Современные методы определения скорости света. Экспериментальные методы определения скорости света. Скорость света и методы ее определения

С обнаружением на эксперименте корпускулярных свойств и проявлений света (фотоэффект, Комптон - эффект и другие явления) была разработана квантовая природа света М.Планком и А.Эйнштейном, в рамках которой свет проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства - так называемый, корпускулярно - волновой дуализм. (Макс Карл Эрнст Людвиг Планк - немецкий физик- теоретик, 1858-1947, Нобелевская премия 1918 г. за открытие законов излучения, Артур Хоти Комптон, американский физик, 1892-1962, Нобелевская премия 1927г. за эффект, названный его именем).

Введение 3
1. Эксперименты по определению скорости света. 4
1.1. Первые опыты. 4
1.1.1. Опыт Галилея. 4
1.2 Астрономические способы определения скорости света. 4
1.2.1. Затмение спутника Юпитера - Ио. 4
1.2.2. Аберрация света. 6
1.3. Лабораторные способы измерения скорости света. 7
1.3.1. Метод синхронного детектирования. 7
1.4. Опыты по распространению света в среде. 9
1.4.1. Опыт Армана Физо. 9

1.4.3. Опыты А. Майкельсона и Майкельсона - Морли. 12
1.4.4.Усовершенствование опыта Майкельсона. 13
2. Максимальность скорости света. 14
2.1. Опыт Саде. 14
2.2. Опыт Бертоцци. 15
3. Скорость света в веществе. 17
4. Тахионы. Частицы, движущиеся со скоростями больше скорости света. 17
4.1. Мнимые массы. 17
4.2. Ускорение вместо замедления. 18

5. Сверхсветовая скорость. 20
Заключение 22
Список литературы 23

Работа содержит 1 файл

Курсовая работа на тему:

“Скорость света и методы её определения”

Введение 3

1. Эксперименты по определению скорости света. 4

1.1. Первые опыты. 4

1.1.1. Опыт Галилея. 4

1.2 Астрономические способы определения скорости света. 4

1.2.1. Затмение спутника Юпитера - Ио. 4

1.2.2. Аберрация света. 6

1.3. Лабораторные способы измерения скорости света. 7

1.3.1. Метод синхронного детектирования. 7

1.4. Опыты по распространению света в среде. 9

1.4.1. Опыт Армана Физо. 9

1.4.2. Усовершенствование Фуко. 10

1.4.3. Опыты А. Майкельсона и Майкельсона - Морли. 12

1.4.4.Усовершенствование опыта Майкельсона. 13

2. Максимальность скорости света. 14

2.1. Опыт Саде. 14

2.2. Опыт Бертоцци. 15

3. Скорость света в веществе. 17

4. Тахионы. Частицы, движущиеся со скоростями больше скорости света. 17

4.1. Мнимые массы. 17

4.2. Ускорение вместо замедления. 18

4.3. Отрицательные энергии. 19

5. Сверхсветовая скорость. 20

Заключение 22

Список литературы 23

Введение

О природе света размышляли с древних времен. Древние мыслители считали, что свет это истечение "атомов" от предметов в глаза наблюдателя (Пифагор - около 580 - 500 лет до нашей эры). Тогда же определили прямолинейность распространения света, считалось, что он распространяется с очень большими скоростями, практически мгновенно. В XVI-XVII веках Р.Декарт (Рене Декарт, французский физик, 1596-1650), Р. Гук (Роберт Гук, английский физик, 1635- 1703), X. Гюйгенс (Христиан Гюйгенс, голландский физик, 1629-1695) исходили из того, что распространение света - это распространение волн в среде. Исаак Ньютон (Исаак Ньютон, английский физик, 1643 - 1727) выдвигал корпускулярную природу света, т.е. считал, что свет - это излучение телами определенных частиц и их распространение в пространстве.

В 1801 году Т. Юнг (Томас Юнг, английский физик, 1773-1829) наблюдал интерференцию света, что послужило развитию экспериментов со светом по интерференции и дифракции. И в 1818 году О.Ж. Френель (Огюстен Жан Френель, французский физик, 1788-182 7) возродил волновую теорию распространения света. Д.К. Максвелл после установления общих законов электромагнитного поля пришел к выводу, что свет - это электромагнитные волны. Далее была выдвинута гипотеза "мирового эфира", что свет это распространение электромагнитных волн в среде - "эфире". Знаменитые эксперименты по проверке существования мирового эфира проводились А.А. Майкельсоном и Э.У. Морли (1837-1923 г.г.), а по увлечению света движущейся средой - А.И. Физо. (Альберт Абрахам Майкельсон, американский физик, 1852-1931, Нобелевская премия 1907 г. за создание прецизионные инструменты и выполненные с их помощью спектроскопические и метрологические исследования; Арман Ипполит Луи Физо, французский физик, 1819-1896). В результате было показано, что мирового эфира (по крайней мере, в том понимании, как считали физики в то время - некоторая абсолютная неподвижная среда) не существует.

Скорость света также пытались измерить различными способами, как в естественных, так и в лабораторных условиях.

1. Эксперименты по определению скорости света.

1.1. Первые опыты.

1.1.1. Опыт Галилея.

Первым, кто попытался измерить скорость света экспериментально, был итальянец Галилео Галилей. Опыт представлял собою следующее: два человека, стоящие на вершинах холмов на расстоянии нескольких километров друг от друга, подавали сигналы с помощью фонарей, снабженных заслонками. Этот опыт, осуществленный впоследствии учеными Флорентийской академии, он высказал в своем труде «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящиеся к механике и местному движению» (опубликованном в Лейдене в 1638 году).

После опыта Галилей сделал выводы, что скорость света распространяется мгновенно, а если не мгновенно, то с чрезвычайно большой скоростью.

Имевшиеся тогда в распоряжении Галилея средства, конечно, не позволяли так просто решить этот вопрос, и он вполне отдавал себе в этом отчет.

1.2 Астрономические способы определения скорости света.

1.2.1. Затмение спутника Юпитера - Ио.

O.K. Ремер (1676 г., Оле Кристенсен Ремер, голландский астроном, 1644-1710) наблюдал затмение спутника Юпитера (J) - Ио, открытого еще Галилеем в 1610 году (он также открыл еще 3 спутника Юпитера). Радиус орбиты спутника Ио вокруг Юпитера равен 421600 км, диаметр спутника - 3470 км (см рис.2.1 и 2.2). Время затмения составляло = 1.77 суток = 152928 с. O.K. Ремер наблюдал нарушение периодичности затмений, и это явление Ремер связал с конечной скоростью распространения света. Радиус орбиты Юпитера вокруг Солнца Rj значительно больше радиуса орбиты Земли Rз, а период обращения примерно равен 12 лет. То есть за время полуоборота Земли (полгода), Юпитер переместится по орбите на некоторое расстояние и, если фиксировать время прихода светового сигнала с момента появления Ио из тени Юпитера, то свет должен пройти большее расстояние до Земли в случае 2, чем в случае 1 (см рис. 2.2). Пусть - момент времени, когда Ио выходит из тени Юпитера по часам на Земле, а - реальный момент времени, когда это происходит. Тогда имеем:

где - расстояние, которое свет проходит до Земли. В следующий выход Ио мы имеем аналогично:

где - новое расстояние, которое свет проходит до Земли. Истинный период обращения Ио вокруг Юпитера определяется разностью времен:

Конечно, за один промежуток времени, когда происходит одно затмение, трудно определять эти времена с большой точностью. Поэтому удобнее вести наблюдения за полгода, когда расстояние до Земли меняется на максимальную величину. При этом истинный период затмения можно определить как среднюю величину за полгода или год. После этого можно определить скорость света после двух последовательных измерений времени выхода Ио из тени:

Величины находятся из астрономических вычислений. Однако за одно затмение это расстояние меняется мало. Удобнее провести измерения за полгода (когда Земля перейдет на другую сторону своей орбиты) и получить суммарное время затмения:

где п - число затмений за эти полгода. Все остальные промежуточные времена распространения света до Земли сократились, поскольку расстояние меняется слабо за одно затмение. Отсюда Ремер получил скорость света, равную с = 214300 км/с.

1.2.2. Аберрация света.

В астрономии аберрацией называют изменение видимого положения звезды на небесной сфере, то есть отклонение видимого направления на звезду от истинного, вызываемое конечностью скорости света и движением наблюдателя. Суточная аберрация обусловлена вращением Земли; годовая – обращением Земли вокруг Солнца;

вековая – перемещением Солнечной системы в пространстве.

Рис. Аберрация света звезды.

Для понимания этого явления можно провести простую аналогию. Капли дождя, падающие в безветренную погоду вертикально, оставляют на боковом стекле движущегося автомобиля наклонный след.

В результате аберрации света кажущееся направление на звезду отличается от истинного на угол, называемый углом аберрации. Из рисунка видно, что

где - составляющая скорости движения Земли, перпендикулярная направлению на звезду.

Практически явление аберрации (годовой) наблюдается следующим образом. Ось телескопа при каждом наблюдении ориентируется в пространстве одинаковым образом относительно звездного неба, и при этом изображение звезды фиксируется в фокальной плоскости телескопа. Это изображение в течение года описывает эллипс. Зная параметры эллипса и другие данные, отвечающие геометрии опыта, можно вычислить скорость света. В 1727 г. из астрономических наблюдений Дж. Брэдли нашел 2* = 40,9" и получил

с = 303000км/с.

1.3. Лабораторные способы измерения скорости света.

1.3.1. Метод синхронного детектирования.

Для измерения скорости света Арман Физо (1849г.) применил метод синхронного детектирования. Он использовал быстро вращающийся диск с N зубьями (рис. 2.3), представляющие собой непрозрачные сектора. Между этими секторами (зубьями) свет проходил от источника к отражающему зеркалу и обратно к наблюдателю. При этом угол между серединами секторов равен

Угловая скорость вращения подбиралась так, чтобы свет после отражения от зеркала за диском попадал в глаза наблюдателю при прохождении через соседнее отверстие. За время движения света от диска до зеркала и обратно:

поворот диска составляет угол

Зная расстояние L, угловую скорость диска ω и угол △φ, при котором появляется свет, можно получить скорость света. Физо получил значение скорости, равное с=(315300500) км/с. Примерно такими же методами экспериментаторы получали уточненное значение скорости света с = (298000500) км/с (1862 г.), затем с=(2997964)км/с (А. Майкельсон в 1927 и 1932 г.г.). Позже Бергстранд получил - с=(299793.10.3) км/с.

Отметим здесь один из наиболее точных способов измерения скорости света - метод объемного резонатора, основная идея которого состоит в образовании стоячей световой волны и вычислении числа полуволн на длине резонатора. Основные соотношения между скоростью света с, длиной волны λ, периодом Т и частотой ν имеют вид:

Здесь также введена круговая частота, которая есть не что иное, как угловая скорость вращения ω амплитуды, если колебания представить как проекцию вращательного движения на ось. В случае образования световой стоячей волны на длине резонатора укладывается целое число полуволн. Находя это число и пользуясь соотношениями (*), можно определить скорость света.

Последние достижения (1978 г.) дали для скорости света следующее значение с=299792.458 км/с = (299792458 1,2) м/с.

1.4. Опыты по распространению света в среде.

1.4.1. Опыт Армана Физо.

Опыт Армана Физо (1851). Физо рассматривал распространение света в движущейся среде. Для этого пропускал луч света через стоячую и текущую воду и с помощью явления интерференции света сравнивал интерференционные картины, по анализу которых можно было судить об изменении скорости распространения света (см.рисунок 2.4). Два луча света, отразившись от полупрозрачного зеркала (луч 1) и пройдя его (луч 2) проходят дважды через трубу с водой и затем создают интерференционную картину на экране. Сначала измеряют в стоячей воде, а затем в текущей со скоростью V.

При этом один луч (1) движется по течению, а второй (2) - против течения воды. Происходит смещение полос интерференции вследствие изменения разности хода двух лучей. Разность хода лучей измеряется и по ней находится изменение скоростей распространения света. Скорость света в неподвижной среде ĉ зависит от показателя преломления среды п:

По принципу относительности Галилея для наблюдателя, относительно которого свет движется в среде, скорость должна быть равна:

Экспериментально Физо установил, что имеется коэффициент при скорости воды V и поэтому формула выглядит следующим образом:

где * - коэффициент увлечения света движущейся средой:

Таким образом, эксперимент Физо показал, что классическое правило сложения скоростей неприменимо при распространении света в движущейся среде, т.е. свет только частично увлекается движущейся средой. Опыт Физо сыграл важную роль при построении электродинамики движущихся сред.

Он послужил обоснованием СТО, где коэффициент * получается из закона сложения скоростей (если ограничиться первым порядком точности по малой величине ν/c). Вывод, который следует из этого опыта, состоит в том, что классические (Галилеевские) преобразования неприменимы при распространении света.

1.4.2. Усовершенствование Фуко.

Когда Физо объявил о результате своего измерения, ученые усомнились в достоверности этой колоссальной цифры, согласно которой свет доходит от Солнца до Земли за 8 минут и может облететь Землю за восьмую долю секунды. Казалось невероятным, чтобы человек смог измерить столь огромную скорость такими примитивными инструментами. Свет проходит восемь с лишним километров между зеркалами Физо за 1 / 36000 секунды? Невозможно, говорили многие. Однако цифра, полученная Физо, была весьма близка к результату Рёмера. Вряд ли это могло быть простым совпадением.

Тринадцать лет спустя, когда скептики все еще продолжали сомневаться и отпускать иронические замечания, Жан Бернар Леон Фуко, сын парижского издателя, одно время готовившийся стать врачом, определил скорость света несколько иным способом. Он несколько лет проработал вместе с Физо и много размышлял над тем, как усовершенствовать его опыт. Вместо зубчатого колеса Фуко применил вращающееся зеркало.

Рис. 3. Установка Фуко.

После некоторых усовершенствований Майкельсон использовал это устройство для определения скорости света. В этом устройстве зубчатое колесо заменено вращающимся плоским зеркалом C. Если зеркало C неподвижно или очень медленно поворачивается, свет отражается на полупрозрачное зеркало B по направлению, указанному сплошной линией. Когда зеркало быстро вращается, отраженный луч смещается в положение, обозначенное пунктирной линией. Глядя в окуляр, наблюдатель мог измерить смещение луча. Это измерение давало ему удвоенную величину угла α, т.е. угла поворота зеркала за то время, пока луч света шел от C к вогнутому зеркалу A и обратно к C. Зная скорость вращения зеркала C, расстояние от A до C и угол поворота зеркала C за это время, можно было вычислить скорость света.

Экспериментальные методы определения скорости света

Существуют различные методы измерения скорости света, в том числе астрономические и с использованием различной экспериментальной техники. Точность измерения величины с постоянно увеличивается. В данной таблице дан неполный перечень экспериментальных работ по определению скорости света.

Эксперимент

Экспериментальные методы

Результаты измерений, км/сек

Эксперимента

погрешность,

Вебер-Кольрауш

Максвелл

Майкельсон

Перротин

Роза и дорси

Миттелыптедта

Пиз и Пирсона

Андерсон

Затмение спутника юпитера

Аберрация света

Движущиеся тела

Вращающиеся зеркала

Электромагнитные постоянные

Вращающиеся зеркала

Электромагнитные постоянные

Вращающиеся зеркала

Электромагнитные постоянные

Ячейка затвора Керра

Вращающиеся зеркала

Ячейка затвора Керра

Микроволновая интерферометрия

Первое удачное измерение скорости света относится к 1676 г. Астрономический метод Рёмера основывается на измерении скорости света по наблюдениям с Земли затмений спутников Юпитера. Юпитер имеет несколько спутников, которые либо видны с Земли вблизи Юпитера, либо скрываются в его тени. Астрономические наблюдения над спутниками Юпитера показывают, что средний промежуток времени между двумя последовательными затмениями какого-нибудь определенного спутника Юпитера зависит от того, на каком расстоянии друг от друга находятся Земля и Юпитер во время наблюдений.

Рис. 1. Метод Ремера. С - Солнце, Ю - Юпитер, З - Земля

За полгода наблюдения нарушение периодичности наблюдаемого начала затмения возрастали, достигая величины около 20 мин. Но это почти равно времени, за которое свет проходит расстояние, равное диаметру орбиты движения Земли вокруг Солнца (порядка 17 мин.). Скорость света, измеренная Рёмером, была равна: c= 214300 км/с.

По истечение еще 0,545 года Земля З3 и Юпитер Ю3 будут вновь находиться в противостоянии. За это время совершилось (n-1) оборотов спутника вокруг Юпитера и (n-1) затмений, из которых первое имело место, когда Земля и Юпитер занимали положения З2 и Ю2, а последнее - когда они занимали положение З3 и Ю3. Первое затмение наблюдалось на Земле с запозданием (R+r)/с, а последнее с запозданием (R-r)/c по отношению к моментам ухода спутника в тень планеты Юпитера.

Рёмер измерил промежутки времени Т1 и Т2 и нашел, что Т1-Т2=1980 с. Но из написанных выше формул следует, что Т1-Т2=4r/с, поэтому с=4r/1980 м/с. Принимая r, среднее расстояние от Земли до Солнца, равным 1500000000 км, находим для скорости света значение:

Этот результат был первым измерением скорости света. Метод Рёмера был не очень точен, но именно его расчеты показали астрономам, что для определения истинного движения планет и их спутников необходимо учитывать время распространения светового сигнала.

Рис. 2

Определение скорости света по наблюдению аберрации в 1725-1728 гг. Брадлей предпринял наблюдение с целью выяснить, существует ли годичный параллакс звезд, т.е. кажущееся смещение звезд на небесном своде, отображающее движение Земли по орбите и связанное с конечностью расстояния от Земли до звезды.

Брадлей действительно обнаружил подобное смещение. Он объяснил наблюдаемое явление, названное им аберрацией света, конечной величиной скорости распространения света и использовал его для определения этой скорости.

Зная угол α и скорость движения Земли по орбите v, можно определить скорость света c. У него получилось значение скорости света равной 308000 км/с. Важно заметить, что аберрация света связана с изменением направления скорости Земли в течение года. Постоянную скорость, как бы велика она ни была, нельзя обнаружить с помощью аберрации, ибо при таком движении направление на звезду остается неизменным и нет возможности судить о наличии этой скорости и о том, какой угол с направлением на звезду она составляет. Аберрация света позволяет судить лишь об изменении скорости Земли.

В 1849 г. впервые определение скорости света выполнил вы лабораторных условиях А. Физо. Его метод назывался методом зубчатого колеса. Характерной особенностью его метода является автоматическая регистрация моментов пуска и возвращения сигнала, осуществляемая путем регулярного прерывания светового потока (зубчатое колесо).

Рис 3 . Схема опыта по определению скорости света методом зубчатого колеса

Свет от источника проходил через прерыватель (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала, возвращался опять к зубчатому колесу. Зная расстояние между колесом и зеркалом, число зубьев колеса, скорость вращения, можно вычислить скорость света.

Зная расстояние D, число зубьев z, угловую скорость вращения (число оборотов в секунду) v, можно определить скорость света. У него получилось она равной 313000 км/с.

Разрабатывали много способов, чтобы еще повысить точность измерений. Вскоре даже стало необходимо учитывать показатель преломления в воздухе. И вскоре в 1958 г. Фрум получил значение скорости света равной 299792,5 км/с, применяя микроволновый интерферометр и электрооптический затвор (ячейку Керра).

Способы определения скорости света

Когда мы поворачиваем выключатель, то вся комната сразу же озаряется светом. Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен. Делались многочисленные попытки определить скорость света. Для этого пытались измерить по точным часам время распространения светового сигнала на большие расстояния (несколько километров). Но эти попытки не дали результатов. Начали думать, что распространение света совсем не требует времени, что свет любые расстояния преодолевает мгновенно. Однако оказалось, что скорость света не бесконечно велика, и эта скорость была в конце концов измерена.

Астрономический метод измерения скорости света

Метод Рёмера

Скорость света впервые удалось измерить датскому ученому О. Рёмеру в 1676 г. Рёмер был астрономом, и его успех объясняется именно тем, что проходимые светом расстояния, которые он использовал для измерений, были очень велики. Это расстояния между планетами Солнечной системы.

Рёмер наблюдал затмения спутников Юпитера - самой большой планеты Солнечной системы. Юпитер в отличие от Земли имеет четырнадцать спутников. Ближайший его спутник - Ио - стал предметом наблюдений Рёмера. Он видел, как спутник проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 ч 28 мин. Таким образом, эта «луна» представляла собой громадные небесные часы, через равные промежутки времени посылавшие свои сигналы на Землю.

Вначале измерения производились в то время, когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру (рис. 1). Такие же измерения, проведенные несколько месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера, неожиданно показали, что спутник опоздал появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио.

Рёмер объяснял это так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время, наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 мин раньше. Запаздывание в этом случае происходит от того, что свет употребляет 22 мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения». Зная запаздывание появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние на время запаздывания. Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 300.000 км/с . Поэтому-то крайне трудно уловить время распространения света между двумя удаленными точками на Земле. Ведь за одну секунду свет проходит расстояние, большее длины земного экватора в 7,5 раза.

Лабораторные методы измерения скорости света

Метод Физо

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику И. Физо в 1849 г.

В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1 (рис.2). После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. В чем же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым.

Рисунок. Опыт Физо: свет от источника, пройдя через линзу, попадает на полупрозрачную пластинку.

При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 км и для скорости света было получено значение 313.000 км/с . Зная расстояние D , число зубьев Z , угловую скорость вращения (число оборотов в секунду) n , можно вычислить скорость света С.

Метод Фуко

Фуко (1862 г) успешно осуществил метод, принцип которого еще раньше (1838г) был предложен Араго с целью сравнения скорости света в воздухе со скоростью его в других средах (вода), применив вместо зубчатого диска быстро вращающееся (512 об/с) зеркало. Метод вращающегося зеркала основан на очень тщательных измерениях малых промежутков времени при помощи зеркала. Схема опыта ясна из рис., где S – источник света; R – быстровращающееся зеркало; C – неподвижное вогнутое зеркало, центр кривизны которого совпадает с осью вращения R (поэтому свет, отраженный C, всегда попадает обратно на R); M – полупрозрачное зеркало; L – объектив; E – окуляр; RC – точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положения R, изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход пучка лучей через L. Объектив L собирает отраженный пучок в точке S1, а не в точке S, как это бы было при неподвижном зеркале R.

Скорость света устанавливают, измеряя смещение SS.

Рисунок. Определение скорости света методом Фуко.

Свет от источника S направляется при помощи объектива L на вращающееся зеркало R, отражается от него в направлении второго зеркала C и идет обратно, проходя путь

2CR=2D за время τ. Время это оценивается по углу поворота зеркала R, скорость вращения которого точно известна; угол же поворота определяется из измерения смещения зайчика, даваемого возвратившимся светом. Измерения проводятся при помощи окуляра E и полупрозрачной пластинки M; S1 – положение зайчика при неподвижном зеркале R, S11 – при вращении зеркала. Важной особенностью установки Фуко явилось применение в качестве зеркала C вогнутого сферического зеркала, с центром кривизны, лежащим на оси вращения R. Благодаря этому свет, отраженный от R к C, всегда попадал обратно на R; в случае же применения плоского зеркала C это происходило бы лишь при определении взаимной ориентации R, C, когда ось отраженного конуса лучей располагается нормально к C. Фуко выяснил, что световая скорость равна 298000 ± 500 км/сек.

Метод Майкельсона

Рисунок 4. Метод Майкельсона. В центре – вращающееся зеркало.

Уже в 1877 году, в бытность свою офицером ВМС США, Майкельсон начинает усовершенствовать метод измерения скорости света при помощи вращающегося зеркала, предложенного Леоном Фуко. Идеей Майкельсона было применить лучшую оптику и более длинную дистанцию. В 1878 году он произвёл первые измерения на довольно кустарной установке. Майкельсон опубликовал свой результат 299 910±50 км/с в 1879 году. Он и далее усовершенствовал свой метод; он опубликовал в 1883 году значение 299 853±60 км/с .

Приближения геометрической оптики. Закон отражения света. Плоские зеркала.

Сферические зеркала.

Геометрическая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.

Геометрической оптикой называется предельный случай волновой оптики при стремлении длины волны к нулю. Это возможно, когда дифракционные эффекты пренебрежимо малы.

В геометрической оптике рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей – линий, вдоль которых распространяется световая энергия.
В оптически изотропной среде световые лучи ортогональны к волновым поверхностям и направлены в сторону внешних нормалей к этим поверхностям.
В оптически однородной среде лучи прямолинейны.
На границе раздела двух сред они подчиняются законам отражения и преломления.
Пучки световых лучей могут пересекаться, не интерферируя и распространяясь, после пересечения, независимо друг от друга.

Законы геометрической оптики.

В основе геометрической оптики лежат несколько простых эмпирических законов:

Закон прямолинейного распространения света
Закон независимого распространения лучей
Закон отражения света
Закон преломления света
Закон обратимости светового луча. Согласно нему луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.

Закон отражения света.

Отражение света – это явление, заключающееся в том, что при падении света из первой среды на границу раздела со второй средой взаимодействие света с веществом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую среду.

При отражении света распространение его происходит в одной и той же среде. Поэтому отыскание пути, на прохождение которого свет затрачивает минимальное время, вновь сводится к отысканию кратчайшего расстояния между двумя точками при условии соединения их двумя отрезками, концы которых находятся в некоторой точке на отражающей плоскости.

Можно представить себе различные возможные варианты распространения света из точки А в точку В при отражении от плоскости MN , например АС 1 В и АС 2 В. Для отыскания кратчайшего пути построим точку А", расположенную симметрично точке А относительно плоскости MN . Соединив точки С 1 и С 2 с точкой А", замечаем, что из равенства треугольников А"ОС 1 и АОС 1 , А"ОС 2 и АОС 2 следует равенство их сторон А"С 1 и АС 1 , А"С 2 и АС 2 . Поэтому задачу отыскания кратчайшего оптического пути из точки А в точку В с условием отражения от плоскости MN можно заменить задачей нахождения кратчайшего пути из точки А" в точку В с пересечением плоскости MN . Очевидно, что из точки А" в точку В кратчайшим является путь по прямой А"СВ. Из равенства треугольников А"СО и АСО следует равенство углов A " CO и ACO . Так как A " CO = BCN , то выполняется равенство A CO = BCN .

Восстановив перпендикуляр к плоскости MN в точке C падение луча и используя последнее равенство, получим, что угол падения луча ACK равен углу отражения KCB .

– падающий (1) и отраженный луч (3) лежат в одной плоскости с нормалью (N) к отражающей поверхности в точке падения

– угол падения равен углу отражения

Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет.

На границе раздела двух однородных сред лучи отражаются и преломляются (рис.1).

Отраженный (3) и преломленный (2) лучи находятся в одной плоскости с падающим лучом (1) и перпендикуляром к границе раздела двух сред (N).

Угол преломления можно найти по формуле , где и

показатели преломления первой и второй среды.

Плоские зеркала.

Простейшим оптическим устройством, способным создавать изображение предмета, является плоское зеркало . Изображение предмета, даваемое плоским зеркалом, формируется за счет лучей, отраженных от зеркальной поверхности. Это изображение является мнимым , так как оно образуется пересечением не самих отраженных лучей, а их продолжений в «зазеркалье».

Ход лучей при отражении от плоского зеркала. Точка S" является мнимым изображением точки S.

Вследствие закона отражения света мнимое изображение предмета располагается симметрично относительно зеркальной поверхности. Размер изображения равен размеру самого предмета.

Сферические зеркала.

Сферическим зеркалом называют зеркально отражающую поверхность, имеющую форму сферического сегмента. Центр сферы, из которой вырезан сегмент, называют оптическим центром зеркала . Вершину сферического сегмента называют полюсом . Прямая, проходящая через оптический центр и полюс зеркала, называется главной оптической осью сферического зеркала. Главная оптическая ось выделена из всех других прямых, проходящих через оптический центр, только тем, что она является осью симметрии зеркала.

Побочная оптическая ось линзы - прямая, проходящая через оптический центр линзы и несовпадающая с главной оптической осью линзы.

Фо кус в оптике, точка, в которой после прохождения оптической системы параллельным пучком лучей пересекаются лучи пучка (или их мысленные продолжения, если система превращает параллельный пучок в расходящийся). Если лучи проходят параллельно оптической оси системы, Ф. находится на этой оси; его называется главным Ф. В идеальной оптической системе все Ф. расположены на плоскости, перпендикулярной оси системы и называемой фокальной плоскостью. В реальной системе Ф. располагаются на некоторой поверхности называемой фокальной поверхностью.

Выпуклые зеркала.

Сферическое зеркало называется выпуклым, если отражение происходит от внешней поверхности сферического сегмента, т. е. если центр зеркала находится к наблюдателю ближе, чем края зеркала.

Главный фокус выпуклого зеркала является мнимым, прямым и уменьшенным. Если на выпуклое зеркало падает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после отражения в фокусе пересекутся не сами лучи, а их продолжения.

Отражение параллельного пучка лучей от выпуклого зеркала. СF – мнимый фокус зеркала, O – оптический центр; OС – главная оптическая ось.

Фокусное расстояние выпуклого зеркала: , где R – радиус кривизны зеркала.

Вогнутые зеркала.

Если на вогнутое сферическое зеркало падает пучок лучей, параллельный главной оптической оси, то после отражения от зеркала лучи пересекутся в точке, которая называется главным фокусом зеркала F. Расстояние от фокуса до полюса зеркала называют фокусным расстоянием и обозначают той же буквой F. У вогнутого сферического зеркала главный фокус действительный. Он расположен посередине между центром и полюсом зеркала.

Отражение параллельного пучка лучей от вогнутого сферического зеркала. Точки O – оптический центр, P – полюс, F – главный фокус зеркала; OP – главная оптическая ось, R – радиус кривизны зеркала.

Отраженные лучи пересекаются приблизительно в одной точке только в том случае, если падающий параллельный пучок был достаточно узким - параксиальный пучок .

Фокусное расстояние вогнутого зеркала: , где R – радиус кривизны зеркала.

Построение изображения в сферическом зеркале.

Для построения изображения точки в сферическом зеркале в параксиальных лучах можно выбрать любые два луча из трех стандартных:

а) луч, проходящий через центр сферической поверхности зеркала, который после отражения от зеркала опять проходит через центр;

б) луч, падающий на зеркало параллельно оптической оси

и после отражения проходящий через фокус зеркала;

в) луч, проходящий через фокус зеркала и после отражения идущий параллельно оптической оси.

Выпуклое зеркало:

Воспользовавшись этими лучами, построим изображения в некоторых частных случаях. В выпуклом зеркале изображение мнимое, прямое, уменьшенное при любом положении предмета (рис. 4.11).

Положение изображения и его размер можно также определить с помощью формулы сферического зеркала :

Где d - расстояние от предмета до зеркала, f – расстояние от зеркала до изображения. Величины d и f подчиняются определенному правилу знаков:
d > 0 и f > 0 – для действительных предметов и изображений;
d
В рис. 4.11 F 0, - изображение мнимое. Линейное увеличение сферического зеркала Γ определяется как отношение линейных размеров изображения h" и предмета h. Величине h" удобно приписывать определенный знак в зависимости от того, является изображение прямым (h" > 0) или перевернутым (h"

В рис. 4.11 – изображение прямое, уменьшенное в 4 раза.

Вогнутое зеркало:

Изображение какой-либо точки A предмета в сферическом зеркале можно построить с помощью любой пары стандартных лучей:

луч AOC, проходящий через оптический центр зеркала; отраженный луч COA идет по той же прямой;
луч AFD, идущий через фокус зеркала; отраженный луч идет параллельно главной оптической оси;
луч AP, падающий на зеркало в его полюсе; отраженный луч симметричен с падающим относительно главной оптической оси.
луч AE, параллельный главной оптической оси; отраженный луч EFA1 проходит через фокус зеркала.

А) За оптическим центром

Построение изображения в вогнутом сферическом зеркале.

Перечисленные выше стандартные лучи изображены для случая вогнутого зеркала. Все эти лучи проходят через точку A", которая является изображением точки A. Все остальные отраженные лучи также проходят через точку A". Ход лучей, при котором все лучи, вышедшие из одной точки, собираются в другой точке, называется стигматическим . Отрезок A"B" является изображением предмета AB. Аналогичны построения для случая выпуклого зеркала.

F > 0 (зеркало вогнутое); d = 3F > 0 (действительный предмет). По формуле сферического зеркала получаем: следовательно, изображение действительное. Если бы на месте вогнутого зеркала стояло выпуклое зеркало с тем же по модулю фокусным расстоянием, мы получили бы следующий результат:

– следовательно, изображение перевернутое, уменьшенное в 2 раза.

Изображение Действительно, перевёрнутое, уменьшенное.

Б) Между оптическим центром и фокусом

OD – главная оптическая ось, F – главный фокус. Проводим из точки A в точку C луч, параллельный главной оптической оси OD. Затем соединяем точки C и F. Из точки A в точку D проводим ещё один луч. . Получили точку A`. Это изображении точки A.

Изображение является увеличенным, перевёрнутым, действительным.

В) В фокусе

FD – главная оптическая ось. Проводим из точки A в точку C луч, параллельный главной оптической оси FD. Затем соединяем точки C и F. Из точки A в точку D проводим ещё один луч. Как видим прямая CF параллельна прямой DK.

Изображение не получится.

Г) Между зеркалом и фокусом

Полученное изображение является увеличенным, прямым и мнимым.

Закон преломления света

При переходе света из одной прозрачной среды в другую направление света может меняться. Изменение направления света на границе разных сред называется преломлением света .

Закон преломления света:
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.

Вывод закона:

Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Обозначим скорость волны в первой среде через u 1 , а во второй - через u 2 .

Пусть на плоскую границу раздела двух сред (например, из воздуха в воду) падает плоская световая волна (рисунок ниже).

Волновая поверхность АС перпендикулярна лучам А 1 А и В 1 В . Поверхности MN сначала достигнет луч А 1 А. Луч В 1 В достигнет поверхности спустя время

Поэтому в момент, когда вторичная волна в точке В только начнет возбуждаться, волна от точки А уже имеет вид полусферы радиусом AD=u 2 ∆t .

Волновую поверхность преломленной волны можно получить, проведя прямую, касательную ко всем вторичным волнам во второй среде, центры которых лежат на границе раздела сред. В данном случае это прямая BD.

Угол падения α луча равен углу CAB в треугольнике AВС. Следовательно, CB=u 1 ∆t=AB sinα. (1)

Угол преломления β равен углу ABD треугольника ABD. Поэтому

AD=u 2 ∆t=AB sinβ. (2)

Разделив (1) на (2), получим

Показатель преломления

Показатель преломления вещества – величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде.

Показатель преломления зависит от свойств вещества и длины волны излучения.

Его можно выразить как корень из произведения магнитной и диэлектрических проницаемостей среды.

Относительный показатель преломления – показатель отношения второй среды относительно первой.

Относительный показатель преломления равен обратному отношению скоростей света в двух средах

При переходе из менее оптически плотной среды в более плотную

угол преломления будет меньше угла падения, при переходе из более оптически плотной среды в менее плотную

угол преломления будет больше угла падения

Полное внутреннее отражение – явление, наблюдаемое при переходе луча в менее плотную среду. При падении под определенным углом свет не выйдет за границу раздела двух сред, а пойдет вдоль нее.

Предельный угол полного отражения находится по формуле

Ход лучей света в плоскопараллельной пластине

Луч света, проходя через пластину, смещается параллельно своему первоначальному направлению.

При рассматривании предметов через плоскопараллельную пластину они будут казаться смещенными.

R – смещение луча

Ход лучей света через трехгранную призму

Проходя через трехгранную призму в воздухе, луч света отклоняется к основанию.

Угол отклонения луча от первоначального направления зависит от преломляющего угла призмы, показателя преломления материала призмы и угла падения:

Линзы. Тонкая сферическая линза. Формула тонкой линзы.

Оптическая линза - прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями. В некоторых случаях одна поверхность линзы может быть плоской.

Оптическая линза является основным элементом, оптических систем, осуществляющим собирание или рассеивание пучков излучения. Линзы изготавливаются из материалов, прозрачных для определенных диапазонов длин волн.

Оптические характеристики линзы определяются кривизной ее поверхностей и материалом, из которого она изготовлена.

Различают рассеивающие и собирающие оптические линзы.

Виды линз:
Собирающие :
1 - вогнуто-выпуклая (положительный(выпуклый) мениск)
2 - плоско-выпуклая
3 - двояковыпуклая
Рассеивающие :
4 - выпукло-вогнутая (отрицательный(вогнутый) мениск)
5 - плоско-вогнутая
6 - двояковогнутая

Линзу, у которой толщина пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны поверхностей, ограничивающих линзу, называют тонкой . Точки О 1 и О 2 настолько близки, что путь луча внутри линзы бесконечно мал и пространственного смещения луча не происходит. Поэтому можно считать, что лучи испытывают не два преломления, а одно - на плоскости, проходящей через среднюю точку О .

Основные понятия, используемые для описания хода людей через призму:

Главная оптическая ось линзы

Главная оптическая ось линзы - прямая, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Каждая двояковыпуклая сферическая линза имеет одну главную оптическую ось.

Оптический центр линзы

Оптический центр линзы - центральная точка О , через которую лучи походят, не изменяя направление.

Фокус линзы

Фокус линзы (F ) - точка на главной оптической оси, в которой пересекаются после преломления лучи (или их продолжения), падающие на линзу параллельно главной оптической оси. У любой линзы - два фокуса.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние F - расстояние от оптического центра (точка О ) до фокуса. У собирающей линзы F > 0, у рассеивающей - F

Фокальная плоскость

Фокальная плоскость - плоскость, проходящая через главный фокус линзы перпендикулярно оптической оси АА" .

Оптическая сила линзы

Оптическая сила линзы D - величина, обратная фокусному расстоянию: D =1/F
У собирающей линзы D > 0, у рассеивающей D

Основное свойство линз – способность давать изображения предметов . Изображения бывают прямыми и перевернутыми ,действительными и мнимыми , увеличенными и уменьшенными .

Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей.

1.Построение изображения в собирающей линзе

2. Построение изображения в рассеивающей линзе

Формула тонкой линзы

Положение изображения и его характер (действительное или мнимое) можно также рассчитать с помощью формулы тонкой линзы .

На рисунке построено изображение А"В" предмета АВ , даваемое собирающей линзой. Из подобия треугольников АОВ и ОА"В" , ОСF 2 и F 2 А"В" следует, что

Отсюда получаем выражение, которое называется формулой тонкой линзы

Размер изображения, создаваемого линзой, зависит от положения предмета относительно линзы.

Отношение размера изображения к размеру предмета называется линейным увеличением линзы:

Из рисунка следует, что

Во многих оптических приборах свет последовательно проходит через две или несколько линз. Изображение предмета, даваемое первой линзой, служит предметом (действительным или мнимым) для второй линзы, которая строит второе изображение предмета. Это второе изображение также может быть действительным или мнимым. Расчет оптической системы из двух тонких линз сводится к двукратному применению формулы линзы, при этом расстояние d 2 от первого изображения до второй линзы следует положить равным величине l – f 1 , где l – расстояние между линзами. Рассчитанная по формуле линзы величина f 2 определяет положение второго изображения и его характер (f 2 > 0– действительное изображение, f 2

– мнимое). Общее линейное увеличение Γ системы из двух линз равно произведению линейных увеличений обеих линз: Γ = Γ 1 · Γ 2 . Если предмет или его изображение находятся в бесконечности, то линейное увеличение утрачивает смысл.

Частным случаем является телескопический ход лучей в системе из двух линз, когда и предмет, и второе изображение находятся на бесконечно больших расстояниях. Телескопический ход лучей реализуется в зрительных трубах – астрономической трубе Кеплера и земной трубе Галилея

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Лабораторные методы определения скорости света представляют собой, по существу, усовершенствования метода Галилея.

а) Метод прерываний.

Физо (1849 г.) выполнил впервые определение скорости света в лабораторных условиях. Характерной особенностью его метода является автоматическая регистрация моментов пуска и возвращения сигнала, осуществляемая путём регулярного прерывания светового потока (зубчатое колесо). Схема опыта Физо изображена на рис. 9.3. Свет от источника S идёт между зубьями вращающегося колеса W к зеркалу М и, отразившись обратно, должен вновь пройти между зубьями к наблюдателю. Для удобства окуляр Е , служащий для наблюдения, помещается против а , а свет поворачивается от S к W при помощи полупрозрачного зеркала N . Если колесо вращается, и притом с такой угловой скорость, что за время движения света от а к М и обратно на месте зубьев окажутся прорези, и наоборот, то вернувшийся свет не будет пропущен к окуляру и наблюдатель не увидит света (первое затмение). При возрастании угловой скорости свет частично дойдёт до наблюдателя. Если ширина зубьев и просветов одинакова, то при двойной скорости будет максимум света, при тройной – второе затмение и т.д. Зная расстояние аМ =D , число зубьев z , угловую скорость вращения (число оборотов в секунду) n , можно вычислить скорость света.

Рис. 9.3. Схема опыта метода прерываний.

Или с =2Dzn.

Главная трудность определения лежит в точном установлении момента затмения. Точность повышается при увеличении расстояния D и при скоростях прерываний, позволяющих наблюдать затмения высших порядков. Так, Перротен вёл свои наблюдения при D =46 км и наблюдал затмение 32-го порядка. При этих условиях требуются светосильные установки, чистый воздух (наблюдения в горах), хорошая оптика, сильный источник света.

В последнее время вместо вращающегося колеса с успехом применяют другие, более совершенные методы прерывания света.

б) Метод вращающегося зеркала.

Фуко (1862 г.) успешно осуществил второй метод, принцип которого ещё раньше (1838 г.) был предложен Араго с целью сравнения скорости света в воздухе со скоростью света в других средах (вода). Метод основан на очень тщательных измерениях малых промежутков времени при помощи вращающегося зеркала. Схема опыта ясна из рис. 9.4. Свет от источника S направляется при помощи объектива L на вращающееся зеркало R , отражается от него в направлении второго зеркала С и идёт обратно, проходя путь 2CR =2D за время t . Время это оценивается по углу поворота зеркала R , скорость вращения которого точно известна; угол же поворота определяется из измерения смещения зайчика, даваемого возвратившимся светом. Измерения производятся при помощи окуляра Е и полупрозрачной пластинки М , играющей ту же роль, что и в предыдущем методе; S 1 – положение зайчика при неподвижном зеркале R , S" 1 – при вращении зеркала. Важной особенность установки Фуко явилось применение в качестве зеркала С вогнутого сферического зеркала, с центром кривизны, лежащим на оси вращения R . Благодаря этому свет, отражённый от R к С , всегда попадал обратно на R ; в случае же применения плоского зеркала С это происходило бы лишь при определённой взаимной ориентации R и С , когда ось отражённого конуса лучей располагается нормально к С .

Фуко в соответствии с первоначальным замыслом Араго осуществил при помощи своего прибора также и определение скорости света в воде, ибо ему удалось уменьшить расстояние RС до 4 м, сообщив зеркалу 800 оборотов в секунду. Измерения Фуко показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, в соответствии с представлениями волновой теории света.

Последняя (1926 г.) установка Майкельсона была выполнена между двумя горными вершинами, так что в результате получено расстояние D » 35,4 км (точнее, 35 373,21 м). Зеркалом служила восьмигранная стальная призма, вращающаяся со скоростью 528 об/с.

Время, за которое свет совершал полный путь, равнялось 0,00023 с, так что зеркало успевало повернуться на 1/8 оборота и свет падал на грань призмы. Таким образом, смещение зайчика было сравнительно незначительным, и определение его положения играло роль поправки, а не основной измеряемой величины, как в первых опытах Фуко, где всё смещение достигало лишь 0,7 мм.

Были произведены также весьма точные измерения скорости распространения радиоволн. При этом были использованы радиогеодезические измерения, т.е. определение расстояния, между двумя пунктами с помощью радиосигналов параллельно с точными триангуляционными измерениями. Лучшая полученная таким методом величина, приведённая к вакууму, с=299 792±2,4 км/с. Наконец, скорость радиоволн была определена по методу стоячих волн, образованных в цилиндрическом резонаторе. Теория позволяет связать данные о размерах резонатора и резонансной частоте его со скоростью волн. Опыты делались с эвакуированным резонатором, так что приведения к вакууму не требовалось. Лучшее значение, полученное по этому методу, с=299 792,5 ± 3,4 км/с.

в) Фазовая и групповая скорости света.

Лабораторные методы определения скорости света, позволяющие производить эти измерения на коротком базисе, дают возможность определять скорость света в различных средах и, следовательно, проверять соотношения теории преломления света. Как уже неоднократно упоминалось, показатель преломления света в теории Ньютона равен n =sini /sinr =υ 2 /υ 1 , а в волновой теории n =sini /sinr =υ 1 /υ 2 , где υ 1 – скорость света в первой среде, а υ 2 – скорость света во второй среде. Ещё Араго видел в этом различии возможность experimentum crucis и предложил идею опыта, который был выполнен позднее Фуко, нашедшим для отношения скоростей света в воздухе и воде значение, близкое к , как следует по теории Гюйгенса, а не , как вытекает из теории Ньютона.

Обычное определение показателя преломления n =sini /sinr =υ 1 /υ 2 из изменения направления волновой нормали на границе двух сред даёт отношение фазовых скоростей волны в этих двух средах. Однако понятие фазовой скорости применимо только к строго монохроматическим волнам, которые реально не осуществимы, так как они должны были бы существовать неограниченно долго во времени и выть бесконечно протяжёнными в пространстве.

В действительности мы всегда имеем более или менее сложный импульс, ограниченный во времени и пространстве. При наблюдении такого импульса мы можем выделять какое-нибудь определённое его место, например, место максимальной протяжённости того электрического или магнитного поля, которое представляет собой электромагнитный импульс. Скорость импульса можно отождествить со скоростью распространения какой-либо точки, например, точки максимальной напряжённости поля.

Однако среда (за исключением вакуума) обычно характеризуется дисперсией, т.е. монохроматические волны распространяются с различными фазовыми скоростями, зависящими от их длины, и импульс начинает деформироваться. В таком случае вопрос о скорости импульса становится более сложным. Если дисперсия не очень велика, то деформация импульса происходит медленно и мы можем следить за перемещением определённой амплитуды поля в волновом импульсе, например, максимальной амплитуды поля. Однако скорость перемещения импульса, названная Рэлеем групповой скоростью , будет отличаться от фазовой скорости любой из составляющих его монохроматических волн.

Для простоты вычислений мы будем представлять себе импульс как совокупность двух близких по частоте синусоид одинаковой амплитуды, а не как совокупность бесконечного числа близких синусоид. При этом упрощении основные черты явления сохраняются. Итак, наш импульс, или, как принято говорить, группа волн, составлен из двух волн.

где амплитуды приняты равными, а частоты и длины волн мало отличаются друг от друга, т.е.

где и – малые величины. Импульс (группа волн) у есть сумма у 1 и у 2 , т.е.

Вводя обозначения , представим наш импульс в виде , где А не постоянно, но меняется во времени и пространстве, однако меняется медленно, ибо δω и δk – малые (по сравнению с ω 0 и κ 0) величины. Поэтому, допуская известную небрежность речи, мы можем считать наш импульс синусоидой с медленно изменяющейся амплитудой.

Таким образом, скорость импульса (группы), которую, согласно Рэлею, называют групповой скоростью , есть скорость перемещения амплитуды , а, следовательно, и энергии , переносимой движущимся импульсом.

Итак, монохроматическая волна характеризуется фазовой скоростью υ=ω /κ , означающей скорость перемещения фазы , а импульс характеризуется групповой скорость u=dω /dκ , соответствующей скорости распространения энергии поля этого импульса.

Нетрудно найти связь между u и υ . В самом деле,

или, так как и, следовательно, ,

т.е. окончательно

(формула Рэлея).

Различие между u и υ тем значительнее, чем больше дисперсия dυ /dλ . В отсутствие дисперсии (dυ /dλ =0) имеем u=υ . Этот случай, как уже сказано, имеет место лишь для вакуума.

Рэлей показал, что в известных методах определения скорости света мы, по самой сущности методики, имеем дело не с непрерывно длящейся волной, а разбиваем её на малые отрезки. Зубчатое колесо и другие прерыватели в методе прерываний дают ослабляющееся и нарастающее световое возбуждение, т.е. группу волн. Аналогично происходит дело и в методе Рёмера, где свет прерывается периодическими затемнениями. В методе вращающегося зеркала свет также перестаёт достигать наблюдателя при достаточном повороте зеркала. Во всех этих случаях мы в диспергирующей среде измеряем групповую скорость, а не фазовую.

Рэлей полагал, что в методе аберрации света мы измеряем непосредственную фазовую скорость, ибо там свет не прерывается искусственно. Однако Эренфест (1910 г.) показал, что наблюдение аберрации света в принципе неотличимо от метода Физо, т.е. тоже даёт групповую скорость. Действительно, аберрационный опыт можно свести к следующему. На общей оси жёстко закреплены два диска с отверстиями. Свет посылается по линии, соединяющей эти отверстия, и достигает наблюдателя. Приведём весь аппарат в быстрое вращение. Так как скорость света конечна, то свет не будет проходить через второе отверстие. Чтобы пропустить свет, необходимо повернуть один диск относительно другого на угол, определяемый отношением скоростей дисков и света. Это – типичный аберрационный опыт; однако он ничем не отличается от опыта Физо, в котором вместо двух вращающихся дисков с отверстиями фигурирует один диск и зеркало для поворота лучей, т.е. по существу два диска: реальный и его отражение в неподвижном зеркале. Итак, метод аберрации даёт то же, что и метод прерываний, т.е. групповую скорость.

Таким образом, в опытах Майкельсона и с водой, и с сероуглеродом измерялось отношение групповых, а не фазовых скоростей.

Впервые скорость света была определена датским астрономом Ремером в 1676 г. До этого времени среди ученых существовало два противоположных мнения. Одни полагали, что скорость света бесконечно велика. Другие же хотя и считали ее очень большой, тем не менее конечной. Ремер подтвердил второе мнение. Он правильно связал нерегулярности во времени затмений спутников Юпитера со временем, которое необходимо свету для прохождения по диаметру орбиты Земли вокруг Солнца. Он впервые сделал вывод о конечной скорости распространения света и определил ее величину. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300870 км/с в современных единицах. (Данные взяты из книги: Г. Липсон. Великие эксперименты в физике.)

Фуко метод

Метод измерения скорости света, заключающийся в последовательном отражении пучка света от быстро вращающегося зеркала, затем от второго неподвижного зеркала, расположенного на точно измеренном расстоянии, и затем вновь от первого зеркала, успевшего повернуться на некоторый малый угол. Скорость света определяют (при известных скорости вращения первого зеркала и расстоянии между двумя зеркалами) по изменению направления трижды отражённого светового луча. Используя этот метод, скорость света в воздухе впервые измерил Ж. Б. Л. Фуко в 1862.

В 1878–82 и 1924–26 провёл измерения скорости света, долгое время остававшиеся непревзойдёнными по точности. В 1881 экспериментально доказал и совместно с Э. У. Морли (1885–87) подтвердил с большой точностью независимость скорости света от скорости движения Земли.

На том же принципе основано и действие Угловых отражателей оптического диапазона, который представляет собой небольшую трёхгранную призму из прозрачного стекла, грани которой покрыты тонким слоем металла. Такой У. о. обладает высоким Sэф из-за большого отношения а/l. Для получения всенаправленного У. о. используют систему нескольких призм. Оптические У. о. получили распространение после появления лазеров. Они используются в навигации, для измерения расстояний и скорости света в атмосфере, в экспериментах с Луной и др. Оптические У. о. в виде цветного стекла со многими углублениями тетраэдрической формы применяются как средство сигнализации в автодорожном хозяйстве и в быту.

Знаменитый американский ученый Альберт Майкельсон почти всю жизнь посвятил измерению скорости света.

Однажды ученый осматривал предполагаемый путь светового луча вдоль полотна железной дороги. Он хотел построить еще более совершенную установку для еще более точного метода измерения скорости света. До этого он уже работал над этой проблемой несколько лет и добился самых точных для того времени значений. Поведением ученого заинтересовались газетные репортеры и, недоумевая, спросили, что он тут делает. Майкельсон объяснил, что он измеряет скорость света.

– А зачем? – последовал вопрос.

– Потому что это дьявольски интересно, – ответил Майкельсон.

И никто не мог предполагать, что эксперименты Майкельсона станут фундаментом, на котором будет построено величественное здание теории относительности, дающей совершенно новое представление о физической картине мира.

Пятьдесят лет спустя Майкельсон все еще продолжал свои измерения скорости света.

Kaк-то раз великий Эйнштейн задал ему такой же вопрос:

– Потому что это дьявольски интересно! – спустя полвека ответил Майкельсон и Эйнштейну.

Метод Физо

В 1849 г. А. Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света. Свет от источника 5 проходил через прерыватель К (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала 3, возвращался опять к зубчатому колесу. Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно t=2L/c окажется равным времени поворота зубчатого колеса на половину прорези t2=T/(2N)=1/(2Nv). Здесь L – расстояние от зубчатого колеса до зеркала; Т – период вращения зубчатого-колеса; N – число зубцов; v=1/T – частота вращения. Из равенства t1=t2 следует расчетная формула для определения скорости света данным методом:

c=4LNv

Используя метод вращающегося затвора, Физо в 1849 г. получил значение скорости света с=3,13-10**5 км/с, что было совсем неплохо по тем временам. В дальнейшем использование различных затворов позволило существенно уточнить значение ско- рости света. Так, в 1950 г. получено значение скорости света (в вакууме), равное:

с= (299 793,1 ±0,25) км/с.

Остроумное решение сложной задачи определения скорости света было найдено в 1676 г. датским астрономом Олафом Ремером.

Олаф Ремер, наблюдая движение спутников Юпитера, заметил, что во время затмения спутник выходит из области тени периодически запаздывая. Ремер объяснил это тем, что к моменту очередного наблюдения Земля находится в иной точке своей орбиты, чем в предыдущий раз, и, следовательно, расстояние между ней и Юпитером иное. Максимальная величина, на которую возрастает это расстояние, равняется диаметру земной орбиты. И именно тогда, когда Земля больше всего удалена от Юпитера, спутник выходит из тени с наибольшим запаздыванием.

Сопоставив эти данные, Ремер пришел к выводу, что свет от спутника проходит расстояние, равное диаметру земной орбиты – 299 106 тыс. км в 1320 сек. Такой вывод не только убеждает в том, что скорость распространения света не может быть мгновенной, но и позволяет определить величину скорости; для этого надо разделить величину диаметра орбиты Земли на время запаздывания спутника.

По вычислениям Ремера, скорость распространения света оказалась равной 215 тыс. км / сек.

Последующие, более совершенные методы наблюдения за временем запаздывания спутников Юпитера позволили уточнить эту величину. Скорость распространения света, по современным данным, равна 299 998,9 км/сек. Для практических расчетов принимают скорость света в вакууме равной 300 тыс. км/сек. Огромная величина скорости света ошеломила не только современников Ремера, но и послужила поводом для отрицания корпускулярной теории света.

Если свет представляет собой поток корпускул, то при такой скорости движения энергии их должна быть очень велика. Удары корпускул при падении на тела должны быть ощутимы, т. е. Свет должен оказывать давление!

Следующим после Ремера скорость света измерял Джеймс Брадлей.

Переезжая однажды через р.Темзу, Брадлей обратил внимание на то, что во время движения лодки ветер дул как будто по другому направлению, чем это было на самом деле. Это наблюдение, вероятно, и дало ему основание объяснить аналогичным явлением кажущееся движение неподвижных звезд, называемое аберрацией света.

Свет звезды достигает Земли подобно тому, как капли отвесно падающего дождя падают на окна движущегося вагона. Движение луча света и движение Земли складываются.

Следовательно, чтобы свет от звезды, расположенной перпендикулярно к плоскости движения Земли, попадал в телескоп, его необходимо наклонить на некоторый угол, который зависит не от расстояния до звезды, а только, от скорости света и скорости движения Земли (она была уже в то время известна – 30 км / сек).

Измерив угол, Брадлей нашел, что скорость света равна 308 тыс. км/сек. Измерения Брадлея, как и Ремера, не разрешали спорного вопроса о значении постоянной в законе преломления, так как Брадлей и Ремер определяли скорость сета не в какой-либо среде, а в космическом пространстве.

Идею нового метода измерения скорости света предложил Д. Араго. Осуществили ее двумя различными способами И. Физо и Л. Фуко.

Физо в 1849 г. тщательно измерил расстояние между двумя пунктами. В доном из них он поместил источник света, а в другом – зеркало, от которого свет должен отразиться и вновь вернуться к источнику.

Для того чтобы определить скорость распространения света, надо было очень точно измерить промежуток времени, который необходим свету для прохождения удвоенного пути от источника до зеркала.

Расстояние от источника, находящегося в предместье Парижа Сюрене, до зеркала, установленного на Монмартре, составляло 8633 м. Значит, удвоенное расстояние было 17 266 м. Время, в течении которого свет пройдет это расстояние, если воспользоваться результатами измерения скорости Ремера, будет не более шести стотысячных долей секунды.

Средств для измерения столь малых промежутков времени тогда не было.

Значит, эти измерения следовало исключить из опыта.

В Сюрене была установлена зрительная труба, направленная на Париж. Сбоку через другую трубку поступал свет от источника. От поверхности прозрачной стеклянной пластинки, расположенной в трубке под углом в 45 , свет частично отражался по направлению к Парижу.

В Париже на Монмартре была установлена другая зрительная труба, в которую попадал свет, отраженный прозрачной пластинкой.

Глядя в окуляр, можно было видеть источник света, расположенный за боковой трубкой. Окуляр трубы, установленной на Монмартре, был заменен зеркалом, благодаря чему свет возвращался в Сюрен.

Отраженный зеркалом на Монмартре свет, встречая на обратном пути внутри трубы прозрачную стеклянную пластинку, частично отражался от ее поверхности, а сект, прошедший через пластинку и окуляр трубы, попадал в глаз наблюдателя.

Зрительная труба в Сюрене, кроме боковой трубки, через которую поступал свет, имела прорезь в том месте, где располагался фокус объектива и окуляра. Сквозь прорезь проходило зубчатое колесо, которое приводилось в движение часовым механизмом. Когда колесо было неподвижно и установлено так, что свет проходил между зубцами, то в окуляре трубы был виден свет, отраженный от зеркала на Монмартре.

Когда колесо было приведено в движение, свет исчез. Произошло это в тот момент, когда свет, прошедши между зубцами колеса по направлению к Парижу, встретил на обратном пути зубец, а не промежуток между зубцами.

Для того чтобы свет в окуляре появился вновь, необходимо было удвоить число оборотов колеса.

При дальнейшем увеличении числа оборотов свет вновь исчез.

В опытах Физо зубчатое колесо имело 720 зубцов. Первое исчезновение сета наблюдалось, когда колесо совершало 12,67 оборота в секунду.

Один оборот оно делало за время, равное 1/12,67 сек. При этом промежуток между зубцами сменялся зубцом. Если зубцов 720, то промежутков тоже 720. Следовательно, смена происходит за время, равное 1/12,67*2*720 = 1/18245 сек.

За это время свет проходил удвоенное расстояние от Сюрена до Монмартра.

Следовательно, его скорость была равной 315 тыс. км/сек.

Таким остроумным методом удалось избежать измерений малых промежутков времени и все же определить скорость света.

Сравнительно большое расстояние между источником света и зеркалом не позволяло на пути света поместить какую-либо среду. Физо определял скорость света в воздухе.

Скорость света в других средах была определена Фуко в 1862 г. В опытах Фуко расстояние от источника до зеркала было всего в несколько метров. Это позволило поместить на пути света трубку, заполненную водой.

Фуко установил, что скорость распространения света в различных средах меньше, чем в воздухе. В воде, например, она составляет величину, равную скорости света в воздухе. Полученные результаты разрешили двухвековой спор между корпускулярной и волновой теориями о величине постоянной в законе преломления. Правильное значение в законе преломления дает волновая теория света.

Измерения скорости распространения света в различных средах позволили ввести понятие оптической плотности вещества.

Список использованной литературы

Имитационное моделирование. – [Электронный ресурс] – Режим доступа: webcache.googleusercontent.com – Дата доступа: апрель 2014 года. – Загл. с экрана.