Швидкість світла

Вступ.

Давньогрецький філософ Емпедокл стверджував, що Афродіта створила людське око із чотирьох елементів: вогню, повітря, землі й води, при чому запалила в оці вогонь, завдяки якому людина може бачити. Так виникла помилкова теорія еманації, в якій сумнівався в своїй «Оптиці» Евклід, пізніше Лукрецій. В 2 ст. книгу під назвою «Оптика» написав також Птоломей. Він описав заломлення світла, однак притримувався того ж погляду, що людина бачить завдяки променям, що виходять із ока.

Починаючи з 17 ст. наукові суперечки щодо природи світла точилися між прихильниками хвильової та корпускулярної теорій. Засновником хвильової теорії можна вважати Рене Декарта, який розглядав світло як збурення в світовій субстанції — пленумі. Корпускулярну теорію сформулював П'єр Гассенді і підтримав Ісаак Ньютон. Хвильову теорію світла розробляли Роберт Гук та Христіан Гюйгенс.

З розвитком квантової механіки утвердилася ідея Луї де Бройля про корпускулярно-хвильовий дуалізм, за якою світло має водночас хвильові властивості, чим пояснюється його здатність до дифракції та інтерференції, та корпускулярні властивості, чим пояснюється його поглинання та випромінювання квантами.

Св́ітло — електромагнітні хвилі видимого спектру. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7.5×1014 — 4×1014 Гц), тобто з довжиною хвилі від 400 до 760 нанометрів. Властивості світла вивчаються розділами фізики оптикою та спектроскопією.
Світло як електромагнітні хвилі.

Випромінювання електромагнітних хвиль відбувається під час вимушених коливань електронів у коливальних контурах, тобто в антенах. За допомогою таких контурів, можна істати такі електромагнітні хвилі частота яких досягає 10¹²Гц. Природньо, що виникає питання чи існують хвилі вищих частот? Теоретично частота хвиль може змінюватись від нульових до нескінченно великих значень. Та практично, під час детального вивчення електромагнітних явищ показано, що під час коливань атомів і молекул виникають електромагнітні хвилі частота яких значно перевищує частоту хвиль, які дістали за допомогоюколивальних контурів. Ці хвилі дістали назву світлових хвиль. З погліду фізики світлові хвилі – електромагнітні хвилі до яких, крім видимого неозброєним оком належить також інфрачервоне та ультрафіолетове проміння (частота коливання цих хвиль досягає від 10¹² до 3´10¹⁶Гц, а сама довжина хвиль від 0,3мм до 10^-2). Видиме проміння має частоти від4´10¹⁴ Гц до 7,7´10¹⁴ Гц (довжина хвиль від 0,4мм до 0,77мкм).

Саме світло – матеріальне явище, яке проявляє властивості електромагнітних хвиль, а в інших – властивості частинок – квантів, протонів.

Видиме світло являє собою електромагнітні хвилі з довжиною від 400 до 700 нм і являє собою поперечні хвилі, так як напрям коливання векторів напруженості електричного Е і магнітного Н полів перпендикулярні до швидкості поширення світла і один до одного.

Швидкість світла.

Якщо світлові хвилі мають усі властивості електромагнітних хвиль, у тому числі з певною швидкістю переносять енергію. Питання про швидкість поширення світла – одне з найбільшважливих принципових питань всієї фізики. З‘ясування того, що швидкість світла є граничною швидкістю поширення будь-яких фізичних збуджень, а також визначення числового значення цієї швидкості, дали можливість обгрунтувати еектомагнітну природу світла і відіграли важливу роль у створенні теорії відносності. Швидкість світла можна визначити вимірявши пройдену світлом за певний час відстань (прямий метод). Перша спроба визначити в такий спосіб швидкість світла належить Г. Галілею (1607р.). на певній відстані від спостерігача розміщлося плоске дзеркало. Відкриваючи заслінку ліхтаря, спостерігач повинен був визначити через який час повенеться світло, відбившись від дзеркала. Проте цим способом не вдалося визначити швидкість світла, оскільки при оскільки при невеликій відстані до дзеркала час реакції спостерігача на світло значно перевищував час поширення світлавідліхтаря до дзеркала і назад до спостерігача

