Класичні досліди з вимірювання швидкості світла та визначення швидкості світла - Ліхтер - фізика Оптика
Швидкість світла у вільному просторі (вакуумі) – швидкість поширення будь-яких електромагнітних хвиль, у тому числі світлових. Є граничною швидкістю поширення будь-яких фізичних впливів і інваріантною при переході від однієї системи відліку до іншої.
Завдання визначення швидкості світла належить до найважливіших проблем оптики і фізики взагалі. Вирішення цього завдання мало величезне принципове та практичне значення. Встановлення те, що швидкість поширення світла кінцева, і вимір цієї швидкості зробили конкретнішими і зрозумілими труднощі, які стоять перед різними оптичними теоріями. Перші методи визначення швидкості світла, що спиралися на астрономічні спостереження, сприяли зі свого боку ясного розуміння суто астрономічних питань. Точні лабораторні методи визначення швидкості світла, вироблені згодом, використовуються при геодезичній зйомці.
Швидкість світла у середовищі залежить від показника заломлення середовища n, різного для різних частот n випромінювання: с'(n) = c/n(n).
Основна складність, яку наштовхується експериментатор щодо швидкості поширення світла, пов'язані з великим значенням цієї величини, потребують зовсім інших масштабів досвіду, ніж, які мають місце у класичних фізичних вимірах. Ця труднощі дала знати у перших наукових спробах визначення швидкості світла, вжитих ще Галілеєм (1607 р.). Досвід Галілея полягав у наступному: два спостерігачі на великій відстані один від одного забезпечені ліхтарями, що закриваються. Спостерігач А відкриває ліхтар; через відомий проміжок часу світло дійде до спостерігача, який в той же момент відкриває свій ліхтар; черезпевний час цей сигнал дійде до А, і останній може, таким чином, відзначити час, що протік від моменту подачі їм сигналу до моменту його повернення. Припускаючи, що спостерігачі реагують на сигнал миттєво і що світло має однакову швидкість у напрямі АВ і ВА, отримаємо, що шлях АВ+ВА=2D світло проходить під час τ, тобто. швидкість світла =2D/τ. Друге зі зроблених припущень може вважатися вельми правдоподібним. Сучасна теорія відносності зводить навіть це припущення у принцип. Але припущення про можливість миттєво реагувати на сигнал не відповідає дійсності, і тому за величезної швидкості світла спроба Галілея не призвела до жодних результатів; по суті, вимірювався не час поширення світлового сигналу, а час, витрачений спостерігачем на реакцію. Положення можна поліпшити, якщо спостерігача замінити дзеркалом, що відображає світло, звільнившись таким чином від помилки, що вноситься одним із спостерігачів. Ця схема вимірів залишилася, сутнісно, майже в усіх сучасних лабораторних прийомах визначення швидкості світла; однак згодом було знайдено чудові прийоми реєстрації сигналів і вимірювання проміжків часу, що дозволило визначити швидкість світла з достатньою точністю навіть на порівняно невеликих відстанях.
Астрономічні методи визначення швидкості світла
Метод Ромера
Впершешвидкість світла визначив у 1676 роціО. К. Ремер щодо зміни проміжків часу між затемненнями супутників Юпітера.
Юпітер має кілька супутників, які або видно із Землі поблизу Юпітера, або ховаються в його тіні. Астрономічні спостереження над супутниками Юпітера показують, що середній проміжок часу між двома послідовними затемненнями якогосьпевного супутника Юпітера залежить від цього, якій відстані друг від друга перебувають Земля і Юпітер під час спостережень.
Метод Ромера (1676 р.), заснований цих спостереженнях, можна пояснити з допомогою рис.9.1. Нехай у певний момент часу Земля З1 і Юпітер Ю1 перебувають у протистоянні і в цей момент один із супутників Юпітера, що спостерігається з Землі, зникає в тіні Юпітера. Тоді, якщо позначити через R і r радіуси орбіт Юпітера і Землі і через - швидкість світла в системі координат, пов'язаної з Сонцем, на Землі відхід супутника в тінь Юпітера буде зареєстрований на секунд пізніше, ніж він відбувається в тимчасовій системі відліку, пов'язаної з Юпітером.
Через 0,545 року Земля З2 і Юпітер Ю2 перебувають у соединении. Якщо в цей час відбувається n-е затемнення того ж супутника Юпітера, то на Землі воно буде зареєстроване із запізненням на секунду. Тому, якщо період звернення супутника навколо Юпітера t, то проміжок часу T1, що протік між першим і n-м затемненнями, що спостерігалися Землі, дорівнює
Мал. 9.1. До визначення швидкості світла за методом Ромера
Після закінчення ще 0,545 року Земля З3 і Юпітер Ю3 знову будуть у протистоянні. Упродовж цього терміну відбулися (n-1) оборотів супутника навколо Юпітера і (n-1) затемнень, у тому числі перше мало місце, коли Земля і Юпітер займали становища З2 і Ю2, а останнє - що вони займали становище З3 і Ю3. Перше затемнення спостерігалося Землі із запізненням , а останнє із запізненням стосовно моментів відходу супутника в тінь планети Юпітера. Отже, у цьому випадку маємо:
Ремер виміряв проміжки часу Т1 і Т2 і виявив, що Т1-Т2 = 1980 с. Але з написаних вище формул випливає, що Т1-Т2=, тому . Приймаючи r, середня відстань від Землі доСонця, рівним 150 10 6 км, знаходимо для швидкості світла значення: с = 301 10 6 м / с.
Цей результат був історично першим виміром швидкості світла.
Визначення швидкості світла за спостереженням аберації
У 1725-1728 рр. Брадлей зробив спостереження з метою з'ясувати, чи існує річний паралакс зірок, тобто зміщення зірок, що здається, на небесному зводі, що відображає рух Землі по орбіті і пов'язане з кінцівкою відстані від Землі до зірки. Зірка у своєму паралактичному русі повинна описувати еліпс, кутові розміри якого тим більші, чим менша відстань до зірки.
Для зірок, що лежать у площині екліптики, цей еліпс вироджується у пряму, а для зірок біля полюса – в коло. Брадлей справді виявив подібне усунення. Але велика вісь еліпса виявилася всім зірок мають одні й самі кутові розміри, саме 2α=40",9. Брадлей пояснив (1728 р.) спостерігане явище, назване їм аберацією світла, кінцівкою швидкості поширення світла і використовував його визначення цієї Річний паралакс був встановлений більше ста років потому В. Я. Струве і Бесселем (1837, 1838 рр.).
Для простоти замість телескопа користуватися візирним пристосуванням, що складається з двох невеликих отворів, розташованих по осі труби. Коли швидкість Землі збігається у напрямку з SE, вісь труби вказує на зірку. Коли ж швидкість Землі (і труби) становить кут j із напрямком на зірку, то для того, щоб промінь світла залишався на осі труби, трубу треба повернути на кут a (рис. 9.2), бо за час t, доки світло проходить шлях SE сама труба переміщається на відстань E'Е=u0t. З рис. 9.2 можна визначити поворот a. Тут SE визначає напрямок осі труби без обліку аберації, SE' - зміщений напрямок осі, що забезпечуєпроходження світла вздовж осі труби протягом усього часу t. Користуючись тим, що кут дуже малий, тому що u0 2nd Червень 2009