Справді, як? Як виміряти найвищу швидкість Всесвітуу наших скромних, земних умовах? Нам уже не треба ламати над цим голову – адже за кілька століть стільки людей працювало над цим питанням, розробляючи методи вимірювання швидкості світла. Почнемо розповідь по порядку.
Швидкість світла- Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі. Вона позначається латинською літерою c. Швидкість світла дорівнює приблизно 300 000 000 м/с.
Спочатку над питанням виміру швидкості світла взагалі ніхто не замислювався. Є світло – ось і чудово. Потім, у епоху античності, серед учених філософів панувала думка у тому, що швидкість світла нескінченна, тобто миттєва. Потім було Середньовіччяз інквізицією, коли головним питанням мислячих та прогресивних людей було питання «Як би не потрапити до багаття?» І лише в епохи Відродженняі Освітидумки вчених розплодилися і, звичайно, розділилися.
Так, Декарт, Кеплері Фермабули тієї ж думки, що й вчені античності. А ось вважав, що швидкість світла кінцева, хоч і дуже велика. Власне, він і зробив перший вимір швидкості світла. Точніше, зробив першу спробу щодо її вимірювання.
Досвід Галілея
Досвід Галілео Галілеябув геніальним у своїй простоті. Вчений проводив експеримент із вимірювання швидкості світла, озброївшись простими підручними засобами. На великій і відомій відстані один від одного, на різних пагорбах, Галілей та його помічник стояли із запаленими ліхтарями. Один з них відкривав заслінку на ліхтарі, а другий повинен був зробити те саме, коли побачить світло першого ліхтаря. Знаючи відстань і час (затримку перед тим, як помічник відкриє ліхтар), Галілей розраховував обчислити швидкість світла. На жаль, для того, щоб цей експеримент увінчався успіхом, Галілею та його помічнику потрібно було вибрати пагорби, що знаходяться на відстані кілька мільйонів кілометрів один від одного. Ви можете , оформивши заявку на сайті.
Досліди Ромера та Бредлі
Першим вдалим і на диво точним досвідом визначення швидкості світла був досвід датського астронома Олафа Ромера. Ремер застосував астрономічний спосіб вимірювання швидкості світла. У 1676 він спостерігав телескоп за супутником Юпітера Іо, і виявив, що час наступу затемнення супутника змінюється в міру віддалення Землі від Юпітера. Максимальний час запізнення становив 22 хвилини. Вважаючи, що Земля віддаляється від Юпітера на відстань діаметра земної орбіти, Ремер розділив приблизне значення діаметра на час запізнення, і отримав значення 214 000 кілометрів на секунду. Звичайно, такий підрахунок був дуже грубий, відстані між планетами були відомі лише приблизно, але результат виявився відносно недалеким від істини.
Досвід Бредлі. У 1728 році Джеймс Бредліоцінив швидкість світла, спостерігаючи абберацію зірок. Абберація– це зміна видимого становища зірки, викликане рухом землі орбітою. Знаючи швидкість руху Землі і вимірявши кут абберації, Бредлі отримав значення 301000 кілометрів на секунду.
Досвід Фізо
До результату досвіду Рьомера та Бредлі тодішній вчений світ поставився з недовірою. Тим не менш, результат Бредлі був найточнішим протягом сотні з гаком років, аж до 1849 року. Того року французький учений Арман Фізовиміряв швидкість світла методом затвора, що обертається, без спостережень за небесними тілами, а тут, на Землі. По суті це був перший після Галілея лабораторний метод вимірювання швидкості світла. Наведемо нижче схему його лабораторної установки.
Світло, відбиваючись від дзеркала, проходило через зуби колеса і відбивало ще одне дзеркало, віддалене на 8,6 кілометрів. Швидкість колеса збільшували до того моменту, поки світло не ставало видно в наступному зазорі. Розрахунки Фізо дали результат 313000 кілометрів на секунду. Через рік подібний експеримент з дзеркалом, що обертається, було проведено Леоном Фуко, який отримав результат 298000 кілометрів в секунду.
З появою мазерів та лазерів у людей з'явилися нові можливості та способи для вимірювання швидкості світла, а розвиток теорії дозволив також розраховувати швидкість світла побічно, без проведення прямих вимірювань.
Найточніше значення швидкості світла
Людство накопичило величезний досвід із виміру швидкості світла. На сьогоднішній день найточнішим значенням швидкості світла прийнято вважати значення 299 792 458 метрів за секунду, отриманий у 1983 році. Цікаво, що подальший, більш точний вимір швидкості світла виявився неможливим через похибки у вимірі. метри. Зараз значення метра прив'язане до швидкості світла і дорівнює відстані, що світло проходить за 1/299 792 458 секунд.
Насамкінець, як завжди, пропонуємо подивитися пізнавальне відео. Друзі, навіть якщо перед Вами стоїть таке завдання, як самостійний вимір швидкості світла підручними засобами, Ви можете сміливо звернутися за допомогою до наших авторів. Ви можете оформивши заявку на сайті Заочника. Бажаємо Вам приємного та легкого навчання!
Незважаючи на те, що в звичайному житті розраховувати швидкість світла нам не доводиться, багатьох ця величина цікавить з дитячого віку.
Спостерігаючи за блискавкою під час грози, напевно кожна дитина намагалася зрозуміти, з чим пов'язана затримка між її спалахом та громовими гуркотами. Очевидно, що світло та звук мають різну швидкість. Чому так відбувається? Що таке швидкість світла і як її можна виміряти?
У науці швидкістю світла називають швидкість переміщення променів у повітряному просторі чи вакуумі. Світло – це електромагнітне випромінювання, яке сприймає очі людини. Він здатний пересуватися в будь-якому середовищі, що прямо впливає на його швидкість.
Спроби виміряти цю величину робилися з давніх-давен. Вчені античної епохи вважали, що швидкість світла є нескінченною. Таку ж думку висловлювали і фізики XVI-XVII століть, хоча вже тоді деякі дослідники, такі як Роберт Гук та Галілео Галлілей, допускали кінцівку.
Серйозний прорив у вивченні швидкості світла стався завдяки датському астроному Олафу Ремер, який першим звернув увагу на запізнення затемнення супутника Юпітера Іо порівняно з первинними розрахунками.
Тоді вчений визначив зразкове значення швидкості, що дорівнює 220 тисяч метрів за секунду. Більш точно цю величину зумів обчислити британський астроном Джеймс Бредлі, хоча він трохи помилився в розрахунках.
Надалі спроби розрахувати реальну швидкість світла робили вчені з різних країн. Однак тільки на початку 1970-х років з появою лазерів і мазерів, що мали стабільну частоту випромінювання, дослідникам вдалося зробити точний розрахунок, а в 1983 за основу було прийнято сучасне значення з кореляцією на відносну похибку.
Якщо говорити простою мовою, швидкість світла - це час, за який сонячний промінь долає певну відстань. Як одиниця часу прийнято використовувати секунду, як відстань – метр. З погляду фізики світло - це унікальне явище, що має в конкретному середовищі постійну швидкість.
Припустимо, людина біжить зі швидкістю 25 км/год і намагається наздогнати автомобіль, який їде зі швидкістю 26 км/год. Виходить, що машина рухається на 1 км/годину швидше за бігуна. Зі світлом все інакше. Незалежно від швидкості пересування автомобіля та людини, промінь завжди буде пересуватися щодо них із незмінною швидкістю.
Швидкість світла багато в чому залежить від речовини, в якій поширюються промені. У вакуумі вона має постійне значення, а ось у прозорому середовищі може мати різні показники.
У повітрі чи воді її величина завжди менша, ніж у вакуумі. Наприклад, у річках і океанах швидкість світла становить близько ¾ від швидкості у космосі, а повітря при тиску на 1 атмосферу – на 2 % менше, ніж у вакуумі.
Подібне явище пояснюється поглинанням променів у прозорому просторі та їх повторним випромінюванням зарядженими частинками. Ефект називають рефракцією та активно використовують при виготовленні телескопів, біноклів та іншої оптичної техніки.
Якщо розглядати конкретні речовини, то в дистильованій воді швидкість світла становить 226 тисяч кілометрів на секунду, в оптичному склі – близько 196 тисяч кілометрів на секунду.
У вакуумі швидкість світла в секунду має постійне значення 299 792 458 метрів, тобто трохи більше 299 тисяч кілометрів. У сучасному уявленні вона є граничною. Іншими словами, жодна частка, ніяке небесне тіло не здатні досягти тієї швидкості, яку розвиває світло у космічному просторі.
Навіть якщо припустити, що з'явиться Супермен, який летітиме з величезною швидкістю, промінь все одно втікатиме від нього з більшою швидкістю.
Хоча швидкість світла є максимально досяжною у вакуумному просторі, вважається, що існують об'єкти, що рухаються швидше.
На таке здатні, наприклад, сонячні зайчики, тінь або фази коливання у хвилях, але з одним застереженням – навіть якщо вони розвинуть надшвидкість, енергія та інформація будуть передаватися у напрямі, який не співпадає напрямок їхнього руху.
Що стосується прозорого середовища, то на Землі існують об'єкти, які цілком здатні рухатися швидше за світло. Наприклад, якщо промінь, що проходить через скло, уповільнює свою швидкість, то електрони не обмежені у швидкості пересування, тому при проходженні через скляні поверхні можуть пересуватися швидше за світло.
Таке явище називається ефект Вавілова – Черенкова і найчастіше спостерігається у ядерних реакторах чи глибинах океанів.
Хоча у повсякденному житті рідко кому доводиться безпосередньо розраховувати, чому дорівнює швидкість світла, інтерес до цього питання проявляється ще дитинстві. Дивно, але ми щодня стикаємося з ознакою константи швидкості поширення електромагнітних хвиль. Швидкість світла - це фундаментальна величина, завдяки якій весь Всесвіт існує саме в тому вигляді, яким ми його знаємо.
Напевно, кожен, спостерігаючи в дитинстві за спалахом блискавки і наступним за нею гуркотом грому, намагався зрозуміти, чим викликана затримка між першим і другим явищем. Нескладні уявні міркування швидко приводили до закономірного висновку: швидкість світла та звуку різна. Це перше знайомство із двома важливими фізичними величинами. Згодом хтось отримував необхідні знання та міг легко пояснити те, що відбувається. Що є причиною дивного поведінки грому? Відповідь у тому, що швидкість світла, що становить близько 300 тис. км/с, майже мільйон разів перевищує швидкість поширення повітря (330 м/с). Тому людина спочатку бачить від блискавки і лише згодом чує гуркіт грому. Наприклад, якщо від епіцентру до спостерігача 1 км, то світло подолає цю відстань за 3 мікросекунди, а от звуку знадобиться цілих 3 с. Знаючи швидкість світла та час затримки між спалахом та громом, можна обчислити відстань.
Спроби виміряти її робилися давно. Зараз досить забавно читати про експерименти, проте, в ті далекі часи, до появи точних приладів, все було більш ніж серйозно. При спробах дізнатися, якою є швидкість світла, був проведений один цікавий досвід. З одного кінця вагона поїзда, що швидко переміщався, знаходилася людина з точним хронометром, а з протилежного боку його помічник по команді відкривав заслінку лампи. За задумом, хронометр мав дозволити визначити швидкість поширення фотонів світла. Причому завдяки зміні позицій лампи і хронометра (при зберігається напрям руху поїзда), вдалося б дізнатися, чи постійна швидкість світла, або її можна збільшити/зменшити (залежно від напрямку променя, теоретично, швидкість руху поїзда могла б впливати на швидкість, що вимірюється в експерименті ). Звичайно, досвід не вдався, оскільки швидкість світла та реєстрація хронометром непорівнянна.
Вперше максимально точне вимірювання було виконано в 1676 завдяки спостереженням за Олаф Ремер звернув увагу, що реальна поява Іо і розрахункові дані розрізнялися на 22 хвилини. Коли планети наближалися, затримка зменшувалася. Знаючи відстань, вдалося вирахувати швидкість світла. Вона становила близько 215 тис. км/с. Потім, в 1926 році, Д. Бредлі, вивчаючи зміну видимих положень зірок (аберацію), звернув увагу на закономірність. Точка розміщення зірки змінювалася залежно від пори року. Отже, вплив справляло становище планети щодо Сонця. Можна навести аналогію – краплі дощу. Без вітру вони летять вертикально вниз, але варто побігти – і їхня видима траєкторія змінюється. Знаючи швидкість обертання планети навколо Сонця, вдалося вирахувати швидкість світла. Вона становила 301 тис. км/с.
