Проект "Способы определения скорости света"
проект

Департамент образования и науки

Ханты-Мансийского автономного округа - Югры

Б Ю Д Ж Е Т Н О Е У Ч Р Е Ж Д Е Н И Е

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ

«Ю Г О Р С К И Й П О Л И Т Е Х Н И Ч Е С К И Й К О Л Л Е Д Ж»

(БУ «ЮГОРСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»)

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Специальность 15.01.31 «Мастер контрольно-измерительных приборов
и автоматики»

Учебная дисциплина: Физика

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА

Автор

Пинегин Александр Михайлович                курс                1        гр.        КИП-231

Руководитель

Инна Николаевна Кулаева

К защите                                                        Защита принята с оценкой

_______________________

«____» ____________20___ г.                        «____» ____________20___ г.

Подпись________________                                Подпись_________________

г. Югорск, 2024

Введение

Многим известно, что скорость света - одна из фундаментальных постоянных физических величин, значение которой в различных науках трудно переоценить. В свое время эта физическая постоянная перевернула сложившееся веками представление о мире, породив начало нового раздела физики - релятивисткой механики Эйнштейна, - раздела, изучающего движение тел со скоростью, близкой к скорости света.

Скорость света считалась самой большой скоростью во Вселенной. За каждую секунду свет преодолевает расстояние, примерно равное 300 000 км! Эйнштейн, формулируя постулаты специальной теории относительности, обнаружил, что при достижении физическим телом скорости света время останавливается, а линейные размеры тела становятся равными нулю.

Исследователи разных времен, ставившие целью измерение скорости света, сталкивались с проблемой практического характера – эта величина настолько велика, что измерить ее в лабораторных условиях с использованием традиционных методов измерения скорости равномерного движения невозможно. Истории известны несколько фундаментальных опытов, которые позволили определить искомое значение, но все они достаточно сложны в реализации.

Цель исследования:  найти способ измерения скорости света в «домашних» условиях и определение степени достоверности полученных данных.

Для достижения поставленной цели в ходе исследования были решены следующие задачи: 

- проанализировать литературу на предмет выявления способов измерения скорости света;

- найти способ измерения скорости света с использованием доступного оборудования;

- провести измерение скорости света и сравнить полученное значение с табличной величиной;

- сделать  выводы.

Объект исследования:  электромагнитные волны.

Предмет исследования: скорость света.

Для достижения поставленной цели в ходе исследования были решены следующие задачи: 

- проанализировать литературу на предмет выявления способов измерения скорости света;

- найти способ измерения скорости света с использованием доступного оборудования;

- провести измерение скорости света и сравнить полученное значение с табличной величиной;

- сделать  выводы.

Гипотеза: если измерить скорость света в домашних условиях с помощью микроволновой печи, то можно получить достаточно точное значение этой величины.        

Методы исследования: теоретический анализ литературы, анализ  и  синтез, моделирование и эксперимент, измерение, сравнительный и поисковый методы.

Глава 1 Скорость света – что это такое?

1. Скорость света – что это такое?

           Скорость света в вакууме абсолютная величина скорости 

распространения электромагнитных волн, в точности равная 299 792 458 м/с (или приблизительно 3×108 м/с).

            Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства геометрии пространства-времени в целом[3]. Из постулата причинности (любое событие может оказывать влияние только на события, происходящие позже него, и не может оказывать влияние на события, произошедшие раньше него) и постулата специальной теории относительности о независимости скорости света в вакууме от выбора инерциальной системы отсчёта (скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга) следует, что скорость любого сигнала и элементарной частицы не может превышать скорость света. Таким образом, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

        Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше. Отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в среде называется показателем преломления среды. Если угловая частота волны в среде зависит от волнового числа нелинейным образом, то групповая скорость равняется первой производной, в отличие от фазовой скорости.

Групповая скорость света определяется как скорость распространения биений между двумя волнами с близкой частотой и в равновесной среде всегда меньше. Однако в неравновесных средах, например, сильно поглощающих, она может превышать. При этом, однако, передний фронт импульса всё равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

          Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году.

На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч. Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды.

1.2 История измерения скорости света

Скорость света – это абсолютная величина скорости, с которой распространяются в вакууме электромагнитные волны. Скорость света относится к фундаментальным физическим величинам, т.е. она характеризует не отдельные свойства тела (или поля), а свойства пространства – времени в целом.

Долгое время скорость света являлась предельно возможной (это так же является одним из постулатов специальной теории относительности Эйнштейна), но после эксперимента, проведенного учеными швейцарского Центра ядерных исследований 21 сентября 2011 года, эта аксиома была опровергнута. Оказалось, что одна из фундаментальных частиц – нейтрино – может двигаться со сверхсветовой скоростью. [5]

Попытки измерить скорость света предпринимались издавна, но исследователи постоянно терпели неудачи. Связано это с тем, что свет в вакууме движется с непостижимой скоростью, равной примерно 300 000 км/с. Ученые же, не предполагая масштаба величины, использовали традиционный метод – пытались измерить время, за которое световой луч пройдет определенное расстояние.

Одну из первых попыток предпринял Галилео Галилей. Заключалась она в следующем: два наблюдателя с фонарями располагались на вершинах двух соседних холмов, на расстоянии полутора километров друг от друга. Первый наблюдатель подавал сигнал второму, который, увидев свет, посылал сигнал своим фонарем обратно. Промежуток времени между приемом и посылом сигнала измерялся по числу ударов пульса экспериментаторов. Время получалось слишком малым, и, по мнению Галилея, связано оно не со скоростью света, а со скоростью реакции нервной и мышечной систем человека. Был сделан вывод о том, что свет распространяется с мгновенной скоростью. В доказательство приводился факт отсутствия задержки при движении земной тени по Луне во время лунного затмения. Всё это явилось подтверждением предположения, выдвинутого еще Аристотелем: скорость света бесконечно велика. Этой же точки зрения придерживались такие именитые ученые, как Иоганн Кеплер и Рене Декарт.

И только Роберт Бойль, знаменитый ирландский ученый, и Роберт Гук, полагали, что скорость света конечна и настолько велика, что экспериментально определить ее значение невозможно.

Спустя некоторое время Галилео Галилей предложил метод определения времени суток и долготы, основанный на времени затмения спутников Юпитера. То есть система Юпитера использовалась как космические часы. Этот метод существенно не улучшился, пока не были разработаны в восемнадцатом веке точные механические часы. Галилей предложил этот метод испанской короне, но он оказался непрактичным из-за неточности расписания затмений и в трудности наблюдения за ними на корабле.

Позже итальянско-французский астроном Джованни Доменико Кассини и датский ученый, астроном Оле Кристенсен Рёмер использовали метод Галилея в своих экспериментах.

Кассини, наблюдая спутники Юпитера (между 1666 и 1668гг.), обнаружил несоответствия в измерениях и объяснил это конечностью скорости света.

После учебы в Копенгагене в 1671 году, Рёмер занимался астрономическими наблюдениями в обсерватории "Ураниенборг", на острове Вен (там же Кассини проводил свои наблюдения).

В 1672 году Рёмер отправился в Париж и продолжил наблюдения спутников Юпитера, став помощником Кассини. Рёмер заметил, что время между затмениями спутников Юпитера (в частности Ио) становилось короче, когда Земля и Юпитер сближались, и длиннее, когда Земля удалялась от Юпитера.

Кассини опубликовал короткие статьи в августе 1675, где он заявил: «Это неравенство возникает под воздействием света, которому необходимо какое-то время чтобы от спутника дойти до наблюдателя. Свет тратит около 10 мин 50 с, чтобы пересечь расстояние, равное половине диаметра земной орбиты».

Получить значение скорости света Рёмеру удалось в 1676 году. Проводя наблюдения за затмениями Ио, он видел, как спутник проходил перед планетой, а затем погружался в её тень и пропадал из поля зрения. Затем он появлялся снова, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 часа 28 минут. Таким образом, эта «луна» представляла собой громадные небесные часы, через равные промежутки времени посылавшие свои сигналы на Землю.

Вначале измерения проводились в то время, когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру [см. Приложение 1, 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 минуты по сравнению с моментом времени, который можно рассчитать на основании знания периода обращения Ио. Разделив радиус орбиты земли на время опоздания спутника, Рёмер получил значение скорости света.

Его открытие было представлено во Французскую академию наук и обобщено. Вскоре после того, в короткой статье, он заявил, что «…для преодоления расстояния около 3000 лиг, близкого к величине диаметра Земли, свету нужно не одну секунду времени…».

В лабораторных условиях первый опыт по измерению скорости света проделал французский физик Арман Ипполит Луи Физо в 1849 году.

Основные исследования Физо посвящены оптике. В 1844–1847 вместе с Ж.Фуко он наблюдал интерференцию при большой разности хода, используя монохроматическое излучение.

Арман Физо провел этот опыт с использованием метода вращающегося затвора [см. Приложение 1, рис. 2]. В его установке узкий луч света разбивался на импульсы, проходя сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. Импульсы попадали на зеркало, расположенное на расстоянии L = 8,66 км от источника и ориентированное перпендикулярно ходу луча. Экспериментатор, изменяя скорость вращения колеса, добивался того, чтобы отраженный свет попадал в промежуток между зубцами. На диске Физо было 720 выступов. Зная величину расстояния между зубцами и скорости вращения колеса, при которой свет попадает в следующий промежуток, можно рассчитать значение скорости света. Его результат для скорости света составил 313 247 304 м/с, что примерно на 20% больше сегодняшнего значения.

При увеличении частоты ускоряется мерцание света в окуляре. При частоте 0,08 Гц свет в окуляре пропадает совсем. Затем, при дальнейшем увеличении частоты интенсивность света начинает нарастать, достигая начального значения при частоте 0,04 Гц. Затем все повторяется при более высоких частотах.

Эксперимент с моделью можно проводить в двух вариантах, добиваясь либо исчезновения света в окуляре, либо его максимальной светимости.

Способы измерения скорости света, перечисленные выше, обладают одним общим свойством – сложностью проведения, что делает их повторение в домашних условиях невозможным. Оказывается, можно упростить проведение эксперимента, используя устройство, которое можно найти на любой кухне – микроволновую печь.

Глава 2: Измерение скорости света в «домашних» условиях.

2.1 Электромагнитные волны и микроволновая печь

Микроволны являются одной из форм электромагнитной энергии, как и световые волны или радиоволны, и распространяются они, согласно предположению Максвелла, с конечной скоростью, равной скорости света.

В современной технике микроволны используются в микроволновой печи, для междугородной и международной телефонной связи, передачи телевизионных программ, работы Интернета на Земле и через спутники. Но микроволны наиболее известны нам в качестве источника энергии для приготовления пищи – микроволновая печь.

Каждая микроволновая печь содержит магнетрон, который преобразует электрическую энергию в сверхвысокочастотное электрическое поле частотой 2450 мегагерц (МГц), которое и взаимодействует с молекулами воды в пище. Микроволны «бомбят» молекулы воды в пище, заставляя их вращаться с частотой в миллиарды раз в секунду, создавая межмолекулярное трение, которое и нагревает еду. Волна идет от одной стенки печи к другой, отражается и идет обратно, интерферирует сама с собой, и возникают так называемые стоячие волны. В них чередуются пики и спады, и именно в пиках нагревается еда, а в спадах остается холодной.

В микроволновой печи имеется специальная вращающаяся подставка, она сделана для того, чтобы пища разогревалась равномерно. В точках, где волны в печи интерферируют (складываются), образуются так называемые «горячие зоны» [см. Приложение 1, рис. 3]. Если бы вращающейся подставки не было, часть пищи попадала бы в горячую зону, а часть в холодную. Убрав подставку можно вычислить горячие зоны. Расстояние между двумя соседними интерференционными максимумами равно половине длины электромагнитной волны, тогда длина волны будет равна расстоянию между «горячими зонами» умноженному на два. Если измерить линейкой расстояние между «горячими зонами», то, умножив это значение на два, можно получить значение длины электромагнитной волны.

Длина волны , её частота  и скорость распространения  связаны между собой простой формулой:

.

Выразив отсюда величину скорости света, получим формулу:

Таким образом, для измерения скорости света необходимо измерить длину электромагнитной волны и её частоту.

2.2 Измерение скорости света в микроволновой печи

Исходя из приведенных в предыдущей главе рассуждений, для измерения скорости света в домашних условиях необходимы микроволновая печь и линейка. Для расчета скорости света достаточно получить значения длины электромагнитной волны (которая связана с расстоянием между «горячими зонами») и её частоты.

Для эксперимента мы использовали микроволновую печь Panasonic NN-GT548M, работающей с мощностью 1000 Вт и генерирующую электромагнитные волны с частотой 2450 МГц (указаны эти данные в руководстве к устройству и на его оборотной стороне).

Для обнаружения «горячих зон» нами был использован сырой яичный желток, равномерно нанесенный на тарелку. Изначально нами были предприняты попытки использовать различные пищевые продукты для обнаружения «горячих зон»: шоколад, яичный белок, сливочное масло. Но четкого однозначного положения «горячих зон» с этими материалами достигнуть не удалось – шоколад и масло при плавлении образовывали сплошную жидкую субстанцию, а яичный белок вспенивался, и, из-за резкого расширения воздуха в получаемых пузырях, взрывался даже с учетом небольшого времени работы печи Предварительно мы удалили из микроволновой печи вращающийся поддон, который используется для равномерного нагревания пищи. Это необходимо для того, чтобы получить фиксированное положение «горячих зон». Включив печь с находящейся внутри неподвижной тарелкой с яичным желтком на 12 секунд на полной мощности, мы получили картину расположения «горячих зон» [см. Приложение 1, рис. 4]. Поскольку тарелка не вращалась, микроволны распределились неравномерно, и, в так называемых «горячих зонах», подвергшихся наиболее интенсивному облучению, яичный желток запекся наиболее сильно. Измерив расстояние между «горячими зонами», нашли длину волны:  = 0,122 м Используя информацию о генерируемой частоте электромагнитных колебаний, полученную при изучении технических характеристик микроволновой печи, рассчитаем значение скорости света:  Сравнив табличное значение скорости света , с полученным в ходе эксперимента, определили, что отклонение составило всего 0,3%. Погрешность связана с неточностями измерения длины волны.

2.3 Измерение скорости света методом «Галилея».

Попробуем определить скорость света методом «Галилея», описанном в пункте 1.2.  Выбираем открытую большую поляну.  По краю поляны выбираем деревья так, чтобы обзор был открытым хотя бы с одной стороны и было видно последнее отмеченное дерево. Деревья отмечаем малярным скотчем. Отмеченные деревья должны образовывать круг.  С помощью лазерного дальномера измеряем расстояние между деревьями. Периметр многоугольника (в вершинах его находились деревья) оказался равен 3134 м.  На эти же деревья закрепил зеркала, так чтобы луч отражался от них и шел к следующему дереву.  Но лучик от фонарика шел по кругу и приходил мгновенно. Основная проблема оказалась со счетом времени. Секундомер на телефоне измеряет только сотые доли секунды.  Засечь время получалось только с большой погрешностью.  Всего 0,01 секунды.  В результате с=s\t= 313400 м/с.  Данный результат говорит об очень большой погрешности:

1. При измерении дальномером я не учитывал угол наклона луча, просто промерил расстояние от дерева до дерева.  А зеркала прикреплял под углом, чтобы отразившийся луч шел к следующему дереву.  
2. Нужен более точный секундомер, который измеряет тысячные и более мелкие доли секунды.

Измерение скорости света методом «Галилея» имеет очень большую погрешность.

Заключение

Анализируя опыт ученых, занимавшихся измерением скорости света, мы пришли к выводу о том, что, возможно, взялись за непосильную задачу – подтверждение табличного значения, которое предполагало проведение своего собственного эксперимента. Но, учитывая, что со времен измерения скорости света О. Рёмером и А. Физо прошло уже более трехсот лет, за которые научно – технических прогресс полностью изменил общество, подчинив многие законы природы и заставив их работать на благо человечества, дав нам такие приборы, как мобильный телефон, микроволновая печь и телевизионный приемник, сложная задача получила неожиданно простое решение.

Основываясь на механизме работы микроволновой печи, продуцирующей электромагнитные волны, к которым относится так же и свет, удалось провести измерение скорости их распространения. Судя по полученным данным, отклонение в значении скорости света, которое удалось измерить в ходе нашего эксперимента, незначительное, если сравнивать его с табличным значением. При этом сам способ измерения настолько прост, что его может реализовать любой школьник.

Если до этого момента на уроках физики ученикам приходилось принимать на веру значение скорости света, то сейчас можно в ходе простого домашнего эксперимента это значение подтвердить.

Достигнутый результат вдохновляет на новые поиски. В истории физики известно большое количество фундаментальных опытов, таких, как например, измерение гравитационной и электрической постоянных, универсальной газовой постоянной и других. Ставя цели на будущее, мы хотим продолжить поиски простых современных средств для повторения этих экспериментов. Ведь, как говорил советский физик Петр Леонидович Капица, «…чем фундаментальнее закономерность, тем проще ее можно сформулировать».

Список используемых источников

1. Альтман Дж.Л. Устройства сверхвысоких частот: учеб. пособие ; пер. с англ. / Дж. Л. Альтман ; под ред. И.В. Лебедева. - М. : Мир, 1968. - 487 с. : ил.
2. Володько, А.В.  Краснов, Р.П.  Юдин В.И. Электромагнитные поля и волны. Воронеж: изд-во «Междунар. ин-т. компьют. технологий», 2008.- 173 с.
3. Литвинов, О.С., Горелик, В.С.  Электромагнитные волны и оптика. М.: изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. – 448 с.
4. Материалы конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», М.: Вебер, 2008. - 939
5. Мякишев Г.Я. Физика: учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Чаругин В.М. 19-е изд. – М.: Просвещение, 2010. – 399 с.
6. Шварцбург А.Б. Туннелирование электромагнитных волн — парадоксы и перспективы // УФН, т. 177, вып. 1, стр. 43 (январь 2007).
7. Ещё раз о постоянстве скорости света [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - портал «www.elementy.ru» Режим доступа: http://elementy.ru/lib/431403
8. Квотека. Сборник цитат и афоризмов [Электронный ресурс]. - №608 от 15.01.2013 г. - Справочно - информационный интернет – портал «www.quoteka.org» Режим доступа: http://quoteka.org/chem-fundamental-nee-zakonomernost-tem-proshhe-eyo-mozhno/
9. Можно ли превысить скорость света и нарушить классические теории науки [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - портал «www.techjurnal.info»  Режим доступа: http://techjurnal.info/nauka/mozhno-li-prevysit-skorost-sveta-i-narushit-klassicheskie-teorii-nauki.html
10. Научный журнал Science опубликовал мнение ученых о превышении нейтрино скорости света [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - портал «www.hep.by» Режим доступа: http://www.hep.by/2012/11/16/nauchnyj-zhurnal-science-opublikoval-mnenie-uchenyx-o-prevyshenii-nejtrino-skorosti-sveta/
11. Чему равна скорость света. Формулы для определения скорости света [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - портал «www.lifeandlight.ru» Режим доступа: http://lifeandlight.ru/istochniki-sveta/optika/chemu-ravna-skorost-sveta.html
12. Шумиха по поводу преодоления скорости света не имеет под собой научных оснований. [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - портал «www.elementy.ru» Режим доступа: http://elementy.ru/news/430574