Скорость света

Кадр 1

СКОРОСТЬ СВЕТА

Кадр 2

К сведению учителя Материал, изложенный в кадрах 8–12 (метод аберрации) и 25–34 (метод резонатора), предназначен для внеклассной работы и факультативных занятий. Кадры 36–42 демонстрируются при изучении темы «Теория относительности». Целиком диафильм может быть использован при повторении.

Кадр 3

В древности полагали, что свет распространяется мгновенно. Идею о конечности скорости света и схему опыта измерения ее предложил в 1638 году Галилео Галилей. Однако в то время невозможно было поставить этот эксперимент.

Кадр 4

Первое измерение скорости света было осуществлено чрез несколько десятилетий, в 1676 году. В то время было известно 4 спутника Юпитера, открытых Галилеем.

Кадр 5

Обращаясь вокруг Юпитера, спутники периодически попадают в его тень. Интервал межжды затмениями одного спутника — Ио — примерно 42 часа.

Кадр 6

Оказалось, что в течение полугода, за которые Земля приближается к Юпитеру, промежуток времени между затмениями Ио систематически уменьшается на 15—20 секунд. А при удалении Земли от Юпитера затмения на столько же запаздывают.

Кадр 7

Рёмер предположил: запаздывание и опережение затмений вызвано тем, что скорость распространения света конечна. Если сумма запаздываний за полгода равна τ, то скорость света C = D/τ = 2R/τ. По расчетам Рёмера C = 227 000 км/с.

Кадр 8

Второй астрономический метод измерения скорости света основан на явлении аберрации. Пусть наблюдается звезда в зените. Но мы находимся на движущейся Земле, и поэтому телескоп приходится отклонить от вертикали на некоторый угол α.

Кадр 9

В самом деле, пока свет пройдёт вдоль трубы расстояния MN, телескоп вместе с Землёй переместится на расстояние NK. Значит, чтобы увидеть звезду, надо отклонить телескоп от вертикали на угол ∠NMK = α .

Кадр 10

Как видно из рисунка, Sin α = ⅌/C. Но орбитальная скорость Земли много меньше скорости света, поэтому синус равен радианойной мере угла. Итак, угол аберрации α = ⅌/C.

Кадр 11

Поскольку Земля обращается вокруг Солнца по орбите, звезды описывают на небосводе эллипсы, большие оси которых видны с Земли под углом 2α = 40", 940 = = 1,985·10⁻⁵ рад.

Кадр 12

Радиус земной орбиты R = 149,47·10⁶ км, период обращения Земли T = 1 год = 31556926 секунд = 31,56·10⁶ секунд. Следовательно, орбитальная скорость Земли V = 2πR/T = 29,76 км/с. Скорость света C = 299,9·10³ км/с.

Кадр 13

Наземные (лабораторные) методы основаны на идее Галилея: весьма точно измеряется малое время τ, в течение которого свет проходит туда и обратно базу длиной L. Тогда C = 2L/τ.

Кадр 14

Для измерения малых промежутков времени служит метод прерываний. Световой пучок от источника проходит импульсом через периодически работающий прерыватель и, отразившись от зеркала, возвращается обратно.

Кадр 15

Если период прерывателя Т равен времени движения сигнала τ=2L/C, то отраженный пучок пройдет через прерыватель, и наблюдатель увидит свет в зрительной трубе. Скорость света C=2L/π=2Lν, где ν — частота прерываний. При изменении частоты прерываний свет через систему не проходит.

Кадр 16

Фото в 1849 году использовал в качестве прерывателя быстро вращающееся зубчатое колесо.

Кадр 17

Пусть свет проходит через прорезь 4. Если за время τ=2L/C колесо успеет повернуться на один зубец и одну прорезь, то отраженный пучок пройдет через прорезь 5. Зубчатое колесо содержит Z зубцов (и прорезей). Если оно совершает n оборотов в секунду, то частота прерываний V=2nZ. Скорость света C=2LV=4nZL.

Кадр 18

В настоящее время в качестве оптических затворов используют ячейки Kерра. Их действие заключается в том, что при наличии сильного электрического поля система пропускает свет; при отсутствии поля свет поглощается поляроидами.

Кадр 19

Используя в качестве прерывателя ячейку Керра, управляемую специальным электронным устройством, удалось в 1950 году на базе длиной L = 7 км измерить скорость света с большой точностью: C = 299 793,1 ± 0,25 км/с.

Кадр 20

Поместив на пути светового пучка трубу с жидкостью, можно измерить скорость света в веществе, например в воде. Оказалось, что скорость света в воде в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. Это полностью согласуется с выводами волновой теории света.

Кадр 21

Установка Майкельсона состоит из двух вогнутых зеркал, восьмигранной вращающейся стальной призмы и системы вспомогательных зеркал, облегчающих настройку установки.

Кадр 22

При неподвижной призме свет отражается сначала от ее первой грани, затем, пройдя всю систему зеркал, отражается от пятой грани и попадает в зрительную трубу. При вращении призмы свет, вообще говоря, отразится в сторону.

Кадр 23

Если же за время, в течение которого свет дважды проходит базу, призма повернется на одну восьмую оборота и четвертая грань встанет на место пятой, свет снова будет виден в зрительной трубе.

Кадр 24

Вогнутые зеркала располагались на двух горах, расстояние между которыми L = 35 373,21 м. Восьмигранная призма совершала n = 528 об/с. Длительность одной восьмой оборота t= 1/8n. Скорость света в этом опыте: C= 2L/t = 16 nL = 299 796 ± 4 км/с.

Кадр 25

Согласно теории Максвелла, свет — это электромагнитная волна. Скорость электромагнитных волн можно найти, если независимо измерить длину волны λ и частоту колебаний V. Тогда C = λV.

Кадр 26

Источник электромагнитных колебаний возбуждает в резонаторе стоячую волну. Так, в резонаторе, закрытом с обоих концов, устанавливается целое число полуволн: L=mλ/2.

Кадр 27

Перемещая поршень и настраивая тем самым резонатор на частоту эталонного источника, можно весьма точно измерить длину волны. Этим методом получено значение скорости электромагнитных волн: C = 299792,5 ± 3,4 км/с.

Кадр 28

Эталоном частоты служит излучение цезиевого квантового генератора, возникающее при движении пучка атомов изотопа цезия ¹³³Cs в магнитном поле особой конфигурации. Частота эталонного излучения 91 922 631 770,0 Гц.

Кадр 29

Излучение исследуемой частоты вводится в резонатор, где оно воздействует на атомы цезия. При резонансе сила тока в коллекторе резко возрастает.

Кадр 30

Эталоном длины служит излучение газоразрядной лампы, заполненной атомами изотопа криптона ⁸⁶Kr при температуре жидкого азота (63±1К). На расстоянии 1 м укладывается 1650763,73 длин волн эталонного излучения.

Кадр 31

Как видно, эталоны длины и частоты работают в разных диапазонах, отличающихся друг от друга в 50 тысяч раз, что затрудняет их сравнение. Эти трудности удалось преодолеть, используя метод биений.

Кадр 32

Если складываются колебания с близкими частотами V₁ и V₂, то возникают биения с частотой Vб = V₁ - V₂. Зная частоту одного из источников и измерив частоту биений, находим частоту второго источника.

Кадр 33

Длина волны излучения гелий-неонового лазера с помощью интерферометра сравнивалась с эталоном длины. Оказалось, что λ=3,392 231 376±0,000 000 012 мкм.

Кадр 34

Частота этого же излучения с помощью системы лазеров, клистронов и кварцевых генераторов сравнилась с эталоном частоты. Оказалось, что V₀ = 88 376,181 627 · 10⁺ ⁵⁰ Гц. Скорость света C = λV₀ = 299 792 456,2 ± 1,1 м/с.

Кадр 35

Как видно, точность измерения скорости света непрерывно повышалась.

Кадр 36

3. Скорость света и теория относительности. Скорость тела зависит от системы отсчета, относительно которой эта скорость измеряется.

Кадр 37

Зависит ли скорость света от системы отсчета? Эту проблему исследовал Майкельсон с помощью интерферометра, который он изобрел.

Кадр 38

М. Майкельсон ожидал, что при повороте интерферометра на 90° за счет изменения скорости света в его плечах возникнет сдвиг интерференционных полос. Но никакого эффекта обнаружить не удалось.

Кадр 39

Оказалось, что скорость света в вакууме не зависит от системы отсчета — во всех системах отсчета скорость света в вакууме одна и та же.

Кадр 40

Это полностью соответствует теории Максвелла, согласно которой скорость света в вакууме C = 1/√ε₀M₀, где ε₀ и M₀ — электрическая и магнитная постоянные.

Кадр 41

Основываясь на принципе относительности и принципе инвариантности скорости света в вакууме, Эйнштейн в 1905 году построил новую физическую теорию пространства и времени — теорию относительности.

Кадр 42

Скорость света в вакууме «С» входит почти во все формулы теории относительности как универсальная мировая константа.

Кадр 43

Диафильм по физике для 10 класса сделан по заказу Министерства просвещения СССР Автор доктор педагогических наук А. ПИНСКИЙ Художник-оформитель И. ИЩЕНКО Редактор Г. ВИТУХНОВСКАЯ Студия «Диафильм» Госкино СССР, 1978 г. 101000, Москва, Центр, Старосадский пер., д. № 7 Д-053-78 Черно-белый 0-2

Кадр 44

ото всюду обо всём

Кадр 45

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА; СПЕКТРЫ Диафильм по физике для 10 класса

Кадр 46

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Кадр 47

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА