كيف تم قياس سرعة الضوء وما قيمتها الحقيقية؟ متى تم قياس سرعة الضوء لأول مرة؟ من هو العالم الذي تمكن من قياس سرعة الضوء؟
على الرغم من أننا في الحياة العادية لا نحتاج إلى حساب سرعة الضوء، إلا أن الكثيرين اهتموا بهذه الكمية منذ الطفولة.
عند مشاهدة البرق أثناء عاصفة رعدية، ربما حاول كل طفل أن يفهم سبب التأخير بين وميضه وقصف الرعد. من الواضح أن الضوء والصوت لهما سرعات مختلفة. لماذا يحدث هذا؟ ما هي سرعة الضوء وكيف يمكن قياسها؟
في العلم، سرعة الضوء هي السرعة التي تتحرك بها الأشعة في الهواء أو الفراغ. الضوء هو الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي تراه العين البشرية. وهو قادر على التحرك في أي بيئة، مما يؤثر بشكل مباشر على سرعته.
وقد جرت محاولات لقياس هذه الكمية منذ العصور القديمة. اعتقد العلماء في العصور القديمة أن سرعة الضوء كانت لا نهائية. تم التعبير عن نفس الرأي من قبل علماء الفيزياء في القرنين السادس عشر والسابع عشر، على الرغم من أن بعض الباحثين، مثل روبرت هوك وجاليليو جاليلي، افترضوا النهاية.
حدث تقدم كبير في دراسة سرعة الضوء بفضل عالم الفلك الدنماركي أولاف رومر، الذي كان أول من لفت الانتباه إلى تأخر خسوف قمر المشتري آيو مقارنة بالحسابات الأولية.
ثم حدد العالم قيمة السرعة التقريبية بـ 220 ألف متر في الثانية. تمكن عالم الفلك البريطاني جيمس برادلي من حساب هذه القيمة بشكل أكثر دقة، على الرغم من أنه كان مخطئا قليلا في حساباته. 
وفي وقت لاحق، تم إجراء محاولات لحساب السرعة الحقيقية للضوء من قبل علماء من مختلف البلدان. ومع ذلك، لم يتمكن الباحثون من إجراء حساب دقيق إلا في أوائل سبعينيات القرن العشرين، مع ظهور أجهزة الليزر والميزر ذات التردد الإشعاعي المستقر، وفي عام 1983 تم اعتبار القيمة الحديثة مع ارتباط الخطأ النسبي أساس.
ما هي سرعة الضوء في كلماتك الخاصة؟
بعبارات بسيطة، سرعة الضوء هي الوقت الذي يستغرقه شعاع الشمس ليقطع مسافة معينة. ومن المعتاد استخدام الثانية كوحدة للوقت، والمتر كوحدة للمسافة. من وجهة نظر الفيزياء، يعد الضوء ظاهرة فريدة لها سرعة ثابتة في بيئة معينة.
لنفترض أن شخصًا يركض بسرعة 25 كم/ساعة ويحاول اللحاق بسيارة تسير بسرعة 26 كم/ساعة. اتضح أن السيارة تتحرك بسرعة 1 كم/ساعة أسرع من العداء. مع الضوء كل شيء مختلف. وبغض النظر عن سرعة حركة السيارة والشخص، فإن الشعاع سيتحرك دائمًا بالنسبة لهما بسرعة ثابتة.
تعتمد سرعة الضوء إلى حد كبير على المادة التي تنتشر فيها الأشعة. في الفراغ تكون له قيمة ثابتة، ولكن في بيئة شفافة يمكن أن يكون له مؤشرات مختلفة.
في الهواء أو الماء تكون قيمته دائمًا أقل منها في الفراغ. على سبيل المثال، تبلغ سرعة الضوء في الأنهار والمحيطات حوالي ¾ من سرعتها في الفضاء، وفي الهواء عند ضغط جوي واحد تكون أقل بنسبة 2٪ عنها في الفراغ. 
وتفسر هذه الظاهرة بامتصاص الأشعة في الفضاء الشفاف وإعادة انبعاثها بواسطة الجسيمات المشحونة. يسمى التأثير الانكسار ويستخدم بنشاط في تصنيع التلسكوبات والمناظير وغيرها من المعدات البصرية.
إذا نظرنا إلى مواد محددة، فإن سرعة الضوء في الماء المقطر تبلغ 226 ألف كيلومتر في الثانية، وفي الزجاج البصري - حوالي 196 ألف كيلومتر في الثانية.
ما هي سرعة الضوء في الفراغ؟
في الفراغ، تبلغ سرعة الضوء في الثانية قيمة ثابتة تبلغ 299.792.458 مترًا، أي ما يزيد قليلاً عن 299 ألف كيلومتر. ومن وجهة النظر الحديثة، فهو النهاية. بمعنى آخر، لا يوجد جسيم ولا جسم سماوي قادر على الوصول إلى السرعة التي يتطور بها الضوء في الفضاء الخارجي.
وحتى لو افترضنا أن سوبرمان سيظهر ويطير بسرعة كبيرة، فإن الشعاع سيظل يهرب منه بسرعة أكبر.
على الرغم من أن سرعة الضوء هي الحد الأقصى الذي يمكن تحقيقه في الفضاء الفراغي، إلا أنه يعتقد أن هناك أجسام تتحرك بشكل أسرع.
على سبيل المثال، أشعة الشمس أو الظلال أو مراحل التذبذب في الأمواج قادرة على ذلك، ولكن مع تحذير واحد - حتى لو طورت سرعة فائقة، فسيتم نقل الطاقة والمعلومات في اتجاه لا يتطابق مع اتجاه حركتها. 
أما بالنسبة للوسط الشفاف، فهناك أجسام على الأرض قادرة تمامًا على التحرك بشكل أسرع من الضوء. على سبيل المثال، إذا كان الشعاع الذي يمر عبر الزجاج يبطئ سرعته، فإن الإلكترونات ليست محدودة في سرعة الحركة، لذلك عند المرور عبر الأسطح الزجاجية يمكنها التحرك بشكل أسرع من الضوء.
وتسمى هذه الظاهرة بتأثير فافيلوف-شيرينكوف، ويتم ملاحظتها غالبًا في المفاعلات النووية أو في أعماق المحيطات.
سرعة الضوء في الفراغ هي "بالضبط 299,792,458 مترًا في الثانية". اليوم يمكننا تسمية هذا الرقم بدقة لأن سرعة الضوء في الفراغ هي ثابت عالمي، وقد تم قياسها باستخدام الليزر.
عندما يتعلق الأمر باستخدام هذه الأداة في التجربة، فمن الصعب الجدال مع النتائج. أما لماذا تقاس سرعة الضوء بهذا العدد الصحيح، فليس من المستغرب: يتم تحديد طول المتر باستخدام الثابت التالي: “طول المسار الذي يقطعه الضوء في الفراغ في فترة زمنية قدرها 1”. /299,792,458 من الثانية."
منذ مائتي عام مضت، تقرر، أو على الأقل افترضنا، أن سرعة الضوء ليس لها حدود، في حين أنها في الواقع عالية جدًا. إذا كانت الإجابة تحدد ما إذا كانت ستصبح صديقة جاستن بيبر، فإن المراهق المعاصر سيجيب على هذا السؤال بـ: "سرعة الضوء أبطأ قليلاً من أسرع شيء في الكون".
وأول من تناول مسألة لانهاية سرعة الضوء هو الفيلسوف إمبيدوكليس في القرن الخامس قبل الميلاد. وبعد قرن آخر، اختلف أرسطو مع كلام إمبيدوكليس، واستمر الخلاف لأكثر من 2000 عام.
كان العالم الهولندي إسحاق باكمان أول عالم معروف يتوصل إلى تجربة حقيقية لاختبار ما إذا كان للضوء أي سرعة، وذلك في عام 1629. بعد أن عاش في قرن بعيد عن اختراع الليزر، أدرك باكمان أن أساس التجربة يجب أن يكون انفجارًا من أي أصل، لذلك استخدم في تجاربه البارود المتفجر.
وضع باكمان المرايا على مسافات مختلفة من الانفجار وسأل لاحقًا الأشخاص الذين كانوا يشاهدون ما إذا كانوا رأوا اختلافًا في إدراك وميض الضوء المنعكس في كل مرآة. كما قد تتخيل، كانت التجربة "غير حاسمة". ربما تم تنفيذ تجربة مماثلة وأكثر شهرة، ولكن دون استخدام الانفجار، أو على الأقل تم اختراعها بواسطة جاليليو جاليلي بعد عقد واحد فقط، في عام 1638. كان جاليليو، مثل باكمان، يشتبه في أن سرعة الضوء ليست لا نهائية، وأشار في بعض أعماله إلى استمرار التجربة، ولكن بمشاركة المصابيح الكهربائية. في تجربته (إذا فعل ذلك!) وضع مصباحين على مسافة ميل واحد وحاول معرفة ما إذا كان هناك تأخير. وكانت نتيجة التجربة أيضا غير حاسمة. الشيء الوحيد الذي يمكن أن يقترحه جاليليو هو أنه إذا لم يكن الضوء لا نهائيًا، فهو سريع جدًا، والتجارب التي يتم إجراؤها على هذا النطاق الصغير محكوم عليها بالفشل.
واستمر ذلك حتى بدأ عالم الفلك الدنماركي أولاف رومر بإجراء تجارب جادة على سرعة الضوء. بدت تجارب جاليليو على تلة الفانوس وكأنها مشروع علمي في المدرسة الثانوية مقارنة بتجارب رومر. وقرر أن التجربة يجب أن تتم في الفضاء الخارجي. وهكذا، ركز اهتمامه على مراقبة الكواكب وقدم وجهات نظره المبتكرة في 22 أغسطس 1676.
على وجه الخصوص، أثناء دراسة أحد أقمار المشتري، لاحظ رومر أن الوقت بين الخسوف يختلف على مدار العام (اعتمادًا على ما إذا كان المشتري يتحرك باتجاه الأرض أو بعيدًا عنها). مهتمًا بهذا، قام رومر بتدوين ملاحظات دقيقة حول الأوقات التي ظهر فيها القمر، آيو، الذي كان يراقبه، وقارن كيفية مقارنة تلك الأوقات بالأوقات التي كان من المتوقع فيها عادةً. بعد مرور بعض الوقت، لاحظ رومر أنه عندما أصبحت الأرض أبعد عن المشتري أثناء دورانها حول الشمس، فإن الوقت الذي ظهر فيه آيو سيكون متأخرًا أكثر عن الوقت المذكور سابقًا في السجلات. افترض رومر (بشكل صحيح) أن السبب في ذلك هو أن الضوء يستغرق وقتًا أطول ليقطع المسافة من الأرض إلى المشتري مع زيادة المسافة نفسها.
ولسوء الحظ، ضاعت حساباته في حريق كوبنهاغن عام 1728، ولكن لدينا قدر كبير من المعلومات حول اكتشافه من قصص معاصريه، وكذلك من تقارير العلماء الآخرين الذين استخدموا حسابات رومر في أعمالهم. وجوهرها هو أنه من خلال العديد من الحسابات المتعلقة بقطر الأرض ومدار المشتري، تمكن رومر من استنتاج أن الضوء سيستغرق حوالي 22 دقيقة ليقطع مسافة تساوي قطر مدار الأرض حول الشمس. قام كريستيان هويجنز لاحقًا بتحويل هذه الحسابات إلى أرقام أكثر قابلية للفهم، موضحًا أن رومر يقدر أن الضوء ينتقل بسرعة حوالي 220 ألف كيلومتر في الثانية. ولا يزال هذا الرقم مختلفا كثيرا عن البيانات الحديثة، لكننا سنعود إليها قريبا.
عندما أعرب زملاء رومر في الجامعة عن قلقهم بشأن نظريته، أخبرهم بهدوء أن كسوف 9 نوفمبر 1676 سيحدث بعد 10 دقائق. وعندما حدث ذلك اندهش المشككون، لأن الجرم السماوي أكد نظريته.
لقد اندهش زملاء رومر للغاية من حساباته، حيث إن تقديره لسرعة الضوء حتى اليوم يعتبر دقيقًا بشكل مدهش، مع الأخذ في الاعتبار أنه تم إجراؤه قبل 300 عام من اختراع الليزر والإنترنت. على الرغم من أن 80 ألف كيلومتر بطيئة للغاية، مع الأخذ في الاعتبار حالة العلم والتكنولوجيا في ذلك الوقت، فإن النتيجة مثيرة للإعجاب حقًا. علاوة على ذلك، اعتمد رومر فقط على تخميناته الخاصة.
والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن سبب السرعة المنخفضة جدًا لم يكن في حسابات رومر، ولكن في حقيقة أنه لم تكن هناك بيانات دقيقة عن مدارات الأرض والمشتري في الوقت الذي أجرى فيه حساباته. وهذا يعني أن العالم أخطأ فقط لأن العلماء الآخرين لم يكونوا أذكياء مثله. لذا، إذا قمت بوضع البيانات الحديثة الموجودة في الحسابات الأصلية التي أجراها، فإن حسابات سرعة الضوء صحيحة.
على الرغم من أن الحسابات كانت غير صحيحة من الناحية الفنية، ووجد جيمس برادلي تعريفًا أكثر دقة لسرعة الضوء في عام 1729، إلا أن رومر دخل التاريخ كأول شخص أثبت إمكانية تحديد سرعة الضوء. وقد فعل ذلك من خلال مراقبة حركة كرة غازية عملاقة تقع على مسافة حوالي 780 مليون كيلومتر من الأرض.
إرسال عملك الجيد في قاعدة المعرفة أمر بسيط. استخدم النموذج أدناه
سيكون الطلاب وطلاب الدراسات العليا والعلماء الشباب الذين يستخدمون قاعدة المعرفة في دراساتهم وعملهم ممتنين جدًا لك.
تم النشر على http://www.allbest.ru/
سرعة الضوء وطرق تحديدها
يخطط
مقدمة
1. الطرق الفلكية لقياس سرعة الضوء
1.1 طريقة رومر
1.2 طريقة انحراف الضوء
1.3 طريقة المقاطعة (طريقة فيزو)
1.4 طريقة المرآة الدوارة (طريقة فوكو)
1.5 طريقة ميشيلسون
مقدمة
تعتبر سرعة الضوء من أهم الثوابت الفيزيائية، والتي تسمى بالأساسية. ولهذا الثابت أهمية خاصة في كل من الفيزياء النظرية والتجريبية والعلوم ذات الصلة. ويشترط معرفة القيمة الدقيقة لسرعة الضوء في الموقع الراديوي والضوئي، وعند قياس المسافات من الأرض إلى الكواكب الأخرى، وفي التحكم بالأقمار الصناعية والمركبات الفضائية. يعد تحديد سرعة الضوء أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للبصريات، وخاصةً بصريات الوسائط المتحركة، والفيزياء بشكل عام. دعونا نتعرف على طرق تحديد سرعة الضوء.
1. الطرق الفلكية لقياس سرعة الضوء
1.1 طريقة رومر
اعتمدت القياسات الأولى لسرعة الضوء على الملاحظات الفلكية. تم الحصول على قيمة موثوقة لسرعة الضوء، قريبة من قيمتها الحديثة، لأول مرة من قبل رومر في عام 1676 أثناء مراقبة كسوف الأقمار الصناعية لكوكب المشتري.
يعتمد الوقت الذي تستغرقه الإشارة الضوئية للانتقال من جرم سماوي إلى الأرض على المسافة لموقع النجم. لوحظت ظاهرة تحدث على بعض الأجرام السماوية مع تأخير يساوي وقت مرور الضوء من النجم إلى الأرض:
أين مع- سرعة الضوء.
إذا لاحظنا أي عملية دورية تحدث في نظام بعيد عن الأرض، فمع وجود مسافة ثابتة بين الأرض والنظام، فإن وجود هذا التأخير لن يؤثر على فترة العملية المرصودة. وإذا تحركت الأرض خلال الفترة بعيداً عن النظام أو اقتربت منه، ففي الحالة الأولى سيتم تسجيل نهاية الفترة بتأخير أكبر من بدايتها، مما سيؤدي إلى زيادة ظاهرة في الفترة. وفي الحالة الثانية، على العكس من ذلك، يتم تسجيل نهاية المدة بتأخير أقل من بدايتها، مما يؤدي إلى نقصان واضح في المدة. وفي كلتا الحالتين فإن التغير الظاهري في الدورة يساوي نسبة فرق المسافات بين الأرض والنظام في بداية الدورة ونهايتها إلى سرعة الضوء.
تشكل الاعتبارات المذكورة أعلاه أساس طريقة رومر.
أجرى رومر عمليات رصد للقمر الصناعي آيو، الذي تبلغ دورته المدارية 42 ساعة و27 دقيقة و33 ثانية.
عندما تتحرك الأرض على طول جزء من مدارها ه 1 ه 2 ه 3 فهو يبتعد عن كوكب المشتري ويجب ملاحظة زيادة في الفترة. عند التحرك في جميع أنحاء المنطقة ه 3 ه 4 ه 1 ستكون الفترة المرصودة أقل من الفترة الحقيقية. وبما أن التغيير في فترة واحدة صغير (حوالي 15 ثانية)، يتم اكتشاف التأثير فقط من خلال عدد كبير من الملاحظات التي يتم إجراؤها على مدى فترة طويلة من الزمن. على سبيل المثال، إذا لاحظت الكسوف لمدة ستة أشهر، بدءًا من لحظة معارضة الأرض (النقطة ه 1 ) حتى لحظة "الاتصال" (النقطة ه 3 ) ، فإن الفاصل الزمني بين الخسوف الأول والأخير سيكون أطول بـ 1320 ثانية مما تم حسابه نظريًا. تم إجراء الحساب النظري لفترة الكسوف عند نقاط مدارية قريبة من المعارضة. حيث أن المسافة بين الأرض والمشتري لا تتغير عمليا مع مرور الوقت.
لا يمكن تفسير التناقض الناتج إلا من خلال حقيقة أنه في غضون ستة أشهر انتقلت الأرض من النقطة ه 1 بالضبط ه 3 والضوء في نهاية نصف السنة يجب أن يسلك مسارًا أكبر مما كان عليه في البداية بحجم القطعة ه 1 ه 3 ، يساوي قطر مدار الأرض. وهكذا فإن التأخيرات غير المحسوسة لفترة معينة تتراكم وتشكل التأخير الناتج. وكانت قيمة التأخير التي حددها رومر 22 دقيقة. وبأخذ قطر مدار الأرض يساوي كيلومترًا، يمكننا الحصول على قيمة لسرعة الضوء تبلغ 226 ألف كيلومتر في الثانية.
وتبين أن سرعة الضوء المحددة بناءً على قياسات رومر أقل من القيمة الحديثة. وفي وقت لاحق، تم إجراء ملاحظات أكثر دقة للكسوف، حيث تبين أن وقت التأخير هو 16.5 دقيقة، وهو ما يتوافق مع سرعة الضوء 301000 كم/ثانية.
1.2 طريقة انحراف الضوء
قياس سرعة الضوء فلكية
بالنسبة للراصد على الأرض، فإن اتجاه خط البصر للنجم سيكون مختلفًا إذا تم تحديد هذا الاتجاه في أوقات مختلفة من السنة، أي اعتمادًا على موقع الأرض في مدارها. إذا تم تحديد الاتجاه لأي نجم على فترات ستة أشهر، أي عندما تكون الأرض على طرفي نقيض من قطر مدار الأرض، فإن الزاوية بين الاتجاهين الناتجين تسمى المنظر السنوي (الشكل 2). كلما كان النجم أبعد، كلما كانت زاوية اختلاف المنظر أصغر. من خلال قياس زوايا المنظر للنجوم المختلفة، من الممكن تحديد مسافة هذه النجوم من كوكبنا.
في 1725-1728 قام برادلي جيمس، عالم فلك إنجليزي، بقياس اختلاف المنظر السنوي للنجوم الثابتة. وأثناء مراقبته لأحد النجوم في كوكبة التنين، اكتشف أن موقعه يتغير على مدار العام. خلال هذا الوقت، وصفت دائرة صغيرة، أبعادها الزاوية تساوي 40.9 بوصة. في الحالة العامة، ونتيجة للحركة المدارية للأرض، يصف النجم شكلًا بيضاويًا، يكون لمحوره الرئيسي نفس الأبعاد الزاوية. بالنسبة للنجوم الموجودة في مستوى مسير الشمس، يتحول القطع الناقص إلى خط مستقيم، وبالنسبة للنجوم التي تقع بالقرب من القطب - إلى دائرة. (مسير الشمس هو الدائرة الكبرى من الكرة السماوية التي تحدث على طولها الحركة السنوية المرئية للشمس.)
كان مقدار الإزاحة الذي قاسه برادلي أكبر بكثير من الإزاحة المنظرية المتوقعة. أطلق برادلي على هذه الظاهرة اسم انحراف الضوء وفسرها بسرعة الضوء المحدودة. خلال الفترة القصيرة التي ينتشر خلالها الضوء الساقط على عدسة التلسكوب من العدسة إلى العدسة العينية، تتحرك العدسة بمقدار جزء صغير جدًا نتيجة للحركة المدارية للأرض (الشكل 3). ونتيجة لذلك، فإن صورة النجم سوف تتغير بمقدار قطعة أ. عند توجيه التلسكوب مرة أخرى نحو النجم، يجب أن يميل قليلاً في اتجاه حركة الأرض بحيث تتزامن صورة النجم مرة أخرى مع مركز الشعيرات المتقاطعة في العدسة.
دع زاوية ميل التلسكوب تساوي ب. دعونا نشير إلى الوقت اللازم للضوء للسفر قطعة الخامس، تساوي المسافة من عدسة التلسكوب إلى العدسة العينية، وتساوي f. ثم المقطع، و
ومن قياسات برادلي كان معروفًا أنه عند موقعين من الأرض يقعان على نفس القطر المداري، يبدو النجم مزاحًا عن موضعه الحقيقي بنفس الزاوية. الزاوية بين اتجاهات المراقبة هذه، حيث يمكن معرفة سرعة الضوء بمعرفة سرعة الأرض في المدار. حصل برادلي مع= 306000 كم/ث.
وتجدر الإشارة إلى أن ظاهرة انحراف الضوء ترتبط بتغير اتجاه سرعة الأرض على مدار العام. يعتمد تفسير هذه الظاهرة على المفاهيم الجسيمية للضوء. يعد النظر في انحراف الضوء من وجهة نظر النظرية الموجية أكثر تعقيدًا ويرتبط بمسألة تأثير حركة الأرض على انتشار الضوء.
أظهر رومر وبرادلي أن سرعة الضوء محدودة، على الرغم من أنها ذات أهمية كبيرة. لمزيد من التطوير لنظرية الضوء، كان من المهم تحديد المعلمات التي تعتمد عليها سرعة الضوء وكيف تتغير عندما ينتقل الضوء من وسط إلى آخر. وللقيام بذلك، كان من الضروري تطوير طرق لقياس سرعة الضوء من المصادر الأرضية. جرت المحاولات الأولى لمثل هذه التجارب في بداية القرن التاسع عشر.
1.3 طريقة المقاطعة (طريقة فيزو)
تم تطوير أول طريقة تجريبية لتحديد سرعة الضوء من المصادر الأرضية في عام 1449 من قبل الفيزيائي الفرنسي أرماند هيبوليت لويس فيزو. يظهر المخطط التجريبي في الشكل. .4.
انتشار الضوء من المصدر س، ينعكس جزئيا من لوحة شفافة رويذهب إلى المرآة م. يوجد في مسار الشعاع قاطع ضوئي - عجلة تروس ل، الذي محوره أوو"بالتوازي مع الشعاع. تمر أشعة الضوء عبر الفجوات الموجودة بين الأسنان وتنعكس عن طريق المرآة مويتم إعادتهم من خلال الترس واللوحة رإلى المراقب.
عندما تدور العجلة ببطء لالضوء، الذي يمر عبر الفجوة بين الأسنان، لديه وقت للعودة من خلال نفس الفجوة ويدخل عين المراقب. وفي تلك اللحظات التي يتقاطع فيها أحد الأسنان مع مسار الأشعة، لا يصل الضوء إلى الراصد. وهكذا، عند السرعة الزاوية المنخفضة، يرى الراصد ضوءًا وامضًا. إذا قمت بزيادة سرعة دوران العجلة، عند قيمة معينة، فإن الضوء الذي يمر عبر فجوة واحدة بين الأسنان، ويصل إلى المرآة ويعود للخلف، لن يقع في نفس الفجوة د، ولكن سيتم سده بواسطة السن الذي اتخذ موضع الفجوة في هذه اللحظة د. وبالتالي، عند السرعة الزاوية، لن يدخل أي ضوء إلى عين الراصد على الإطلاق من الفجوة دولا من كل ما بعده (السواد الأول). إذا أخذنا عدد الأسنان ص، فإن وقت تدوير العجلة على شريط التمرير يساوي
الزمن الذي يستغرقه الضوء ليقطع المسافة من العجلة إلى المرآة موالعكس متساوي
أين ل- المسافة من العجلة إلى المرآة (القاعدة). وبمساواة هاتين الفترتين الزمنيتين، نحصل على الحالة التي يحدث فيها السواد الأول:
أين يمكنك تحديد سرعة الضوء :
أين هو عدد الثورات في الثانية الواحدة.
في تركيب فيزو، كانت القاعدة 8.63 كم، وكان عدد الأسنان في العجلة 720، وحدث التعتيم الأول بتردد 12.6 دورة في الثانية. إذا قمت بمضاعفة سرعة العجلة، فسيتم ملاحظة مجال رؤية أكثر سطوعًا، وبثلاثة أضعاف سرعة الدوران، سيحدث الظلام مرة أخرى، وما إلى ذلك. سرعة الضوء التي حسبها فيزو هي 313300 كم/ثانية.
تكمن الصعوبة الرئيسية لمثل هذه القياسات في تحديد لحظة التعتيم بدقة. تزداد الدقة مع القواعد الأكبر ومع معدلات الانقطاع التي تسمح بملاحظة حجب الترتيب الأعلى. وهكذا، أجرى بيروتين في عام 1902 قياسات بطول قاعدة يبلغ 46 كيلومترًا وحصل على قيمة لسرعة الضوء تبلغ 29987050 كيلومترًا في الثانية. تم تنفيذ العمل في هواء البحر النظيف للغاية باستخدام بصريات عالية الجودة.
بدلاً من العجلة الدوارة، يمكن استخدام طرق أخرى أكثر تقدمًا لمقاطعة الضوء، على سبيل المثال، خلية كير، والتي يمكن استخدامها لمقاطعة شعاع الضوء 107 مرة في الثانية. في هذه الحالة، يمكنك تقليل القاعدة بشكل كبير. وهكذا، في إعداد أندرسون (1941) مع خلية كير والتسجيل الكهروضوئي، كانت القاعدة 3 أمتار فقط، وقد حصل على القيمة مع= 29977614 كم/ث.
1.4 طريقة المرآة الدوارة (طريقة فوكو)
يمكن أن تُعزى طريقة تحديد سرعة الضوء، التي طورها فوكو عام 1862، إلى الطرق المعملية الأولى. وباستخدام هذه الطريقة، قام فوكو بقياس سرعة الضوء في الأوساط التي لها معامل انكسار ن>1 .
يظهر الرسم التخطيطي لتركيب فوكو في الشكل. 5.
الضوء من المصدر سيمر عبر لوحة شفافة رعدسة لويسقط على مرآة مسطحة م1, والتي يمكن أن تدور حول محورها عن، عمودي على مستوى الرسم. بعد الانعكاس من المرآة م1 يتم توجيه شعاع من الضوء على مرآة مقعرة ثابتة م 2، يقع بحيث يسقط هذا الشعاع دائمًا بشكل عمودي على سطحه وينعكس على نفس المسار على المرآة م1 . إذا كانت المرآة م1 بلا حراك، فإن الشعاع المنعكس منه سيعود على طول المسار الأصلي إلى اللوحة ر، ينعكس جزئيًا منه وسيعطي صورة للمصدر س عند هذه النقطة س1 .
عندما تدور المرآة م1 خلال الوقت الذي يستغرقه الضوء للسفر 2 لبين المرآتين والعودة للخلف ()، وهي مرآة تدور بسرعة زاوية م1 سوف تتحول إلى زاوية
وسوف تتخذ الموقف الموضح في الشكل. .5 خط منقط. سيتم تدوير الشعاع المنعكس من المرآة بزاوية نسبة إلى الشعاع الأصلي وسيعطي صورة للمصدر عند النقطة س2 . قياس المسافة س1 س2 وبمعرفة هندسة التثبيت يمكنك تحديد الزاوية وحساب سرعة الضوء:
وبالتالي، فإن جوهر طريقة فوكو هو قياس الوقت الذي يستغرقه الضوء ليقطع مسافة ما بدقة 2 ل. يتم تقدير هذه المرة بزاوية دوران المرآة م1 ، وسرعة دورانه معروفة. يتم تحديد زاوية الدوران بناءً على قياسات الإزاحة س1 س2 . في تجارب فوكو، كانت سرعة الدوران 800 دورة، وهي القاعدة لتتراوح من 4 إلى 20 كم. تم العثور على القيمة مع= 298000500 كم/ث.
كان فوكو أول من قاس سرعة الضوء في الماء باستخدام تركيبته. وبعد وضع أنبوب مملوء بالماء بين المرايا، اكتشف فوكو أن زاوية الانزياح زادت بمقدار *مرات، وبالتالي فإن سرعة انتشار الضوء في الماء المحسوبة باستخدام الصيغة المكتوبة أعلاه تبين أنها تساوي (3/4). مع. تبين أن معامل انكسار الضوء في الماء، المحسوب باستخدام صيغ النظرية الموجية، متساوٍ، وهو ما يتوافق تمامًا مع قانون سنيل. وهكذا وبناء على نتائج هذه التجربة تم التأكد من صحة النظرية الموجية للضوء، وانتهى خلاف قرن ونصف لصالحها.
1.5 طريقة ميشيلسون
وفي عام 1926، تم عمل تركيب ميكلسون بين قمتين جبليتين، بحيث يتم حساب المسافة التي يقطعها الشعاع من المصدر إلى صورته بعد الانعكاسات من الوجه الأول لمنشور مرآة مثمن الأضلاع، المرايا م 2 - م 7والوجه الخامس يبلغ طوله حوالي 35.4 كم. تم اختيار سرعة دوران المنشور (حوالي 528 دورة في الثانية) بحيث يكون للمنشور وقت لتدوير 1/8 دورة أثناء انتشار الضوء من الوجه الأول إلى الوجه الخامس. لعب الإزاحة المحتملة للأرنب بسرعة مختارة بشكل غير دقيق دور التصحيح. وتبين أن سرعة الضوء المحددة في هذه التجربة تساوي 2997964 كم/ثانية.
ومن بين الطرق الأخرى، نلاحظ قياس سرعة الضوء الذي تم إجراؤه في عام 1972 من خلال تحديد الطول الموجي وتردد الضوء بشكل مستقل. كان مصدر الضوء عبارة عن إشعاع ليزر هيليوم نيون عند 3.39 ميكرومتر. في هذه الحالة، تم قياس الطول الموجي باستخدام مقارنة التداخل مع الطول القياسي لإشعاع الكريبتون البرتقالي، وتم قياس التردد باستخدام طرق الهندسة الراديوية. سرعة الضوء
تم تحديدها بهذه الطريقة وكانت 299792.45620.001 كم / ثانية. يعتقد مؤلفو الطريقة أنه يمكن زيادة الدقة المحققة من خلال تحسين إمكانية تكرار نتائج قياسات الطول ومعايير الوقت.
وفي الختام نلاحظ أنه عند تحديد سرعة الضوء يتم قياس سرعة المجموعة ووالتي تتزامن مع المرحلة الأولى فقط للفراغ.
تم النشر على موقع Allbest.ru
وثائق مماثلة
تقسيم الفضاء رباعي الأبعاد إلى زمن فيزيائي ومكان ثلاثي الأبعاد. الثبات والنظائر لسرعة الضوء، تعريف التزامن. حساب تأثير سانياك في ظل افتراض تباين سرعة الضوء. دراسة خصائص المعلمة NUT.
تمت إضافة المقالة في 22/06/2015
الإشعاع المرئي وانتقال الحرارة. مصادر الضوء الطبيعية والصناعية والحرارية. انعكاس وانكسار الضوء. الظل والظل وشعاع الضوء. خسوف القمر والشمس. امتصاص الأجسام للطاقة. تغيير سرعة الضوء.
تمت إضافة العرض في 27/12/2011
تحول الضوء عندما يقع على حدود وسطين: الانعكاس (التشتت)، النقل (الانكسار)، الامتصاص. عوامل التغير في سرعة الضوء في المواد. مظاهر الاستقطاب وتداخل الضوء. شدة الضوء المنعكس.
تمت إضافة العرض في 26/10/2013
تطوير مفهوم المكان والزمان. نموذج الخيال العلمي. مبدأ النسبية وقوانين الحفظ. السرعة المطلقة للضوء. مفارقة خطوط العالم المغلقة. إبطاء مرور الزمن تبعاً لسرعة الحركة.
الملخص، أضيف في 10/05/2009
مفهوم تشتت الضوء. التشتت الطبيعي والشاذ. النظرية الكلاسيكية للتشتت. اعتماد سرعة الطور لموجات الضوء على ترددها. تحلل الضوء الأبيض بواسطة محزوز الحيود. الاختلافات في الحيود والأطياف المنشورية.
تمت إضافة العرض بتاريخ 03/02/2016
جهاز الرأس الضوئي. التدفق الضوئي وقوة مصدر الضوء. تحديد شدة الإضاءة والسطوع. مبدأ القياس الضوئي. مقارنة إضاءة سطحين ناتجين عن مصادر الضوء قيد الدراسة.
تمت إضافة العمل المخبري في 03/07/2007
المبادئ الأساسية للبصريات الهندسية. دراسة قوانين انتشار الطاقة الضوئية في الأوساط الشفافة بالاعتماد على مفهوم الشعاع الضوئي. الطرق الفلكية والمخبرية لقياس سرعة الضوء ومراعاة قوانين انكساره.
تمت إضافة العرض بتاريخ 05/07/2012
القياسات الطيفية لشدة الضوء. دراسة تشتت الضوء في الغرويات المغناطيسية من الكوبالت الفريت والماجنتيت في الكيروسين. منحنيات الانخفاض في شدة الضوء المتناثرة مع مرور الوقت بعد إيقاف المجالات الكهربائية والمغناطيسية.
تمت إضافة المقال في 19/03/2007
الأسس النظرية للأجهزة الإلكترونية الضوئية. العمل الكيميائي للضوء. التأثيرات الكهروضوئية والمغناطيسية الضوئية والكهربائية الضوئية للضوء وتطبيقاتها. تأثير كومبتون. تأثير رامان. ضغط خفيف. الأفعال الكيميائية للضوء وطبيعته.
الملخص، تمت إضافته في 11/02/2008
النظرية الموجية للضوء ومبدأ هيجنز. ظاهرة تداخل الضوء كإعادة توزيع مكاني للطاقة الضوئية أثناء تراكب موجات الضوء. التماسك وتدفقات الضوء أحادية اللون. الخصائص الموجية للضوء ومفهوم القطار الموجي.
في عام 1676، قام عالم الفلك الدنماركي أولي رومر بأول تقدير تقريبي لسرعة الضوء. لاحظ رومر تباينًا طفيفًا في مدة خسوف أقمار المشتري وخلص إلى أن حركة الأرض، إما الاقتراب من المشتري أو الابتعاد عنه، غيرت المسافة التي يجب أن يقطعها الضوء المنعكس من الأقمار.
ومن خلال قياس حجم هذا التناقض، حسب رومر أن سرعة الضوء تبلغ 219.911 كيلومترًا في الثانية. وفي تجربة لاحقة عام 1849، وجد الفيزيائي الفرنسي أرماند فيزو أن سرعة الضوء تبلغ 312873 كيلومترًا في الثانية.
كما هو موضح في الشكل أعلاه، يتكون إعداد فيزو التجريبي من مصدر للضوء، وهو مرآة نصف شفافة تعكس فقط نصف الضوء الساقط عليها، مما يسمح للباقي بالمرور عبر عجلة مسننة دوارة ومرآة ثابتة. عندما يضرب الضوء المرآة الشفافة، ينعكس على عجلة مسننة، مما يؤدي إلى تقسيم الضوء إلى أشعة. بعد المرور عبر نظام عدسات التركيز، ينعكس كل شعاع ضوئي من مرآة ثابتة ويعود مرة أخرى إلى العجلة المسننة. ومن خلال إجراء قياسات دقيقة للسرعة التي تحجب بها العجلة المسننة الأشعة المنعكسة، تمكن فيزو من حساب سرعة الضوء. وقام زميله جان فوكو بتحسين هذه الطريقة بعد عام ووجد أن سرعة الضوء تبلغ 297878 كيلومترًا في الثانية. وتختلف هذه القيمة قليلاً عن القيمة الحديثة البالغة 299,792 كيلومترًا في الثانية، والتي يتم حسابها بضرب الطول الموجي وتردد إشعاع الليزر.
تجربة فيزو
كما هو موضح في الصور أعلاه، ينتقل الضوء للأمام ويعود للخلف عبر نفس الفجوة الموجودة بين أسنان العجلة عندما تدور العجلة ببطء (الصورة السفلية). إذا دارت العجلة بسرعة (الصورة العلوية)، فإن الترس المجاور يحجب الضوء العائد.
نتائج فيزو
ومن خلال وضع المرآة على بعد 8.64 كيلومترًا من الترس، حدد فيزو أن سرعة دوران الترس المطلوبة لحجب شعاع الضوء العائد هي 12.6 دورة في الثانية. وبمعرفة هذه الأرقام، وكذلك المسافة التي يقطعها الضوء، والمسافة التي يجب أن يقطعها الترس لحجب شعاع الضوء (التي تساوي عرض الفجوة بين أسنان العجلة)، حسب أن شعاع الضوء استغرق 0.000055 ثانية لقطع المسافة من الترس إلى المرآة والعودة. وبتقسيم المسافة الإجمالية البالغة 17.28 كيلومترًا التي قطعها الضوء على هذا الوقت، حصل فيزو على قيمة لسرعته البالغة 312873 كيلومترًا في الثانية.
تجربة فوكو
في عام 1850، قام الفيزيائي الفرنسي جان فوكو بتحسين تقنية فيزو عن طريق استبدال عجلة التروس بمرآة دوارة. يصل الضوء من المصدر إلى المراقب فقط عندما تكمل المرآة دورانًا كاملاً بزاوية 360 درجة خلال الفترة الزمنية بين مغادرة وعودة شعاع الضوء. وباستخدام هذه الطريقة، حصل فوكو على قيمة لسرعة الضوء تبلغ 297878 كيلومترًا في الثانية.
الوتر الأخير في قياس سرعة الضوء.
لقد مكّن اختراع الليزر الفيزيائيين من قياس سرعة الضوء بدقة أكبر بكثير من أي وقت مضى. في عام 1972، قام العلماء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا بقياس الطول الموجي وتردد شعاع الليزر بعناية وسجلوا سرعة الضوء، حاصل ضرب هذين المتغيرين، لتكون 299,792,458 مترًا في الثانية (186,282 ميلًا في الثانية). وكان من نتائج هذا القياس الجديد قرار المؤتمر العام للأوزان والمقاييس باعتماد المتر القياسي (3.3 قدم) للمسافة التي يقطعها الضوء في 1/299,792,458 من الثانية. وهكذا / فإن سرعة الضوء، وهي أهم ثابت أساسي في الفيزياء، يتم حسابها الآن بثقة عالية جدًا، ويمكن تحديد المقياس المرجعي بدقة أكبر بكثير من أي وقت مضى.
