"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Скорость света показывает, какое расстояние свет проходит за единицу времени. Её конечность обнаружили по задержке астрономических сигналов, а затем измерили в лаборатории. Методы Рёмера, Физо и Фуко основаны на разных наблюдениях, но дают близкие результаты. В вакууме скорость света обозначают c; её значение — примерно 3·10⁸ м/с. Это число нужно для расчётов в оптике, астрономии и физике электромагнитных волн.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Скорость света — скорость, с которой свет распространяется в пространстве. В вакууме её обозначают буквой c, и она составляет приблизительно 3·10⁸ м/с. Это означает, что за одну секунду свет проходит около трёхсот миллионов метров. Зная скорость, можно связать путь светового сигнала со временем его распространения.
Метод Рёмера — астрономический способ определения скорости света по запаздыванию затмений спутника Юпитера. Рёмер сравнивал наблюдаемые моменты затмений с ожидаемыми и заметил, что они не всегда совпадают. Такой способ позволил судить о времени движения света на огромном расстоянии, которое нельзя воспроизвести в лаборатории.
Метод Физо — лабораторный способ измерения скорости света с помощью вращающегося зубчатого колеса. Колесо то пропускает луч через щель, то закрывает его зубцом, а отражённый от зеркала свет возвращается к колесу. По скорости вращения и расстоянию до зеркала находят, сколько времени занял путь света.
Метод Фуко — способ измерения скорости света с помощью вращающегося зеркала. За время движения света зеркало успевает немного повернуться, поэтому направление вернувшегося луча меняется. Измерив это изменение и скорость вращения зеркала, можно оценить время полёта света и его скорость.
Если бы свет распространялся мгновенно, изменение расстояния до источника не вызывало бы задержки сигнала. Но свету нужно время, чтобы пройти любой путь, поэтому наблюдатель получает его не сразу после события. Это особенно заметно в астрономии: даже при очень большой скорости света расстояния между небесными телами огромны.
Рёмер следил за затмениями Ио — спутника Юпитера, который периодически скрывается за планетой. Когда Земля удалялась от Юпитера, свету требовалось пройти всё более длинный путь, и затмения наблюдались позже ожидаемого. При сближении Земли и Юпитера задержка уменьшалась. Систематическое изменение времени наблюдений объяснялось не непостоянством движения спутника, а временем распространения света.
Чтобы оценить скорость, сравнивают задержки при разных положениях Земли и Юпитера. Если за промежуток наблюдений путь света увеличился на Δs, а задержка выросла на Δt, то скорость можно оценить как c ≈ Δs/Δt. Важно брать именно изменение пути, соответствующее дополнительной задержке, а не полное расстояние до Юпитера. Чем точнее измерены эти величины, тем надёжнее оценка.
В опыте Физо свет проходит через щель между зубцами колеса и направляется к зеркалу, а затем возвращается к колесу. Пока луч находится в пути, колесо вращается. При подходящей скорости вращения возвращённый свет вместо исходной щели встречает соседний зубец и перекрывается. Зная расстояние до зеркала и время, за которое колесо поворачивается от щели к зубцу, находят скорость света по пути туда и обратно.
В методе Фуко вращается не зубчатое колесо, а зеркало, отражающее свет. За время полёта к удалённому отражателю и обратно зеркало меняет положение, поэтому вернувшийся луч оказывается слегка смещён. По величине смещения и известной скорости вращения находят время прохождения измерительного пути. Оба лабораторных метода измеряют короткие интервалы времени на конечном расстоянии, тогда как Рёмер использовал астрономические наблюдения на масштабе орбит.
Разные методы основаны на независимых эффектах: задержке астрономических сигналов, прерывании луча колесом и повороте зеркала. Их результаты сблизились по мере того, как точнее стали измерения времени и расстояния. Современное значение скорости света в вакууме — ровно 299 792 458 м/с. Единица скорости — метр в секунду, а приближённое значение для большинства школьных расчётов записывают как 3·10⁸ м/с.
| Способ | Где проводится | Что наблюдают | Как находят скорость света |
|---|---|---|---|
| Метод Рёмера | В астрономических наблюдениях | Изменение задержки затмений спутника Юпитера | Изменение пути делят на изменение задержки |
| Метод Физо | В лаборатории | Перекрытие возвращённого луча зубцом колеса | Путь туда и обратно делят на время поворота колеса |
| Метод Фуко | В лаборатории | Смещение луча после отражения от вращающегося зеркала | По повороту зеркала находят время полёта, затем скорость |
Сравнивайте не только место проведения опытов, но и то, какую величину наблюдают непосредственно. В каждом случае скорость получают, связывая известный путь с определённым временем. Для методов с отражением света в путь обязательно включают участок от прибора до зеркала и обратно.
Задача 1. Световой сигнал прошёл в вакууме расстояние 3,0·10⁸ м. Нужно определить время его движения. Используем формулу связи пути, скорости и времени: t = s/c.
Ответ: сигнал прошёл заданный путь примерно за 1,0 с. Степени десяти сокращаются, а метры делятся на метры в секунду, поэтому результат выражается в секундах.
Задача 2. Свет от спутника Юпитера приходит с задержкой 16,7 мин, когда расстояние увеличилось на 3,0·10¹¹ м. Требуется оценить скорость света. Здесь изменение расстояния связано с дополнительной задержкой, поэтому применяем c ≈ Δs/Δt.
Ответ: скорость света составляет приблизительно 3,0·10⁸ м/с. В расчёт берётся увеличение пути, а не всё расстояние от Земли до Юпитера.
Задача 3. В опыте Физо расстояние до зеркала равно 8,6 км, колесо с 720 зубцами вращается со скоростью 12,6 об/с. За время пути света колесо поворачивается от щели к соседнему зубцу. Найдём время такого поворота и разделим двойное расстояние до зеркала на это время.
Ответ: оценка скорости света — около 3,1·10⁸ м/с. Небольшое отличие от принятого значения связано с округлением и точностью заданных величин.
Считать, что свет распространяется мгновенно, — значит не учитывать измеримую задержку прихода сигнала. Так ошибаются, потому что в обычных условиях свет кажется появляющимся сразу после включения источника. Проверка простая: если источник далеко, сигналу требуется заметное время, а в опыте Рёмера задержка систематически менялась вместе с расстоянием.
В методе Рёмера нельзя подставлять полное расстояние от Земли до Юпитера вместо его изменения, связанного с задержкой. Такая подстановка смешивает весь путь сигнала с той его добавкой, которая объясняет разницу времени наблюдений. Перед вычислением проверьте, что Δs относится именно к изменению пути, а Δt — к соответствующему изменению задержки.
В опыте Физо иногда учитывают только расстояние от колеса до зеркала. Ошибка возникает, если забыть, что измеряемый луч после отражения возвращается к колесу. Для самопроверки проследите весь путь луча и запишите s = 2L, где L — расстояние до зеркала.
Нельзя смешивать скорость света в вакууме со скоростью в веществе или оставлять значение c без единиц. В среде свет обычно движется медленнее, поэтому указание условий измерения имеет смысл. Проверяйте, что для c записаны м/с и что речь идёт о вакууме, если используете значение около 3·10⁸ м/с.
Чтобы разбирать измерения, нужны понятия пути, скорости и времени: s = vt, v = s/t. В задачах о задержках важно уметь переводить минуты в секунды и согласовывать единицы величин. Тема связана с астрономическими наблюдениями и распространением электромагнитных волн: свет — один из их видов. Значение c используют в оптике, специальной теории относительности и при расчёте времени передачи сигналов.
Почему скорость света нельзя измерить, просто засёкши время его движения на коротком расстоянии?
За короткое время свет успевает пройти расстояние, которое трудно измерить обычными приборами. Например, 1 м в вакууме он проходит примерно за 3,3 нс — это миллиардные доли секунды. Поэтому нужны точные приборы или способы, которые увеличивают измеряемую задержку.
Как Рёмер понял, что свет распространяется не мгновенно?
Он сравнивал моменты затмений Ио, спутника Юпитера, с их предсказанным расписанием. Когда Земля удалялась от Юпитера, затмения наблюдались с запаздыванием, а при сближении задержка уменьшалась. Это можно объяснить тем, что свету требуется время, чтобы пройти меняющееся расстояние.
Почему в опыте Физо свет проходит путь до зеркала и обратно?
Зубчатое колесо прерывает луч, который направляют на удалённое зеркало. Отразившись, свет возвращается к колесу и проходит через щель либо перекрывается зубцом. Поэтому время распространения соответствует пути от колеса до зеркала и обратно.
Чем метод Фуко отличается от метода Физо?
В методе Физо луч прерывает вращающееся зубчатое колесо, а в методе Фуко направление луча изменяет вращающееся зеркало. По смещению возвращённого луча в опыте Фуко определяют, насколько зеркало успело повернуться за время полёта света. Оба метода лабораторные, но наблюдаемый эффект у них разный.
Одинакова ли скорость света в вакууме и в веществе?
Нет. В прозрачном веществе свет обычно распространяется медленнее, чем в вакууме. Обозначение c и значение около 3·10⁸ м/с относятся именно к скорости света в вакууме.
§ 59. Скорость света
