Шкільна енциклопедія. уповільнений світло

Про існування такого поняття як «швидкість світла» багато хто знає ще з раннього дитинства. Великому кількість людей відомо, що світло рухається дуже швидко. Але не всі знають докладно про явище.

Багато звертали увагу на те, що під час грози існує затримка між спалахом блискавки і звуком грому. Спалах, як правило, доходить до нас швидше. Це означає, що вона має велику швидкість, ніж звук. З чим це пов'язано? Що таке швидкість світла і як її вимірюють?

Що таке швидкість світла?

Давайте для початку розберемося, що таке швидкість світла. По-науковому, це така величина, яка показує, наскільки швидко переміщаються промені в вакуумі або в повітрі. Також потрібно знати, що таке світло. Це випромінювання, яке сприймається людським оком. Від умов оточення залежить швидкість, а також інші властивості, наприклад, заломлення.

Цікавий факт: Світу потрібно 1,25 секунди, щоб дістатися від Землі до супутника - Місяця.

Що таке швидкість світла своїми словами?

Якщо пояснювати простими словами, швидкість світла - це часовий проміжок, за який світловий промінь проходить якусь відстань. Час прийнято вимірювати в секундах. Однак деякі вчені використовують інші одиниці виміру. Відстань теж вимірюється по-різному. В основному - це метр. Тобто, цю величину вважають в м / с. Фізика пояснює це наступним чином: явище, яке рухається з певною швидкістю (константою).

Матеріали по темі:

Ератосфен і окружність Землі

Щоб легше зрозуміти, давайте розглянемо наступний приклад. Велосипедист рухається зі швидкістю 20 км / ч. Хоче наздогнати водія автомобіля, швидкість якого дорівнює 25 км / год. Якщо порахувати, то авто їде на 5 км / год швидше велосипедиста. З променями світла справи йдуть по-іншому. Як швидко б не рухався перший і другий чоловік, світло, щодо них, рухається з постійною швидкістю.

Чому дорівнює швидкість світла?

При знаходженні не в вакуумі, на світло впливають різні умови. Речовина, через яке проходять промені, в тому числі. Якщо без доступу кисню кількість метрів в секунду не змінюється, то в середовищі з доступом повітря значення змінюється.

Світло проходить повільніше через різні матеріали, такі як скло, вода і повітря. Цьому явищу дано показник заломлення, щоб описати, наскільки вони можуть призвести до затримки світла. Скло має показник заломлення 1,5, це означає, що світло проходить через нього зі швидкістю близько 200 тисяч кілометрів на секунду. Показник заломлення води дорівнює 1,3, а показник заломлення повітря - трохи більше 1, це означає, що повітря лише злегка уповільнює світло.

Матеріали по темі:

З якою швидкістю рухається Земля навколо своєї осі і Сонця?

Отже, після проходження через повітря або рідина, швидкість сповільнюється, стає меншою, ніж у вакуумі. Наприклад, в різних водоймах швидкість пересування променів дорівнює 0.75 від швидкості в космосі. Також при стандартному тиску в 1.01 бар, показник сповільнюється на 1.5-2%. Тобто при земних умовах швидкість світла варіюється в залежності від умов навколишнього середовища.

Для такого явище придумали спеціальне поняття - рефракція. Тобто заломлення світла. Це широко використовується в різних винаходи. Наприклад, рефрактор - телескоп з оптичною системою. Також за допомогою цього також створюють біноклі та іншу техніку, суть роботи якої полягає в використанні оптики.

Загалом, найменше промінь піддається рефракції, проходячи через звичайне повітря. При проходженні через спеціально створене оптичне скло, швидкість дорівнює приблизно 195 тисячам кілометрів в секунду. Це практично на 105 км / сек менше константи.

Найточніше значення швидкості світла

Вчені-фізики за багато років накопичили досвід досліджень швидкості світлових променів. На поточний момент найточніше значення швидкості світла - 299 792 кілометри в секунду. Константу встановили в 1933 році. Число актуально до сих пір.