Вперше вдалося визначити швидкість світла датському вченому Оламу Ремеру в 1676 році під час вивчень затемнень одного із супутників Юпітера. Супутники обертаються навколо Юпітера і періодично ховаються за ним. Очевидно, що затемненнямають повторюватися строго періодично, однак Ремер виявив, що коли Земля повертається до Юпітера, то інтервал часу між послідовними затемненнями стають короткими, а коли віддаляються від Юпітера –довшими порівняно з розрахованим часом. Ремер пояснив це тим, що протягом року змінюється відстань від Землі до Юпітера, а тому світло від супутника Юпітера до Землі йде рівний час. Ремер порівняв результати двох спостережень. Одно було виконане м момент, коли відстань між Юпітером і Землею була мінімальною, а друге – коли ця відстань була максимальною. Різниця між фактичним моментом виходу супутника Юпітера із затемнення і розрахованим значенням

Виявилася рівною t =1320с. Оскільки діаметр земної кулі орбіти навколо Сонця дорівнює d = 299млн. км, то для невидносі світла Ремер дістав значення:

c = d / t =29900000 / 1320c =227000 км/с

Це значення не дуже точне, оскільки вимірювання Ремера були виконані з великими похибками і крім того діаметр земної орбіти на той час був відомий з максимальною точністю. За сучасними спостереженнями час запізнення затемнення проти розрахованогостановить t =996,4с, що дає для швидкості світла:

c = d / t =29900000 / 996,4c =300000 км/с

Однак цінність відкриття Ремера величезна, оскільки він вперше показав, що швидкість світла скінчена.

В подальшому швидкість світла вимірювалась багато раз і в різних умовах. Одним з найбільшточних вимірювань світла бувдослід, проведений у 1926 році американським вченим фізиком А. Майкельсоном.

На одній горі було встановлено дуже потужне джерело світла S, восьмигранне обертове дзеркало, труба і увігнуте (параболічне) дзеркало D₁.

На другій горі, відстань до якої була точно виміряна (l = 35373,21м), також встановлюють увігнуте дзеркало D₂.

При нерухомому восьмигранному дзеркалі система настроювалась так, щоб світло, яке йде від джерела, відбилася від однієї грані восьмигранною, дійшло до другої гори, відбилося від дзеркала D₂, повернулось назад, упало на іншу грань восьмигранного дзеркала, відбившись відбившись від якої потрапило б у трубу спостерігача. Якщо система настроєна, то спостерігач в трубу бачить джерело світла.

Коли восьмигранне дзеркало за допомогою електродвигуна швидко обертати, зображення джерела в трубі зникало, бо за час ріху світла до другої гори і назад, восьмигранне дзеркало трохи поверталося, протилежна грань зміщувалась, промінь падав на цю грань під дещо іншим кутом і після відбивання не потрапляв у трубку. Коли швидкість обертання дзеркала збільшували, то при певній кількості обертів n спостерігач знову бачив джерела світла, це означає, що за час проходження світлом подвійної відстані між горами, 2 l восьмигранне дзеркало встигало обенутися рівно на одну восьму оберту і точно в положенні протилежної грані ставала натупна за нею. Тоді відбите від цієї грані світло потрапляло в трубу і спостерігач знову бачив джерела світлові. Оскільки світло проходить подвійну відстань між горами за одну восьму періоду обертання дзеркала.

t = 1/8T = 1/8n, то для швидкості світла с дістанем:

c = 2l / t = 21´8n=16ln

За результатами досліду А. Майкельсон дістав: с = (299796 ± 4)км/с. Зараз існують більш точні способи вимірювання швидкості світла. Декілька років тому, використовуючи лазерне випромінювання визначили швидкість світла найточніше: с =(299792456±1,1)м/с. Відносна похибка цього випромінювання 3,5´10^-9.

Поиск по сайту: