Скорость света в воде и в воздухе: Абсолютный показатель преломления воды 1,33. Какова скорость света в воде? Скорость света в воздухе с = 3 • 10^8 м/с.

Скорость распространения света в среде формула. Замедленный свет. Скорость света в среде. См. в номере на ту же тему

Несмотря на то что в обычной жизни рассчитывать скорость света нам не приходится, многих эта величина интересует с детского возраста.

Наблюдая за молнией во время грозы, наверняка каждый ребенок пытался понять, с чем связана задержка между ее вспышкой и громовыми раскатами. Очевидно, что свет и звук имеют разную скорость. Почему так происходит? Что такое скорость света и каким образом ее можно измерить?

В науке скоростью света называют быстроту перемещения лучей в воздушном пространстве или вакууме. Свет – это электромагнитное излучение, которое воспринимает глаз человека. Он способен передвигаться в любой среде, что оказывает прямое влияние на его скорость.

Попытки измерить эту величину предпринимались с давних времен. Ученые античной эпохи полагали, что скорость света является бесконечной. Такое же мнение высказывали и физики XVI–XVII веков, хотя уже тогда некоторые исследователи, такие как Роберт Гук и Галилео Галлилей, допускали конечность .

Серьезный прорыв в изучении скорости света произошел благодаря датскому астроному Олафу Ремеру, который первым обратил внимание на запаздывание затмения спутника Юпитера Ио по сравнению с первичными расчетами.

Тогда ученый определил примерное значение скорости, равное 220 тысячам метров в секунду. Более точно эту величину сумел вычислить британский астроном Джеймс Бредли, хотя и он слегка ошибся в расчетах.

В дальнейшем попытки рассчитать реальную скорость света предпринимали ученые из разных стран. Однако только в начале 1970-х годов с появлением лазеров и мазеров, имевших стабильную частоту излучения, исследователям удалось сделать точный расчет, а в 1983 году за основу было принято современное значение с корреляцией на относительную погрешность.

Если говорить простым языком, скорость света – это время, за которое солнечный луч преодолевает определенное расстояние. В качестве единицы времени принято использовать секунду, в качестве расстояния – метр. С точки зрения физики свет – это уникальное явление, имеющее в конкретной среде постоянную скорость.

Предположим, человек бежит со скоростью 25 км/час и пытается догнать автомобиль, который едет со скоростью 26 км/час. Выходит, что машина движется на 1 км/час быстрее бегуна. Со светом всё обстоит иначе. Независимо от быстроты передвижения автомобиля и человека, луч всегда будет передвигаться относительно них с неизменной скоростью.

Скорость света во многом зависит от вещества, в котором распространяются лучи. В вакууме она имеет постоянное значение, а вот в прозрачной среде может иметь различные показатели.

В воздухе или воде ее величина всегда меньше, чем в вакууме. К примеру, в реках и океанах скорость света составляет порядка ¾ от скорости в космосе, а в воздухе при давлении в 1 атмосферу – на 2 % меньше, чем в вакууме.

Подобное явление объясняется поглощением лучей в прозрачном пространстве и их повторным излучением заряженными частицами. Эффект называют рефракцией и активно используют при изготовлении телескопов, биноклей и другой оптической техники.

Если рассматривать конкретные вещества, то в дистиллированной воде скорость света составляет 226 тысяч километров в секунду, в оптическом стекле – около 196 тысяч километров в секунду.

В вакууме скорость света в секунду имеет постоянное значение в 299 792 458 метров, то есть немногим больше 299 тысяч километров. В современном представлении она является предельной. Иными словами, никакая частица, никакое небесное тело не способны достичь той скорости, какую развивает свет в космическом пространстве.

Даже если предположить, что появится Супермен, который будет лететь с огромной скоростью, луч все равно будет убегать от него с большей быстротой.

Хотя скорость света является максимально достижимой в вакуумном пространстве, считается, что существуют объекты, которые движутся быстрее.

На такое способны, к примеру, солнечные зайчики, тень или фазы колебания в волнах, но с одной оговоркой – даже если они разовьют сверхскорость, энергия и информация будут передаваться в направлении, которое не совпадает направлением их движения.

Что касается прозрачной среды, то на Земле существуют объекты, которые вполне способны двигаться быстрее света. К примеру, если луч, проходящий через стекло, замедляет свою скорость, то электроны не ограничены в быстроте передвижения, поэтому при прохождении через стеклянные поверхности могут перемещаться быстрее света.

Такое явление называется эффект Вавилова – Черенкова и чаще всего наблюдается в ядерных реакторах или в глубинах океанов.

В 1676 датский астроном Оле Рёмер сделал первую грубую оценку скорости света. Рёмер заметил слабое расхождение в продолжительности затмений спутников Юпитера и сделал вывод, что движение Земли, либо приближающейся к Юпитеру, либо удаляющейся от него, изменяло расстояние, которое приходилось проходить свету, отраженному от спутников.

Измерив величину этого расхождения, Рёмер подсчитал, что скорость света составляет 219911 километров в секунду. В более позднем эксперименте в 1849 году французский физик Арман Физо получил, что скорость света равна 312873 километрам в секунду.

Как показано на рисунке вверху, экспериментальная установка Физо состояла из источника света, полупрозрачного зеркала, которое отражает только половину падающего на него света, позволяя остальному проходить дальше вращающегося зубчатого колеса и неподвижного зеркала. Когда свет попадал на полупрозрачное зеркало, он отражался на зубчатое колесо, которое разделяло свет на пучки. Пройдя через систему фокусирующих линз, каждый световой пучок отражался от неподвижного зеркала и возвращался назад к зубчатому колесу. Проведя точные измерения скорости вращения, при которой зубчатое колесо блокировало отраженные пучки, Физо смог вычислить скорость света. Его коллега Жан Фуко год спустя усовершенствовал этот метод и получил, что скорость света составляет 297 878 километров в секунду. Это значение мало отличается от современной величины 299 792 километров в секунду, которая вычисляется путем перемножения длины волны и частоты лазерного излучения.

Эксперимент Физо

Как показано на рисунках вверху, свет проходит вперед и возвращается назад через один и тот же промежуток между зубцами колеса в том случае, если оно вращается медленно (нижний рисунок). Если колесо вращается быстро (верхний рисунок), соседний зубец блокирует возвращающийся свет.

Результаты Физо

Разместив зеркало на расстоянии 8,64 километра от зубчатого колеса, Физо определил, что скорость вращения зубчатого колеса, необходимая для блокирования возвращающегося светового пучка, составляла 12,6 оборотов в секунду. Зная эти цифры, а также расстояние, пройденное светом, и расстояние, которое должно было пройти зубчатое колесо, чтобы блокировать световой пучок (равное ширине промежутка между зубцами колеса), он вычислил, что световому пучку потребовалось 0,000055 секунды на то, чтобы пройти расстояние от зубчатого колеса к зеркалу и обратно. Разделив на это время общее расстояние 17,28 километра, пройденное светом, Физо получил для его скорости значение 312873 километра в секунду.

Эксперимент Фуко

В 1850 году французский физик Жан Фуко усовершенствовал технику Физо, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Свет из источника доходил до наблюдателя только в том случае, когда зеркало совершало полный оборот на 360° за промежуток времени между отправлением и возвращением светового луча. Используя этот метод, Фуко получил для скорости света значение 297878 километров в секунду.

Финальный аккорд в измерениях скорости света.

Изобретение лазеров дало возможность физикам измерить скорость света с гораздо большей точностью, чем когда либо раньше. В 1972 году ученые из Национального института стандартов и технологии тщательно измерили длину волны и частоту лазерного луча и зафиксировали скорость света, произведение этих двух переменных, на величине 299792458 метров в секунду (186282 мили в секунду). Одним из последствий этого нового измерения было решение Генеральной конференции мер и весов принять в качестве эталонного метра (3,3 фута) расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 секунды. Таким образом/скорость света, наиболее важная фундаментальная постоянная в физике, сейчас вычисляется с очень высокой достоверностью, а эталонный метр может быть определен гораздо более точно, чем когда-либо ранее.

Так к слову. Скорость света в вакууме и скорость света в другой среде могут отличаться кардинально. Например в Америке (к сожалению не помню в какай лаборатории) смогли замедлить свет практически до полной его остановки.

А вот больше чем 1/299792458 секунды свет скорость развить не может, т.к. свет это обычная электромагнитная волна (такая же как рентген или тепло и радиоволны), отличается только длина волны, частота, то в современном представлении это волна в расслоенном пространстве-времени, и при квантовании этой волны мы получаем фотон (квант света). Это безмассовая частица, соответственно для фотона не существует времени. Это значит, для фотона который родился миллиарды лет назад (относительно сегодняшнего наблюдателя) вообще не прошло ни сколько времени. По формуле Е=МС2 (масса эквивалентна энергии) скорость света можно рассмотреть как постулат, получается что если разогнать частицу с не нулевой массой (например Электрон) до скорости света, то в нее надо вкачать безконечное число энергии, что физически не возможно. из этого следует, что скорость безмассового фатона 1/299792458 секунды (скорость света) это максимальная скорость в нашей видимой вселенной.

Скорость света по определению
равна 299 792 458 м/с.

Современная тенденция — определение эталонов физических единиц на основе фундаментальных физических констант и высокостабильных природных процессов. Именоо поэтому основная физическая величина — время (определяемое через частоту), потому что технически максимальная стабильность (следовательно, и точность) достигается именно в эталоне частоты. Поэтому и другие единицы измерения стараются привести к частоте и фундументальным постоянным. И поэтому же метр, как единицу дины, определили через частоту, как наиболее точно фиксируемую величину, и фундаментальную постоянную — скорость света.

Мелкое замечание: определение метра и эталон метра — это разные вещи. Определение
метра — это расстояние, которое свет прохождит за 1/299792458 секунды. А эталон
метра — это некоторое техничекое устройство, конструкция которого может быть основана и на других вещах.

Для более простого понимания, скорость света можно считать 300 000 км в секунду. Для сравнения: Длина экватора земли 40 000 км, то есть за секунду свет может облететь вокруг земли, даже по линии экватора, более 7 раз. Это очень огромная скорость. Люди добились максимальной скорости скорости всего в 2-3 раза превышающей скорость звука, то есть около 3 — 4 тысяч километров в час, или около 1 км в секунду. Вот что такое скорость света в сравнении с существующими технологиями человечества.

Самая точная скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/c или 1 079 252 848,8 километров в час.На основе эталонного метра было проведено в 1975 году.

По википедии скорость света-это

299 792 458 м/c — это скорость света в вакууме. Для удобства в решении задач используют цифру 300 000 000 м/c.Скорость света в вакууме определяется по формуле:

Если же говорить о скорости света в какой-либо среде,то

Скорость света в воздухе почти равна скорости света в вакууме.

А вот уже в воде она примерно на 25% меньше, чем в воздухе.

Сейчас, в наше время, имея под рукой компьютер и интернет, не проблема узнать какая скорость света, так как это открытая информация и это значение следующие:

299 792 458 метров в секунду.

Узнав такие данные очевидно можно быть немного шокированным, ведь действительно это огромная скорость, которой пока нет равных, да и вряд ли удастся ее превзойти.

Вот тут еще занимательная табличка и интересными данными:

В 1975 году было произведено величайшее открытие, а именно измерена скорость света, которая составляет:

Для более наглядного понимания предлагаю взглянуть на рисунок.

Солнечному свету требуется около 8 минут 19 секунд, чтобы достигнуть Земли.

В ниже представленном видео-ролике постарались такую величину, как скорость света объяснить более доступным языком, чтобы представить насколько это быстро в человеческом понимании и недосягаемо для воспроизводства.

На данный момент считается, что скорость света равна 299 792 458 метров в секунду.

Но если эта величина не нужна вам с научной точностью, например в школьных задачах, принято округлять эту величину до 300 000 000 метров в секунду, или 300 000 километров в секунду, как говорят чаще.

Если раньше понятие скорость света обозначало что-то запредельное, то сейчас уже строят гиперзвуковые истребители,которые должны поступить на вооружение к 2030 году.

Скорость света равна 299 792 458 метров в секунду или если перевести 1 079 252 848,8 км в час, которую впервые определил в 1676 году датчанин О. К. Рмер.

• • Чему равна скорость света в вакууме?
    

  Считается, что скорость света равна
  (наиболее точное измерение) 299792458 м/с = 299 792, 458 км/с. Считается за одну планковскую единицу. Часто эти цифры округляют (например, в школьных задачах по физике) до 300 000 000 м/с
  = 300 000 км/с
  .

  Очень интересная статья (точнее, глава из учебника по физике за 9-й класс), рассказывающая о том, как датский учный О. Рмер в 1676 году впервые измерил примерную скорость света
  . И вот ещ одна статья.

  • Чему равна скорость распространения света в различных прозрачных средах
    ?

  Скорость света в различных прозрачных средах всегда меньше, чем скорость света в вакууме, так как чтобы получить скорость света в какой-либо прозрачной среде, мы делим скорость света в вакууме на коэффициент преломления данной среды. Коэффициент преломления вакуума равен единице
  .

  Чтобы получить v (скорость света в конкретной среде), нужно разделить c (скорость света в вакууме) на n. Поэтому распространения света в любой прозрачной среде определяется по формуле:

  • Чему равна скорость света в воздухе?
    

  Скорость распространения света в воздухе равна
  , мы уже разобрались, скорости света в вакууме, которую разделили на коэффициент (показатель) преломления воздуха
  , который обозначается как n. А уже этот самый коэффициент зависит и от длины волны, и от давления, и от температуры. То есть при различных n скороость света в воздухе будет разной, но определнно меньше скорости света в вакууме.

  • Чему равна скорость света в стекле?
    

  Вс та же формула, как Вы поняли, а n будет равно от 1,47 до 2,04. Если не уточняется коэффициент преломления стекла, как вариант — взять среднее значение (n = 1,75).

  • Чему равна скороть света в воде?
    

  У воды коэффициент преломления
  (n) равен 1,33. Тогда:

  v = c: n = 299 792 458 м/с: 1,33 225 407 863 м/с — скорость света в воде.

  Ко всему вышесказанному хотелось бы добавить, что если Вы хотите более наглядно понять, что же такое скорость света, то можно отметить, что свет от Луны до Земли проходит расстояние за 1,255 с, а солнечный свет проходит расстояние в 150 млн км (!) за 8 мин 19 сек.

  Со скоростью света распространяется не только свет, но и прочие виды электромагнитного излучения (радиоволны (от сверхдлинных), инфракрасное, ультрафиолетовое, терагерцовое и рентгеновское излучение, также — гамма-излучение).

Фундаментальная физическая постоянная — скорость света в пустоте равна 299 792 458 м/с, это измерение скорости света было произведено в 1975 году. В школе обычно эту величину пишут как 300 000 000 м/с и используют для решения задач.

Еще в античные времена пытались выяснить эту величину, но многие ученые считали, что скорость света величина постоянная. И только в 1676 году датский астроном Олаф Ремер первый измерил скорость света и по его расчетам она равнялась 220 тысяч километров в секунду.

Скорость света равна нулю!

Ну, начнем с того, что свет во всех своих спектрах невидим.

Мы не видим свет!

Мы видим только предметы, способные отразить этот свет.

Пример: Мы смотрим на звезду именно в темном небе (что важно) и, если вдруг между нашим глазом и направлением на звезду появиться, например облачко, то оно и отразит этот невидимый свет.

Это первое.

Свет есть стоячая волна.

Свет никуда не летит. Свет несет светящийся предмет, отражающий этот свет, например факельщик с факелом, а мы его видим, как отражение от факела, на котором и происходят реакции.

Факел не источник света!

Факел только отражает свет, который появился на поверхности факела из-за химической реакции.

Так же и с нитью накаливания.

Берем фонарик и снимаем с него отражатель и в темной комнате одна лишь лампочка осветит равномерно (что важно), лишь достаточно небольшое пространство. И, сколько бы времени мы не затратили на ожидание, то все равно свет никуда более не долетит. Свет будет стоять на одном месте вечно, или пока нить накаливания, нагреваясь, будет способна отражать свет (светиться)! Но, если мы поставим отражатель, то увидим, что свет локализовался в пучок и смог без всякого увеличения мощности свечения проникнуть дальше, если мы, без всякого увеличения мощности, изменим фокус, то свет проникнет еще дальше, но локализуется еще более в ограниченном луче.

Но, даже при большом удалении и даже в стороне от направления луча, мы, находясь в полной темноте, все равно будем видеть световое пятно. Мы закрываем глаза и ничего не видим, открываем и сразу видим светлое пятно от фонарика на темном фоне.

О какой скорости света может идти речь?

У света нет скорости. Свет есть стоячая волна. У стоячей световой волны есть способность при неизменном своем объеме, обусловленном мощностью химической реакции, изменять свою конфигурацию и стоячая волна способна быть видима, лишь при освещении предметов, которые и отражают стоячую волну, а мы видим ее, как светлое пятно на темном фоне и не более того.

Поскольку Вы не уточнили, в каких средах Вас интересует скорость света, то придется давать развернутый ответ. О скорости света в вакууме точно поведал(а) Anasteisha Ana. Но скорость света в различных средах не постоянна и обязательно меньше чем в вакууме. Более того в одной и той же среде скорость света разной длины волны различна. И это свойство света очень широко используется, точнее сказать учитывается в оптике. В оптике введено понятие показателя преломления оптической среды. Этот параметр показывает во сколько раз скорость света некоторой длины волны в данной среде меньше скорости света в вакууме. Так, например, в оптическом стекле ЛК8 скорость распространения красного света с длиной волны 706,52 нанометра в 1,46751 раза меньше чем в вакууме. Т.е. скорость красного света в стекле ЛК8 равна, примерно, 299 792 458/1,46751 = 204286484 м/с., а скорость синего света с длиной волны 479,99 нанометра равна 203113916 м/с. Имеются оптические среды, в которых скорость света существенно меньше. В кристаллах лазеров для некоторых длин волн показатель преломления близок к 2,8. Таким образом, скорость света в этих кристаллах чуть ли ни втрое меньше скорости света в вакууме.

эпиграф
Учительница спрашивает: Дети, что быстрее всего на свете?
Танечка говорит: Быстрее всего слово. Только сказал, уже не вернешь.
Ванечка говорит: Нет, быстрее всего свет.
Только нажал на выключатель, а в комнате тут же светло стало.
А Вовочка возражает: Быстрей всего на свете понос.
Мне однажды так приспичило, что ни слова
сказать не успел, ни свет включить.

Задумывались ли вы когда-нибудь, почему скорость света максимальна, конечна и постоянна в нашей Вселенной? Это весьма интересный вопрос, и сразу, в качестве спойлера, выдам страшную тайну ответа на него — никто точно не знает, почему. Скорость света берется, т.е. мысленно принимается
за константу, и на этом постулате, а так же на идее, что все инерциальные системы отсчета равноправны Альберт Эйнштейн построил свою специальную теорию относительности, которая вот уже сто лет выводит ученых из себя, позволяя Эйнштейну безнаказанно показывать миру язык и ухмыляться в гробу над размерами свиньи, которую он подложил всему человечеству.

Но почему, собственно, она такая постоянная, такая максимальная и такая конечная ответа так и нет, это лишь аксиома, т.е. принятое на веру утверждение, подтверждаемое наблюдениями и здравым смыслом, но никак ниоткуда логически или математически не выводимое. И вполне вероятно, что не такое уж и верное, однако никто до сих пор не смог его опровергнуть ни каким опытом.

У меня есть свои соображения на этот счет, о них попозже, а пока по простому, на пальцах™
попытаюсь ответить хотя бы на одну часть — что значит скорость света «постоянна».

Нет, я не буду грузить вас мысленными экспериментами, что будет если в ракете, летящей со скоростью света, включить фары и т.д., сейчас немного не об этом.

Если вы посмотрите в справочнике или википедии, скорость света в вакууме определена как фундаментальная физическая константа, которая точно
равна 299 792 458 м/с. Ну, то есть если говорить примерно, то это будет около 300 000 км/с, а вот если прям точно
— 299 792 458 метров в секунду.

Казалось бы, откуда такая точность? Любая математическая или физическая константа, что ни возьми, хоть Пи, хоть основание натурального логарифма е
, хоть гравитационная постоянная G, или постоянная Планка h
, всегда содержат какие-то цифры после запятой
. У Пи этих знаков после запятой на сегодняшний момент известно около 5 триллионов (хотя какой-бы то ни было физический смысл, имеют только первые 39 цифр), гравитационная постоянная сегодня определена как G ~ 6,67384(80)x10 -11 , а постоянная Планка h
~ 6.62606957(29)x10 -34 .

Скорость же света в вакууме составляет ровно
299 792 458 м/с, ни сантиметром больше, ни наносекундой меньше. Хотите узнать, откуда такая точность?

Началось все как обычно с древних греков. Науки, как таковой, в современном понимании этого слова, у них не существовало. Философы древней Греции потому и назывались философами, ибо сначала выдумывали какую-то хрень у себя в голове, а потом при помощи логических умозаключений (а иногда и реальных физических опытов) пытались доказать ее или опровергнуть. Однако использование реально существующих физических измерений и феноменов считались у них доказательствами «второго сорта», которые не идут ни в какое сравнение с первосортными логическими выводами получаемыми умозаключениями прямо из головы.

Первым, кто задумался о существовании у света собственной скорости, считают философа Эмпидокла, который заявлял, что свет есть движение, а у движения должна быть скорость. Ему возражал Аристотель, который утверждал, что свет это просто присутствие чего-то в природе, и все. И ничего никуда не движется. Но это еще что! Эвклид с Птолемеем так те вообще считали, что свет излучается из наших глаз, а потом падает на предметы, и поэтому мы их видим. Короче древние греки тупили как могли, покуда их не завоевали такие же древние римляне.

В средние века большинство ученых продолжали считать, что скорость распространения света бесконечна, среди таковых были, скажем, Декарт, Кеплер и Ферма.

Но некоторые, например Галилей, верили, что у света есть скорость, а значит ее можно измерить. Широко известен опыт Галилея, который зажигал лампу и светил помощнику, находящемуся от Галилея в нескольких километрах. Увидев свет, помощник зажигал свою лампу, и Галилей пытался измерить задержку между данными моментами. Естественно у него ничего не получалось, и в конце концов он вынужден был написать в своих сочинениях, что если у света есть скорость, то она чрезвычайно велика и не поддается измерению человеческими усилиями, а посему можно считать ее бесконечной.

Первое документальное измерение скорости света приписывается датскому астроному Олафу Ремеру в 1676м году. К этому году астрономы, вооруженные подзорными трубами того самого Галилея, вовсю наблюдали за спутниками Юпитера и даже вычислили периоды их вращения. Ученые определили, что ближайший к Юпитеру спутник Ио имеет период вращения примерно 42 часа. Однако Ремер заметил, что иногда Ио появляется из-за Юпитера на 11 минут раньше положенного времени, а иногда на 11 минут позже. Как оказалось, Ио появляется раньше в те периоды, когда Земля, вращаясь вокруг Солнца, приближается к Юпитеру на минимальное расстояние, и отстает на 11 минут тогда, когда Земля находится в противоположном месте орбиты, а значит находится от Юпитера дальше.

Тупо поделив диаметр земной орбиты (а он в те времена был уже более-менее известен) на 22 минуты Ремер получил скорость света 220 000 км/с, примерно на треть не досчитавшись до истинного значения.

В 1729м году английский астроном Джеймс Бредли, наблюдая за параллаксом
(небольшим отклонением местоположения) звезды Этамин (Гамма Дракона) открыл эффект аберрации света
, т.е. изменение положения на небосклоне ближайших к нам звезд из-за движения Земли вокруг Солнца.