Однак в подальшому з'явилися складнощі з визначенням показника. Це сталося через похибки у вимірі метра. Зараз саме значення метра безпосередньо залежить від швидкості світла. Воно дорівнює відстані, яку промені проходять за певну кількість секунд - 1 / швидкість світла.

Матеріали по темі:

Як вивчають Сонце?

Чому дорівнює швидкість світла у вакуумі?

Оскільки в вакуумі на світло не впливають різні умови, то його швидкість не змінюється так, як на Землі. Швидкість світла у вакуумі дорівнює 299 792 кілометрів на секунду. Такий показник є граничним. Вважається, що ніщо в світі не може рухатися швидше, навіть космічні тіла, які рухаються досить швидко.

Наприклад, винищувач, Боїнг Х-43, який перевищує швидкість звуку практично в 10 разів (понад 11 тисяч км / год), летить повільніше, ніж промінь. Останній рухається більш, ніж в 96 тисяч кілометрів на годину швидше.

Як вимірювали швидкість світла?

Найперші вчені намагалися виміряти цю величину. Використовувалися різні методи. У період античності, люди науки вважали, що вона нескінченна, тому неможливо її виміряти. Ця думка залишилося надовго, аж до 16-17 століття. В ті часи з'явилися інші вчені, які припустили, що промінь має кінець, а швидкість можна виміряти.

Відомий астроном з Данії Олаф Ремер вивів знання про швидкість світла на новий рівень. Він зауважив, що затемнення супутника Юпітера спізнюється. Раніше на це ніхто не звертав увагу. Отже, він вирішив порахувати швидкість.

Швидкістю світла називають відстань, яку світло проходить за одиницю часу. Ця величина залежить від того, в яку речовину поширюється світло.

У вакуумі швидкість світла дорівнює 299 792 458 м / с. Це найвища швидкість, яка може бути досягнута. При вирішенні завдань, які потребують особливої ​​точності, цю величину приймають рівною 300 000 000 м / с. Передбачається, що зі швидкістю світла у вакуумі поширюються всі види електромагнітного випромінювання: радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання, гамма-випромінювання. Позначають її буквою з .

Як визначили швидкість світла

В античні часи вчені вважали, що швидкість світла нескінченна. Пізніше у вченій середовищі почалися дискусії з цього питання. Кеплер, Декарт і Ферма були згодні з думкою античних вчених. А Галілей і Гук вважали, що, хоча швидкість світла дуже велика, все-таки вона має кінцеве значення.

Галілео Галілей

Одним з перших швидкість світла спробував виміряти італійський вчений Галілео Галілей. Під час експерименту він і його помічник перебували на різних пагорбах. Галілей відкривав заслінку на своєму ліхтарі. У той момент, коли помічник бачив цей світ, він повинен був виконати ті ж дії зі своїм ліхтарем. Час, за який світло проходив шлях від Галілея до помічника і назад, виявилося таким коротким, що Галілей зрозумів, що швидкість світла дуже велика, і на такому короткому відстані виміряти її неможливо, так як світло поширюється практично миттєво. А зафіксоване їм час показує всього лише швидкість реакції людини.

Вперше швидкість світла вдалося визначити в 1676 р датському астроному Олафа Ремер за допомогою астрономічних відстаней. Спостерігаючи за допомогою телескопа затемнення супутника Юпітера Іо, він виявив, що в міру віддалення Землі від Юпітера кожне наступне затемнення наступає пізніше, ніж було розраховано. Максимальна запізнювання, коли Земля переходить на іншу сторону від Сонця і віддаляється від Юпітера на відстань, рівну діаметру земної орбіти, становить 22 години. Хоча в той час точний діаметр Землі не був відомий, учений розділив його приблизну величину на 22 години і отримав значення близько 220 000 км / с.

Олаф Ремер

Результат, отриманий Ремер, викликав недовіру у вчених. Але в 1849 р французький фізик Арман Іполит Луї Фізо виміряв швидкість світла методом обертового затвора. У його досвіді світло від джерела проходив між зубами обертового колеса і прямував на дзеркало. Відбитий від нього, він повертався назад. Швидкість обертання колеса збільшувалася. Коли вона досягала якогось певного значення, відбитий від дзеркала промінь затримувався перемістився зубцем, і спостерігач в цей момент нічого не бачив.

досвід Фізо

Физо обчислив швидкість світла в такий спосіб. Світло проходить шлях L від колеса до дзеркала за час, що дорівнює t 1 = 2L / c . Час, за яке колесо робить поворот на ½ прорізи, так само t 2 = T / 2N , де Т - період обертання колеса, N - кількість зубців. Частота обертів v = 1 / T . Момент, коли спостерігач не бачить світла, настає при t 1 = t 2 . Звідси отримуємо формулу для визначення швидкості світла:

з = 4LNv

Провівши обчислення за цією формулою, Физо визначив, що з = 313 000 000 м / с. Цей результат був набагато точніше.

Арман Іполит Луї Фізо

У 1838 р французький фізик і астроном Домінік Франсуа Жан Араго запропонував використовувати для обчислення швидкості світла метод обертових дзеркал. Цю ідею здійснив на практиці французький фізик, механік і астроном Жан Бернар Леон Фуко, який отримав в 1862 р значення швидкості світла (298 000 000 ± 500 000) м / с.

Домінік Франсуа Жан Араго

У 1891 р результат американського астронома Саймона Ньюкома виявився на порядок точніше результату Фуко. В результаті його обчислень з = (99 810 000 ± 50 000) м / с.

Дослідження американського фізика Альберта Абрахама Майкельсона, який використав установку з обертовим восьмигранним дзеркалом, дозволили ще точніше визначити швидкість світла. У 1926 р учений виміряв час, за який світло проходив відстань між вершинами двох гір, рівне 35,4 км, і отримав з = (299 796 000 ± 4 000) м / с.

Найбільш точне вимірювання було проведено в 1975 р У цьому ж році Генеральна конференція з мір та ваг рекомендувала вважати швидкість світла, яка дорівнює 299 792 458 ± 1,2 м / с.

Від чого залежить швидкість світла

Швидкість світла у вакуумі не залежить ні від системи відліку, ні від положення спостерігача. Вона залишається постійною величиною, рівною 299 792 458 ± 1,2 м / с. Але в різних прозорих середовищах ця швидкість буде нижче його швидкості у вакуумі. Будь-яка прозоре середовище має оптичну щільність. І чим вона вище, тим з меншою швидкістю поширюється в ній світло. Так, наприклад, швидкість світла в повітрі вище його швидкості в воді, а в чистому оптичному склі менше, ніж у воді.

Якщо світло переходить з менш щільного середовища в більш щільну, його швидкість зменшується. А якщо перехід відбувається з більш щільною середовища в менш щільну, то швидкість, навпаки, збільшується. Цим пояснюється, чому світловий промінь відхиляється на межі переходу двох середовищ.

Доктор технічних наук А. ГОЛУБЄВ

Поняття швидкості поширення хвилі виявляється простим тільки у відсутності дисперсії.

Лін Вестергард ХЕУ біля установки, на якій був проведений унікальний експеримент.

Навесні минулого року наукові та науково-популярні журнали світу повідомили сенсаційну новину. Американські фізики провели унікальний експеримент: вони зуміли знизити швидкість світла до 17 метрів в секунду.

Всі знають, що світло поширюється з величезною швидкістю - майже 300 тисяч кілометрів на секунду. Точне значення її величини в вакуумі = 299792458 м / с - фундаментальна фізична константа. Відповідно до теорії відносності, це максимально можлива швидкість передачі сигналу.

У будь-прозорому середовищі світло поширюється повільніше. Його швидкість v залежить від показника заломлення середовища n: v = с / n. Показник заломлення повітря - 1,0003, води - 1,33, різних сортів скла - від 1,5 до 1,8. Одне з найбільших значень показника заломлення має алмаз - 2,42. Таким чином, швидкість світла в звичайних речовинах зменшиться не більше ніж в 2,5 рази.

На початку 1999 року група фізиків з Роуландовского інституту наукових досліджень при Гарвардському університеті (штат Массачусетс, США) і зі Стенфордського університету (штат Каліфорнія) досліджувала макроскопічний квантовий ефект - так звану самоіндуцірованной прозорість, пропускаючи лазерні імпульси через непрозору в звичайних умовах середу. Цією середовищем були атоми натрію, що знаходяться в особливому стані, званому бозе-ейнштейнівської конденсатом. При опроміненні лазерним імпульсом він набуває оптичні властивості, які зменшують групову швидкість імпульсу в 20 мільйонів разів у порівнянні зі швидкістю у вакуумі. Експериментаторам вдалося довести швидкість світла до 17 м / с!

Перш ніж описувати сутність цього унікального експерименту, нагадаємо зміст деяких фізичних понять.

Групова швидкість.При поширенні світла в середовищі розрізняють дві швидкості - фазову і групову. Фазова швидкість v ф характеризує переміщення фази ідеальної монохроматичної хвилі - нескінченної синусоїди строго однієї частоти і визначає напрямок поширення світла. Фазовоїшвидкості в середовищі відповідає фазовий показник заломлення - той самий, значення якого вимірюються для різних речовин. Фазовий показник заломлення, а отже, і фазова швидкість залежать від довжини хвилі. Ця залежність називається дисперсією; вона призводить, зокрема, до розкладання білого світла, що проходить через призму, в спектр.

Але реальна світлова хвиля складається з набору хвиль різних частот, що групуються в деякому спектральному інтервалі. Такий набір називають групою хвиль, хвильовим пакетом або світловим імпульсом. Ці хвилі поширюються в середовищі з різними фазовими швидкостями через дисперсії. При цьому імпульс розтягується, а його форма змінюється. Тому для опису руху імпульсу, групи хвиль в цілому, вводять поняття групової швидкості. Воно має сенс тільки в разі вузького спектра і в середовищі зі слабкою дисперсією, коли відмінність фазових швидкостей окремих складових невелика. Для кращого з'ясування ситуації можна навести наочну аналогію.

Уявімо собі, що на лінії старту вишикувалися сім спортсменів, одягнених в різнокольорові майки за кольорами спектра: червону, помаранчеву, жовту і т. Д. За сигналом стартового пістолета вони одночасно починають біг, але "червоний" спортсмен біжить швидше, ніж "помаранчевий" , "помаранчевий" - швидше, ніж "жовтий", і т. д., так що вони розтягуються в ланцюжок, довжина якої безперервно збільшується. А тепер уявімо, що ми дивимося на них зверху з такої висоти, що окремих бігунів розрізняємо, а бачимо просто строкате пляма. Чи можна говорити про швидкість руху цього плями як цілого? Можна, але тільки в тому випадку, якщо воно не дуже розпливається, коли різниця в швидкостях різнокольорових бігунів невелика. В іншому випадку пляма може розтягнутися на всю довжину траси, і питання про його швидкості втратить сенс. Це відповідає сильної дисперсії - великого розкиду швидкостей. Якщо бігунів одягнути в майки майже одного кольору, що розрізняються лише відтінками (скажімо, від темно-червоного до світло-червоного), це стане відповідати випадку вузького спектра. Тоді і швидкості бігунів будуть відрізнятися не набагато, група при русі залишиться досить компактною і може бути охарактеризована цілком певною величиною швидкості, яка і називається груповий.

Статистика Бозе-Ейнштейна.Це один з видів так званої квантової статистики - теорії, що описує стан систем, що містять дуже велику кількість частинок, що підкоряються законам квантової механіки.

Всі частинки - як ув'язнені в атомі, так і вільні - діляться на два класи. Для одного з них справедливий принцип заборони Паулі, згідно з яким на кожному енергетичному рівні не може перебувати більше однієї частинки. Частинки цього класу називаються фермионами (це електрони, протони і нейтрони; в цей же клас входять частинки, що складаються з непарного числа ферміонів), а закон їх розподілу називається статистикою Фермі-Дірака. Частинки іншого класу називаються бозонами і не підкоряються принципу Паулі: на одному енергетичному рівні може накопичуватися необмежену кількість бозонів. У цьому випадку говорять про статистику Бозе-Ейнштейна. До бозонів відносяться фотони, деякі короткоживучі елементарні частинки (наприклад, пі-мезони), а також атоми, що складаються з парного числа ферміонів. При дуже низьких температурах бозони збираються на найнижчому - основному - енергетичному рівні; і хтось скаже, що відбувається бозе-ейнштейнівська конденсація. Атоми конденсату втрачають свої індивідуальні властивості, і кілька мільйонів їх починають вести себе як одне ціле, їх хвильові функції зливаються, а поведінка описується одним рівнянням. Це дає можливість говорити, що атоми конденсату стали когерентними, подібно фотонам в лазерному випромінюванні. Дослідники з американського Національного інституту стандартів і технологій використовували цю властивість конденсату Бозе-Ейнштейна для створення "атомного лазера" (див. "Наука і життя" № 10, 1997 г.).

Самоіндуцірованной прозорість.Це один з ефектів нелінійної оптики - оптики потужних світлових полів. Він полягає в тому, що дуже короткий і потужний світловий імпульс проходить без ослаблення через середу, яка поглинає безперервне випромінювання або довгі імпульси: непрозора середовище стає для нього прозорою. Самоіндуцірованая прозорість спостерігається в розріджених газах при тривалості імпульсу порядку 10 -7 - 10 -8 с і в конденсованих середовищах - менше 10 -11 c. При цьому виникає запізнювання імпульсу - його групова швидкість сильно зменшується. Вперше цей ефект був продемонстрований Мак-Коллом і Ханом в 1967 році на рубін при температурі 4 К. У 1970 році в парах рубідію були отримані затримки, відповідні швидкостям імпульсу, на три порядки (в 1000 разів) меншим швидкості світла у вакуумі.

Звернемося тепер до унікального експерименту 1999 року. Його здійснили Льон Вестергард ХЕУ, Захарі Даттон, Сайрус Берузі (Роуландовскій інститут) і Стів Харріс (Стенфордський університет). Вони охолодили щільне, що утримується магнітним полем хмара атомів натрію до переходу їх в основний стан - на рівень з найменшою енергією. При цьому виділяли тільки ті атоми, у яких магнітний дипольний момент був направлений протилежно напрямку магнітного поля. Потім дослідники охолодили хмара до температури менше 435 нк (нанокельвінов, тобто 0,000000435 К, майже до абсолютного нуля).

Після цього конденсат висвітлили "сполучною пучком" лінійно поляризованого лазерного світла з частотою, що відповідає енергії його слабкого збудження. Атоми перейшли на більш високий енергетичний рівень і перестали поглинати світло. В результаті конденсат став прозорим для йде слідом лазерного випромінювання. І ось тут з'явилися дуже дивні і незвичайні ефекти. Вимірювання показали, що при певних умовах імпульс, що проходить через бозе-ейнштейнівської конденсат, відчуває затримку, відповідну уповільнення світла більш ніж на сім порядків - в 20 мільйонів разів. Швидкість світлового імпульсу сповільнилася до 17 м / с, а його довжина зменшилася в кілька разів - до 43 мікрометрів.

Дослідники вважають, що, уникнувши лазерного нагріву конденсату, їм вдасться ще сильніше уповільнити світло - можливо, до швидкості декількох сантиметрів в секунду.

Система з такими незвичайними характеристиками дозволить дослідити квантово-оптичні властивості речовини, а також створювати різні пристрої для квантових комп'ютерів майбутнього, скажімо, однофотонні перемикачі.

Тема про те, як виміряти, а також чому дорівнює швидкість світла, цікавила вчених з давніх-давен. Це дуже захоплююча тема, яка споконвіку була об'єктом наукових диспутів. Вважається, що така швидкість є кінцевою, недосяжною і постійною величиною. Вона недосяжна і постійна, як нескінченність. При цьому вона конечна. Виходить цікава фізико-математична головоломка. Існує один з варіантів вирішення цього завдання. Адже швидкість світла все-таки вдалося виміряти.

В античні століття мислителі вважали, що швидкість поширення світла- це величина нескінченна. Першу оцінку цього показника дав в 1676 р Олаф Ремер. За його розрахунками швидкість світла дорівнювала приблизно 220 тисяч км / с. Це було не зовсім точне значення, але близьке до істинного.

Кінцівка і оцінка швидкості світла підтвердилися через півстоліття.

Надалі вченому Физовдалося визначити швидкість світла по часу проходження променем точного відстані.

Він поставив досвід (див. Малюнок), в ході якого від джерела S відходив пучок світла, відбивався дзеркалом 3, переривався зубчастим диском 2 і проходив базу (8 км). Далі він відбивався дзеркалом 1 і повертався до диску. Світло потрапляв в проміжок між зубцями і його можна було спостерігати через окуляр 4. Час проходження променем бази визначалося в залежності від швидкостей обертання диска. Значення, отримане Физо, було таким: з = 313300 км / с.

Швидкість поширення променя в будь-якої певної середовищі менше, ніж ця швидкість в вакуумі. Крім того, для різних речовин цей показник приймає різні значення. Через кілька років Фукозамінив диск на бистровращающєєся дзеркало. Послідовники цих вчених багаторазово використовували їх методи і схеми дослідження.

Лінзи є основою оптичних приладів. Знаєте, як обчислюється? Дізнатися це ви зможете, прочитавши одну з наших статей.

А інформацію про те як налаштувати оптичний приціл, що складається з таких лінз ви зможете знайти. Прочитайте наш матеріал і у вас не залишиться питань по темі.

Чому дорівнює швидкість світла у вакуумі?

Найточніше вимірювання швидкості світла показує цифру 1 079 252 848,8 кілометрів на годину або 299 792 458 м / c. Ця цифра справедлива тільки для умов, що створюються в вакуумі.

Але для вирішення завдань зазвичай застосовують показник 300 000 000 м / c. У вакуумі швидкість світла в планківських одиницях дорівнює 1. Таким чином, енергія світла проходить 1 одиниці планка довжини за 1 одиницю планковского часу. Якщо створюється вакуум в природних умовах, то з такою швидкістю можуть переміщатися рентгенівські промені, світлові хвилі видимого спектру і гравітаційні хвилі.

Існує однозначна думка вчених, що частинки, що мають масу, можуть приймати швидкість, яка максимально наближена до швидкості світла. Але досягти і перевищити показник вони не в змозі. Найбільша швидкість, наближена до швидкості світла, була зафіксована при дослідженні космічних променів і при розгоні деяких частинок в прискорювачах.

Значення швидкості світла в якому-небудь середовищі залежить від показника заломлення цього середовища.

Цей показник може бути різним для різних частот. Точне вимірювання величини має значення для розрахунку інших фізичних параметрів. Наприклад, для з'ясування відстані під час проходження світлових або радіосигналів в оптичній локації, радіолокації, светодальнометріі та інших сферах.

Сучасні вчені застосовують різні методи для визначення швидкості світла. Деякі фахівці використовують астрономічні способи, а також методи вимірювання за допомогою експериментальної техніки. Дуже часто застосовується вдосконалений метод Фізо. При цьому зубчасте колесо замінюють на модулятор світла, який послаблює або перериває пучок світла. Приймачем тут є фотоелектричний помножувач або фотоелемент. Джерелом світла може служити лазер, що допомагає знизити похибку вимірювань. Визначення швидкості світлаза часом проходження бази може проходити прямими або непрямими методами, які також дозволяють отримати точні результати.

За якими формулами обчислюють швидкість світла

1. Швидкість поширення світла у вакуумі - це величина абсолютна. Фізики позначають її буквою «с». Це фундаментальна і постійна величина, яка не залежить від вибору системи звіту і дає характеристику часу і простору в цілому. Вчені припускають, що така швидкість є граничною швидкістю руху частинок.

   Формула швидкості світлав вакуумі:

   з = 3 * 10 ^ 8 = 299792458 м / с

   тут з є показником швидкості світла у вакуумі.

2. Вчені довели, що швидкість світла в повітрімайже збігається зі швидкістю світла у вакуумі. Її можна обчислити за формулою: