¿Qué pasa con la velocidad de la luz?
1. Método del eclipse de satélite de Romer
La medición de la velocidad de la luz tuvo éxito por primera vez en la astronomía, porque el vasto espacio del universo proporciona suficiente espacio 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. La luz es emitida por Júpiter (en realidad, desde las lunas de Júpiter). 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 de la luz calculada era de sólo 265.438+04.300 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 el tiempo del eclipse solar de los satélites de Júpiter a través de fotografías y midió la precisión con el radio de la órbita de la Tierra.
2. Método de la aberración estelar
En 1728, un astrónomo británico, Bradley (1693-1762) utilizó el método de la aberración estelar para concluir una vez más que la velocidad de la luz es una cantidad física finita. Bradley observó las estrellas en la Tierra y descubrió que la posición aparente de las estrellas cambiaba constantemente. Durante el año, todas las estrellas parecen orbitar una elipse con semiejes mayores iguales en el cenit. C=299930 km/s
Este valor está cerca del valor real /p>
Lo anterior son solo mediciones de la velocidad de la luz de fenómenos y observaciones astronómicas debido a las condiciones en ese momento. En ese momento no era posible medir la velocidad de la luz en el laboratorio.
2 Geodesia para medir la velocidad de la luz
La medición de la velocidad de la luz implica medir la distancia. y el tiempo que tarda la luz en viajar. Debido a que la velocidad de la luz es muy grande, es necesario medir distancias largas y tiempos cortos. La geodesia es una variedad de métodos diseñados en torno a cómo medir con precisión la distancia y el tiempo.
1. El método de Galileo para medir la 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 preguntaba a observadores que estaban lejos. Para sostener una luz que se puede apagar, como se muestra en la figura: el observador A enciende la luz después de un cierto tiempo, la luz llega al observador B, y B inmediatamente enciende su propia luz después de un cierto tiempo. de nuevo, para que A pueda registrar el momento en que enciende la luz
c=2s/t
El intento de Galileo no tuvo éxito porque la velocidad de la luz era muy rápida y el observador no lo había hecho. para hacerlo hay un cierto tiempo de reacción si se utiliza un reflector en lugar de B, la situación mejorará, de modo que se pueda evitar el error introducido por el observador. Este principio de medición se mantuvo durante mucho tiempo en todas las mediciones posteriores. métodos experimentales para medir la velocidad de la luz, incluso en el Esto también es cierto en los experimentos modernos para medir la velocidad de la luz. Sin embargo, se deben utilizar métodos confiables en la recepción de señales y la medición del tiempo. medido incluso en distancias cortas
2. Método del engranaje giratorio<. /p>
El método experimental para medir la velocidad de la luz fue experimentado por primera vez por Fizeau en 1849. Utilizó el método de bloqueo periódico. luz (engranajes giratorios) para registrar automáticamente el paso de la luz desde la fuente de luz S. La lente convergente L1 alcanza el espejo semiplateado A 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 ". 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 de 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 la 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 dispositivo de 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 también cambia el bloqueo de la luz en el borde del diente, por lo que es imposible medir con precisión el momento en que la imagen desaparece. El método del espejo no es lo suficientemente preciso porque el desplazamiento Δs 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 supera estas deficiencias. utilizó el método del espejo giratorio con un prisma de acero octaédrico regular, aumentando así en gran medida 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 velocidad de rotación del engranaje en el método de medición del engranaje. Reducción de los errores de medición De 1879 a 1926, Michelson trabajó a la velocidad de la luz
c = 299796 km/s
Esta era la medición más precisa en ese momento y pronto se convirtió en 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 mediante medir la distancia de propagación y el tiempo de la señal de luz. 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 y solo se puede realizar en el campo. El método del engranaje de rueda de Fizeau se realizó en Sullen, París, a 8633 metros de distancia de Damon Mattre. El método del espejo giratorio también se realizó en la naturaleza. En ese momento, Michelson lo completó en dos picos separados por 35,373,438+0 metros. 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+ 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/ s
El instrumento de medición de la velocidad del sonido debe estar equipado con un osciloscopio y un generador de señales para completar la tarea de medición de la velocidad del sonido. En la figura se muestra el dispositivo que genera ondas ultrasónicas en el experimento. Consiste en un tubo cerámico piezoeléctrico o un transductor piezoeléctrico ultrasónico y una bocina; cuando se aplica un voltaje de CA al tubo cerámico piezoeléctrico, el tubo cerámico piezoeléctrico producirá vibración mecánica debido al efecto piezoeléctrico inverso del cuerpo piezoeléctrico. El tubo cerámico piezoeléctrico está unido a un altavoz hecho de aleación de aluminio y es amplificado por un circuito electrónico para convertirse en un generador ultrasónico. Debido a la vibración periódica del tubo cerámico piezoeléctrico, el altavoz es impulsado a realizar vibraciones axiales periódicas. Cuando la frecuencia del voltaje de CA aplicado es la misma que la frecuencia natural de la cerámica piezoeléctrica, la amplitud de la cerámica piezoeléctrica es la mayor, lo que hace que la amplitud del altavoz también sea la mayor. El extremo de la bocina excita ondas longitudinales en el aire, que son ondas ultrasónicas. La frecuencia de oscilación de la cerámica piezoeléctrica de este instrumento es superior a 40 kHz y la longitud de onda ultrasónica correspondiente es de unos pocos milímetros. Debido a su longitud de onda corta y sus buenas propiedades de emisión direccional, este transmisor ultrasónico es una fuente de ondas ideal. Debido a que el diámetro del extremo del altavoz es generalmente de unos 20 mm, que es mucho mayor que esta longitud de onda, se puede considerar aproximadamente que la onda de sonido a una cierta distancia del transmisor es una onda plana. El receptor ultrasónico utiliza el efecto piezoeléctrico positivo del cuerpo piezoeléctrico para convertir la vibración mecánica recibida en vibración eléctrica para mejorar esta vibración eléctrica. Se agrega especialmente un amplificador selectivo de frecuencia para amplificar y luego se transmite a un osciloscopio para su observación a través de un cable blindado. El receptor está instalado en un mecanismo móvil, que incluye un soporte telescópico, una varilla roscada, una base móvil (con un puntero que se fija en la varilla roscada a través de una tuerca de posicionamiento y la varilla roscada se traslada), un volante con un escala, etc La posición del receptor está determinada por la posición del volante de escala principal y del volante de escala. La regla principal está ubicada en la base; la regla de ángulo recto mínimo está ubicada sobre la base; la escala mínima es de 1 mm y el volante conectado al tornillo está dividido en 100 escalas. Para cada revolución, el receptor se traduce 1 mm, por lo que una división del puntero es de 0,01 mm, que se puede estimar en 0,001 mm.