¿Cómo se mide la velocidad de la luz?
En primer lugar, el método astronómico para medir la velocidad de la luz
1. Método de eclipse de satélite de Romer
La medición de la velocidad de la luz fue la primera en tener éxito. En astronomía, debido a la inmensidad del universo, el espacio proporciona una distancia suficiente para medir la velocidad de la luz. Ya en 1676, el astrónomo danés Romer (1644-1710) midió por primera vez la velocidad de la luz. Dado que cualquier proceso de cambio periódico puede actuar como un reloj, descubrió con éxito que está muy lejos del observador. Romer aprovechó los eclipses lunares de las lunas de Júpiter en sus observaciones. En sus observaciones, notó que el tiempo entre dos eclipses lunares consecutivos era más largo cuando la Tierra estaba más lejos de Júpiter que cuando la Tierra estaba más cerca de Júpiter. Explicó este fenómeno en términos de la velocidad limitada de la luz. Cuando la Tierra se aleje de Júpiter, definitivamente alcanzará a la Tierra, por lo que debe observarse desde el suelo. Este tiempo es más corto a medida que la Tierra se acerca a Júpiter. Debido a que el período del satélite que orbita alrededor de Júpiter no es grande (alrededor de 1,75 días), en el momento más adecuado (la Tierra se mueve a dos puntos de la órbita (A y A' en la figura anterior)) (la velocidad orbital de la Tierra es de aproximadamente 30 km/s), la diferencia horaria anterior no excederá los 15 segundos. Por lo tanto, para obtener confiabilidad, las observaciones en ese momento se llevaron a cabo continuamente durante todo el año. eclipse solar del satélite y el diámetro de la órbita de la Tierra En ese momento, sólo se conocía el radio aproximado de la órbita de la Tierra, por lo que la velocidad calculada de la luz era de sólo 214.300 km/s, aunque este valor estaba lejos del valor exacto de la. velocidad de la luz, fue el primer registro en la historia de la medición de la velocidad de la luz. Posteriormente, la gente midió a Júpiter a través de la fotografía. El tiempo del eclipse solar del satélite se mide con el radio orbital de la Tierra
2. método
En 1728, el astrónomo británico Bradley (1693-1762) utilizando el método de la aberración estelar, una vez más concluyó que la velocidad de la luz es una cantidad física finita cuando Bradley observó las estrellas en la Tierra. , descubrió que las posiciones aparentes de las estrellas cambiaban constantemente durante un año. Todas parecen rodear una elipse con semiejes mayores iguales en el cenit. >
Este valor está cerca del valor real.
Arriba es solo la medición de la velocidad de la luz a partir de fenómenos astronómicos y observaciones. Debido a las condiciones del momento, la velocidad de la luz. no se pudo medir en el laboratorio.
2. Geodesia para medir la velocidad de la luz
La medición de la velocidad de la luz incluye la medición de la distancia y el tiempo que tarda la luz en llegar. Debido a la gran velocidad de la luz, es necesario medir largas distancias y tiempos cortos. La geodesia es una variedad de métodos diseñados en torno a cómo medir con precisión la distancia y el tiempo.
1. velocidad de la luz
En la historia de la física, el físico italiano Galileo Galilei propuso por primera vez medir la velocidad de la luz. En su experimento, se midió a dos observadores que estaban muy separados para sostener una luz. que se puede apagar, como se muestra en la imagen: el observador A enciende la luz después de un cierto período de tiempo, la luz llega al observador B, y B inmediatamente enciende su propia luz. vuelve a A, entonces A. Puedes registrar el momento en que enciendes la luz
c=2s/t
El intento de Galileo no tuvo éxito porque la velocidad de la luz era muy rápida y. el observador tenía que tener un cierto tiempo de reacción. La situación mejoraría reemplazando B con un reflector, evitando así errores introducidos por el observador. Este principio de medición se ha mantenido durante mucho tiempo en todos los métodos experimentales posteriores para medir la velocidad de. luz, incluso en los experimentos modernos de medición de la velocidad de la luz, sin embargo, se deben utilizar métodos confiables en la recepción de señales y la medición del tiempo. Con estos métodos, la velocidad de la luz se puede medir incluso en distancias cortas.
2. Método del engranaje giratorio
El método experimental para medir la velocidad de la luz fue experimentado por primera vez por Fizeau en 1849. Utilizó el bloqueo periódico de la luz (engranajes giratorios) para la grabación automática. El diagrama esquemático del experimento es el siguiente. La luz emitida por la fuente de luz S llega al espejo semiplateado A a través de la lente convergente L1, y luego converge en el espacio entre los dientes A y A' del engranaje W después de la reflexión, y luego llega al reflector M a través de las lentes. L2 y L3. Luego se refleja. L4 lo condensa a través del espejo A medio recubierto y luego ingresa a los ojos del observador. e. Si gira el engranaje, girará un ángulo dentro del tiempo Δt cuando la luz llegue al espejo M y se refleje. Si el espacio entre A y A' está ocupado por el diente A (o A') en este momento, la luz reflejada se bloqueará y el observador no podrá ver la luz. Sin embargo, si el engranaje se gira en ese ángulo, el observador volverá a ver la luz cuando la luz reflejada por el espejo M pase a través del espacio entre los dientes. Cuando el engranaje gira más rápido y la luz reflejada es bloqueada por otro diente, la luz vuelve a desaparecer. De esta manera, cuando la velocidad del engranaje se acelera gradualmente desde cero, se verá un destello de luz en e, y la velocidad de la luz c = 4 nvl se puede deducir de la velocidad del engranaje v, el número de dientes n y las distancias. l y m entre los engranajes.
En el experimento de Fizeau, cuando el engranaje de 720 dientes gira 12,67 veces en un segundo, la luz se bloquea por primera vez y desaparece. El tiempo necesario para que se alternen el espacio y los dientes del engranaje es
La trayectoria óptica de la luz durante este período es 2×8633m, por lo que la velocidad de la luz C = 2×8633×18244 = 3,15×108 (m /s).
Además del método del engranaje giratorio, el método de la caja de Kerr también se utiliza para registrar automáticamente los tiempos de envío y recepción de señales. En 1941, Anderson midió c = 299776 6 km/s utilizando el método de la caja de Kerr. En 1951, Beggs Gran lo midió utilizando el método de la caja de Kerr.
3. Método del espejo giratorio
La característica principal del método del espejo giratorio es que puede medir con precisión el tiempo de propagación de la señal. En 1851, Foucault midió con éxito la velocidad de la luz utilizando este método. Huygens y Arago propusieron el principio del método del espejo giratorio ya en 1834, que utiliza principalmente un espejo giratorio uniforme y de alta velocidad para reemplazar el dispositivo de engranaje. Debido a que la fuente de luz es potente y está bien enfocada, se pueden realizar mediciones muy precisas en intervalos de tiempo cortos. El dispositivo experimental se muestra en la figura. La luz emitida por la fuente de luz S pasa a través del espejo semiplateado M1, pasa a través de la lente L e brilla sobre el espejo plano M2 que gira alrededor del eje O, que es perpendicular a la figura. La luz se refleja desde M2 y converge en el espejo cóncavo M3. El centro de curvatura de M3 está exactamente en el eje O, por lo que la luz se refleja simétricamente en M3. La imagen de la fuente de luz se genera en los puntos s’. Cuando la velocidad de rotación de M2 es lo suficientemente rápida, la posición de la imagen S 'se convertirá en S ", y la velocidad de la luz se puede derivar moviéndose una distancia de △s con respecto a la posición no rotada de M2:
donde W es M2 La velocidad angular de rotación, l0 es la distancia de M2 a M3, L es la distancia desde la lente L a la fuente de luz S, △s es la distancia de desplazamiento de la imagen de S, por lo que la velocidad de luz se puede obtener midiendo directamente W, L, L0 y △s.
En el experimento de Foucault: L = 4m, L0 = 20m, △ S = 0,0007m, W = 800×2π rad/s , obtuvo el valor de la velocidad de la luz C = 298000 500km/s.
Además, Foucault también utilizó los principios básicos de este experimento para medir la velocidad de propagación de la luz en el medio (agua) v < c por primera vez, lo cual es una fuerte evidencia de la teoría ondulatoria
3. Método del prisma giratorio
Michelson combinó el método del engranaje y el método del espejo giratorio para crear un prisma giratorio Debido a que el método del engranaje no es lo suficientemente preciso, no solo el centro del diente bloquea la luz, sino que el bloqueo de la luz del borde del diente también cambia, por lo que es imposible medir con precisión el momento en que la imagen desaparece. El método del espejo giratorio no es lo suficientemente preciso porque el desplazamiento Δ de la imagen en este método es demasiado pequeño, solo 0,7 mm, y no es fácil medir con precisión el método del espejo giratorio de Michelson.
Reemplazó el espejo plano giratorio en el método del espejo giratorio con un prisma de acero octaédrico regular, aumentando así considerablemente la trayectoria óptica, y midió el tiempo requerido para todo el proceso de propagación de la luz midiendo con precisión la velocidad de rotación del prisma en lugar de la rotación del engranaje. velocidad en el método de medición de engranajes, reduciendo así el error de medición. De 1879 a 1926, Michelson trabajó a la velocidad de la luz.
c = 299796 km kilómetros/segundo
Esta era la medida más precisa en ese momento y pronto se convirtió en el valor aceptado para la velocidad de la luz en ese momento.
3. Métodos de laboratorio para medir la velocidad de la luz
El método astronómico y el método geodésico para medir la velocidad de la luz determinan la velocidad de la luz midiendo la distancia de propagación y el tiempo de la señal luminosa. Esto requiere aumentar la trayectoria óptica tanto como sea posible para mejorar la precisión de la medición del tiempo. Esto generalmente está limitado por el tiempo y el espacio en el laboratorio y sólo puede realizarse en el campo. Por ejemplo, el método de rodadura de Fizeau se llevó a cabo en Soulen, París, a 8.633 metros de Damon Marter. El método del espejo giratorio de Foucault también se utilizó en la naturaleza. En aquel momento, Michelson lo completó en dos picos separados por 35.373.4380 metros. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas, la gente puede utilizar instrumentos experimentales más pequeños y precisos para medir la velocidad de la luz en el laboratorio.
1. Método de la cavidad resonante de microondas
En 1950, Essen determinó por primera vez la velocidad de la luz midiendo la longitud de onda y la frecuencia de las microondas. En su experimento, cuando la longitud de onda de microondas coincide con el tamaño geométrico de la cavidad resonante, la relación entre la circunferencia πD de la cavidad resonante y la longitud de onda tiene la siguiente relación: πD=2,404825λ, por lo que la longitud de onda se puede determinar midiendo el diámetro. de la cavidad resonante, el diámetro se mide usando el método de interferometría; la frecuencia se mide usando el método de diferencia de frecuencia de paso; La precisión de la medición es 10-7. En el experimento de Essen, la longitud de onda de microondas utilizada fue de 10 cm y la velocidad de la luz fue de 299792,5 1 km/s.
Velocimetría láser
1790, American National Bureau of Standards and Standards. El Laboratorio Nacional de Física utilizó por primera vez láseres para medir la velocidad de la luz. El principio de este método es medir simultáneamente la longitud de onda y la frecuencia del láser para determinar la velocidad de la luz (c = ν λ). Dado que la precisión de la medición de la frecuencia y la longitud de onda del láser se ha mejorado enormemente, la precisión de la medición del velocímetro láser puede alcanzar 10-9, que es aproximadamente 65438 veces mayor que el método experimental más avanzado.
4. Lista de métodos para medir la velocidad de la luz
Además de los métodos para medir la velocidad de la luz mencionados anteriormente, existen muchos métodos muy precisos para medir la velocidad de la luz. luz. Ahora los valores de la velocidad de la luz medidos por diferentes métodos se enumeran en una "tabla de medición de la velocidad de la luz" como referencia.
Según la resolución de la XV Conferencia Internacional sobre Pesos y Medidas de 1975, el valor más fiable para la velocidad de la luz en el vacío moderno es:
c = 299792,458 0,001 km/