Скорость света в воздухе и в воде: Чему равна скорость света в вакууме, воздухе и воде: формулы

Содержание

Чему равна скорость света в вакууме, воздухе и воде: формулы

Свет – одно из ключевых понятий оптической физики. Свет представляет собой электромагнитное излучение, доступное человеческому глазу.

Долгие десятилетия лучшие умы бились над проблемой определения, с какой скоростью движется свет и чему она равна, а также всех сопутствующих ему расчетов. В 1676 в кругу физиков произошла революция. Датский астроном, по имени Оле Ремер, опроверг утверждение, что свет распространяется по вселенной с неограниченной скоростью.

В 1676 году Оле Ремер определил, что скорость света в вакууме составляет 299792458 м/с.

Для удобства эту цифру принялись округлять. Номиналом, равным 300000 м/c, пользуются до сих пор.

Данное правило в обычных для нас условиях касается всех объектов без исключения, в том числе рентгеновских лучей, световых и гравитационных волн осязаемого для наших глаз спектра.

Современные физики, изучающие оптику, доказали, что значение скорости света имеет несколько характеристик:

постоянство;
недостижимость;

конечность.8 м/с.

Скорость света в воде разнится с тем же показателем в вакууме. Чтобы узнать её величину, необходимо число 299 792 458 поделить на 1.33. В итоге получится цифра 225407 км/с – это и есть скорость распространения света в воде.

Скорость распространения света в воздухе в км составляет 1 079 252 848,8 (или 299700 км/сек). Для её нахождения необходимо скорость света в вакууме поделить на коэффициент преломления воздуха. Ответ может быть выведен как в км в час, так и метрах в секунду.

Скорость света – максимально возможная величина?

Многие школьники и студенты задаются вопросом: какая скорость больше скорости света? Есть ли такая вообще? Ответ однозначен: нет!

Скорость распространения света в вакууме считается недосягаемой величиной. Ученые не пришли к единому мнению, что же может происходить с атомами, достигающими этого предела.

Помимо прочего, исследователи выявили, что частица, обладающая массой, может приблизиться к скорости светового луча. Но она не может догнать ее и тем более превысить. Максимальная скорость света пока остается неизменна.

Самый приближенный числовой показатель был достигнут при исследовании космических лучей. Их разгоняли в специально оборудованных ускорителях частиц, беря в расчет длину волны.

Почему же эта цифра так важна? Дело в том, что вакуум обволакивает все космическое пространство. Зная, как свет ведет себя в вакууме, мы можем представить, какова предельная скорость передвижения в нашей Вселенной.

По какой причине невозможно двигаться быстрее света?

Так из-за чего же константа СРС не может быть преодолена в обычных условиях? Исходя из теории, можно смело утверждать, что в ситуации превышения будет нарушен фундаментальный закон построения мира, если говорить конкретно – закон причинности. Согласно этому закону, следствие не в силах опередить свою причину.

Рассмотрим этот парадокс на конкретном примере: не может случиться так, что олень сначала упадет замертво, а уже после произойдёт выстрел охотника, застреливший его. Так вот и при повышении СРС разворачиваемые действия должны начинаться в обратной последовательности. В итоге время должно пойти вспять, а это противоречит всем устоявшимся законам физики.

Эйнштейн и вакуум: конечные результаты расчета

В настоящее время большинство людей на планете знают, что максимально допустимой величиной передвижения материальных объектов и различных сигналов является скорость света в вакууме. А кто же первым додумался до этого?

Мысль о невозможности превысить значение скорости света выразил великий физик Альберт Эйнштейн. Он оформил свои наблюдения и назвал их теорией относительности.

Величайшая теория Эйнштейна до сих пор незыблема. Она останется таковой до момента, пока не будут предъявлены реальные доказательства того, что передать сигнал возможно на скорости, превышающей СРС в вакууме. Этот момент может никогда не наступить.

Однако уже было проведено несколько исследований, предвещающих разлад с некоторыми пунктами самой известной теории Эйнштейна. Измерение сверхсветовых скоростей уже возможно при заданных условиях. Примечательно то, что теория относительности не нарушается полностью.

( 4 оценки, среднее 3.75 из 5 )

ЗАМЕДЛЕННЫЙ СВЕТ | Наука и жизнь

Понятие скорости распространения волны оказывается простым только в отсутствии дисперсии.

Лин Вестергард Хэу возле установки, на которой был проведен уникальный эксперимент.

‹

›

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 v_ф 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.

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.

	ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ		ФОРМУЛЫ
А)	длина световой волны в воздухе	1)
Б)	показатель преломления воды относительно воздуха	2)
		3)
		4)

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.

Рис. 1. Преломление луча на границе «воздух–среда»

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.

Рис. 2. Преломление луча на границе «среда–воздух»

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: .

Рис. 3.

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

Рис. 4.

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).

Рис. 5. Полное внутреннее отражение

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.

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

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

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

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»

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.

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…

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.

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

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.

Свет во тьме: эффект Вавилова – Черенкова

Фото: United States Nuclear Regulatory Commission / wikimedia.org

Сегодня исполняется 130 лет со дня рождения выдающегося ученого Сергея Ивановича Вавилова. С его именем связано становление советской физики, а также открытие, которое удостоилось Нобелевской премии.

В 1958 году советским ученым была впервые присуждена Нобелевская премия по физике за истолкование особого вида излучения – «эффекта Черенкова». Именно под этим названием новое физическое явление получило известность на Западе. Российские физики нарекли синее свечение «излучением Вавилова – Черенкова», подчеркивая решающую роль Сергея Вавилова в успехе его аспиранта Павла Черенкова. Впрочем, для большой науки первостепенно не название, а скорее великое значение самого открытия. Об истории обнаружения загадочного излучения и о том, какие тайны Вселенной оно расскажет человечеству, – в нашем материале.

История «нового света»

В сентябре 1932 года Сергей Иванович Вавилов был назначен научным руководителем Государственного оптического института (ГОИ), в связи с чем переехал в Ленинград. В северной столице он также возглавил физический отдел Физико-математического института Академии наук СССР.

По воспоминаниям сотрудников института с приходом Сергея Ивановича научная жизнь в физическом отделе заметно оживилась. Эти изменения коснулись прежде всего аспирантов. К примеру, был организован ряд лекционных курсов по математике и физике, чтобы восполнить пробелы в фундаментальных знаниях. Кроме того, у всех аспирантов появились научные руководители. Троих молодых ученых – Николая Добротина, Павла Черенкова и Антона Севченко – Вавилов взял под свое научное руководство. Впоследствии все трое стали известными физиками, а один – лауреатом Нобелевской премии.

Своим аспирантам Сергей Иванович предложил темы для исследования, связанные с физикой атомного ядра. Стоит отметить, что решение – очень смелое для того времени. Всего годом ранее был открыт нейтрон, а строение атомного ядра еще только обсуждалось. Немногие ученые способны были предвидеть большое будущее ядерной физики, в их числе был Сергей Иванович Вавилов. Так своим ученикам он предложил на выбор три темы: люминесценция растворов ураниловых солей под действием гамма-излучения радия; исследование свойств нейтронов; изучение изотопических эффектов. Аспирант Павел Черенков решил изучать свечение ураниловых солей, или по-научному люминесценцию.

В учение о люминесценции Сергей Вавилов внес огромный вклад. Это ему, в частности, принадлежит определение люминесценции через время высвечивания. Вавиловым были разработаны и экспериментальные методы, позволяющие определить основные характеристики люминесцирующих веществ. К исследованиям своего аспиранта Черенкова, ученый подошел с большим вниманием и энтузиазмом. Принимал участие в измерениях, познакомил аспиранта с собственным методом фотометрии по порогу зрения.

Вавилов С.И. с сотрудниками Государственного Оптического института за работой в лабораториях, 1934 г. Фото: Архив РАН

Какое же загадочное излучение увидел Черенков во время своих экспериментов? Свечение различных жидкостей под действием гамма-лучей наблюдалось и ранее. Вероятно, первой увидела такое излучение Мария Кюри. В ее работах упоминается слабое синее свечение в растворах с радием. Другой исследователь, Малле, в 1926 году также заметил особое свечение жидкостей рядом с радиоактивными веществами. Однако французский физик принял наблюдаемое им свечение за люминесценцию и никаких дальнейших исследований не провел. Нужно отдать должное упорству Павла Черенкова, с которым он подошел к изучению обнаруженного явления. Помогли опыт и знания Сергея Вавилова, в частности, понять, что обнаруженное свечение – не люминесценция, а что-то иной природы.

Первые сообщения об открытии были опубликованы в конце мая 1934 года в журнале Доклады Академии наук СССР. Одна статья была написана Павлом Черенковым, другая – его научным руководителем Сергеем Вавиловым. По сути, обе публикации представляли собой две части единого исследования о неизвестном ранее явлении, которое получило название «излучение Вавилова – Черенкова».

Как советские физики пролили свет на «синее свечение»

В своей статье Черенков рассказывает о проведенных опытах, а также их результатах по измерению свойств нового свечения: яркости, поляризации, спектрального состава. Вавилов же пытается предоставить теоретическую интерпретацию обнаруженного излучения. Его статья так и называлась – «О возможных причинах синего гамма-свечения жидкостей». На основании проведенных опытов Сергей Вавилов утверждал, что наблюдаемое синее свечение «вообще не может быть каким-либо видом люминесценции».

Согласно его предположению, излучение вызвано движением электронов в среде в отличие от обычного теплового излучения, которое вызвано движением атомов. Сам Вавилов, хотя и высказал такое предположение, не считал его окончательным. Он был в поиске – продолжал активные обсуждения с коллегами, планировал дальнейшие эксперименты для объяснения природы излучения.

Павел Черенков, Илья Франк, Игорь Тамм

Первыми найти верное обоснование удалось советским физикам Игорю Евгеньевичу Тамму и Илье Ивановичу Франку. В 1937 году они опубликовали ряд теоретических работ, где черенковское излучение объяснялось равномерным и прямолинейным движением заряженных частиц среды со скоростями, которые превышают скорость света в данной среде. К примеру, скорость света в воде на четверть меньше, чем в вакууме. Поэтому электрон высокой энергии обгонит свет в воде, и при этом не превысит скорости света в вакууме. Если такая частица идет через воду, она создает электромагнитную взрывную волну, которая переносит в себе энергию на разных длинах волн электромагнитного излучения, включая и видимый свет. На фиолетовом конце радуги энергии создается больше, чем на красном, поэтому свет нам кажется голубым. Уже значительно позднее, в середине 1950-х годов, этот эффект советским физикам удалось запечатлеть на цветном фото.

Сергей Вавилов был одним из первых, кто принял идею Тамма и Франка. Павел Черенков также согласился с теорией, после проведения ряда экспериментов по ее проверке. По совету Вавилова аспирант подготовил небольшую заметку на английском языке о новом эффекте и послал ее в известный лондонский естественно-научный журнал Nature. Однако редакция журнала не приняла заметку к публикации. Вавилов посоветовал Черенкову отправить заметку в американский журнал Physical Review. Там она и была напечатана в 1937 году.

Черенков (третий справа), Франк (второй справа) и Тамм (третий слева) на вручении Нобелевской премии в 1958 году

В 1946 году Сергей Вавилов, Игорь Тамм, Илья Франк и Павел Черенков получили Сталинскую премию I степени – в то время высший государственный знак научного признания. Мировую славу открытия Вавилов не застал – ученого не стало в 1951 году. Спустя всего семь лет Тамму, Франку и Черенкову была присуждена Нобелевская премия по физике – «за открытие и объяснение эффекта Черенкова».

Освещая путь науки: от глубин океана до космической бездны

Известный физик Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук в своей речи на церемонии вручения Нобелевской премии сказал: «Открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований».

За все эти годы излучение Вавилова – Черенкова действительно нашло множество применений. Большое развитие получила техника черенковских счетчиков. Эти устройства быстро вошли в арсенал физики высоких энергий – для определения скорости частицы, ее заряда и других характеристик. Еще в начале 1960-х годов в СССР был создан самый большой черенковский счетчик в мире. С его помощью, в частности, исследовалось множественное рождение элементарных частиц «мезонов» в ядерных взаимодействиях при высоких энергиях.

Детектор Super-Kamiokande. Фото: Kamioka Observatory, ICRR, Univ. of Tokyo

В 1996 году в Японии начал работу гигантский черенковский детектор Super-Kamiokande, диаметром примерно 40 метров и вместимостью 50 тыс. тонн воды. Этот гигант позволил сделать важные открытия в физике нейтрино – загадочной, трудноуловимой частицы. Огромный размер счетчика позволяет регистрировать отдельные и не очень частые акты взаимодействия нейтрино с протонами и нейтронами в атомных ядрах элементов, составляющих воду (кислород и водород). «Выдают» себя нейтрино излучением Вавилова – Черенкова, светясь проходя через толщу воды. Это излучение улавливается и детально анализируется. Можно с большой точностью определить тип нейтрино, вызвавшего реакцию, а также энергию и направление импульса. Так в 1987 году Super-Kamiokande зарегистрировал нейтрино, порожденные при вспышке сверхновой в Большом Магеллановом облаке и положил начало нейтринной астрономии.

Позже для лучшей охоты на нейтрино детекторы стали размещать в озерах. К примеру, самый крупный в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп находится на Байкале. Это Baikal-GVD, строительство которого стартовало в 1990 году. Последняя версия телескопа была запущена совсем недавно. Кстати, в проекте его создания приняла участие Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК) Ростеха.

Baikal-GVD отводится важная роль в формировании мировой нейтринной сети – он присоединился к детектору IceCube, ловящим нейтрино на Южном полюсе, а также к проектам ANTARES и KM3NeT в Средиземном море. Ученые в ожидании новых сенсационных открытий – регистрации реликтовых нейтрино, которые расскажут о первых секундах нашей Вселенной после Большого взрыва и ее дальнейшей эволюции.

Фото: BAIKAL-GVD

Эффект Вавилова – Черенкова находит место и в медицине, в лучевой терапии. Это излучение возникает, когда при радиотерапии заряженные частицы движутся сквозь среду, то есть человеческое тело. Метод, получивший название «черенкоскопии», сделает радиотерапию более точечной. То есть излучение можно будет направлять и дозировать с высокой точностью, добиваясь основной цели – разрушить опухоль, не задев здоровые ткани.

Излучение Вавилова – Черенкова проливает свет на многое, в буквальном смысле, освещая путь к новым научным открытиям, а кому-то просто «освещает» жизнь. Например, рыбам на многокилометровой глубине океана. Дело в том, что в морской воде растворен радиоактивный изотоп кальция, испускающий быстрые электроны, которые и светятся синим. Благодаря этому у всех глубоководных рыб сохранились глаза и зрение, а свечение Вавилова – Черенкова для них – настоящий «луч света в темном царстве».

В материале использованы данные из статьи Б.М. Болотовского «Излучение Вавилова –Черенкова (история открытия)»

Насколько быстро движется свет 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

Сложите чистый лист бумаги пополам.
Поместите один из тестовых материалов на сложенный лист бумаги так, чтобы центральная линия объекта находилась на сгибе.
Обведите карандашом контур объекта на бумаге.
Цветным маркером нарисуйте небольшую точку на краю листа. Туда 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?
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.

Выключите свет, если так лучше видно лазерный луч.
Отметьте карандашом путь лазерного луча внутрь и из объекта с помощью нескольких точек.
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:

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

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 при ударе 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 просходит? 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 пионеры 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 появлялись в небе как новые звезды между 500 и 1000 годами до нашей эры, но более не видны сегодняшним астрономам.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 сильного магнитного поля, 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 .: 228419

Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов,

используйте кнопки ниже для перехода на их веб-сайты:

Закон преломления | Физика

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Определите показатель преломления по скорости света в среде.

Глядя в аквариум, легко заметить странные вещи. Например, вы можете увидеть одну и ту же рыбу в двух разных местах. (См. Рис. 1.) Это связано с тем, что свет, идущий от рыбы к нам, меняет направление, когда выходит из аквариума, и в этом случае он может пройти двумя разными путями, чтобы добраться до наших глаз. Изменение направления светового луча (в широком смысле называемое изгибом), когда он проходит через изменения в материи, называется рефракцией . Преломление отвечает за огромный спектр оптических явлений, от действия линз до передачи голоса по оптическим волокнам.

Преломление

Изменение направления светового луча (в широком смысле называется изгибом), когда он проходит через изменения материи, называется рефракцией.

Скорость света

Скорость света c не только влияет на рефракцию, это одна из центральных концепций теории относительности Эйнштейна. По мере повышения точности измерений скорости света было обнаружено, что c не зависит от скорости источника или наблюдателя.Однако скорость света зависит от материала, через который он проходит. Эти факты имеют далеко идущие последствия, как мы увидим в главе «Специальная теория относительности». Он устанавливает связи между пространством и временем и меняет наши ожидания, что, например, все наблюдатели измеряют одно и то же время для одного и того же события. Скорость света настолько важна, что ее значение в вакууме является одной из самых фундаментальных констант в природе, а также одной из четырех основных единиц СИ.

Рисунок 1.Глядя на аквариум, как показано, мы можем видеть одну и ту же рыбу в двух разных местах, потому что свет меняет направление, когда он переходит из воды в воздух. В этом случае свет может достигать наблюдателя двумя разными путями, и поэтому кажется, что рыба находится в двух разных местах. Это отклонение света называется преломлением и отвечает за многие оптические явления.

Почему свет меняет направление при переходе от одного материала (среды) к другому? Это потому, что свет меняет скорость при переходе от одного материала к другому.Итак, прежде чем мы изучим закон преломления, полезно обсудить скорость света и то, как она изменяется в разных средах.

Скорость света

Ранние попытки измерить скорость света, например, сделанные Галилеем, определили, что свет движется очень быстро, возможно, мгновенно. Первое реальное свидетельство того, что свет движется с конечной скоростью, было получено от датского астронома Оле Ремера в конце 17 века. Ремер заметил, что средний период обращения одного из спутников Юпитера, измеренный от Земли, варьируется в зависимости от того, движется ли Земля к Юпитеру или от него.Он правильно заключил, что видимое изменение периода было связано с изменением расстояния между Землей и Юпитером и временем, которое потребовалось свету, чтобы пройти это расстояние. По его данным за 1676 год, значение скорости света было рассчитано как 2,26 × 10 ⁸ м / с (всего на 25% отличается от принятого сегодня значения). В последнее время физики измерили скорость света множеством способов и с возрастающей точностью. Один особенно прямой метод, использованный в 1887 году американским физиком Альбертом Майкельсоном (1852–1931), показан на рисунке 2.Свет, отраженный от вращающегося набора зеркал, отражался от неподвижного зеркала на расстоянии 35 км и возвращался к вращающимся зеркалам. Время прохождения света можно определить по тому, насколько быстро должны вращаться зеркала, чтобы свет вернулся в глаз наблюдателя.

Рис. 2. Схема раннего аппарата, использованного Майкельсоном и другими для определения скорости света. При вращении зеркал отраженный луч лишь на короткое время направляется на неподвижное зеркало. Возвращающийся луч будет отражен в глаз наблюдателя только в том случае, если следующее зеркало повернулось в правильное положение, как только луч возвращается.Измеряя правильную скорость вращения, можно измерить время прохождения туда и обратно и рассчитать скорость света. Рассчитанное Майкельсоном значение скорости света всего на 0,04% отличалось от значения, используемого сегодня.

Скорость света теперь известна с большой точностью. На самом деле скорость света в вакууме c настолько важна, что принята в качестве одной из основных физических величин и имеет фиксированное значение c = 2,9972458 × 10 ⁸ м / с ≈ 3.00 × 10 ⁸ м / с, где приблизительное значение 3,00 × 10 ⁸ м / с используется всякий раз, когда достаточно трехзначной точности. Скорость света в материи меньше, чем в вакууме, потому что свет взаимодействует с атомами в материале. Скорость света сильно зависит от типа материала, поскольку его взаимодействие с различными атомами, кристаллическими решетками и другими субструктурами неодинаково. Мы определяем показатель преломления n материала как [латекс] n = \ frac {c} {v} \\ [/ latex], где v — наблюдаемая скорость света в материале.Поскольку скорость света всегда меньше c в веществе и равна c только в вакууме, показатель преломления всегда больше или равен единице.

Значение скорости света

c = 2,9972458 × 10 ⁸ м / с ≈ 3,00 × 10 ⁸ м / с

Показатель преломления

[латекс] \ displaystyle {n} = \ frac {c} {v} \\ [/ latex]

То есть n ≥ 1. В таблице 1 приведены показатели преломления некоторых типичных веществ.Значения указаны для конкретной длины волны света, поскольку они незначительно меняются в зависимости от длины волны. (Это может иметь важные эффекты, такие как цвета, создаваемые призмой.) Обратите внимание, что для газов n близко к 1,0. Это кажется разумным, так как атомы в газах широко разделены, и свет проходит в вакууме между атомами с координатами c . Обычно для газов принимают n = 1, если не требуется большая точность. Хотя скорость света v в среде значительно отличается от ее значения c в вакууме, это все же большая скорость.

Таблица 1. Показатель преломления в различных средах
Средний	n
Газы при 0ºC , 1 атм
Воздух	1.000293
Двуокись углерода	1.00045
Водород	1.000139
Кислород	1.000271
Жидкости при 20ºC
Бензол	1.501
Сероуглерод	1,628
Тетрахлорметан	1,461
Этанол	1,361
Глицерин	1.473
Вода пресная	1,333
Твердые вещества при 20ºC
Алмаз	2,419
Флюорит	1,434
Стекло, корона	1.52
Стекло, кремень	1,66
Лед при 20ºC	1,309
Полистирол	1,49
Оргстекло	1,51
Кварц кристаллический	1,544
Кварц плавленый	1.458
Хлорид натрия	1,544
Циркон	1,923

Пример 1.Скорость света в веществе

Вычислите скорость света циркона — материала, который используется в ювелирных изделиях для имитации алмаза.

Стратегия

Скорость света в материале, v , может быть вычислена из показателя преломления n материала, используя уравнение [latex] n = \ frac {c} {v} \\ [/ latex].

Решение

Уравнение для показателя преломления утверждает, что [латекс] n = \ frac {c} {v} \\ [/ latex]. Изменив это значение для определения v , вы получите [latex] v = \ frac {c} {n} \\ [/ latex].8 \ text {m / s} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Эта скорость немного превышает половину скорости света в вакууме и все еще высока по сравнению с обычными скоростями. Единственное вещество, указанное в таблице 1, которое имеет больший показатель преломления, чем циркон, — это алмаз. Позже мы увидим, что из-за большого показателя преломления циркона он сверкает больше, чем стекло, но меньше, чем алмаз.

Закон преломления

На рисунке 3 показано, как луч света меняет направление при переходе от одной среды к другой.Как и раньше, углы отсчитываются относительно перпендикуляра к поверхности в точке, где световой луч пересекает ее. (Часть падающего света будет отражаться от поверхности, но пока мы сосредоточимся на передаваемом свете.) Изменение направления светового луча зависит от того, как изменяется скорость света. Изменение скорости света связано с показателями преломления задействованных сред. В ситуациях, показанных на рисунке 3, среда 2 имеет больший показатель преломления, чем среда 1.Это означает, что скорость света в среде 2 меньше, чем в среде 1. Обратите внимание, что, как показано на рисунке 3а, направление луча приближается к перпендикуляру, когда он замедляется. И наоборот, как показано на рисунке 3b, направление луча удаляется от перпендикуляра, когда он ускоряется. Путь точно обратимый. В обоих случаях вы можете представить, что произойдет, если подумать о том, чтобы столкнуть газонокосилку с пешеходной дорожки на траву, и наоборот. При переходе от пешеходной дорожки к траве передние колеса замедляются и отводятся в сторону, как показано.Это то же изменение направления, что и для света, когда он переходит от быстрой среды к медленной. При переходе от травы к пешеходной дорожке передние колеса могут двигаться быстрее, и косилка меняет направление, как показано. Это тоже то же изменение направления, что и при переходе света от медленного к быстрому.

Рис. 3. Изменение направления светового луча зависит от того, как изменяется скорость света, когда он пересекает одну среду в другую. Скорость света в среде 1 больше, чем в среде 2, в показанных здесь ситуациях.(а) Луч света приближается к перпендикуляру, когда он замедляется. Это аналогично тому, что происходит, когда газонокосилка переходит с тропинки на траву. (б) Луч света удаляется от перпендикуляра, когда он набирает скорость. Это аналогично тому, что происходит, когда газонокосилка переходит с травы на пешеходную дорожку. Пути точно обратимые.

Степень изменения направления светового луча зависит как от угла падения, так и от величины изменения скорости. Для луча под заданным углом падения большое изменение скорости вызывает большое изменение направления и, следовательно, большое изменение угла.Точное математическое соотношение — это закон преломления , или «закон Снеллиуса», который выражается в форме уравнения как n ₁ sin θ ₁ = n ₂ sin θ ₂.

Здесь n ₁ и n ₂ — показатели преломления для среды 1 и 2, а θ ₁ и θ ₂ — углы между лучами и перпендикуляром в средние 1 и 2, как показано на рисунке 3.Входящий луч называется падающим лучом, а исходящий луч — преломленным лучом, а соответствующие углы — углом падения и углом преломления. Закон преломления также называют законом Снеллиуса в честь голландского математика Виллебрда Снелла (1591–1626), который открыл его в 1621 году. Эксперименты Снеллиуса показали, что закон преломления соблюдается и что можно присвоить характеристический показатель преломления n к данной среде. Снелл не знал, что скорость света варьируется в разных средах, но с помощью экспериментов он смог определить показатели преломления по тому, как световые лучи меняют направление.

Закон преломления

n ₁ sin θ ₁ = n ₂ sin θ ₂

Эксперимент на вынос: сломанный карандаш

Классическое наблюдение преломления происходит, когда карандаш помещается в стакан, наполовину наполненный водой. Сделайте это и наблюдайте за формой карандаша, когда смотрите на карандаш сбоку, то есть сквозь воздух, стекло, воду. Объясните свои наблюдения. Нарисуйте лучевые диаграммы для ситуации.

Пример 2. Определение показателя преломления по данным преломления

Найдите показатель преломления для среды 2 на рисунке 3a, предполагая, что среда 1 — воздух, угол падения 30,0 ° и угол преломления 22,0 °.

Стратегия

Показатель преломления воздуха в большинстве случаев принимается равным 1 (а до четырех значащих цифр это 1.000). Таким образом, здесь n ₁ = 1,00. Исходя из приведенной информации, θ ₁ = 30.0º и θ ₂ = 22,0º. С этой информацией единственное неизвестное в законе Снеллиуса — это n ₂, так что его можно использовать для поиска этого неизвестного.

Решение

Закон Снеллиуса: n ₁ sin θ ₁ = n ₂ sin θ ₂.

Перестановка для изоляции n ₂ дает

[латекс] \ displaystyle {n} _2 = n_1 \ frac {\ sin \ theta_1} {\ sin \ theta_2} \\ [/ latex]

Ввод известных значений,

[латекс] \ begin {array} {lll} {n} _2 & = & 1.{\ circ}} = \ frac {0.500} {0.375} \\\ text {} & = & 1.33 \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Это показатель преломления воды, и Снелл мог определить его, измерив углы и выполнив этот расчет. Тогда он обнаружил бы, что 1,33 является подходящим показателем преломления для воды во всех других ситуациях, например, когда луч проходит от воды к стеклу. Сегодня мы можем убедиться, что показатель преломления связан со скоростью света в среде, напрямую измерив эту скорость.

Пример 3. Более сильное изменение направления

Предположим, что в ситуации, подобной той, что в Примере 2, свет переходит из воздуха в алмаз, а угол падения равен 30,0 °. Рассчитайте угол преломления θ ₂ в ромбе.

Стратегия

Опять же, показатель преломления воздуха принимается равным n ₁ = 1,00, и нам дается θ ₁ = 30,0º. Мы можем посмотреть показатель преломления алмаза в таблице 1, найдя n ₂ = 2.{\ circ} = \ left (0,413 \ right) \ left (0,500 \ right) = 0,207 \\ [/ латекс].

Таким образом, угол равен θ ₂ = sin ⁻¹ 0,207 = 11,9º.

Обсуждение

Для того же угла падения 30 ° угол преломления в алмазе значительно меньше, чем в воде (11,9 °, а не 22 ° — см. Предыдущий пример). Это означает, что направление алмаза изменилось сильнее. Причина большого изменения направления — большое изменение показателя преломления (или скорости).В общем, чем больше изменение скорости, тем сильнее влияние на направление луча.

Сводка раздела

Изменение направления светового луча, когда он проходит через изменения материи, называется рефракцией.
Скорость света в вакууме c = 2,9972458 × 10 ⁸ м / с ≈ 3,00 × 10 ⁸ м / с.
Показатель преломления [латекс] n = \ frac {c} {v} \\ [/ latex], где v — скорость света в материале, c — скорость света в вакууме и n — показатель преломления.
Закон Снеллиуса, закон преломления, выражается в форме уравнения как n ₁ sin θ ₁ = n ₂ sin θ ₂.

Концептуальные вопросы

В этой главе описывается диффузия путем отражения от шероховатой поверхности. Свет также может рассеиваться за счет преломления. Опишите, как это происходит в конкретной ситуации, например, при взаимодействии света с колотым льдом.
Почему показатель преломления всегда больше или равен 1?
Доказывает ли тот факт, что световая вспышка от молнии достигает вас до того, как она раздастся, что скорость света чрезвычайно велика или просто она больше скорости звука? Обсудите, как вы можете использовать этот эффект, чтобы получить оценку скорости света.
Будет ли свет менять направление в сторону перпендикуляра или от него при переходе от воздуха к воде? Вода в стакан? Стекло проветрить?
Объясните, почему объект в воде всегда кажется на более мелкой глубине, чем есть на самом деле? Почему люди иногда получают травмы шеи и позвоночника, ныряя в незнакомые водоемы или водоемы?
Объясните, почему ноги человека выглядят очень короткими, когда он идет в бассейн. Обоснуйте свое объяснение лучевой диаграммой, показывающей путь лучей от ступней до глаз наблюдателя, находящегося вне воды.
Почему передняя поверхность термометра изогнута, как показано?
Рис. 4. Изогнутая поверхность термометра служит определенной цели.
Предположим, что свет падает из воздуха на материал с отрицательным показателем преломления, скажем -1,3; куда идет преломленный луч света?

Задачи и упражнения

Какова скорость света в воде? В глицерине?
Какова скорость света в воздухе? В коронном стекле?
Вычислить показатель преломления для среды, в которой скорость света равна 2.012 × 10 ⁸ м / с, и определите наиболее вероятное вещество на основе таблицы 1.
В каком веществе в Таблице 1 находится скорость света 2.290 × 10 ⁸ м / с?
В средневековье произошло крупное столкновение астероида с Луной. Монахи Кентерберийского собора в Англии описали его как красное свечение на Луне и вокруг нее. Через какое время после столкновения астероида с Луной, которая находится на расстоянии 3,84 × 10 ⁵ км, свет впервые достигнет Земли?
Аквалангист, тренирующийся в бассейне, смотрит на своего инструктора, как показано на рисунке 5.Какой угол образует луч от лица инструктора с перпендикуляром к воде в точке, где луч входит? Угол между лучом в воде и перпендикуляром к воде составляет 25,0º.
Рис. 5. Аквалангист в бассейне и его тренер смотрят друг на друга.
Компоненты некоторых компьютеров взаимодействуют друг с другом через оптические волокна с показателем преломления n = 1,55. Сколько времени в наносекундах требуется, чтобы сигнал прошел 0.200 м по такому волокну?
(a) Используя информацию на Рисунке 5, найдите высоту головы инструктора над водой, отметив, что сначала вам нужно будет рассчитать угол падения. (b) Найдите видимую глубину головы дайвера под водой, которую видит инструктор.
Предположим, у вас есть неизвестное прозрачное вещество, погруженное в воду, и вы хотите идентифицировать его, определив показатель преломления. Вы делаете так, чтобы луч света попадал в него под углом 45,0º, и вы наблюдаете, что угол преломления равен 40.3º. Каков показатель преломления вещества и его вероятная идентичность?
На поверхности Луны лунные космонавты установили угловой отражатель, от которого периодически отражается лазерный луч. Расстояние до Луны рассчитывается по времени полета туда и обратно. Какая процентная поправка необходима для учета задержки во времени из-за замедления света в атмосфере Земли? Предположим, что расстояние до Луны равно точно 3,84 × 10 90 · 10 5 8 90 · 106 м, а атмосфера Земли (плотность которой зависит от высоты) эквивалентна слою 30.0 км с постоянным показателем преломления n = 1.000293.
Предположим, что на рисунке 6 изображен луч света, идущий из воздуха через коронное стекло в воду, например, в аквариум с рыбой. Вычислите величину смещения луча стеклом (Δ x ) при угле падения 40,0 ° и толщине стекла 1,00 см.
Рис. 6. Луч света проходит от одной среды к третьей, проходя через вторую. Окончательное направление такое же, как если бы второй среды не было, но луч смещен на Δ x (показано в преувеличении).
На рисунке 6 показан луч света, переходящий из одной среды во вторую, а затем в третью. Покажите, что θ ₃ такое же, как если бы вторая среда отсутствовала (при условии, что не происходит полного внутреннего отражения).
Необоснованные результаты. Предположим, что свет проходит от воды к другому веществу под углом падения 10,0º и углом преломления 14,9º. а) Каков показатель преломления другого вещества? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?
Создайте свою проблему. Рассмотрим солнечный свет, попадающий в атмосферу Земли на восходе и закате, то есть под углом падения 90º. Считая границу между почти пустым пространством и атмосферой внезапной, вычислите угол преломления солнечного света. Это увеличивает время, в течение которого Солнце кажется над горизонтом как на восходе, так и на закате. Теперь постройте задачу, в которой вы определяете угол преломления для различных моделей атмосферы, например, для различных слоев различной плотности. Ваш инструктор может посоветовать вам уровень сложности, который необходимо учитывать, и то, как показатель преломления изменяется в зависимости от плотности воздуха.
Необоснованные результаты. Свет, идущий от воды к драгоценному камню, падает на поверхность под углом 80,0º и имеет угол преломления 15,2º. а) Какова скорость света в драгоценном камне? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?

Глоссарий

преломление: изменение направления светового луча, когда он проходит через изменения в материи

Показатель преломления : для материала, отношение скорости света в вакууме к скорости света в материале

Избранные решения проблем и упражнения

1.2,25 × 10 ⁸ м / с в воде; 2,04 × 10 ⁸ м / с в глицерине

3. 1.490, полистирол

5. 1.28 с

7. 1.03 нс

9. n = 1,46, плавленый кварц

13. (а) 0,898; (b) Не может иметь n <1,00, так как это будет означать скорость выше c ; (c) Угол преломления слишком велик по сравнению с углом падения.

15. (a) [латекс] \ frac {c} {5.00} \\ [/ latex]; (б) Скорость света слишком мала, так как индекс намного больше, чем у алмаза; (c) Угол преломления необоснован по сравнению с углом падения.

Как мы узнаем, что у нас правильная скорость света?

По сравнению с межгалактическим пространством наша галактика гравитационно плотная. По сравнению с межзвездным пространством наша Солнечная система гравитационно плотна. Мы знаем, что световые волны изгибаются при гравитационном сжатии пространства. Как мы узнаем, что наша «скорость света в вакууме» не ниже в солнечном пространстве из-за того, что все соседние объекты создают сопротивление, чем в межгалактическом пространстве, которое по сравнению с ним разрежено гравитацией?

На этой фотографии показана установка лазерной локации Геофизической и астрономической обсерватории в… [+] Центр космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, обсерватория помогает НАСА отслеживать орбитальные спутники. На этом изображении нижний из двух зеленых лучей исходит от специального трекера лунного разведывательного орбитального аппарата. Другой лазер исходит из другой наземной системы на объекте. Оба луча направлены на Луну — в частности, на LRO на орбите вокруг Луны. Кредит изображения: НАСА

Вы правы, что наша галактика представляет собой гораздо более плотную популяцию вещества, чем межгалактическое пространство, и что наша солнечная система также представляет собой более плотное скопление вещества, чем пространство между звездами в нашей галактике.Однако это звучит так, как будто вы думаете о силе гравитационного поля (которая, безусловно, коррелирует с плотностью материи) как об атмосфере материала, через которую должен пройти свет.

Итак, если свет действительно проходит через плотный материал (например, воздух или воду), свет действительно замедляется. Это замедление связано с показателем преломления материала, который является техническим термином, применяемым к тому, насколько свет изгибается, когда попадает в этот материал. Итак, свет, идущий от воздуха к воде, имеет определенный изгиб, который мы можем измерить, и этот изгиб говорит нам, насколько медленнее свет будет проходить через воду.Вы можете проделать тот же эксперимент с воздухом. Свет в воздухе в 1.0003 раза медленнее света в вакууме, что полностью замедляет его с 299 792 458 метров в секунду до 299 702 547 метров в секунду. Это замедление на 89 911 метров в секунду, что кажется большим, но составляет всего три десятитысячных скорости света. Свет в воде идет еще медленнее — показатель преломления воды составляет 1,33, поэтому скорость света в воде замедляется на 74 384 595 метров в секунду. Если у вас достаточно плотный материал, свет может значительно замедлиться.

Луч света преломляется в пластиковом блоке. Изображение предоставлено: общественное достояние, через пользователя Викимедиа … [+] ajizai

Но если вы находитесь в вакууме, показатель преломления равен 1; в вакууме скорость света не меняется. По определению, в вакууме нет материала, с которым мог бы столкнуться свет. Солнечная система плотная, но она насыщена материалом в очень определенных местах — если немного расширить вашу метафору, по сравнению с межпланетным пространством планета очень плотная.Но он насыщен материей, физическими частями вас и меня, камнями и атмосферой. За пределами области влияния нашей атмосферы вы очень быстро оказываетесь в вакууме.

Это не означает, что присутствие объекта с сильным гравитационным полем не влияет на свет — это определенно влияет, но способ, которым сильное гравитационное поле влияет на свет, немного отличается от замедления, которое вы получаете от прохождения через густое вещество. Гравитация изменяет форму пространства, окружающего объект, и, поскольку свет всегда распространяется по локально прямым линиям, это искажение влияет на свет.Чем больше гравитационных объектов между источником света и детектором, тем длиннее путь, по которому должен пройти свет. Однако, если вы знаете массы и расположение гравитационно тяжелых объектов, вы можете рассчитать точную форму пространства, через которое свет должен будет пройти, и, следовательно, сколько времени потребуется, чтобы пройти между любыми двумя точками.

Но как мы узнаем, что скорость правильная? Есть ранний эксперимент, в котором этот вопрос был решен, не выходя из нашей собственной планеты.Вы можете выстрелить лазером в длинную трубку, расстояние до которой вам известно довольно точно (эту вы можете измерить физически). Чтобы измерить скорость света, вы сначала отражаете свет от вращающегося 8-стороннего зеркала, а затем отправляете его по трубке с зеркалами на каждом конце. Когда свет отражается от вашей трубки и обратно на вращающееся зеркало, зеркало будет немного повернуто, а это означает, что свет отражается под немного другим углом, чем входил. Чем меньше скорость света, тем больше время, когда зеркало должно повернуться, тем больше разница в углах.Этот эксперимент был проведен Майкельсоном, Пизом и Пирсоном в 1930-х годах и успешно определил скорость света с точностью до 11000 метров в секунду! Вполне нормально.

Аппарат, использованный физиками Альбертом А. Майкельсоном, Фредом Пизом и астрономом Фрэнсисом Пирсоном в 1930-35 гг … [+] определение скорости света. Он состоит из вакуумной камеры длиной в милю 3 фута в долине Южной Калифорнии, содержащей оптическую систему с двумя большими вогнутыми зеркалами на обоих концах.Внутри вакуумной камеры луч света от дуговой лампы отражается от восьмиугольного зеркала, вращающегося со скоростью 512 оборотов в секунду, затем делает десять проходов через трубку, после чего возвращается и снова отражается от той же поверхности зеркала. Во время прохождения светового луча десять миль зеркало поворачивается на небольшой угол, поэтому отраженный луч имеет небольшой угол с выходящим лучом. Аппарат измеряет этот угол, который пропорционален времени пролета луча. Трубка откачивается до давления около 10 Торр.Э. К. Николс разработал оптику. Майкельсон умер в 1931 году, выполнив только 36 из 233 серий измерений, но Пиз и Пирсон продолжили. Точность эксперимента была ограничена проблемами геологической нестабильности и конденсации, но в 1935 году был получен результат 299,774 ± 11 км / с, наиболее точное измерение скорости света на тот момент. Использование изображения: общественное достояние.

Есть еще один способ проверить скорость света, немного подальше от дома. Мы можем проводить испытания силы тяжести на Земле и, используя уравнения Ньютона, можем вычислить массу Земли.Имея массу Земли и продолжительность месяца, мы можем вычислить массу Луны, так что мы можем определить точную форму пространства между Землей и Луной. Имея все эти элементы на своих местах, мы сможем предсказать, сколько времени потребуется лучу света, чтобы отлететь от Земли наружу (и, возможно, вернуться обратно, если мы проверяем скорость света). Если свет возвращается и возвращается обратно в течение времени, которое вы ожидаете с учетом формы пространства, значит, свет ведет себя так, как мы думаем, что он должен.И он действительно ведет себя так, как мы думаем.

Каждый тест, который мы только можем придумать, дал нам очень последовательные результаты для скорости света в вакууме, от экспериментов на Земле, до времени, необходимого для связи с нашими спутниками в далекой солнечной системе, и если скорость света зависело от чего-либо, кроме геометрии пространства, в котором он путешествует, мы бы увидели некоторые признаки этого — эксперименты будут проходить быстро или медленно в определенное время года или со временем изменились бы.Никаких признаков этого не было, поэтому скорость света в вакууме кажется одной из фундаментальных констант нашей Вселенной.

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, возможно, даже знаете, 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 скорости света.

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 продолжить 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

14.9

Вещество	Показатель преломления	Скорость света в веществе с Угол преломления, если падающий луч входит в вещество под углом 20º
Воздух	1.00	300	20
Вода	1,33	226	14.9	14.9	13,2
Алмаз	2,4	125	8.2

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 показателем 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 свет, поэтому он преломляется под немного большим углом.

Показатель преломления красного света в стекле составляет 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.

Радугу легко создать с помощью пульверизатора и солнечного света.Центром круга радуги всегда будет тень вашей головы на земле.

Вторичная радуга, которую иногда можно увидеть, возникает из-за того, что каждый луч света дважды отражается внутри каждой капли, прежде чем она улетит. Это второе отражение приводит к тому, что цвета вторичной радуги меняются местами. Красный цвет находится вверху основной радуги, но во вторичной радуге красный цвет находится внизу.

Идеи упражнений

Используйте эти упражнения со своими учениками для дальнейшего изучения рефракции:

Исследование рефракции и подводной охоты — учащиеся направляют копья на модель рыбы в емкости с водой.Когда они направляют свои копья к рыбе, они промахиваются!
Калькулятор угла преломления Задача — ученики выбирают два типа прозрачного вещества. Затем они вводят угол падающего луча в калькулятор электронной таблицы, и для них рассчитывается угол преломленного луча.
Свет и зрение: правда или ложь? — учащиеся участвуют в интерактивном мероприятии «правда или ложь», в котором освещаются распространенные альтернативные представления о свете и зрении. Это задание можно выполнять индивидуально, парами или всем классом.

Полезные ссылки

Узнайте больше о множестве различных видов радуги и о том, как они образуются, на веб-сайте Atoptics — «Отражение радуги» и «Порядок радуги».

Узнайте больше о человеческих линзах, оптике, фоторецепторах и нервных путях, обеспечивающих зрение, из этого учебного пособия из Biology Online.

Невозможно измерить скорость света в одном направлении

Специальная теория относительности — одна из наиболее подтвержденных теорий, которые когда-либо изобретало человечество.Он играет ключевую роль во всем, от космических путешествий и GPS до нашей электросети. Центральным в теории относительности является тот факт, что скорость света в вакууме является абсолютной константой. Проблема в том, что этот факт никогда не был доказан.

Когда Эйнштейн предложил теорию относительности, он должен был объяснить, почему свет всегда имеет одинаковую скорость. В конце 1800-х считалось, что, поскольку свет распространяется как волна, он должен переноситься каким-то невидимым материалом, известным как светоносный эфир.Причина заключалась в том, что для волн требуется среда, например звук в воздухе или водные волны в воде. Но если эфир существует, то наблюдаемая скорость света должна изменяться по мере движения Земли через эфир. Но измерения по наблюдению дрейфа эфира оказались нулевыми. Скорость света оказалась постоянной.

Эйнштейн обнаружил, что проблема заключалась в предположении, что пространство и время абсолютны, а скорость света может изменяться. Если вместо этого вы предположите, что скорость света абсолютная, на пространство и время должно влиять относительное движение.Это радикальная идея, но ее подтверждают все измерения постоянной скорости света.

Как измерить скорость света туда и обратно. Предоставлено: пользователь Википедии Кришнаведала

. Но несколько физиков указали, что, хотя теория относительности предполагает , скорость света в вакууме является универсальной константой, она также показывает, что скорость никогда не может быть измерена. В частности, теория относительности запрещает вам измерять время, необходимое свету, чтобы пройти из точки A в точку B. Чтобы измерить скорость света в одном направлении, вам понадобятся синхронизированные секундомеры на каждом конце, но относительное движение влияет на скорость вашего движения. часы относительно скорости света.Вы не можете синхронизировать их, не зная скорости света, которую невозможно узнать без измерения. Что вы можете сделать, так это использовать один секундомер для измерения времени пути туда и обратно от точки A до точки B и обратно до точки A, и это то, что делает каждое измерение скорости света.

Поскольку все измерения скорости света в оба конца дают постоянный результат, вы можете подумать, что можете просто разделить время на два и назвать это днем. Именно это и сделал Эйнштейн. Он принял , время туда и обратно было одинаковым.Наши эксперименты согласуются с этим предположением, но они также согласны с идеей о том, что скорость света, приближающегося к нам, в десять раз выше, чем его скорость, уходящая от нас. Свет не обязательно должен иметь постоянную скорость во всех направлениях, он просто должен иметь постоянную «среднюю» скорость движения туда и обратно. Относительность сохраняется, если скорость света анизотропна.

Вселенная Милна с анизотропным светом выглядела бы однородной. Предоставлено: пользователь Википедии BenRG

. Если скорость света зависит от направления его движения, мы увидим Вселенную по-другому.Когда мы смотрим на далекие галактики, мы смотрим назад во времени, потому что свету нужно время, чтобы добраться до нас. Если бы далекий свет быстро достигал нас в каком-то направлении, мы бы увидели, что Вселенная в этом направлении стареет и расширяется. Чем быстрее свет достигнет нас, тем меньше мы увидим «назад во времени». Поскольку мы наблюдаем однородный космос во всех направлениях, это, несомненно, показывает, что скорость света постоянна.

Что ж, не совсем так, как показывает новое исследование. Оказывается, если скорость света меняется с направлением, то же самое происходит с сокращением длины и замедлением времени.

Чему равна скорость света в вакууме, воздухе и воде: формулы

Скорость света – максимально возможная величина?

По какой причине невозможно двигаться быстрее света?

Эйнштейн и вакуум: конечные результаты расчета

ЗАМЕДЛЕННЫЙ СВЕТ | Наука и жизнь

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

Преломление света. Закон преломления. Преломление лучей

Закон преломления (частный случай).

Обратимость световых лучей.

Закон преломления (общий случай).

Полное внутреннее отражение.

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

Красиво, но лучше смотреть издалека

Вспышки в глазах

Свет во тьме

Детекторы и медицина

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

Эксперимент Физо

Результаты Физо

Эксперимент Фуко

Финальный аккорд в измерениях скорости света.

Свет во тьме: эффект Вавилова – Черенкова

Фото: United States Nuclear Regulatory Commission / wikimedia.org

История «нового света»

Как советские физики пролили свет на «синее свечение»

Освещая путь науки: от глубин океана до космической бездны

В материале использованы данные из статьи Б.М. Болотовского «Излучение Вавилова –Черенкова (история открытия)»

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

Учебник по микроскопии молекулярных выражений: физика света и цвета

Интерактивные учебные пособия

Скорость света в прозрачных материалах

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

Этот веб-сайт поддерживается нашей командой

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

Счетчик доступа с 14 августа 2002 г .: 228419

Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов,

Закон преломления | Физика

Цель обучения

Преломление

Скорость света

Скорость света

Значение скорости света

Показатель преломления

Пример 1.Скорость света в веществе

Стратегия

Решение

Обсуждение

Закон преломления

Закон преломления

Эксперимент на вынос: сломанный карандаш

Пример 2. Определение показателя преломления по данным преломления

Стратегия

Решение

Обсуждение

Пример 3. Более сильное изменение направления

Стратегия

Обсуждение

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

Задачи и упражнения

Глоссарий

Избранные решения проблем и упражнения

Как мы узнаем, что у нас правильная скорость света?

Изучение изменения скорости света при прохождении через стекло

Преломление света — Science Learning Hub

Изменение скорости вызывает изменение направления

Показатель преломления некоторых прозрачных веществ

Линзы

Преломление может создать спектр

Rainbows

Идеи упражнений

Полезные ссылки

Невозможно измерить скорость света в одном направлении

alexxlab

Вам также может понравиться

Светодиодные лампы как утилизировать: Как утилизировать светодиодные лампы в быту и на предприятии?

Управление однофазным электродвигателем: Устройство для управления однофазным электродвигателем

Реактивный синхронный двигатель: Синхронный реактивный двигатель

Добавить комментарий Отменить ответ