¿Cómo se mide la velocidad de la luz? ¿Cómo determinarlo?
1. Métodos astronómicos para determinar la velocidad de la luz
1. El eclipse del satélite de Romer
La medición de la velocidad de la luz tuvo éxito por primera vez en astronomía porque el vasto universo proporciona una distancia lo suficientemente grande como para medir la velocidad de la luz. El astrónomo danés Romer (1644-1710) midió por primera vez la velocidad de la luz ya en 1676. Dado que cualquier proceso periódico puede utilizarse como reloj, Romer logró encontrar un "reloj" bastante preciso a gran distancia del observador. En sus observaciones, Romer aprovechó los eclipses de las lunas de Júpiter a intervalos regulares. Observó que el tiempo entre dos eclipses consecutivos era más largo cuando la Tierra se alejaba de Júpiter que cuando la Tierra se acercaba a Júpiter, fenómeno que explicó por el hecho de que la velocidad de la luz es finita. La luz proviene de Júpiter (en realidad, un satélite de Júpiter). Cuando la Tierra se aleja de Júpiter, la luz debe alcanzar a la Tierra, por lo que el tiempo entre los dos eclipses de los satélites de Júpiter observados desde la Tierra es más largo que el tiempo real; y cuando la Tierra se acerque a Júpiter, este tiempo será más corto. Dado que el período de órbita del satélite alrededor de Júpiter no es largo (aproximadamente 1,75 días), la diferencia de tiempo anterior no excede los 15 segundos (la velocidad de rotación de la órbita de la Tierra) en el momento más adecuado (en la imagen de arriba, cuando la Tierra alcanza la órbita de los puntos A y A' aproximadamente 30 km/s). Por lo tanto, para obtener resultados confiables, las observaciones deben continuar durante todo el año. Romer descubrió la velocidad de la luz observando el momento de los eclipses de satélites y el diámetro de la órbita de la Tierra. Dado que en aquel momento sólo se conocía una aproximación del radio orbital de la Tierra, se descubrió que la velocidad de la luz era de sólo 214.300 km/s. Aunque este valor de la velocidad de la luz está lejos del valor exacto de la velocidad de la luz, es el primer registro en la historia de la medición de la velocidad de la luz. Más tarde, la gente utilizó la fotografía para medir el tiempo de eclipse de los satélites de Júpiter. Después de mejorar la precisión de la medición del radio orbital de la Tierra, la velocidad de la luz obtenida por el método de Romer fue de 299840 ± 60 km/s.
2. El método de aberración de la velocidad de la luz de Bradley
En 1728, el astrónomo británico Bradley (1693-1762) utilizó la estrella Bradley (1693-1762) para ), y una vez Nuevamente concluyó que la velocidad de la luz es una cantidad física finita. Cuando Bradley observó estrellas en la Tierra, descubrió que las posiciones aparentes de las estrellas cambiaban constantemente. En un año, todas las estrellas parecían orbitar una elipse con semiejes mayores iguales en el cenit. Atribuyó este fenómeno a que la luz de la estrella tarda un cierto tiempo en llegar a la Tierra, y durante este tiempo, la Tierra cambia de posición debido a su rotación. La velocidad de la luz que midió es:
C=299,930 kilómetros/segundo
Este valor está muy cerca del valor real.
Lo anterior es sólo una medición de la velocidad de la luz utilizando fenómenos astronómicos y datos de observación. Sin embargo, debido a las condiciones de ese momento en el laboratorio, la medición de la velocidad de la luz es imposible.
2. Método geodésico de medición de la velocidad de la luz
La determinación de la velocidad de la luz implica medir la distancia y el tiempo necesario para el paso de la luz ya que la velocidad de la luz es. muy grande, es necesario medir una distancia larga y Durante un corto tiempo, la geodesia fue una colección 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 fue el primero en proponer medir la velocidad de la luz. En su experimento de 1607, pidió a dos observadores que estuvieran lejos el uno del otro, cada uno sosteniendo una lámpara que podía bloquearse, como se muestra en la imagen: El observador A enciende la lámpara y, después de un cierto período de tiempo, la luz llega al observador B. , quien inmediatamente enciende sus propias luces. Después de un cierto período de tiempo, la señal regresa a A, por lo que A puede registrar el intervalo de tiempo t desde el momento en que enciende la luz hasta que la señal regresa a A desde B.
Si la distancia entre dos observadores es S, entonces la velocidad de la luz es
c=2s/t
Dado que la velocidad de la luz es muy grande, el observador también debe reaccionar ante una cierta medida tiempo, por lo que el intento de Galileo no tuvo éxito. Posteriormente, Galileo sustituyó B por un reflector para evitar errores provocados por los observadores y la situación mejoró. Este principio de medición se ha utilizado en todos los métodos experimentales posteriores para medir la velocidad de la luz. Incluso en los experimentos modernos, todavía se utilizan métodos para determinar la velocidad de la luz. Sin embargo, se utilizan métodos fiables para la recepción de señales y la medición del tiempo. Con estos métodos se puede determinar la velocidad de la luz con suficiente precisión incluso a largas distancias.
2. Método del engranaje giratorio
En 1849, Fisher determinó experimentalmente por primera vez la velocidad de la luz. Utilizó el método de interrupción periódica de la luz (método de engranaje giratorio) para la grabación automática. El proceso experimental es el siguiente. La luz de la fuente de luz s se dirige a través de la lente convergente L1 hacia el espejo semiplateado A, se refleja en el espejo y converge en el espacio entre los dientes a y a' del engranaje W. Si el engranaje gira, entonces girará un ángulo dentro del tiempo Δt para que la luz alcance el reflector M y luego se refleje. Si el diente a (o a') ocupa el espacio entre a y a', la luz reflejada se bloqueará y el observador no verá la luz. Pero si el engranaje se gira en un ángulo tal que la luz reflejada de M se refleja desde otro espacio entre dientes, el observador volverá a ver la luz. Cuando el engranaje gira más rápido, la luz reflejada es bloqueada por otro diente y la luz desaparece. . De esta manera, se verá un destello en E a medida que la velocidad del engranaje aumenta gradualmente desde cero. La velocidad de la luz c=4nvL se puede deducir de la velocidad del engranaje v, el número de dientes n y la distancia L entre el engranaje y M.
En el experimento de Fisher, cuando el engranaje tiene 720 dientes y gira 12,67 veces en un segundo, la luz se bloqueará por primera vez y desaparecerá. El tiempo necesario es el espacio y el tiempo de alternancia de dientes<. /p>
Durante este tiempo, el camino óptico recorrido por la luz es de 2×8633 metros, 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 en los tiempos modernos como método de enmascaramiento que puede registrar automáticamente el momento de recepción y retorno de la señal. En 1941, Anderson utilizó el método de la caja de Kerr para medir c=299776±6km/s. En 1951, Beggs-Glan también utilizó el método de la caja de Kerr para medir c=299793,1±0,3km/s.
3. Método del espejo giratorio
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 determinó con éxito la velocidad de la luz utilizando este método. El principio del método del espejo giratorio fue propuesto por Huygens y Arago ya en 1834-1838. Reemplaza principalmente los engranajes con espejos que giran a alta velocidad y a una velocidad uniforme. Debido a que la fuente de luz es más fuerte, el efecto de enfoque es mejor. Por lo tanto, puede medir intervalos de tiempo muy cortos con mucha precisión. 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 incide en el espejo plano M2 que gira alrededor del eje O, que es perpendicular al eje O en la figura. La luz se refleja desde M2 y converge hacia el espejo cóncavo M3. El centro de curvatura de M3 está exactamente en el eje O, por lo que la luz se refleja simétricamente por M3 y produce una imagen de la fuente de luz en el punto s′. Cuando M2 gira lo suficientemente rápido, la posición de S′ se convertirá en s″, y la posición visible relativa a M2 es la distancia Δs que se mueve cuando no está girando. Se puede deducir el valor de la velocidad de la luz:
En la fórmula, w es la velocidad angular de rotación de M2. l0 es la distancia de M2 a M3, l es la distancia de la lente L a la fuente de luz S y △s es la distancia s del movimiento de la imagen. Por lo tanto, la velocidad de la luz se puede obtener midiendo directamente w, l, l0 y Δs.
En el experimento de Foucault: L=4 metros, L0=20 metros, △s=0.0007 metros, W=800×2π rad/segundo, obtuvo la velocidad de la luz valor c=298000±500km/ Segundo .
Además, Foucault también utilizó los principios básicos de este experimento para medir por primera vez la velocidad de la luz v en un medio (agua).