Скорость света
Литература

Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика 11. Учебник. М.: Просвещение, 2004.

Цели урока

Рассмотреть различные способы измерения скорости света.

 

На данном уроке компьютерные модели используются для объяснения нового материала.

 

№ п/п Этапы урока Время, мин Приемы и методы
1 Организационный момент 2
2 Опрос по теме «Корпускулярная и волновая теории света» 10 Устный опрос
3 Объяснение нового материала по теме «Скорость света» 30 Работа с моделями «Опыт Физо» и «Опыт Майкельсона»
4 Объяснение домашнего задания 3

 

Домашнее задание: § 59.

 

Опыт Физо

 

Опыт Майкельсона
Методические рекомендации к уроку

При объяснении нового материала используется демонстрация интерактивных моделей «Опыт Физо» и «Опыт Майкельсона». Способ демонстрации определяется техническими возможностями используемого учебного кабинета. Возможны следующие варианты:

  • Демонстрация модели учителем с использованием мультимедийного проекционного оборудования.
  • Демонстрация модели учителем с использованием системы удаленного управления персональными компьютерами учащихся, например NetOp School.
  • Работа учащихся с моделью непосредственно на учебных ПК во время объяснения нового материала учителем и под его контролем.
На уроке по теме «Скорость света» рассматриваются астрономический метод измерения скорости света и лабораторные методы измерения скорости света. Объяснение лабораторных методов измерения скорости света, как правило, вызывает затруднения в связи с отсутствием плакатов в школьных кабинетах, сложностью обсуждаемых экспериментов, большим количеством элементов экспериментальных установок. Интерактивные модели позволяют показать учащимся ход эксперимента и результат, который был получен в эксперименте. Для сильных классов можно повторить вычисления, проведенные Физо и Майкельсоном и сравнить полученные результаты с данными в таблице задачника.

Теория к уроку
Опыт Физо

В 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо (23.11.1819–18.09.1896, Париж, Франция) первым поставил лабораторный опыт по измерению скорости света с использованием метода вращающегося затвора. В установке Физо узкий луч света разбивался на импульсы, проходя сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. Импульсы попадали на зеркало, расположенное на расстоянии L = 8,66 км от источника и ориентированное перпендикулярно ходу луча. Экспериментатор, изменяя скорость вращения колеса, добивался, чтобы отраженный свет попадал в промежуток между зубцами. На диске Физо было 720 выступов. Зная величину расстояния между зубцами и скорости вращения колеса, при которой свет попадает в следующий промежуток, можно рассчитать значение скорости света.

Полученный Физо результат для скорости света составил 313 247 304 м/с. В дальнейшем ряд исследователей усовершенствовали метод, используя различные варианты затворов. В частности, американский физик А. Майкельсон разработал весьма совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал. Это позволило существенно уточнить значение скорости света.

Пример расчетной операции для варианта, при котором экспериментатор добивается исчезновения света в окуляре прибора

Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и за время движения импульса света до зеркала и обратно место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно:
окажется равным времени поворота зубчатого колеса на ширину прорези:
Здесь L – расстояние от зубчатого колеса до зеркала, T1 – период вращения зубчатого колеса, ν1 = 1 / T1 – частота вращения, при которой в первый раз исчезает световой поток в окуляре, N – число зубцов. Так как t = t1, получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом:
c = 4LNν1.

Пример расчетной операции для варианта, при котором экспериментатор добивается появления света после исчезновения в окуляре прибора

Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и за время движения импульса света до зеркала и обратно место первой прорези на колесе заняла следующая за ней прорезь. Тогда свет сможет вновь пройти до окуляра и в окуляре вновь станет светло. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно:
окажется равным времени поворота зубчатого колеса на суммарную ширину зубца и прорези (шаг зубчатого колеса):
Получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом: c = 2LNν2, где ν2 = 1 / T2 – частота вращения, при которой в окуляре вновь появляется свет после первого исчезновения.

Опыт Майкельсона

В течение всей своей жизни американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (19.12.1852–09.05.1931) совершенствовал методику измерения скорости света. Создавая все более сложные установки, он пытался получить результаты с минимальной погрешностью. В 1924–1927 годах разработал схему опыта, в котором луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио. В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало, изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально разработанным устройством.

 

«Подготовка опыта велась с большой тщательностью. Было выбрано место для двух установок. Одна из них помещалась на уже знакомой ему вершине горы Маунт-Вильсон, а другая – на вершине горы Сан-Антонио, известной под прозвищем «Старая плешь», на высоте 5800 м над уровнем моря и на расстоянии 35 км от горы Маунт-Вильсон. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов было поручено точно измерить расстояние между двумя отражающими плоскостями – вращающимся призматическим зеркалом на Маунт-Вильсон и неподвижным зеркалом на Сан-Антонио. Возможная ошибка при измерении расстояния составляла одну семимиллионную, или долю сантиметра на 35 км. Вращающаяся призма из никелированной стали с восемью зеркальными поверхностями, отполированными с точностью до одной миллионной, была изготовлена для опыта бруклинской компанией «Сперри джироскоп компани», президент которой, инженер-изобретатель Эльмер А. Сперри, был другом Майкельсона. Кроме того, было изготовлено еще несколько стеклянных и стальных призм. Восьмиугольный высокоскоростной ротор делал до 528 оборотов в секунду. Он приводился в движение воздушной струей, и его скорость, как и в прошлых опытах, регулировалась при помощи электрического камертона. (Камертон используется не только музыкантами для определения высоты звука. С его помощью можно очень точно определять короткие равные отрезки времени. Можно создать инструмент с нужной частотой, который под действием электрического тока будет вибрировать, подобно электрическому звонку)».

(Бернард Джефф. Майкельсон и скорость света. Перевод с английского Р. С. Бобровой. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. Электронная версия – http://n-t.ru/ri/dj/mc.htm).

 

Начиная с 1924 года, и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений. Средний результат равнялся 299 798 км в секунду.

Результаты же всех измерений Майкельсона можно записать как c = (299796 ± 4) км/с.

Расчет скорости света

В эксперименте используется восьмигранная призма. Поэтому время поворота призмы на одну грань τ1 = T / 8, τ1 = 1/ 8ν1, где ν1 – частота вращения призмы, при которой свет появляется в первый раз. Таким образом, c = 2L / τ1 = 16Lν1.