Из эффекта аберрации света , обнаруженного Бредли, так же можно вывести, что свет имеет конечную скорость распространения, за что Бредли и ухватился, вычислив ее равной примерно 301 000 км/с, что уже в пределах точности 1% от известной сегодня величины.

Затем последовали все уточняющие измерения другими учеными, но так как считалось, что свет есть волна, а волна не может распространяться сама по себе, нужно чтобы что-то «волновалось», возникла идея существования «светоносного эфира», обнаружение которого с треском провалил американский физик Альберт Майкельсон. Никакого светоносного эфира он не обнаружил, но в 1879м году уточнил скорость света до 299 910±50 км/с.

Примерно в это же время Максвелл публикует свою теорию электромагнетизма, а значит скорость света стало возможно не только непосредственно измерять, но и выводить из значений электрической и магнитной проницаемости, что и было сделано уточнив значение скорости света до 299 788 км/с в 1907м году.

Наконец Эйнштейн заявил, что скорость света в вакууме — константа и не зависит вообще ни от чего. Наоборот, все остальное — сложение скоростей и нахождение правильных систем отсчета, эффекты замедления времени и изменения расстояний при движении с большими скоростями и еще множество других релятивистских эффектов зависят от скорости света (потому что она входит во все формулы в качестве константы). Короче, все в мире относительно, а скорость света и есть та величина, относительно которой относительны все остальные вещи в нашем мире. Тут, возможно, следует отдать пальму первенства Лоренцу, но не будем меркантильны, Эйнштейн так Эйнштейн.

Точное определение значения этой константы продолжалось весь 20й век, с каждым десятилетием ученые находили все больше цифр, после запятой
в скорости света, покуда в их головах не начали зарождаться смутные подозрения.

Все более и более точно определяя, сколько метров в вакууме свет проходит за секунду, ученые начали задумываться, а что это мы все в метрах-то меряем? Ведь в конце концов, метр это просто длина какой-то платино-иридиевой палки, которую кто-то забыл в неком музее под Парижем!

А поначалу идея введения стандартного метра казалась великолепной. Чтобы не мучаться с ярдами, футами и прочими косыми саженями, французами в 1791м году было решено принять за стандартную меру длины одну десятимиллионую часть расстояния от Северного Полюса до экватора по меридиану, проходящему через Париж. Измерили это расстояние с точностью, доступной на то время, отлили палку из платино-иридиевого (точнее сначала латунного, потом платиного, а уж потом платино-иридиевого) сплава и положили в эту самую парижскую палату мер и весов, как образец. Чем дальше, тем больше выясняется, что земная поверхность меняется, материки деформируются, меридианы сдвигаются и на одну десятимиллионую часть забили, а стали считать метром именно длину той палку, что лежит в хрустальном гробу парижского «мавзолея».

Такое идолопоклонничество не к лицу настоящему ученому, тут вам не Красная Площадь(!), и в 1960м году было решено упростить понятие метра до вполне очевидного определения — метр точно равен 1 650 763,73 длин волн, испускаемых переходом электронов между энергетическими уровнями 2p10 и 5d5 невозбужденного изотопа элемента Криптон-86 в вакууме. Ну, куда еще яснее?

Так продолжалось 23 года, при этом скорость света в вакууме измерялась со все возрастающей точностью, покуда в 1983м году наконец даже до самых упертых ретроградов дошло, что скорость света и есть самая что ни на есть точная и идеальная константа, а не какой-то там изотоп криптона. И все было решено перевернуть с ног на голову (точнее, если задуматься, решено было все перевернуть как раз таки назад с головы на ноги), теперь скорость света с
— истинная константа, а метр это расстояние, которое проходит свет в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.

Реальное значение скорости света продолжает уточняться и в наши дни, но что интересно — с каждым новым опытом ученые не скорость света уточняют, а истинную длину метра. И чем более точно будет найдена скорость света в ближайшие десятилетия, тем более точный метр мы в итоге получим.

А не наоборот.

Ну, а теперь вернемся к нашим баранам. Почему же скорость света в вакууме нашей Вселенной максимальна, конечна и постоянна? Я это понимаю так.

Всем известно, что скорость звука в металле, да и практически в любом твердом теле гораздо выше скорости звука в воздухе. Проверить это очень легко, стоит приложить ухо к рельсе, и можно будет услышать звуки приближающегося поезда гораздо раньше, чем по воздуху. Почему так? Очевидно, что звук по сути, один и тот же, и скорость его распространения зависит от среды, от конфигурации молекул, из которых эта среда состоит, от ее плотности, от параметров ее кристаллической решетки — короче от текущего состояния того медиума, по которому звук передается.

И хотя от идеи светоносного эфира давно уже отказались, вакуум, по которому происходит распространение электромагнитных волн, это не совсем прям абсолютное ничто, каким бы пустым он нам не казался.

Я понимаю, что аналогия несколько притянута за уши, ну так ведь на пальцах™
же! Именно в качестве доступной аналогии, а ни в коей мере не как прямой переход от одного набора физических законов к другим, я лишь прошу представить, что в четырехмерную метрику пространства-времени, которую мы по доброте душевной называем вакуумом, вшита скорость распространения электромагнитных (и вообще любых, включая глюонные и гравитационные) колебаний, как в рельсу «вшита» скорость звука в стали. Отсюда и пляшем.

UPD: Кстати говоря, «читателям со звездочкой» предлагаю пофантазировать, остается ли скорость света постоянной в «непростом вакууме». Например считается, что при энергиях порядка температуры 10 30 К, вакуум прекращает просто кипеть виртуальными частицами, а начинает «выкипать», т.е. ткань пространства разваливается на куски, планковские величины размываются и теряют свой физический смысл и т.д. Будет ли скорость света в подобном вакууме все еще равняться c
, или это положит начало новой теории «релятивистского вакуума» с поправками вроде лоренцевских коэффициентов при экстремальных скоростях? Не знаю, не знаю, время покажет…

Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.

Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью — почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с — фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.

В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха — 1,0003, воды — 1,33, различных сортов стекла — от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз — 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.

В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект — так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!

Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.

Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости — фазовую и групповую. Фазовая скорость vф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны — бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления — тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.

Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.

Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но «красный» спортсмен бежит быстрее, чем «оранжевый», «оранжевый» — быстрее, чем «желтый», и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии — большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.

Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики — теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

Все частицы — как заключенные в атоме, так и свободные — делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком — основном — энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания «атомного лазера» (см. «Наука и жизнь» № 10, 1997 г.).

Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики — оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10-7 — 10-8 с и в конденсированных средах — менее 10-11 c. При этом возникает запаздывание импульса — его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.

Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние — на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).

После этого конденсат осветили «связующим пучком» линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков — в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз — до 43 микрометров.

Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет — возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.

Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.

Постоянна ли скорость света?

Чтобы определить скорость (пройденное расстояние
/ затраченное время) мы должны выбрать стандарты расстояния и
времени. Разные стандарты могут дать разные результаты измерения
скорости.

Постоянна ли скорость света?

Is The Speed of Light Constant?

Steve Carlip, Philip Gibbs

Этот вопрос можно понять по разному. Поэтому есть разные
ответы.

В воздухе или воде другая скорость света?

Да. Свет замедляется в прозрачных веществах, таких как воздух,
вода или стекло. Во сколько раз замедляется свет определяется
коэффициентом рефракции (показателем преломления) среды. Он всегда
больше единицы. Это открытие сделал

Леон Фуко
в 1850
году.

Когда говорят о «скорости света», то обычно имеют виду

скорость света в вакууме.
Именно
её обозначают буквой

c .

Постоянна ли скорость света в вакууме?

В 1983 году Генеральной конференцией по мерам и весам (

Conference Generale des Poids et Mesures

), принято следующее
определение метра в системе СИ:

Метр — это длина пути света в вакууме за время
1/299 792 458 секунды

Этим же определено, что скорость света в вакууме

точно

равна 299792458 м/с. Краткий ответ на вопрос «Является ли

c константой»: Да,

c константа по определению!

Но это не весь ответ. Система СИ очень практична. Её определения
основаны на лучших известных методах измерения, и постоянно пересматриваются.
На сегодня для самого точного измерения макроскопических расстояний
посылают импульс света лазера и измеряют время, за которое свет
проходит требуемое расстояние. Время измеряется атомными часами.
Точность лучших атомных часов 1/10
¹³ . Именно такое
определение метра обеспечивает минимальную погрешность измерения
расстояния.

Определения системы СИ основаны на некоторых представлениях
о законах физики. Например, предполагается, что частицы света

фотоны
не имеют массы.
Если бы фотон имел небольшую массу покоя,
то определение метра в системе СИ было бы не корректным, потому
что скорость света зависела бы от длины волны. Из определения
не следовало бы, что скорость света постоянна. Потребовалось бы
уточнить определение метра, добавив цвет света, который должен
использоваться.

Из экспериментов известно, что масса фотона очень мала или
равна нулю. Возможная ненулевая масса фотона так мала, что она
не имеет значения для определения метра в обозримом будущем. Нельзя
показать, что это точный ноль, но в современных общепризнанных
теориях это ноль. Если всё же не ноль, и скорость света не константа,
то теоретически должна быть величина

c — верхний предел скорости света в вакууме, и мы можем
задать вопрос «является ли эта величина

c константой?»

Раньше метр и секунда определялись разными способами основанными
на лучших методах измерений. Определения могут измениться и в
будущем. В 1939 году секунда определялась, как 1/84600 от средней
длины суток, а метр, как расстояние между рисками на хранившемся
во Франции стержне из сплава платины и иридия.

Сейчас при помощи атомных часов установлено, что средняя длина
суток изменяется. Стандартное время уточняют, иногда добавляя
или отнимая от него долю секунды. Скорость вращения Земли замедляется
примерно на 1/100000 секунды в год из-за приливных сил между Землёй
и Луной. В длине эталона метра могут быть ещё большие изменения
из-за сжатия металла.

В результате в те времена скорость света, измеренная в единицах
м/с, немного менялась со временем. Ясно, что изменения величины

c были больше вызваны используемыми
единицами измерения, чем непостоянством самой скорости света,
но неправильно считать что скорость света теперь стала постоянной,
только потому, что она константа в системе СИ.

Определения в системе СИ выявили, что для ответа на наш на
вопрос, нужно уточнить, что мы имеем в виду, говоря о постоянстве
скорости света. Мы должны задать определения единиц длины и времени
для измерения величины

c . В принципе,
можно получить разные ответы при измерении в лаборатории и при
использовании астрономических наблюдений. (Одно из первых измерений
скорости света сделал в 1676 году

Олаф Ремер
на основе наблюдаемых
изменении периода затмений спутников Юпитера.)

Для примера, мы могли бы взять определения, установленные
между 1967 и 1983 годами. Тогда метр определялся, как 1650763.73
длины волны красно-оранжевого света источника на криптоне-86,
а секунда была определена (как и сегодня) как 9192631770 периодов
излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими
уровнями цезия-133. В отличие от прежних определений, эти основаны
на абсолютных физических величинах, и применимы всегда и везде.
Можно ли сказать, что скорость света постоянна в этих единицах?

Из квантовой теории атома мы знаем, что частоты и длины волн
в основном определяются постоянной Планка, зарядом электрона,
массами электрона и ядра, и скоростью света. Из перечисленных
параметров можно получить безразмерные величины, такие как постоянная
тонкой структуры и отношение масс электрона и протона. Значения
этих безразмерных величин не зависят от выбора единиц измерения.
Поэтому очень важен вопрос, постоянны ли эти значения?

Если бы они изменялись, это повлияло бы не только на скорость
света. Вся химия основана на этих значениях, от них зависят химические
и механические свойства всех веществ. Скорость света изменялась
бы по разному при выборе разных определений для единиц измерения.
В таком случае было бы больше смысла приписать её изменение изменению
заряда или массы электрона, чем изменению самой скорости света.

Достаточно надёжные наблюдения показывают, что значения этих
безразмерных величин не изменялись в течении большей части жизни
вселенной. See the FAQ article

Have physical constants changed with time?

[На самом деле постоянная тонкой структуры зависит от масштаба
энергии, но здесь мы имеем в виду её низкоэнергетический предел.]

Специальная теория относительности

Определение метра в системе СИ также основано на допущении
о корректности теории относительности. Скорость света константа
в соответствии с основным постулатом теории относительности. Это
постулат содержит две идеи:

• Скорость света не зависит от движения наблюдателя.
• Скорость света не зависит от координат во времени и пространстве.

Идея о независимости скорости света от скорости наблюдателя
противоречит интуиции. Некоторые люди даже не могут согласиться,
что эта идея логична. В 1905 году Эйнштейн показал, что эта идея
логически корректна, если отказаться от предположения об абсолютной
природе пространства и времени.

В 1879 году считалось, что свет должен распространяться по
некоторой среде в пространстве, как звук распространяется по воздуху
и другим веществам.

Майкельсон
и Морли
поставили эксперимент по обнаружению эфира путём
наблюдения изменения скорости света при изменении направления
движения Земли относительно Солнца в течение года. К их удивлению
изменение скорости света не было обнаружено.

Фицджеральд
предположил, что это
результат сокращения длины экспериментальной установки при её
движении в эфире на такую величину, из-за которой обнаружить изменение
скорости света не удаётся. Лоренц распространил эту идею на темп
хода часов, и доказал, что эфир обнаружить невозможно.

Эйнштейн считал, что изменение длины и хода часов лучше понимать,
как изменения пространства и времени, а не изменения в физических
объектах. От абсолютного пространства и времени, введённых Ньютоном,
нужно отказаться. Вскоре после этого математик Минковский показал,
что Эйнштейновскую теорию относительности можно трактовать в терминах
четырёхмерной неевклидовой геометрии, рассматривая пространство
и время как единую сущность —
пространство-время .

Теория относительности не только математически обоснована,
она также подтверждена многочисленными прямыми экспериментами.
Позже опыты Майкельсона-Морли повторялись с большей точностью.

В 1925 году

Дейтон Миллер
объявил,
что он обнаружил изменения в скорости света. Он даже получил награду
за это открытие. В пятидесятых годах дополнительное рассмотрение
его работы показало, что результаты, видимо, были связаны с дневными
и сезонными изменениями температуры его экспериментальной установки.

Современные физические инструменты могли бы легко обнаружить
движение эфира, если бы он существовал. Земля движется вокруг
Солнца со скоростью около 30 км/с. Если бы скорости складывались,
в соответствии с ньютоновской механикой, то последние 5 цифр в
величине скорости света, постулируемой в системе СИ, были бы бессмысленными.
Сегодня физики в CERN (Женева) и Fermilab (Чикаго) каждый день
разгоняют частицы до скорости на волосок от скорости света. Любая
зависимость скорости света от системы отсчёта была бы давно замечена,
если только она не незаметно мала.

Что, если вместо теории об изменении пространства и времени,
мы бы последовали теории Лоренца-Фицджеральда, которые предположили,
что эфир существует, но его нельзя обнаружить из-за физических
изменений в длине материальных объектов и в темпе хода часов?

Чтобы их теория согласовалась с наблюдениями, эфир должен
быть необнаружим при помощи часов и линейки. Всё, включая наблюдателя,
сокращалось бы и замедлялось точно на нужную величину. Такая теория
могла бы делать те же предсказания для всех экспериментов, что
и теория относительности. Тогда эфир был бы метафизической сущностью,
если только не найдут какой-нибудь другой способ его обнаружения
— такой способ пока никто не нашёл. С точки зрения Эйнштейна такая
сущность была бы ненужным усложнением, лучше убрать её из теории.

Общая теория относительности

Эйнштейн разработал более общую теорию относительности, которая
объяснила гравитацию в терминах искривления пространства-времени,
и он говорил об изменении скорости света в этой новой теории.
В 1920 году в книге «Relativity. The special and general theory»
он пишет:


. .. в общей теорией относительности закон постоянства
скорости света в вакууме, который является одним из двух фундаментальных
допущений в специальной теории относительности, [. . .] не может
быть безоговорочно справедлив. Искривление луча света может реализоваться
только, когда скорость распространения света зависит от его положения.


Поскольку Эйнштейн говорил о векторе скорости (скорость
и направление), а не просто о скорости, то не ясно, имел ли он
в виду, что величина скорости изменяется, но ссылка на специальную
теорию относительности говорит о том, что да, имел в виду. Такое
понимание совершенно верно, и имеет физический смысл, но в соответствии
с современной трактовкой скорость света постоянна и в общей теории
относительности.

Сложность здесь в том, что скорость зависит от координат,
и возможны разные толкования. Чтобы определить скорость (пройденное
расстояние / затраченное время) мы должны вначале выбрать некоторые
стандарты расстояния и времени. Разные стандарты могут дать разные
результаты. Это применимо и к специальной теории относительности:
если измерять скорость света в ускоряющейся системе отсчёта, то
в общем случае она отличается от

c .

В специальной теории относительности скорость света константа
в любой

инерциальной

системе отсчёта. В общей теории
относительности соответствующим обобщением является то, что скорость
света константа в любой свободно падающей системе отсчёта в достаточно
малой области, чтобы можно было пренебречь приливными силами.
В приведённой цитате Эйнштейн не говорит о свободно падающей системе
отсчёта. Он говорит о системе отсчёта, находящейся в покое относительно
источника гравитации. В такой системе отсчёта скорость света может
отличаться от

c из-за влияния гравитации
(кривизны постранства-времени) на часы и линейки.

Если общая теория относительности верна, то постоянство скорости
света в инерциальной системе отсчёта — это тавтологическое следствие
геометрии пространства-времени. Путешествие со скоростью

c в инерциальной системе отсчёта — это
путешествие вдоль прямой мировой линии на поверхности светового
конуса.

Использование в системе СИ константы

c , как коэффициента для связи метра и секунды полностью
оправдано, как теоретически, так и практически потому, что

c не только скорость света — это фундаментальное
свойство геометрии пространства-времени.

Как и для специальной теории относительности, предсказания
общей теории относительности подтверждены многими наблюдениями.

В итоге мы приходим к выводу, что скорость света постоянна
не только в соответствии с наблюдениями. В свете хорошо проверенных
физических теорий даже не имеет смысла говорить о её непостоянстве.

Steve Carlip, Philip Gibbs, 1997

Перевод

Е.Корниенко

Пучок монохроматического света переходит из воды в воздух.Скорость света в воде – u;скорость света в воздухе – с; длина световой волны в воде – l. Физика 18690

Пучок монохроматического света переходит из воды в воздух.
Скорость света в воде – u;
скорость света в воздухе – с; длина световой волны
в воде – l. Установите
соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно
рассчитать.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую
позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под
соответствующими буквами.

Когда частица может двигаться быстрее света? О первой Нобелевской премии советских физиков

В 1933 году в лаборатории Физико-математического института Павел Черенков и Сергей Вавилов (первый был аспирантом у второго) обнаружили ранее неизвестный феномен. Чистая вода, без всяких примесей, начинала светиться под действием радиации. Как показали дальнейшие наблюдения, дело было в очень быстро движущихся заряженных частицах — быстрее света.

Слова «быстрее света» не ошибка: принципиально нельзя превысить лишь скорость света в вакууме, а в разных материалах он движется медленнее. Свет — это электромагнитная волна, колебания поля. Но в любом веществе есть атомы, которые вносят задержку в передачу энергии электромагнитной волной. Или просто не пропускают волну внутрь: это происходит в непрозрачных средах.

На эту тему

Если в вакууме предел составляет без малого 300 тыс. км/с (с такой скоростью за 1 с можно облететь Землю по экватору 7,5 раза), то в воде — только 225 тыс. км/с. Для оптического стекла значение еще меньше: некоторые сорта замедляют свет до 140 тыс. км/с.  

Законы физики запрещают мгновенное изменение скорости, поэтому какое-то расстояние в среде частица пролетает быстрее «местного ограничения». Все это время она тормозит и, следовательно, теряет энергию, которой надо куда-то деваться. При торможении машины кинетическая энергия переходит в нагрев тормозов, а сверхсветовые частицы отдают избыток в виде квантов излучения, то есть света.

Детально эффект был описан Черенковым, Вавиловым, Игорем Таммом и Ильей Франком. Все они, кроме умершего в 1951-м Вавилова, получили Нобелевскую премию по физике. Сам эффект по сей день применяется в исследованиях, а наблюдается как в технике, так и в природе, главное — знать, куда смотреть.

Красиво, но лучше смотреть издалека

Эффект Вавилова — Черенкова выглядит очень красиво. Голубое свечение погруженной в воду активной зоны ядерного реактора или опущенного в специальный бассейн отработанного ядерного топлива обусловлено именно этим явлением. При распаде атомов урана или иных радиоактивных элементов некоторые частицы вылетают на скоростях больше скорости света в воде — и испускают то самое свечение.

Вспышки в глазах

Наши глаза, как известно, тоже состоят из прозрачной среды. Когда в глаз влетает частица с околосветовой скоростью, она начинает излучать, поэтому космонавты неоднократно видели вспышки перед глазами. Во время полетов к Луне экипажи «Аполлонов» отмечали по одной вспышке в три минуты, а на «Аполлоне-17» Рон Эванс даже надевал на голову специально сконструированный детектор космических лучей. Оказалось, что вспышки вовсе не иллюзия, а результат взаимодействия с частицами, прилетающими из космоса.

Американский астронавт Рон Эванс

© NASA

Угрозы для здоровья такие вспышки не несут, но в целом повышенный радиационный фон на орбите и тем более в дальнем космосе всерьез беспокоит исследователей. Будущие экспедиции к Марсу и к проектируемой станции вблизи Луны хорошо бы защитить от избыточного облучения.

Свет во тьме

Благодаря эффекту Вавилова — Черенкова океанские глубины вовсе не кромешный мрак, как можно подумать. Измерения, проведенные в 1984 году советскими исследователями в Атлантическом океане, показали, что постоянный распад калия-40 (естественный радиоактивный изотоп в морской воде) дает достаточно сверхсветовых частиц для слабой фоновой засветки даже на отметке 5 км ниже поверхности. Теоретически обладатели достаточно больших глаз в этих условиях способны видеть: для глубоководных рыб излучение Вавилова — Черенкова может оказаться источником тусклого, но зато равномерного свечения.

Излучение вокруг погруженного в воду исследовательского реактора

© Argonne National Laboratory/CC BY-SA 2.0/Wikimedia Commons

Воздух тоже задерживает свет, пусть и слабее, поэтому самые быстрые частицы излучают уже при попадании в атмосферу. Это черенковское излучение в атмосфере тоже можно зафиксировать приборами. Благодаря ему небо оказывается не абсолютно черным даже в лишенных звезд местах (впрочем, вклад полярных сияний гораздо больше).

Детекторы и медицина

Яркость вспышки, ее продолжительность и направление распространения световых лучей зависят от энергии и направления полета исходной частицы. Эта связь позволяет физикам при достаточном числе одновременных наблюдений узнать о частице много интересной информации. Что самое важное — это можно сделать издалека, просто поставив несколько телескопов вместо того, чтобы ловить редкие космические лучи детекторами на высоте более 10 км. Подобные установки успешно используются в ряде обсерваторий. С их помощью астрофизики могут изучать частицы с такими энергиями, которые не в состоянии выдать даже Большой адронный коллайдер.

Телескоп MAGIC, при помощи которого астрофизики наблюдают черенковское излучение в атмосфере

© Robert Wagner/Wikimedia Commons

Кроме того, черенковское излучение возникает в воде или во льду при попадании космических частиц-нейтрино. Чувствительные фотоумножители, опущенные под воду (например, в толще озера Байкал) или вмороженные в лед (под станцией Амундсен — Скотт на Южном полюсе), будут регистрировать частицы не только при непосредственном попадании в сам прибор, но и вокруг себя. Это резко повышает эффективность наблюдений.

На эту тему

А недавно эффекту Вавилова — Черенкова нашли применение в медицине. Протоны, которыми «выжигают» раковую опухоль, тоже движутся быстрее скорости света в человеческом теле, поэтому при помощи черенковского излучения можно контролировать лучевую терапию.

Как часто бывает в науке, открытие нового явления не просто обогатило знания о мире очередным фактом. Знание о том, как возникает свечение веществ под действием проходящих через них частиц, помогло раскрыть другие тайны природы. А советским физикам оно впервые в истории принесло Нобелевскую премию.

Алексей Тимошенко, научно-популярный сайт «Чердак»

Природа даёт подсказку, как двигаться быстрее скорости света / Хабр

Вряд ли кто-нибудь отказался бы попутешествовать по нашей галактике или хотя бы облететь солнечную систему. Но как покрыть такие расстояния за короткие промежутки времени? Начать придётся издалека, потому что ключ к этому, возможно, лежит где-то среди волн.

Волны на поверхности воды

Как известно, волны в разных средах бывают разные. Волны существуют, например, на поверхности воды. Мы можем видеть эти волны невооружённым глазом, иногда, но не всегда, можем видеть их источник, можем слышать плеск воды. Эти волны поперечные. Скорость этих волн настолько мала, что её может преодолеть, например, водоплавающая птица утка. Даже любой читатель, умеющий плавать, может сделать это в воде, а может двигаться с большей скоростью пешком на суше. След, оставляемый объектами на поверхности воды называется кильватерным следом. В научной среде не принято утверждать, что скорость кораблей, плывущих по поверхности воды, или скорость пешеходов ограничена скоростью поверхностных волн на воде. То есть научно не запрещается передвигаться быстрее волн на поверхности воды. Равно и природа никак не препятствует перемещаться быстрее, чем волны на поверхности воды.

Вот так утка и даже утята преодолевают скорость поверхностных волн:
А ещё ниже корабли преодолевают скорость поверхностных волн:

Волны в воздухе

Кроме того, волны существуют в воздушной среде, то есть в атмосфере. Эти волны мы уже не можем видеть, но иногда можем видеть их источник, например колеблющуюся струну. Мы можем слышать эти волны, а если говорить точнее, можем определять направление на источник, используя органы слуха. Такие волны уже не поперечные, а продольные и могут существовать не только в газах, но и в жидкостях и даже в твёрдых телах. След, оставляемый объектами, движущимися в атмосфере быстрее скорости звуковых волн называется конусом Маха, его сечение плоскостью напоминает поверхностную волну на воде, что может говорить об одной природе этих явлений. Надо сказать, что до появления реактивного движения в науке считалось, что преодолеть скорость звука невозможно. Но запрет, к счастью, был снят и произошло это относительно недавно. Если говорить на чистоту, то ещё раньше утверждалось, что аппарат тяжелее воздуха лететь не сможет. Всё это очень быстро забыли. И теперь в научной среде тоже не принято утверждать, что скорость пули или самолёта ограничена скоростью звуковых волн. Природа тоже не запрещает передвигаться быстрее звуковых волн в той среде, в которой эти волны существуют.

Вот, например, пуля преодолевает скорость звуковых волн:

Волны электромагнитные

И, наконец, самое интересное, волны бывают ещё и электромагнитными. Это такие же поперечные волны как и волны на поверхности воды, но они могут распространяться как звуковые волны в разных средах в разные стороны, а не только вдоль границ между ними. И так уж устроены наши органы зрения, что некоторые (далеко не все, и даже близко не все) из этих электромагнитных волн мы можем воспринимать невооружённым глазом, но тоже своеобразно. Мы не можем увидеть световую электромагнитную волну в процессе распространения так, как мы видим волны на поверхности воды. Но мы можем видеть источник электромагнитных волн, а если уж быть до конца точным, то мы можем определять направление с помощью органов зрения либо непосредственно на этот источник, либо на отражение источника в окружающих нас предметах. Наверняка все уже ждут ту самую подсказку, из заголовка. Так вот, в 1934 году Павел Алексеевич Черенков, будущий нобелевский лауреат обнаружил голубое свечение неизвестной природы. Выяснилось, что причина такого излучения — это превышение движущимися заряженными частицами скорости электромагнитных волн в среде. Даже есть примерная картинка как это происходит, но ничего нового мы на ней не увидим, ведь природа та же, значит и проявление будет уже известным.
Вот она! Та самая подсказка, которая находится перед нами без малого уже почти 100 лет. Если кто-то пропустил, то прошу обратить внимание, частицы с массой (установлено, что это электроны) двигаются быстрее электромагнитных волн в данной среде. А если электрон уже может это сделать в жидкости, то что ему помешает это сделать в вакууме, ну или хотя бы в космическом пространстве? Очевидно, природа не против, если что-то материальное, обладающее массой, движется в какой-либо среде со скоростью, превышающей скорость света в этой же среде. И природа красноречиво нам подсказывает это через нобелевских лауреатов (не дадут соврать П.А. Черенков, Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк, 1958 г.). Может быть стоит уже обратить внимание на эту подсказку. Ведь если мы не можем пока построить двигатель, то возможно это и есть как минимум один из вариантов его создания. Однако это явление в научной среде не пользуется популярностью, хотя казалось бы наука должна уделять больше внимания неудобным вопросам, ведь именно это её продвигает вперёд.

Хотелось бы закончить на оптимистической ноте. Но, к сожалению, от появления прототипа до рабочего варианта проходит очень много времени. От первых винтов Архимеда и Леонардо да Винчи… ну хорошо, пусть от появления винтовой модели Ломоносова (1754 г.) до использования винтового движения в самолетах братьев Райт (1903 г.) прошло почти 150 лет. От первого прототипа реактивного двигателя (пусть будет 1867 г.), до самолётов, использующих реактивное движение (1930 г.) прошло ещё 60 лет. Остаётся надеяться, что сейчас уже появился толковый инженер, со здоровым скептицизмом, а кроме скептицизма ему ещё понадобится упорство, целеустремлённость и ещё много-много чего. Если предположить, что в 1934 г. появился прототип, то прошло уже почти 100 лет и настала пора этому смекалистому инженеру превращать прототип в первую действительно рабочую машину, которая сможет если не преодолевать, то уверенно и быстро приближаться к скорости света. Очень боюсь, что многие будут инженера отговаривать, но надеюсь он никого не послушает и мы успеем застать появление первого околосветового двигателя.

атомная теория • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Скорость распространения световых лучей разной частоты в среде определяется свойствами вещества на атомном уровне.

Мы знаем, что скорость света в среде меньше скорости света в вакууме. Это свойство обычно находит отражение в так называемом коэффициенте или показателе преломления среды, который определяется соотношением:

    n = c/v

где с — скорость распространения света в вакууме, а v — в среде.

Свет затормаживается в среде в результате постоянных взаимодействий с электронными оболочками атомов. Ситуацию здесь можно сравнить с дорожным движением: если скорость света в вакууме уподобить движению по идеально прямому и совершенно свободному загородному шоссе, на котором машина может всю дорогу ехать на максимальной скорости, то скорость света в среде можно представить себе как движение по большому городу — световой луч-машина раз за разом притормаживает на очередном перекрестке-атоме. В результате скорость света в веществе оказывается непременно ниже скорости света в вакууме. Коэффициент преломления, в частности, стекла составляет около 1,5; следовательно, в стекле свет распространяется примерно на треть медленнее, чем в вакууме.

О том, что не только разные материалы имеют разные коэффициенты преломления, но и в одном материале световые лучи разных цветов преломляются по-разному, известно достаточно давно. Это явление получило название дисперсии света. По закону Снеллиуса угол преломления луча после его попадания в прозрачную среду зависит от коэффициента преломления этой среды, соответственно дисперсия проявляет себя тем, что лучи разных цветов, обладая разными коэффициентами преломления в среде, преломляются под разными углами. В большинстве материалов, в частности в стекле, наблюдается нормальная дисперсия, при которой показатель преломления обратно пропорционален длине волны: чем короче волна, тем выше коэффициент преломления. (У некоторых веществ, однако, имеются диапазоны длин световых волн, в которых наблюдается аномальная дисперсия: короткие волны преломляются слабее длинных.)

Именно этот принцип лежит в основе действия призмы. При попадании обычного «белого» (а в действительности содержащего все цвета спектра) света, например, солнечных лучей на призму луч начинает расщепляться сразу после пересечения границы воздуха со стеклом, поскольку фиолетовые лучи преломляются сильнее всего, а красные — слабее всего. В результате после пересечения светом второй границы стекла с воздухом белый луч оказывается расщепленным на составляющие его цветные лучи. В результате мы наблюдаем на экране или стене знакомую картину радужного спектра.

Кстати, о радуге: она тоже возникает в результате дисперсии света на дождевых каплях. Попадая внутрь капли, солнечный луч преломляется, внутри капли происходит его дисперсия, затем разложенный на спектр луч отражается от задней полусферы капли, на обратном пути происходит его дальнейшая дисперсия, и, наконец, луч выходит обратно через переднюю поверхность капли, будучи разложенным на радужный спектр солнечного света. Именно поэтому мы и наблюдаем радугу лишь тогда, когда Солнце находится с одной стороны от нас, а дождь идет с другой стороны. Из-за дисперсии каждый цвет в отраженных лучах собирается под своим строго определенным углом, и это объясняет, почему радуга образует в небе дугу. Цвета в дождевой радуге разделены не очень четко, поскольку капли имеют разный диаметр, и на одних каплях дисперсия проявляется сильнее, на других — слабее. Воспринимаемая же нашим зрением радуга образуется совокупностью отраженных лучей от всех дождевых капель, пролетающих в момент наблюдения через зону отражения.

Более редкое явление двойной радуги наблюдается, когда внутри части дождевых капель световой луч отражается от внутренней поверхности дважды, а совсем редкая тройная радуга свидетельствует об эффекте тройного внутреннего отражения луча в части дождевых капель.

Принципиальные физические причины дисперсии удалось объяснить только в рамках современной атомной теории строения материи и взаимодействия света с веществом. Подобно лучам всех диапазонов спектра электромагнитного излучения, световые лучи представляют собой поперечные электромагнитные волны. Электрическое поле, возбуждаемое в такой волне, согласно уравнениям Максвелла воздействует на электроны атомов, возбуждая их. Возбуждаясь, электрон поглощает фотон определенной частоты, чтобы почти сразу же испустить в точности такой же фотон и вернуться в нормальное состояние на нижней незанятой орбитали своего атома. Таким образом, свет в среде распространяется посредством цепочки непрерывных поглощений и испусканий фотонов. Именно этим обусловлено замедление распространения света в среде.

Электроны в атомах — пленники своих ядер. Для понимания некоторых явлений субатомного мира полезно представить себе электроны прикрепленными к ядрам на жестких пружинах. Реакция электрона на воздействии электрического поля световой волны зависит от того, как частота волны соотносится с частотами собственных колебаний этой воображаемой пружины. Расчеты показывают, что чем короче длина световой волны, тем выше вероятность ее попадания в резонанс с собственными частотами возбуждения электронов и, соответственно, тем чаще электроны будут поглощать и вновь испускать фотоны соответствующей частоты, задерживая тем самым распространение света этой частоты. Доказано, что интенсивность испускания таких вторичных световых волн атомами пропорциональна длине волны в четвертой степени!

Следствием этого же эффекта взаимодействия света с атомами является и рассеяние света в среде. Свет, не вступавший во взаимодействие с атомами, доходит до нас напрямую. Поэтому, когда мы глядим не на источник света, а на рассеянный свет от этого источника, мы наблюдаем в нем преобладание коротких волн синей части спектра.

Вот почему небо выглядит синим, а Солнце желтоватым! Когда вы смотрите на небо в стороне от Солнца, вы видите там рассеянный солнечный свет, где преобладают короткие волны синей части спектра. Когда же вы смотрите непосредственно на Солнце, вы наблюдает спектр его излучения, из которого, путем рассеяния на атомах воздуха, удалена часть синих лучей, и изначально белый спектр Солнца смещается в желто-красную область при прохождении через атмосферу. (Только никогда не пытайтесь удостовериться в этом собственными глазами, глядя прямо на Солнце. Интенсивность прямых солнечных лучей настолько высока, что даже секундного взгляда на Солнце в зените достаточно, в лучшем случае, для временного ослепления, а в худшем — для хронических функциональных нарушений зрения.) На закате, когда солнечные лучи совершают значительно более длительное путешествие сквозь атмосферу, Солнце кажется нам и вовсе красным, поскольку в этом случае рассеиваются и исчезают из его спектра не только синие, но и зеленые, и желтые лучи.

Преломление света. Закон преломления. Преломление лучей

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: закон преломления света, полное внутреннее отражение.

На границе раздела двух прозрачных сред наряду с отражением света наблюдается его преломление — свет, переходя в другую среду, меняет направление своего распространения.

Преломление светового луча происходит при его наклонном падении на поверхность раздела (правда, не всегда — читайте дальше про полное внутреннее отражение). Если же луч падает перпендикулярно поверхности, то преломления не будет — во второй среде луч сохранит своё направление и также пойдёт перпендикулярно поверхности.

Закон преломления (частный случай).

Мы начнём с частного случая, когда одна из сред является воздухом. Именно такая ситуация присутствует в подавляющем большинстве задач. Мы обсудим соответствующий частный случай закона преломления, а уж затем дадим самую общую его формулировку.

Предположим, что луч света, идущий в воздухе, наклонно падает на поверхность стекла, воды или какой-либо другой прозрачной среды. При переходе в среду луч преломляется, и его дальнейший ход показан на рис. 1.

В точке падения проведён перпендикуляр (или, как ещё говорят, нормаль) к поверхности среды. Луч , как и раньше, называется падающим лучом, а угол между падающим лучом и нормалью — углом падения. Луч — это преломлённый луч; угол между преломлённым лучом и нормалью к поверхности называется углом преломления.

Всякая прозрачная среда характеризуется величиной , которая называется показателем преломления этой среды. Показатели преломления различных сред можно найти в таблицах. Например, для стекла , а для воды . Вообще, у любой среды ; показатель преломления равен единице только в вакууме. У воздуха , поэтому для воздуха с достаточной точностью можно полагать в задачах (в оптике воздух не сильно отличается от вакуума).

Закон преломления (переход «воздух–среда»).

1) Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно показателю преломления среды:

. (1)

Поскольку из соотношения (1) следует, что , то есть — угол преломления меньше угла падения. Запоминаем: переходя из воздуха в среду, луч после преломления идёт ближе к нормали.

Показатель преломления непосредственно связан со скоростью распространения света в данной среде. Эта скорость всегда меньше скорости света в вакууме: . И вот оказывается,что

. (2)

Почему так получается, мы с вами поймём при изучении волновой оптики. А пока скомбинируем формулы . (1) и (2):

. (3)

Так как показатель преломления воздуха очень близок единице, мы можем считать, что скорость света в воздухе примерно равна скорости света в вакууме . Приняв это во внимание и глядя на формулу . (3), делаем вывод: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в воздухе к скорости света в среде.

Обратимость световых лучей.

Теперь рассмотрим обратный ход луча: его преломление при переходе из среды в воздух. Здесь нам окажет помощь следующий полезный принцип.

Принцип обратимости световых лучей. Траектория луча не зависит от того, в прямом или обратном направлении распространяется луч. Двигаясь в обратном направлении, луч пойдёт в точности по тому же пути, что и в прямом направлении.

Согласно принципу обратимости, при переходе из среды в воздух луч пойдёт по той же самой траектории, что и при соответствующем переходе из воздуха в среду (рис. 2) Единственное отличие рис. 2 от рис. 1 состоит в том, что направление луча поменялось на противоположное.

Раз геометрическая картинка не изменилась, той же самой останется и формула (1): отношение синуса угла к синусу угла по-прежнему равно показателю преломления среды. Правда, теперь углы поменялись ролями: угол стал углом падения, а угол — углом преломления.

В любом случае, как бы ни шёл луч — из воздуха в среду или из среды в воздух — работает следующее простое правило. Берём два угла — угол падения и угол преломления; отношение синуса большего угла к синусу меньшего угла равно показателю преломления среды.

Теперь мы целиком подготовлены для того, чтобы обсудить закон преломления в самом общем случае.

Закон преломления (общий случай).

Пусть свет переходит из среды 1 с показателем преломления в среду 2 с показателем преломления . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной; соответственно, среда с меньшим показателем преломления называется оптически менее плотной.

Переходя из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, световой луч после преломления идёт ближе к нормали (рис. 3). В этом случае угол падения больше угла преломления: .

Наоборот, переходя из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, луч отклоняется дальше от нормали (рис. 4). Здесь угол падения меньше угла преломления:

Оказывается, оба этих случая охватываются одной формулой — общим законом преломления, справедливым для любых двух прозрачных сред.

Закон преломления.
1) Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности раздела сред, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды:

. (4)

Нетрудно видеть, что сформулированный ранее закон преломления для перехода «воздух–среда» является частным случаем данного закона. В самом деле, полагая в формуле (4) , мы придём к формуле (1).

Вспомним теперь, что показатель преломления — это отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде: . Подставляя это в (4), получим:

. (5)

Формула (5) естественным образом обобщает формулу (3). Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Полное внутреннее отражение.

При переходе световых лучей из оптически более плотной среды в оптически менее плотную наблюдается интересное явление — полное внутреннее отражение. Давайте разберёмся, что это такое.

Будем считать для определённости, что свет идёт из воды в воздух. Предположим, что в глубине водоёма находится точечный источник света , испускающий лучи во все стороны. Мы рассмотрим некоторые из этих лучей (рис. 5).

Луч падает на поверхность воды под наименьшим углом. Этот луч частично преломляется (луч ) и частично отражается назад в воду (луч ). Таким образом, часть энергии падающего луча передаётся преломлённому лучу, а оставшаяся часть энергии -отражённому лучу.

Угол падения луча больше. Этот луч также разделяется на два луча — преломлённый и отражённый. Но энергия исходного луча распределяется между ними по-другому: преломлённый луч будет тусклее, чем луч (то есть получит меньшую долю энергии), а отражённый луч — соответственно ярче, чем луч (он получит большую долю энергии).

По мере увеличения угла падения прослеживается та же закономерность: всё большая доля энергии падающего луча достаётся отражённому лучу, и всё меньшая — преломлённому лучу. Преломлённый луч становится всё тусклее и тусклее, и в какой-то момент исчезает совсем!

Это исчезновение происходит при достижении угла падения , которому отвечает угол преломления . В данной ситуации преломлённый луч должен был бы пойти параллельно поверхности воды, да идти уже нечему — вся энергия падающего луча целиком досталась отражённому лучу .

При дальнейшем увеличении угла падения преломлённый луч и подавно будет отсутствовать.

Описанное явление и есть полное внутреннее отражение. Вода не выпускает наружу лучи с углами падения, равными или превышающими некоторое значение — все такие лучи целиком отражаются назад в воду. Угол называется предельным углом полного отражения.

Величину легко найти из закона преломления. Имеем:

.

Но , поэтому

,

откуда

.

Так, для воды предельный угол полного отражения равен:

.

Явление полного внутреннего отражения вы легко можете наблюдать дома. Налейте воду в стакан, поднимите его и смотрите на поверхность воды чуть снизу сквозь стенку стакана. Вы увидите серебристый блеск поверхности — вследствие полного внутреннего отражения она ведёт себя подобно зеркалу.

Важнейшим техническим применением полного внутреннего отражения является волоконная оптика. Световые лучи, запущенные внутрь оптоволоконного кабеля (световода) почти параллельно его оси, падают на поверхность под большими углами и целиком, без потери энергии отражаются назад внутрь кабеля. Многократно отражаясь, лучи идут всё дальше и дальше, перенося энергию на значительное расстояние. Волоконно-оптическая связь применяется, например, в сетях кабельного телевидения и высокоскоростного доступа в Интернет.

Насколько быстро свет движется в воде по сравнению с воздухом? Рефракционный эксперимент | Научный проект

В этом проекте вы будете использовать лазер для измерения преломления в различных средах. Laser — это аббревиатура от «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что, говоря простым языком, означает, что вы излучаете лучи света по прямой линии.

Как по-разному свет преломляется при прохождении через разные среды?

• Листы бумаги
• Карандаш
• Цветной маркер
• Линейка
• Транспортир
• Калькулятор
• Прямоугольный прозрачный материал толщиной не менее дюйма.Вот некоторые примеры:
  • Стекло
  • Оргстекло
  • Пластик
  • Желатин
  • Стеклянная тарелка с водой
  • Прозрачная пластиковая тарелка с водой
• Лазерная указка или лазерная ручка

1. Сложите чистый лист бумаги пополам.
2. Поместите один из тестовых материалов на сложенный лист бумаги так, чтобы центральная линия объекта находилась на сгибе.
3. Обведите карандашом контур объекта на бумаге.
4. Цветным маркером нарисуйте небольшую точку на краю листа. Именно сюда вы наведете лазер. Эта точка должна находиться на той же стороне, что и сгиб, на расстоянии не менее 1,5 дюймов от сгиба. Почему следует отмечать место, куда будет нацелен лазер?
5. Положите лазер на стол или столешницу и отрегулируйте луч так, чтобы он попадал на страницу в цветной точке, которую вы сделали, и попадал на объект в средней линии сгиба.

6. Выключите свет, если это позволяет лучше видеть лазерный луч.
7. Отметьте карандашом путь лазерного луча внутрь и из объекта с помощью нескольких точек.
8. С помощью транспортира измерьте угол падения и угол преломления. Запишите данные и обязательно включите любые наблюдения. Угол падения (θ ₁ ) — это угловое расстояние от точки отсчета (в данном случае изгиба центральной линии), на котором лазерный луч приближается и падает на объект.В данном случае среда — воздух. Угол преломления (θ ₂ ) — это угловое расстояние от точки отсчета (в данном случае складки центральной линии), на которой свет проходит через новую среду:

9. Используя закон Снеллиуса, вычислите скорость света в воздухе и в исследуемом материале. Закон Снеллиуса:

10. Повторите процедуру с разными материалами и сравните результаты.

Свет будет иметь максимальную скорость, когда движется по воздуху.Свет будет иметь самую низкую скорость, когда он проходит через желатин.

Свет замедляется при прохождении через различные прозрачные материалы. Чем больше он замедляется, тем больше изгибается, когда ударяется о средний , сделанный из этого материала. Закон Снеллиуса показывает взаимосвязь между углами падения и преломления и скоростями фазы задействованных материалов. Для этого эксперимента ваш лазерный луч прошел через воздушную фазу, прежде чем попасть в фазу любого твердого тела, которое вы выбрали.Закон Снеллиуса гласит, что отношение синуса падения к углам преломления, θ , равно отношению фазовых скоростей v .

Другой вариант закона Снеллиуса включает показатель преломления , n . Заявленный ранее закон Снеллиуса обратен отношению показателей преломления.

Показатель преломления — это безразмерное число или число без каких-либо единиц.Безразмерные числа используются для сравнения двух разных объектов по одним и тем же параметрам. Показатель преломления описывает, как свет проходит через среду.

Где c — это скорость света в вакууме (2,99 x 10 ⁸ м / с), а v — это скорость света в измеряемой среде в м / с.

Попробуйте добавить соль или сахар в воду в емкости и повторите эксперимент. Что случается? Отличается ли скорость при растворении твердых тел в жидкости? Вы также можете попробовать измерить другие прозрачные жидкости, такие как чистая сода или жидкое мыло.Вы также можете попробовать использовать объекты разной формы, например призмы, чтобы увидеть, как по-разному преломляется свет.

Заявление об ограничении ответственности и меры предосторожности

Education.com предоставляет идеи проекта Science Fair для информационных целей.
только для целей. Education.com не дает никаких гарантий или заверений
относительно идей проектов Science Fair и не несет ответственности за
любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких
Информация.Получая доступ к идеям проекта Science Fair, вы отказываетесь от
отказаться от любых претензий к Education.com, которые возникают в связи с этим. Кроме того, ваш
доступ к веб-сайту Education.com и идеям проектов Science Fair покрывается
Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, которые включают ограничения
об ответственности Education.com.

Настоящим дается предупреждение, что не все идеи проекта подходят для всех
индивидуально или при любых обстоятельствах. Реализация идеи любого научного проекта
должны проводиться только в соответствующих условиях и с соответствующими родительскими
или другой надзор.Прочтите и соблюдайте правила техники безопасности всех
Материалы, используемые в проекте, являются исключительной ответственностью каждого человека. Для
Для получения дополнительной информации обратитесь к справочнику по научной безопасности вашего штата.

Учебник по микроскопии молекулярных выражений: физика света и цвета

Интерактивные учебные пособия

Скорость света в прозрачных материалах

Когда свет, движущийся в вакууме, попадает в новую прозрачную среду, такую ​​как воздух, вода или стекло, скорость уменьшается пропорционально показателю преломления нового материала.Это интерактивное руководство исследует снижение скорости света как функцию показателя преломления в обычных веществах.

Учебное пособие инициализируется световой волной, движущейся по воздуху (моделируется прозрачным блоком) со скоростью 186 226,52 миль в секунду. Для работы с учебником используйте ползунок Refractive Index of Material , чтобы изменить состав и показатель преломления блока в диапазоне от 1,0 до 3,91. При перемещении ползунка вправо показатель преломления увеличивается, а затем скорость света уменьшается.Показатели преломления и названия, соответствующие распространенным материалам, отображаются над ручкой ползунка. Кроме того, скорость света через материал с показателем преломления, установленным ползунком, вычисляется и отображается под блоком.

Свет, движущийся в однородном веществе или среде, распространяется по прямой линии с относительно постоянной скоростью, если только он не преломляется, не отражается, не дифрагирует или не возмущается каким-либо другим образом. Этот общепризнанный научный факт не является продуктом атомной эры или даже эпохи Возрождения, а был первоначально продвинут древнегреческим ученым Евклидом где-то около 350 г. до н.э. в его историческом трактате Optica .Однако интенсивность света (и другого электромагнитного излучения) обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. Таким образом, после того, как свет прошел дважды заданное расстояние, интенсивность падает в четыре раза.

Когда свет, проходящий через воздух, попадает в другую среду, такую ​​как стекло или вода, скорость и длина волны света уменьшаются (см. Рисунок 1), хотя частота остается неизменной. Свет распространяется со скоростью примерно 300 000 километров в секунду в вакууме с показателем преломления 1.0, но он замедляется до 225 000 километров в секунду в воде (показатель преломления = 1,3; см. Рисунок 1) и до 200 000 километров в секунду в стекле (показатель преломления 1,5). В алмазе с относительно высоким показателем преломления 2,4 скорость света снижается до относительного ползания (125 000 километров в секунду), что примерно на 60 процентов меньше его максимальной скорости в вакууме.

Из-за огромных путешествий, которые свет проходит в космическом пространстве между галактиками и внутри Млечного Пути, расстояние между звездами измеряется не в километрах, а в световых годах, расстояние, которое свет прошел бы за год.Световой год равен 9,5 триллиона километров или примерно 5,9 триллиона миль. Расстояние от Земли до следующей ближайшей звезды за пределами нашего Солнца, Proxima Centauri , составляет примерно 4,24 световых года. Для сравнения: диаметр галактики Млечный Путь составляет около 150 000 световых лет, а расстояние до галактики Андромеды составляет примерно 2,21 миллиона световых лет. Это означает, что свет, покидающий галактику Андромеды 2,21 миллиона лет назад, как раз достигает Земли, если только он не был задержан отражением небесных тел или преломлением обломков.

Когда астрономы смотрят в ночное небо, они наблюдают смесь реального времени, недавнего прошлого и древней истории. Например, в период, когда первопроходцы вавилоняне, арабские астрологи и греческие астрономы описывали звездные созвездия, Скорпион ( Скорпион для астрологов) все еще имел хлыст скорпиона. Хвостовая звезда и другие звезды в этом созвездии появились в небе как новые звезды между 500 и 1000 годами до нашей эры, но сегодня они не видны.Хотя некоторые из звезд, которые наблюдаются в ночном небе Земли, уже давно погибли, световые волны, которые несут их изображения, все еще достигают человеческих глаз и телескопов. Фактически, свет от их разрушения (и тьма их отсутствия) еще не пересек огромные расстояния глубокого космоса из-за недостаточного времени.

Соавторы

Мэтью Дж. Парри-Хилл и Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Восток Пол Дирак Др., Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.

НАЗАД НА СКОРОСТЬ СВЕТА

НАЗАД К СВЕТУ И ЦВЕТУ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1998-2021, автор —
Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды.
Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.

Этот веб-сайт поддерживается нашей командой

по графике и веб-программированию
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.

Последнее изменение: понедельник, 10 сентября 2018 г., 09:04

Счетчик доступа с 14 августа 2002 г .: 223812

Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов,

используйте кнопки ниже для перехода на их веб-сайты:

Изучение изменения скорости света при прохождении через стекло

Все мы знаем, что свет изгибается, когда проходит через стекло, воду или другой прозрачный материал.Так работают микроскоп, маяк и очки. И вы даже можете знать, что свет изгибается, потому что он проходит через стекло или воду медленнее, чем через воздух. Но почему свет замедляется и как он снова ускоряется, когда выходит с другой стороны? Там нет ничего, что могло бы подтолкнуть его.

Что ж, если вы думаете, что свет — это волна, это легко объяснить. Электромагнитные волны просто проходят через стекло медленнее, чем через воздух. Таким образом, гребни волн расположены ближе друг к другу, но свет по-прежнему колеблется такое же количество раз в секунду.Он остается того же цвета. Когда волна снова ударяет в воздух, ее цвет все еще не меняется, а гребни расширяются, и она возвращается к световой скорости.

Упрощенное объяснение состоит в том, что энергия волны определяется ее частотой или цветом, которые не меняются. Таким образом, для ускорения на другой стороне не требуется ускорение. Но подождите, скажете вы. Я думал, что свет движется с одинаковой скоростью в каждой системе отсчета. Вы до сих пор не объяснили, как это может замедлиться.

А теперь давайте подумаем о свете как о частице.Когда свет проходит сквозь стекло, он ударяется и наталкивается на всевозможные молекулы и электроны. Итак, когда он путешествует, он движется со скоростью света. Но он занят взаимодействием и рассыпанием множества вещей по пути, и он не обязательно выбирает кратчайший путь через стекло.

Это похоже на попытку президента США пересечь комнату. Если комната пуста, он может перейти прямо через нее. Но если в комнате полно людей, каждый из которых хочет пожать президенту руку, даже если он ходит от человека к человеку на полной президентской скорости, то по пути его будут тормозить.Однако как только он достигает дальнего конца комнаты, он может возобновить свой темп. Полный вперед, господин президент.

Преломление света — Science Learning Hub

Преломление — это искривление света (оно также происходит со звуком, водой и другими волнами), когда он переходит от одного прозрачного вещества к другому.

Это изгибание за счет преломления позволяет нам получать линзы, увеличительные стекла, призмы и радуги. Даже наши глаза зависят от этого отклонения света.Без преломления мы не смогли бы фокусировать свет на сетчатке.

Изменение скорости вызывает изменение направления

Свет преломляется всякий раз, когда он проходит под углом в вещество с другим показателем преломления (оптической плотностью).

Это изменение направления вызвано изменением скорости. Например, когда свет перемещается из воздуха в воду, он замедляется, заставляя его продолжать двигаться под другим углом или в другом направлении.

Насколько отклоняется свет?

Величина изгиба зависит от двух вещей:

• Изменение скорости — если вещество заставляет свет ускоряться или замедляться больше, он будет больше преломляться (изгибаться).
• Угол падающего луча — если свет входит в вещество под большим углом, величина преломления также будет более заметной. С другой стороны, если свет проникает в новое вещество прямо (под углом 90 ° к поверхности), свет все равно будет замедляться, но совершенно не изменит направление.

Показатель преломления некоторых прозрачных веществ

14.9215

14.9215

Все углы измеряются от воображаемой линии, проведенной под углом 90 ° к поверхности двух веществ. Эта линия изображена пунктирной линией и называется нормалью.

Если свет попадает в какое-либо вещество с коэффициентом преломления выше (например, из воздуха в стекло), он замедляется. Свет изгибается на по направлению к нормальной линии.

Если свет проникает внутрь вещества с показателем преломления ниже (например, из воды в воздух), он ускоряется.Свет отклоняется на от нормальной линии на .

Более высокий показатель преломления показывает, что свет замедляется и сильнее меняет направление по мере попадания в вещество.

Линзы

Линза — это просто изогнутый блок из стекла или пластика. Есть два вида линз.

Двояковыпуклая линза в середине толще, чем по краям. Такой тип линзы используется для увеличительного стекла. Параллельные лучи света можно сфокусировать в точку фокусировки. Двояковыпуклая линза называется собирающей линзой.

Двояковогнутая линза в середине тоньше, чем по краям. Световые лучи преломляются наружу (расходятся) при входе в линзу и снова при выходе.

Преломление может создать спектр

Исаак Ньютон провел знаменитый эксперимент, используя треугольный стеклянный блок, называемый призмой. Он использовал солнечный свет, проникающий через его окно, чтобы создать спектр цветов на противоположной стороне своей комнаты.

Этот эксперимент показал, что белый свет состоит из всех цветов радуги.Эти семь цветов запоминаются аббревиатурой ROY G BIV — красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.

Ньютон показал, что каждый из этих цветов не может быть превращен в другие цвета. Он также показал, что их можно рекомбинировать, чтобы снова получить белый свет.

Объяснение разделения цветов заключается в том, что свет состоит из волн. Красный свет имеет большую длину волны, чем фиолетовый. Показатель преломления красного света в стекле немного отличается от показателя преломления фиолетового света.Фиолетовый свет замедляется даже больше, чем красный, поэтому он преломляется под немного большим углом.

Показатель преломления красного света в стекле равен 1,513. Показатель преломления фиолетового света 1,532. Этой небольшой разницы достаточно для того, чтобы свет с более короткой длиной волны преломлялся сильнее.

Rainbows

Радуга возникает из-за того, что каждый цвет преломляется под немного разными углами, когда входит, отражается изнутри и затем оставляет каждую крошечную каплю дождя. {- 1} \ или 300000 км / ч

(б) Вода -2.{-1}

«Здравствуйте, студенты, добро пожаловать в Лидо!
обучающие видео с вопросами и ответами
Вы видите изображение здесь, что делаете
мы видим, что происходит с этим карандашом
это сломано здесь нет это не
сломанный, но
преломление света происходит
что такое преломление света
изменение пути света на
интерфейс двух разных медиа
и самый важный момент — это
скорость
света также меняется, когда он путешествует
от одной среды к другой так связаны
к этому
теперь у нас есть вопрос перед нами
то есть скорость света в
воздух в воде и в стекле так в воздухе
скорость света равна 10 в степени 8
метров в секунду
это также записывается как 3 из 10 в
мощность 8
метр секунда минус 1 или мы также можем
напишите это как 3000
три тысячи километров на
г так хорошо, вот как скорость света
в
воздух представлен как
скажем скорость света в воде так
теперь скорость уменьшилась, как мы видим
то есть стало 2.От 25 до 10 до
мощность 8 метров в секунду
и посмотрим, что происходит в стекле так
среда становится все плотнее и плотнее
и мы видим, что скорость уменьшилась
в дальнейшем это стало
2 в 10 до мощности 8 метров в
во-вторых, так это
мы видим здесь одно явление, которое мы
наблюдают за
скорость света в том, что она уменьшается
как среда становится
плотнее и это соответствующие
скорости
свет, надеюсь, ты понял это, если
у вас есть дополнительные вопросы
пожалуйста, оставьте свои комментарии ниже также, если
тебе нравится это видео, пожалуйста, не забывай
подписаться на канал Lido для получения дополнительной информации
такие видео
спасибо «

Как притормозить свет до упора

В вакууме свет всегда движется с постоянной скоростью 299 792 458 метров в секунду. Ничто не может двигаться быстрее этой постоянной c, , как обозначено физиками. Эти два постулата являются основными строительными блоками современной физики и были впервые объявлены более ста лет назад Альбертом Эйнштейном.

Да, да ничто не может двигаться быстрее света, но…

Когда свет проходит через среду, отличную от вакуума, он замедляется. Например, когда свет распространяется через воду или воздух, он будет делать это с меньшей скоростью.Это связано с тем, что свет рассеивается молекулами, из которых состоят различные материалы. Сами фотоны не замедляются. Но их прохождение через среду связано с поглощением электронами и переизлучением. Для некоторых материалов, таких как вода, свет замедляется сильнее, чем электроны. Таким образом, электрон в воде может двигаться быстрее света в воде . Но ничто не может двигаться быстрее, чем c .

Изображение: Flickr

В некоторых случаях слабый свет может вызывать очень интересные физические явления.Вы, наверное, слышали о звуковом буме. «Обычный» дозвуковой самолет будет плавно отклонять воздух вокруг своих крыльев. Сверхзвуковой самолет — тот, который летит быстрее звука (более 340 м / с) — на самом деле будет двигаться намного быстрее, чем воздух, который он перемещает. Результатом является внезапное изменение давления или ударная волна, которая распространяется от самолета по конусу со скоростью звука.

Доктор Манхэттен

Доктор Манхэттен. Изображение: Comic Vine

Фазовая скорость света в среде с показателем преломления n составляет v _light = c / n .Вода имеет показатель преломления около 1,3, поэтому скорость света в воде значительно меньше скорости света в вакууме. Не только электрон может двигаться быстрее света через другую среду — также и другие частицы. Если заряженная частица движется в среде быстрее света, возникает слабое излучение. В воде, например, заряженная частица возбуждает молекулы воды, которые затем возвращаются в свое нормальное состояние, испуская фотоны синего света. Свет распространяется по конусу вперед от области, где произошло взаимодействие, аналогично звуковому удару.

Этот эффект, известный как излучение Черенкова, наблюдал в виде слабого голубого свечения Павел Черенков в 1934 году, когда его попросили изучить эффекты радиоактивности в жидкостях. Люди, работающие с ядерными реакторами, часто видят это характерное голубое свечение. В популярной культуре могущественный доктор Манхэттен из классического графического романа Лэна Мура «Хранители» всегда окружен голубым сиянием.

Это обсуждение вызывает вопрос: насколько мы можем замедлить свет?

Тупик

GIF: гифка.com

Хотя на самом деле мы никогда не сможем увеличить или уменьшить скорость света, которая всегда постоянна, ученым удалось управлять временем, которое требуется свету для прохождения через различные среды. При комнатной температуре атомы невероятно быстрые и ведут себя как бильярдные шары, отскакивая друг от друга при взаимодействии. По мере того, как вы понижаете температуру (помните, что температура отражает движение атомов), атомы и молекулы движутся медленнее. В конце концов, как только вы достигнете отметки 0,000001 градуса выше абсолютного нуля, атомы станут настолько плотно упакованы, что ведут себя как один суператом, действуя в унисон.Это область квантовой механики, подготовленная ко многим странностям.

На самом деле это отдельное состояние вещества, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна, которое не похоже на повседневные наблюдаемые состояния, такие как жидкость, газ, твердое тело или плазма. Короче говоря, БЭК была впервые предсказана в 1920-х годах Альбертом Эйнштейном и индийским физиком Сатьендрой Бозе, и только в самом конце 1995 года ученые смогли создать необходимые условия для возникновения этого экстремального состояния материи.

В 1999 году Лене Вестергаард Хау, профессор Гарвардского университета, направила лазерный луч через такое облако почти неподвижных атомов натрия длиной всего 1/125 дюйма. Во-первых, первый луч, известный как связующий луч, освещается облаком, делая его прозрачным. Это происходит с чрезвычайно высокой скоростью изменения показателя преломления.

Рефракция — это изгиб волны, когда она входит в среду, где ее скорость отличается. Преломление света при переходе от быстрой среды к медленной изгибает луч света по нормали к границе между двумя средами.Величина изгиба зависит от показателей преломления двух сред и количественно описывается законом Снеллиуса », источник: Hyperphysics .

Второй лазерный луч, пробный импульс, проходит через это теперь прозрачное облако газа, показатель преломления которого в сто триллионов раз выше, чем у стекла в оптическом волокне. Именно в таких условиях свет полз со скоростью 38 миль в час. Лошади быстрее.

Плавающий свет

Не останавливаясь на достигнутом, профессор Хау довела конверт до конечной точки: остановив свет на своем пути.Чтобы полностью остановить свет, ученые использовали аналогичный, но гораздо более мощный эффект. Исследователи охладили газ из магнитно захваченных атомов натрия до нескольких миллионных долей абсолютного нуля (-273 ° C). Экспериментальная установка выглядела очень похожей на первую попытку, только на этот раз, если команда отключила лазер связи, в то время как пробный лазер все еще светил на облако, тогда пробный импульс останавливался. Если затем включить связующий луч, зондирующий импульс останется нетронутым, как если бы он ждал возобновления своего путешествия.Удивительный! Эти результаты были воспроизведены в том же 2001 году доктором Рональдом Уолсвортом из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже.

«Исследователи построили то, что они назвали ипподромом — установили двойной курс для запуска фотонов и обнаружения, когда они попадают в детектор на расстоянии метра. Фотоны от обеих групп были запущены одновременно, но фотоны без формы опережают фотоны с измененной формой до финишной черты примерно на 0,001 процента », — сообщает Phys.org.

С тех пор были установлены различные вехи.В 2013 году команда из немецкого университета Дармштадта полностью остановила свет внутри кристаллической структуры и держала его в таком состоянии в течение целой минуты. Они также использовали ловушку для хранения и извлечения изображения, состоящего из трех полос. «Мы показали, что вы можете запечатлеть сложную информацию на своем световом луче», — сказал ведущий исследователь Джордж Хайнце. В 2015 году исследователи из Университета Глазго нашли способ замедлить скорость света, не проходя через среду. По сути, они косвенно изменяли его скорость, пропуская свет через специальную маску — фильтр, который преобразовывал луч в гауссов или бесселевский луч.

Предполагается, что после прохождения через среду, например стекло, воду или любой другой материал, из которого можно сделать фильтр, скорость возвращается к своей нормальной постоянной. Эксперимент показал, что свет может двигаться медленнее, чем c , изменяя его форму. Это на 0,001% медленнее, чем должно было быть. Не так впечатляюще, как включение света, но все же увлекательно. Возможно, свет более податлив, чем думали раньше физики.

У этих «уловок», конечно, есть практическое применение.Сюда входят приложения для квантовых вычислений и квантовой связи. Тем не менее, заниматься такой новаторской наукой просто ради этого звучит для меня так же здорово.

Оптическая плотность и скорость света

Преломление — это искривление пути световой волны при ее переходе от одного материала к другому.Рефракция возникает на границе и вызвана изменением скорости световой волны при пересечении границы. Тенденция луча света изгибаться в том или ином направлении зависит от того, ускоряется или замедляется световая волна при пересечении границы. Поскольку основное внимание в нашем исследовании будет уделяться направлению изгиба, важно понять факторы, которые влияют на скорость, с которой световая волна переносится через среду.

Распространение света через среду

Механизм, с помощью которого световая волна переносится через среду, происходит таким же образом, как и любая другая волна, — посредством межчастичного взаимодействия.В Разделе 10 учебного курса по физике подробно обсуждался механизм межчастичного взаимодействия, с помощью которого механическая волна переносит энергию. В Разделе 12 Учебника по физике кратко обсуждался механизм переноса энергии электромагнитной волной. Здесь мы рассмотрим этот метод более подробно.

Электромагнитная волна (то есть световая волна) создается колеблющимся электрическим зарядом. Когда волна движется через вакуум пустого пространства, она движется со скоростью c (3 x 10 ⁸ м / с).Это значение скорости света в вакууме. Когда волна падает на частицу материи, энергия поглощается и приводит электроны внутри атомов в колебательное движение. Если частота электромагнитной волны не соответствует резонансной частоте колебаний электрона, то энергия переизлучается в виде электромагнитной волны. Эта новая электромагнитная волна имеет ту же частоту, что и исходная волна, и она также будет распространяться со скоростью c через пустое пространство между атомами.Вновь испущенная световая волна продолжает двигаться через межатомное пространство, пока не столкнется с соседней частицей. Эта новая частица поглощает энергию и приводит электроны ее атомов в колебательное движение. И еще раз, если нет совпадения между частотой электромагнитной волны и резонансной частотой электрона, энергия переизлучается в форме новой электромагнитной волны. Цикл поглощения и переизлучения продолжается, поскольку энергия переносится от частицы к частице через объем среды.Каждый фотон (пучок электромагнитной энергии) перемещается между межатомной пустотой со скоростью c ; однако временная задержка, связанная с процессом поглощения и повторного испускания атомами материала, снижает чистую скорость переноса от одного конца среды к другому. Следовательно, чистая скорость электромагнитной волны в любой среде несколько меньше ее скорости в вакууме — c (3 x 10 ⁸ м / с).

Оптическая плотность и показатель преломления

Как и любая волна, скорость световой волны зависит от свойств среды.В случае электромагнитной волны скорость волны зависит от оптической плотности этого материала. Оптическая плотность среды — это не то же самое, что ее физическая плотность. Физическая плотность материала относится к соотношению масса / объем. Оптическая плотность материала связана с вялой тенденцией атомов материала поддерживать поглощенную энергию электромагнитной волны в форме колеблющихся электронов перед ее повторным излучением в виде нового электромагнитного возмущения.Чем оптически плотнее материал, тем медленнее волна будет проходить через материал.

Одним из индикаторов оптической плотности материала является показатель преломления , значение материала. Значения индекса преломления (обозначенные символом n ) представляют собой числовые значения индекса, которые выражаются относительно скорости света в вакууме. Показатель преломления материала — это число, которое указывает, во сколько раз световая волна будет в этом материале медленнее, чем в вакууме.Вакууму присвоено значение n 1,0000. Значения n для других материалов находятся из следующего уравнения:

В таблице ниже приведены значения показателя преломления для различных сред. Материалы, перечисленные в верхней части таблицы, — это те, через которые свет проходит быстрее всего; это наименее оптически плотные материалы. Материалы, перечисленные в нижней части таблицы, — это те, через которые свет распространяется медленнее всего; это самые оптически плотные материалы.Таким образом, по мере увеличения показателя преломления оптическая плотность увеличивается, а скорость света в этом материале уменьшается.

Посмотри!

Используйте виджет Index of Refraction , чтобы найти индекс преломления данного материала.Введите название материала и нажмите кнопку Submit , чтобы узнать его показатель преломления.

Показатель преломления позволяет измерить относительную скорость световой волны в конкретной среде. Знание таких относительных скоростей позволяет студенту-физику предсказать, в какую сторону изгибается световой луч при переходе из одной среды в другую. В следующей части Урока 1 правила направления изгиба будут подробно рассмотрены.

Хотим предложить…

Зачем просто читать об этом и когда можно с этим взаимодействовать? Взаимодействовать — это именно то, что вы делаете, когда используете одно из интерактивных материалов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного модуля Refraction или интерактивного модуля по принципу наименьшего времени. Вы можете найти их в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте.