) – это в видимой области спектра, а в качестве приемника – фотоэлементы и фотоумножители. При этом удалось сократить базу до ~3м. Используются также модификации этого метода с вращающимся зеркалом, где время прохождения базы фиксируется по смещению «зайчика».

 

В радиочастотном диапазоне и в диапазоне - излучения используют метод совпадения импульсов – тот же метод Физо, но чувствительность приемника модулируется с частотой .

 

 
 

РИС. 4-5

 

 

На приемнике появляется сигнал только в том случае, если время прохождения базы () . Отсюда .

 

2) Метод объемного резонатора.

 

Можно с высокой степенью точности определить число полуволн электромагнитного излучения, укладывающихся в объемном резонаторе. Скорость света определяется из соотношения

, .

Этим методом получено: 299792.5±1 км/с.

 


3) Распространение света в движущейся среде (А. Л. И. Физо, 1851 г.).

Вода движется со скоростью .


РИС. 4-6

 

Скорость света в неподвижной воде , где - показатель преломления.

Для наблюдателя, относительно которого свет движется,

- из принципа относительности Галилея.

Экспериментально было установлено (и подтверждено современными измерениями):

.

Следовательно, классическая формула сложения скоростей здесь неприменима.

, где величина - коэффициент увлечения, .


Для света, распространяющегося в воде:

расчетное значение: =0.438;

Физо: =0.46;

Майкельсон-Морли (1886 г.): =0.434±0.020.

 

Итак, экспериментально установлено следующее.

1. Скорость света в вакууме является физической константой
(мировой постоянной) 299792456.2±1.1 м/с и не зависит от частоты электромагнитных волн и от способа измерения.

2. Для скорости света неприменима классическая формула сложения скоростей (опыт Физо, 1851 г.), т.е. основанная на принципе относительности Галилея:

Галилей - ,

Физо - .

 

Рассмотрим эксперименты, подтверждающие следующее.

3) Скорость света не зависит от взаимного движения приемника или источника.

 

а) Опыт Майкельсона-Морли

А. А. Майкельсон (1881 г.) поставил опыт с целью измерения влияния движения Земли на скорость света. Был использован интерферометр с равными плечами, одно - по движению Земли, другое перпендикулярно. Искался эфирный ветер, якобы увлекаемый Землей при ее прохождении через эфир, который и должен менять скорость света. Опыт не дал результата, как и опыт Морли в 1885 г.

 

РИС. 4-6-1

 

 

б) Опыт Саде (данный материал можно пропустить)

Опыт Саде (1963 г.) по влиянию движения электрон-позитронных пар на скорость испускаемых - лучей. Распространяющаяся с испусканием - лучей частица (электрон-позитронная пара) движется со скоростью ~ , и измеряется скорость распространения - лучей для этого случая и для неподвижной пары. С точностью ±10% установлено, что скорость - лучей в обоих случаях одинакова и равна .

 

4) Скорость света является максимальной достижимой скоростью движения материальных частиц

 

Опыт Бертоцци,1964 г.

 

РИС. 4-7

 

Электроны ускоряются электростатическим полем, а затем свободно движутся в вакууме без поля. Кинетическая энергия электронов определяется по нагреву мишени из Al. В результате ускорения полем электрон приобретает кинетическую энергию . В данном опыте =106 В, =106эВ=1 МэВ=1.6×10-6 эрг.

Если поток электронов составляет штук в секунду, то на мишени выделяется мощность эрг/с - это точно определяется термопарой.

Зная величину тока (º , - заряд электрона), можно легко рассчитать .

С другой стороны, ( - масса электрона). Скорость электрона можно измерить по времени пролета t участка L. Теперь можно построить график зависимости v 2 от K, где обе величины измерены независимо. В классической механике эта зависимость должна быть линейной.

 

 

РИС. 4-8

Максимальной достижимой скоростью движения материальных частиц, как следует из эксперимента, действительно является скорость света.

Зная лишь часть изложенной информации, Эйнштейн сформулировал постулат (принцип относительности):


1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |

Поиск по сайту:



Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.011 сек.)