Скорость света (11 класс)

Скорость света.

Посмотрите на мир широко открытыми глазами: свет, кажется, «прыгает» с предметов на сетчатку, мгновенно образуя целостную картину мира.

Первым, кто задумался о том, что у света существует собственная скорость, является философ Эмпедокл (490-430 до н.э.), который заявлял, что «свет есть движение, а у движения должна быть скорость». Аристотель (384-322 до н.э.) же наоборот, говорил, что «свет — это просто присутствие чего-то в природе и все. И ничего не куда не движется».

Рассуждения Эмпедокла были элегантны и предшествовали мнению Аристотеля. Он считал, что свет, распространяясь через огромное расстояние от Солнца до Земли, во время своего путешествия от одной точки к другой должен сохраняться в пути. Другими словами, свет должен где-то пребывать в пространстве между Солнцем и Землей после своего выхода из Солнца и прежде, чем он достигнет Земли.

Это означает, что он должен двигаться с конечной скоростью. Аристотель отклонил этот аргумент, ссылаясь на то, что свет — это просто «присутствующее нечто», а не то, что движется между предметами. Без экспериментальных данных невозможно было бы выбрать между этими двумя позициями, просто размышляя об этом!

В эпоху Возрождения — период, характеризующийся общим подъемом экономики, культуры, техники и борьбой прогрессивных мировоззрений с схоластикой средневековья, многие ученые все еще продолжают считать, что скорость распространения света бесконечна. Среди них были такие известные ученые, как, скажем, Декарт, Кеплер и Ферма.

Но некоторые, например Галилей, верили, что свет обладает конечной скоростью. Галилей даже пытался измерить ее.

Его опыт был достаточно примитивен, однако заслуживает нашего внимания, так как это были первые попытки измерения скорости света. Галилей вместе со своим помощником брали в руки лампы и расходились в разные стороны на несколько километров друг от друга. Далее Галилей зажигал свою лампу и светил ее в сторону помощника. Увидев свет, помощник зажигал свою лампу, и Галилей пытался измерить задержку между данными моментами. Конечно же, у него ничего не получилось, и, в конце концов, он написал в своих сочинениях: «Если у света и есть скорость, то она чрезвычайно велика, а посему можно считать ее бесконечной».

Его вывод: свет должен двигаться чрезвычайно быстро, потому что ему не удалось определить его скорость. Галилею, однако, удалось определить «предельную» скорость света, отметив, что она должна быть, по крайней мере, в десять раз выше скорости звука.

Ему удалось сделать это, потому что, если бы она была меньше, он бы смог измерить время задержки. Таким образом, неспособность Галилея измерить скорость света не рассматривалась как «отсутствие результата», но она на деле показала, что свет распространяется быстрее, чем эксперимент может определить.

Исторически первое экспериментальное определение скорости света в вакууме в 1676 году предпринял датский астроном Олаф Рёмер. К этому времени почти все астрономы были вооружены телескопами того самого Галилея, и с завидным постоянством наблюдали за четырьмя спутниками Юпитера — Ио, Европой, Каллисто и Ганимедом. Они даже определили примерный период вращения ближайшего к Юпитеру спутника — Ио, который составил около 42-х часов 22 минут.

Рёмер, как и все ученые, также наблюдал за этим спутником и, примерно через полгода после начала наблюдений, обнаружил странную вещь. Оказалось, что момент затмения Ио запаздывает относительно вычисленного почти на 11 минут. Дальнейшие его наблюдения показали, что иногда Ио появляется с запаздыванием, а иногда с опережением, но всегда на 11 минут. Рёмер объяснил это опоздание конечностью скорости распространения света. Он рассуждал так: поскольку за полгода Земля переместилась из положения 1 в положение 2, то надо учитывать время, необходимое для того, чтобы свет прошел добавочное расстояние, примерно равное диаметру земной орбиты, а в те времена он уже был более-менее известен.

Так вот, просто поделив диаметр земной орбиты на 22 минуты Рёмер получил, что скорость света составляет 220 000 км/с.

С развитием уровня науки и техники ученые научились измерять скорость света не только в астрономических масштабах, но и в лабораториях.

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. После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстровращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находящегося 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. При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успевало в этом случае повернуться настолько, что на место прежней прорези вставала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо при расстоянии, равном 8,6 км, для скорости света было получено значение 313 000 км/с. Было разработано еще много других, более точных лабораторных методов измерения скорости света. В частности, американский физик А. Майкельсон разработал весьма совершенный метод определения скорости света с применением вращающихся зеркал. Была измерена скорость в различных прозрачных средах. Скорость света в воде была определена в 1856 г. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в вакууме. Во всех других веществах она также меньше, чем в вакууме.

Опыт американского физика Альберта Абрахама Майкельсона, который для более точного измерения скорости света использовал вращающуюся призму.

В 1924–1927 годах Майкельсон разработал схему, в котором луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио (расстояние порядка 35 км). В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало, изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально разработанным высокоскоростным ротором, делающим до 528 оборотов в секунду. Изменяя частоту вращения ротора, наблюдатель добивался возникновения в окуляре устойчивого изображения источника света. Знание расстояния между установками и частоты вращения зеркала позволяли вычислить скорость света. Начиная с 1924 года и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений, повышалась точность измерения расстояния и частоты вращения ротора. Средний результат измерений составил 299 798 км/с. Результаты же всех измерений Майкельсона можно записать как 299796 ± 4 км/с.

В 1975 году Генеральная ассамблея мер и весов рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с, с абсолютной погрешностью ± 1,2 м/с.

Естественно предположить, что при решении задач по физике, такая большая точность не нужна, и будем пользоваться ее приближенным значением — 3 × 10⁸ м/с.

Как оказалось, дальнейшее повышение точности измерений скорости света стало невозможным. Ограничивающим фактором стала величина неопределённости реализации определения метра, действовавшего в то время. Проще говоря, основной вклад в погрешность измерений скорости света вносила погрешность эталона метра. Исходя из этого, а также учитывая другие соображения, XVII Генеральная конференция по мерам и весам в 1983 году приняла новое определение метра, положив в его основу рекомендованное ранее значение скорости света и определив метр как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 секунды.

Корпускулярная и волновая теории света.

Важно отметить, что теорий, объясняющих природу света, было огромное количество.

Птолемей и Евклид вообще считали, что «из глаз выходят чувствительные нити, которые ощупывают своими концами тела и создают зрительные ощущения»

Останавливаться подробно на подобных воззрениях сейчас, разумеется, нет необходимости.

Но, например, греческий ученый Демокрит представлял, что свет – это поток частичек, которые исходят из светящихся тел.

Мы же подробно остановимся на двух из теорий, конкуренция между которыми и привела к развитию оптики. Эти две теории основаны на двух способах передачи взаимодействия - либо посредством переноса вещества от источника к приемнику, либо же посредством изменения состояния среды между телами (без переноса вещества).

Можно, например, заставить звучать струну, ударив по ней, а можно поместить около нее такую же струну, возбудив в ней колебания. Тогда звуковые волны второй струны, дойдя до первой, вызовут ее звучание.

В соответствии с двумя способами передачи энергии от источника к приемнику возникли и начали развиваться две совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа.

Причем возникли они почти одновременно в XVII в.

Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, другая — с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет — это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

Согласно же представлениям Гюйгенса свет — это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде — эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

Исаак Ньютон полагал, что свет – это поток частичек (с лат. – корпускул). Также он предполагал, что эти частички и их движение подчиняются законам механики, и благодаря этому успешно доказывал закон отражения света, закон преломления света и другие известные на тот момент законы распространения света.

Прямолинейное распространение света и образование резкой тени за предметами, можно объяснить только на основе корпускулярных взглядов, согласно которым прямолинейное распространение света является просто следствием из закона инерции.

Однако существовали две проблемы, которые не подчинялись доказательству с помощью корпускулярной теории. Первая – данная теория не объясняла закон независимого распространения света. А именно, если два пучка света пересекаются в пространстве, они не влияют друг на друга, если же рассматривать свет как поток корпускул, то они должны сталкиваться друг с другом и, соответственно, влиять (Рис. 1).

Вторая проблема, с которой сталкивается корпускулярная теория, – тот факт, что если свет действительно представляет собой поток частиц, то скорость распространения света в вакууме должна быть меньше, чем скорость света в среде.

Но, как мы знаем, это совершенно не так, скорость света в вакууме максимальна, в среде же меньше.

Тем не менее научный авторитет Ньютона был столь высок, а эксперименты, проведенные им в области оптики, столь доскональными, что вплоть до XIX века его теория считалась основной.

Однако в начале 19 века все меняется — открываются два новых световых явления, которые присущи только волновым процессам — дифракция и интерференция. Первое состоит в том, что свет способен огибать препятствия, соизмеримые с длиной волны, а второе — в явлении усиления или ослабления света при наложении световых пучков друг на друга.

Казалось бы, победа сторонников волновой теории уже близка. Тут еще и Максвелл публикует свою теорию электромагнетизма, в которой указывает на то, что свет является частным случаем электромагнитной волны. А после обнаружения Герцем этих самых волн, вообще не остается никаких сомнений в том, что свет имеет электромагнитную (а значит и волновую) природу.

Теперь, сторонники электромагнитной природы света из уравнений Максвелла могли легко посчитать значение скорости света из значений электрической и магнитной проницаемости среды, что и было сделано в 1907 году, уточнив значение скорости света до 299 788 км/с.

Но не все так просто в мире физики. В начале 20 века опять меняется представление о природе света. Оказалось, что отвергнутая корпускулярная теория имеет право на жизнь, ведь, например, при излучении или поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц, что и продемонстрировал Лебедев (доказывающие давление света, фотоны обладают импульсом) в своих опытах с крутильными весами.

Возникла необычная ситуация: с одной стороны явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить только на основе волновых представлений о свете, а явления излучения и поглощения света только на основе корпускулярных. Поэтому, было решено в одних случаях рассматривать свет, как поток частиц, а в других — в виде электромагнитной волны. В настоящее время это называется корпускулярно-волновым дуализмом.

В начале ХХ века все вновь меняется. Были открыты свойства света, которые уже и волновая теория не могла объяснить. В первую очередь речь идет о явлении фотоэффекта, а также о некоторых аспектах поглощения и излучения света. Объяснить их можно было, лишь предположив, что свет поглощается и излучается маленькими порциями – квантами. Таким образом, возникает парадокс.

Свет – волна	Свет – поток частиц
Интерференция, дифракция	Фотоэффект, квантовая гипотеза Планка

В 1905 году Альберт Эйнштейн создает свою специальную теорию относительности, где заявляет, что скорость света в вакууме — это константа и не зависит вообще ни от чего. Наоборот, все в мире относительно, а скорость света и есть та величина, относительно которой относительны все остальные вещи в нашем мире.

Скорость света берется за константу, и на этом постулате, а также на идее о том, что все инерциальные системы отсчета являются равноправными, Альберт Эйнштейн и построил свою специальную теорию относительности.

Геометрическая оптика

В заключение хотелось бы напомнить о том, что вам было известно о свете раньше из курса физики.

При первоначальном ознакомлении с оптическими явлениями в 8 классе было введено понятие светового луча — линии, указывающей направление распространения света, перпендикулярной фронту волны.

На основе определения светового луча и строилось изучение геометрической оптики — раздела оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах и законы его отражения от зеркальных поверхностей.

В основе геометрической оптики лежат четыре закона:

- закон независимости световых лучей;

- закон прямолинейного распространения света;

- закон отражения света;

- закон преломления света.

С помощью принципа Гюйгенса можно вывести и объяснить законы распространения света.

Геометрическая оптика описывает распространение света в прозрачных средах.

Прозрачная среда – это среда, в которой световая волна проходит расстояние, существенно превосходящее длину световой волны, без существенного уменьшения энергии.

Геометрическая оптика – это предельный случай волновой оптики, когда размеры объектов в данной физической ситуации, значительно больше длинны световой волны.

Понятно, что именно законы геометрической оптики были открыты значительно раньше, чем законы волновой оптики. Так как размеры предметов, которые нас окружают, значительно больше, чем длина световой волны.

Именно законы геометрической оптики мы и изучаем, впервые они появились в трудах Евклида, которые носили название «Катоптрика».

Вспомним основные понятия.

Световой луч – линия, вдоль которой распространяется поток световой энергии.

А теперь усовершенствуем его, учитывая принципы волновой оптики, с которыми мы уже ознакомились, и свойства распространения волн.

Световой луч – линия, вектор касательной к которой перпендикулярен фронту световой волны и направлен в сторону переноса энергии световой волны в данной точке.

Волны, в зависимости от фронта, делятся на разные виды. Мы будем работать с волами двух типов, а именно плоскими и сферическими.

Плоская волна – это волна, фронт которой представляет собой плоскость.

Сферическая волна – это волна, фронт которой представляет собой сферу.

Отметим, что понятие светового луча – чисто геометрическое, реальных световых лучей в природе мы не встретим. Это понятие используют для схематического изображения световых пучков. Именно со световыми пучками мы имеем дело в реальной жизни.

Закон независимости распространения света

Первый закон геометрической оптики говорит об этом: вклад каждого светового луча в суммарное освещение не зависит от влияния других лучей. Формулировка: если световые лучи пересекаются, то они не оказывают никакого влияния друг на друга. Каждый луч освещает пространство так, как если бы других лучей вообще не было.

Этот закон справедлив для световых пучков сравнительно небольшой интенсивности. Если же мы имеем дело со световыми пучками большой интенсивности, будут наблюдаться отклонения от выполнения этого закона.

Закон прямолинейного распространения света

В прозрачной однородной среде световые лучи являются прямыми линиями (свет распространяется прямолинейно).

Однородная среда – это такая среда, свойства которой не меняются при переходе от точки к точке.

Закон прямолинейного распространения света означает, что в прозрачной, оптически однородной, среде луч света ведет себя подобно геометрическому лучу. Отсюда и название – геометрическая оптика.

Вам неоднократно доводилось видеть прямолинейные солнечные лучи, пронизывающие облака, или тонкий прямой луч, пробивающийся в запыленной комнате через щель в окне. Находясь под водой, тоже можно наблюдать прямые солнечные лучи, идущие сквозь воду. Все это – проявления закона прямолинейного распространения.

Следствием из закона прямолинейного распространения света – образование теней и полутеней.

Тень – точечный источник света (источник расположен на расстоянии существенно большем, чем размеры самого источника)

На рисунке изображен точечный источник света  и предмет,

Тень появляется, если на пути световых лучей оказывается непрозрачный предмет, происходит следующее:

1. луч, который идет мимо предмета, продолжает распространяться в прежнем направлении (движется прямолинейно);

2. луч, попадающий на предмет, не проникает внутрь предмета, дальнейший ход такого луча пресекается, и в результате на экране такой луч не будет виден.

Так возникает геометрическая тень, края которой четко очерчены. Важно понимать, что в реальности, вследствие явления дифракции, края у тени на самом деле несколько расплывчатые.

В случае если источник света является не точечным, а протяженным, на экране, помимо тени, будет наблюдаться еще и полутень (область частичной освещенности)

Отличным примером образования полутеней и теней являются хорошо вам известные солнечное и лунное затмения

Краткое описание документа:

Задачи урока:

Образовательные:

создание условий для осознания и осмысления нового материала в соответствии с индивидуальными особенностями учащихся средствами технологии критического мышления ; формирование умений объяснять физические явления на основе использования квантовой или волновой теории света, применение идеи корпускулярно-волнового дуализма.

Развивающие:

формирование умений анализировать полученную информацию, проводить обобщение и систематизацию изученного материала, выяснение роли опыта и теории в становлении квантовой физики, объяснение границы применимости теорий, раскрытие корпускулярно-волнового дуализма.

Воспитательные:

содействие в приобретении навыков самоорганизации и взаимодействия при работе в группах , ознакомить с историей развития науки, рассмотреть вклад ученых в развитие теории света.