У 1849 році А. Фізо провів наступний досвід: між джерелом світла і дзеркалом, віддаленим на 8 км, знаходилося Швидкість його обертання збільшували доти, поки в наступному зазорі потік відбитого світла не перетворювався на постійний (немиготливий). Розрахунки дали 315 тис. Км/с. Через три роки Л. Фуко обертовим дзеркалом і отримав 298 тис. км/с.
Наступні досліди ставали все точнішими, враховуючи заломлення в повітрі та ін. В даний час актуальними вважаються дані, отримані за допомогою цезієвого годинника та лазерного променя. Відповідно до них, дорівнює 299 тис. км/с.
Швидкістю світла називають відстань, що світло проходить за одиницю часу. Ця величина залежить від того, у якій речовині поширюється світло.
У вакуумі швидкість світла дорівнює 299792458 м/с. Це найвища швидкість, яка може бути досягнута. При розв'язанні задач, що не потребують особливої точності, цю величину приймають 300 000 000 м/с. Передбачається, що зі швидкістю світла у вакуумі поширюються всі види електромагнітного випромінювання: радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання, гамма-випромінювання. Позначають її літерою з .
Як визначили швидкість світла
В античні часи вчені вважали, що швидкість світла нескінченна. Пізніше у вченому середовищі почалися дискусії з цього питання. Кеплер, Декарт і Ферма були згодні з думкою античних вчених. А Галілей і Гук вважали, що хоча швидкість світла дуже велика, все-таки вона має кінцеве значення.
Галілео Галілей
Одним із перших швидкість світла спробував виміряти італійський вчений Галілео Галілей. Під час експерименту він та його помічник перебували на різних пагорбах. Галілей відкривав заслінку на своєму ліхтарі. У той момент, коли помічник бачив це світло, він повинен був зробити ті самі дії зі своїм ліхтарем. Час, за який світло проходив шлях від Галілея до помічника і назад, виявилося таким коротким, що Галілей зрозумів, що швидкість світла дуже велика, і на такій короткій відстані виміряти її неможливо, оскільки світло поширюється майже миттєво. А зафіксований ним час показує лише швидкість реакції людини.
Вперше швидкість світла вдалося визначити 1676 р. датському астроному Олафу Ремеру за допомогою астрономічних відстаней. Спостерігаючи за допомогою телескопа затемнення супутника Юпітера Іо, він виявив, що в міру віддалення Землі від Юпітера кожне наступне затемнення настає пізніше, ніж було розраховано. Максимальне запізнення, коли Земля переходить в інший бік від Сонця і віддаляється від Юпітера на відстань, що дорівнює діаметру земної орбіти, становить 22 години. Хоча на той час точний діаметр Землі був відомий, учений розділив його приблизну величину на 22 години й отримав значення близько 220 000 км/с.
Олаф Ремер
Результат, отриманий Ромером, викликав недовіру вчених. Але в 1849 р. французький фізик Арман Іполит Луї Фізо виміряв швидкість світла методом затвора, що обертається. У його досвіді світло від джерела проходив між зубами обертового колеса і прямував на дзеркало. Відбитий від нього він повертався назад. Швидкість обертання колеса зростала. Коли вона досягала якогось певного значення, відбитий від дзеркала промінь затримувався зубцем, і спостерігач у цей момент нічого не бачив.
Досвід Фізо
Фізо обчислив швидкість світла в такий спосіб. Світло проходить шлях L від колеса до дзеркала за час, що дорівнює t 1 = 2L/c . Час, за який колесо робить поворот на ½ прорізі, дорівнює t 2 = T/2N , де Т - період обертання колеса, N - Кількість зубців. Частота обертів v = 1/T . Момент, коли спостерігач не бачить світла, настає при t 1 = t 2 . Звідси отримуємо формулу визначення швидкості світла:
з = 4LNv
Провівши обчислення за цією формулою, Фізо визначив, що з = 313000000 м/с. Цей результат був набагато точнішим.
Арман Іполит Луї Фізо
У 1838 р. французький фізик і астроном Домінік Франсуа Жан Араго́ запропонував використовувати для обчислення швидкості світла метод дзеркал, що обертаються. Цю ідею здійснив практично французький фізик, механік і астроном Жан Берна́р Лео́н Фуко́, який отримав у 1862 р. значення швидкості світла (298 000 000±500 000) м/с.
Домінік Франсуа Жан Араго
У 1891 р. результат американського астронома Саймона Ньюкома виявився на порядок точнішим за результат Фуко. В результаті його обчислень з = (99810000±50000) м/с.
Дослідження американського фізика Альберта Абрахама Майкельсона, який використовував установку з восьмигранним дзеркалом, що обертається, дозволили ще точніше визначити швидкість світла. У 1926 р. вчений виміряв час, за який світло проходило відстань між вершинами двох гір, що дорівнює 35,4 км, і отримав з = (299796000±4000) м/с.
Найточніший вимір було проведено в 1975 р. У цьому ж році Генеральна конференція з мір і ваг рекомендувала вважати швидкість світла, що дорівнює 299 792 458 ± 1,2 м/с.
Від чого залежить швидкість світла
Швидкість світла у вакуумі не залежить від системи відліку, ні від положення спостерігача. Вона залишається постійною величиною, яка дорівнює 299 792 458 ± 1,2 м/с. Але в різних прозорих середовищах ця швидкість буде нижчою за його швидкість у вакуумі. Будь-яке прозоре середовище має оптичну густину. І що вона вища, тим із меншою швидкістю поширюється у ній світло. Так, наприклад, швидкість світла в повітрі вища за його швидкість у воді, а в чистому оптичному склі менше, ніж у воді.
Якщо світло переходить з менш щільного середовища в щільніше, його швидкість зменшується. А якщо перехід походить з більш щільного середовища в менш щільне, то швидкість, навпаки, збільшується. Цим пояснюється, чому світловий промінь відхиляється межі переходу двох середовищ.
Обмеження швидкості на більшості автострад від 90 до 110 км. Хоча у вакуумі космічного простору немає дорожніх покажчиків, але й там є обмеження швидкості – це 10,8 млрд кілометрів на годину.
Найбільша швидкість у природі
Це найбільша швидкість світла у природі. Вчені зазвичай наводять швидкість світла за кілометри за секунду - 300 000 кілометрів за секунду. Світло складається з фотонів. Саме вони можуть літати з такою шаленою швидкістю.
Своєрідні частинки - фотони
Вчені називають фотони частинками. Але це дуже своєрідні частки. У них немає маси спокою, тобто у звичайному сенсі у них немає ваги. Важко собі уявити щось таке реальне, що було б чистою енергією і не містило б ні крихти речовини. Фотони є така реальність. порівняти граничну швидкість фотонів з тими швидкостями, що ми звикли вважати великими.
Космічний корабель, що летить зі швидкістю світла, для стороннього спостерігача у відсутності лінійних розмірів. Візьмемо, наприклад, ракету "Піонер", побудовану для польотів за межами Сонячної системи. Так ось, покидаючи межі Сонячної системи, Піонер мав швидкість 60 кілометрів на секунду. Не погано! Відстань від Нью-Йорка до Сан-Франциско міг би покрити за півтори хвилини. Але в порівнянні зі швидкістю фотона в 300 000 кілометрів на секунду, швидкість «Піонера» виглядає просто черепашою. Або подивимося, з якою швидкістю переміщається у просторі Сонце.
Матеріали на тему:
Чому світять зірки?
Зате час, що ви читаєте цю пропозицію, Сонце, Земля та інші вісім планет нашої Сонячної системи мчать навколо Чумацького Шляху, як карусельні конячки, зі швидкістю 230 кілометрів на секунду (при цьому самі ми зовсім не помічаємо, що летимо з такою неймовірною швидкістю). Але і ця величезна швидкість дуже мала порівняно зі швидкістю світла і становить близько одного відсотка.
Швидкість світла та предмети
Якщо розігнати простий предмет до світлової швидкості, з ним почнуть відбуватися незвичайні пригоди. При досягненні тілом таких швидкостей спостерігач відзначить зміну лінійних розмірів та маси предмета. Навіть час почне змінюватись. Космічний корабель, що летить зі швидкістю 90 відсотків швидкості світла, зменшиться у розмірі приблизно наполовину. При збільшенні швидкості він зменшуватиметься все сильніше і сильніше, поки при досягненні швидкості світла він зовсім не втратить лінійних розмірів.