Содержание 1. Введение 2. Свет. Скорость света 3. Методы

Содержание
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Введение
Свет. Скорость света
Методы определения скорости света
Определение скорости света при помощи микроволной печи
Выводы
Литература
Приложения
1
Введение
…В безвоздушном пространстве я могу
достичь скорости света,
если не помешают посторонние влияния.
А может быть, и превзойти ее… Как знать!..
В.А. Чудинов
(АРЕОГЛИФИКА, или РУССКИЙ МАРС)
Любая фантастическая литература художественными средствами вводит нас в мир
науки и техники. Помогает постичь тайны природы. Ее задача - пробуждать любопытство,
ценнейшее человеческое качество. С ним мы вошли в мир, пока оно с нами, мы растем и
становимся мудрее.
Какой мальчишка не увлекается рассказами о полетах на космических кораблях,
бороздящих просторы Вселенной, покорением дальних галактик! Да, пусть пока это все
фантастика! Ведь когда-то и первый поле в космос был фантастикой! Читая эти
произведения, мы сталкиваемся с таким понятием как скорость света. Все космические
корабли передвигаются со скоростью света, а многие даже способны совершить прыжок в
гиперпространство, двигаясь со скорость превышающей скорости света. И по этому
поводу всегда возникают вопросы: Что такое свет? Чему равна скорость света? Можно ли
преодолеть скорость света? В данной работе мы попытаемся найти ответы на все эти
вопросы.
Цель работы: определить скорость света (используя микроволновую печь) и
сравнить ее с реальным значением.
Задачи:
1. Выяснить природу света. Изучить различные методы определения скорости
света (теория).
2. Экспериментальным способом определить скорость света (эксперимент).
2
1. Свет. Скорость света
Свет – это величайшая ценность, которой одарила нас природа, это необходимое
условие существование растений, животных и человека. Способность человека видеть
позволяет нам получить значительную часть информации о внешнем мире. Но как мы
видим? Что представляет собой нечто, называемое нами светом?
Любой объект становится видимым только в двух случаях:
1)
Когда он сам становится источником света, как например, электрическая
лампочка, свеча или звезда, и мы видим свет, испускаемый этим источником;
2)
Когда он отражает падающий на него свет.
Понять, каким образом тела испускают свет, удалось лишь в 20-ые годы 20 века. А
вот почему свет отражается, люди узнали гораздо раньше.
Наблюдения показывают, что свет нагревает тела, на которые он падает, а значит,
передает этим телам энергию. Известно также, что существует вид передачи энергии,
называемый излучением. (Оно может осуществляться в полном вакууме; его источник внутренняя энергия тела; энергия излучения частично поглощается телами, на которые
падает излучение, вследствие чего тела нагреваются.)
Все эти особенности излучения характерны и для света. Поэтому можно сказать,
что свет – это та часть излучения, которая воспринимается нашим глазом.
Тела, от которых исходит свет, являются источниками света. Источники света
подразделяются на естественные и искусственные. Естественные источники света – это
Солнце, звезды, молния, полярное сияние, светлячки, гнилушки и т.д. Искусственные
источники – это электрические лампочки, свечи, пламя костра и др.
Источники света мы видим потому, что излучение, создаваемое ими, попадает
прямо нам в глаза. Тела же, не являющиеся источниками света, мы видим потому, что
излучение от источника света, упав на поверхность, отражается от нее и также попадает
нам в глаза.
Для объяснения природы света возникли и начали развиваться две различные
теории. Возникли они практически одновременно в 17 веке. Согласно первой теории –
свет это поток частиц, которые излучает источник, согласно второй – свет это
электромагнитные волны определенной частоты. На протяжении всего времени
одерживала победу то первая, то вторая теория. На сегодняшний день экспериментально
подтверждены обе теории. Свет имеет двойственную природу – при распространении
ведет себя как волна, а при поглощении и излучении как поток частиц.
Когда мы поворачиваем выключатель, то вся комната сразу же озаряется светом.
Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен. Делались многие
попытки определить скорость света. Для этого пытались измерить по точным часам время
распространения светового сигнала на большие расстояния. Но эти попытки не дали
результата. Начали думать, что распространение света совсем не требует времени, что
свет любые расстояния преодолевает мгновенно. Однако оказалось, что скорость света не
бесконечная величина, и эта скорость была, в конце концов, измерена.
2. Методы измерения скорости света
Гений XVII века Роберт Гук полагал, что скорость света слишком велика, чтобы ее
можно было определить экспериментально, а астроном Иоганн Кеплер и математик Рене
Декарт придерживались мнения Аристотеля, что скорость света бесконечно велика.
Метод Галилея
Первый, кто предложил способ измерения скорости света был Галилео Галилей в
1607 г. Он предложил, чтобы два человека, стоящие на вершинах холмов на расстоянии
нескольких километров друг от друга, подавали сигналы с помощью фонарей,
снабженных заслонками. Галилей измерил промежуток времени между вспышкой своего
3
фонаря и моментом, когда он увидел вспышку света фонаря ассистента. Этот промежуток
оказался столь коротким, что он счел его характеризующим только быстроту реакции
человека и заключил, что скорость света должна быть беспредельно велика.
Метод Рёмера
То, что скорость света имеет конечное значение, первым продемонстрировал
датский астроном Оле Рёмер в 1676 г. из наблюдений за Ио – спутником планеты Юпитер.
Земля и Юпитер движутся по орбитам на разных расстояниях от Солнца.
Наблюдатель, находящийся на Земле, видит, что Ио выходит из тени Юпитера в разное
время при различных положениях Земли относительно Солнца (наблюдения проходили
через полгода). Максимальная разница составляет 22 минуты (1320 с). Ремер
предположил, что это запаздывание возникает вследствие того, что свет, имеющий
конечную скорость, проходит увеличившееся расстояние между Юпитером и Землей за
большее время. Это лишнее расстояние равняется диаметру орбиты Земли – 300000000000
м. Из этих наблюдений Ремером была получена скорость света:
с = 300000000000 м : 1320 с = 227 000 000 м/с
Метод Физо
В 1849 г. Арман Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света.
Зубчатое колесо C разбивало луч света на вспышки. Физо измерил время, за
которое свет проходил расстояние от C до зеркала A и обратно. Когда зубчатое колесо
было неподвижно и находилось в первоначальном положении, наблюдатель мог видеть
4
свет от источника сквозь промежуток между двумя зубцами. Затем колесо приводилось в
движение со все возрастающей скоростью, и наступал такой момент, когда световой
импульс, пройдя через промежуток между зубцами, возвращался, отразившись от зеркала
A, и задерживался зубцом. В этом случае наблюдатель ничего не видел. При дальнейшем
ускорении вращения зубчатого колеса свет снова появлялся, становился все ярче и,
наконец, достигал максимальной интенсивности. На зубчатом колесе, использованном
Физо, было 720 зубцов, а максимальной интенсивности свет достигал при 25 оборотах в
секунду. На основании этих данных Физо вычислил скорость света . Свет проходит
расстояние между зеркалами и обратно за то время, пока колесо повернется от одного
промежутка между зубцами до другого. Используя этот метод Физо получил значение
скорости с = 313 000 000 м/с.
Метод Майкельсона
В другом лабораторном методе прерывание света осуществлялось при вращении
зеркала. Таким методом скорость света измеряли Жан Фуко (1862 г.) и Альберт
Майкельсон (1879 г.)
Полученное значение скорости света равнялось с = 299796000 м/с
Более точно скорость начали измерять после 1960 г., когда заработал первый лазер.
В 1972 г. американским ученым К. Ивенсоном с сотрудниками было получено значение
скорости света с = 299792456 м/с.
Однако в 1983 г. на заседании Генеральной ассамблеи мер и весов было принято
новое определение метра (это длина пути, проходимое светом в вакууме за 1/299792458
долю секунды), из которого следует, что скорость света в вакууме абсолютно точно
равна с=299 792 458 м/с.
Обычно, если не требуется большая точность, это значение округляется до
300000000 м/с. Это максимально возможная скорость в природе.
Предположим, что в каком-то месте вдруг не стало звезды. Сразу ли мы заметим ее
исчезновение? Нет. Мы будем видеть звезду там, где ее уже нет. И это будет длиться
столько лет, сколько нужно свету для того, чтобы дойти до нашей планеты. От самой
близкой к нам звезды свет идет около 4-х лет, проходя каждую секунду 300000 км.
3. Определение скорости света при помощи микроволной печи
Есть еще один способ определения скорости света. Немного тертого сыра и
микроволновка, вот и все что нужно … для измерения скорости света в домашних
условиях!
Брошенный в пруд камень вызывает волну, которая будет перемещаться по
поверхности воды. Если второй камень упадет следом в том же месте, возникнет вторая
волна.
5
Расстояние между двумя ближайшими гребнями волн будет называться длиной
волны – λ (1 м). Время между двумя последовательными волнами – периодом волны Т (1
с). Число полных колебаний в единицу времени – частотой волны ν (1 Гц).
Частота связана с периодом Т = 1/ν.
Отношение скорости и длины волны выражается следующим образом:
λ = υ∙Т
Тогда скорость волны можем определить по формуле:
υ = λ/Т (1)
или υ = λ∙ν.(2)
Электромагнитные волны, с помощью которых пища разогревается в
микроволновой печи, перемещаются со скоростью света. Частота этих волн нам известна
2450000000 Гц. А раз частота волны известна, то используя формулу (2) можно
определить ее скорость, измерив предварительно ее длину.
Волны в микроволновой печи отражаются от стен и накладываются на те, что
продолжают поступать. В некоторых участках пространства обе волны, приходящая и
отраженная, вибрируют вместе, образуя «зоны максимальных колебаний». А кое-где,
наоборот, волны вибрируют в противоположных направлениях и в результате гасят друг
друга это « это зоны минимальных колебаний»
Благодаря сыру мы легко определим зоны максимальных колебаний, как раз в нихто он и будет таять. Расстояние, разделяющее две «зоны максимальных колебаний»
является половиной длины волны. Тогда формула (2) преобразуется следующим образом:
υ = 2∙l∙ν (3), где l – расстояние между подтаившими зонами сырной полоски.
Итак, наш эксперимент состоит в следующем:
6
1. Посередине тарелки насыпем полоску тертого сыра.
2. Поместим тарелку в микроволновку, предварительно отключив функцию
вращения блюда. Включим печь на 10 секунд.
3. Измерим расстояние между расплавившимися зонами сыра.
Полученные данные занесем в таблицу:
№ опыта
1
2
3
Среднее
значение
1
2
3
Среднее
значение
1
2
3
Среднее
значение
Используемые продукты
Сыр (пошехонский)
Расстояние
между
расплавившимися
зонами
l, мм
60
62
62
Скорость света
с, м/с
298 900 000
61
Сыр (российский)
65
63
62
308 700 000
63
Шоколад
74
74
75
362 600 000
74
Для каждого опыта вычислим скорость света по формуле υ = 2∙l∙ν
1. υ = 2 ∙ 61мм ∙ 2450000000Гц = 298900000000 мм/с = 298 900 000 м/с
2. υ = 2 ∙ 63мм ∙ 2450000000Гц = 308700000000 мм/с = 308 700 000 м/с
3. υ = 2 ∙ 74мм ∙ 2450000000Гц = 362600000000 мм/с = 362 600 000 м/с
Полученные результаты совсем недалеки от реальной скорости света с=299 792 458
м/с.
Вывод: метод определения скорости света при помощи микроволновой печи
можно использовать как один из методов определения скорости света. Наиболее
точный результат получается в эксперименте с более твердыми по консистенции
продуктами.
7
1.
2.
3.
4.
5.
Заключение
В ходе исследований нам удалось выяснить:
Свет – это видимое излучение.
Свет имеет двойственную природу – при распространении ведет себя как волна, а
при поглощении и излучении как поток частиц.
Скорость света конечна и равняется с = 299 792 458 м/с.
Разделяют астрономический и лабораторный методы измерения скорости света.
В домашних условиях скорость света можно определить при помощи
микроволновой печи. Наиболее приближенные результаты к реальной скорости
света были получены в эксперименте с сыром (298 900 000 м/с, 308 700 000 м/с).
8
Литература
1.
Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б.
Буховцев. – 10-е изд, перераб. – М.: Просвещение, 2008. – 336 с.
2.
Физика: Учеб. для 11 кл. шк. И кл. с углубл. изучением физики / А.Т.
Глазунов, О.Ф. Кабардин, А.Н. Малинин и др.; Под ред. А.А. Пинского. – 8-е изд. – М.:
Просвещение, 2003. – 4323 с.
3.
Справочник школьника. Физика: М.; Филологическое общество «Слово»,
Компания «Ключ-С», 1995. – 576 с.
4.
Журнал « Юный эрудит»
9
Приложение
Опыт № 1 (сыр Пошехонский)
10
Опыт № 2 (сыр Российский)
11
Опыт № 3 (шоколад)
12