1.3. Способы определения скорости света

Одним из важных свойств, является скорость распространения света в пустоте и других оптических средах. Огромная величина скорости света по сравнению со скоростью распространения различных движущихся объектов, наблюдаемых человеком в практической жизни, ставило много затруднений и при объяснений многих оптических явлений и при практическом определении скорости света. Чтобы показать, как трудно воспринималась человеком возможность перемещения материи, в данном случае света, с огромными скоростями, можно привести пример определения скорости света, предпринятый итальянским ученым Галилео Галилеем, который вместе со своим сотрудником расположились на двух соседних вершинах гор и сигнализировали друг другу светом фонарей. Один участник этого эксперимента открывал крышку фонаря и одновременно включал часы. Второй участник, получив световой сигнал, также открывал фонарь и посылал свет в направлении первого экспериментатора, который, получив ответный сигнал, останавливал часы. Зная расстояние между вершинами гор и время прохождения светом этого расстояния туда и обратно, можно получить скорость света. Нам, конечно ясно, почему эта попытка определения скорости света не дало желаемых результатов.

Вскоре было понятно, что для того, чтобы измерить скорость распространения света с требуемой точностью, необходимо иметь большие расстояния, которые бы проходил свет, во-первых, и необходимо было отсчитывать время с очень высокой точностью, во вторых.

Ограниченность земное поверхности и, кроме того, ее кривизна не позволили ученым получить необходимые большие расстояния. Поэтому все исследования были направлены на улучшение отсчетных устройств времени, нахождения способов точной регистрации моментов прихода светового сигнала в отсчетное устройство.

Для получения точных отсчетов времени используют модулирование света, при этом используют три основных метода модуляции:

а). Метод зубчатого колеса,

б). Метод вращающегося зеркала,

в). Метод электрического затвора.

Во всех этих методах время распространения определяется из измерения частоты модуляции.

Рассмотрим вкратце три эти варианта модуляции света на примерах.

Метод Физо. На рис.1.3.1 представлена принципиальная схема установки, используемая в методе Физо, где модуляция светового потока производится вращающимся зубчатым колесом. Свет от источника света 1 конденсорной системой направляется на полупрозрачное зеркало 2, отразившись от которого проходит между зубьями вращающегося зубчатого колеса 5. Далее, коллиматорная система 3 направляет пучок лучей на вогнутое зеркало 4, отразившись от которого, свет проходит обратно по тому же пути до полупрозрачного зеркала 2. Наблюдение производится глазом человека через окуляр 6.

Рис.1.3.1.

Если зубчатое колесо неподвижно, то свет пройдет через промежуток между зубцами, вернется обратно через тот же промежуток. Приведя во вращение зубчатое колесо и увеличивая скорость вращения, можно добиться, что за время, пока свет идет от колеса 5 до зеркала 4 и обратно колесо повернется на ширину зуба и место промежутка займет зуб. В этом случае свет не будет попадать в окуляр 6. Еще увеличив скорость вращения колеса можно получить прохождение света обратно через соседний промежуток и т.д.

Физо имел колесо с 720 зубцами и длину двойного пути светового пучка порядка 17 км. Из его опытов скорость света оказалась равной 3.15^.10¹⁰ см/с. Основная ошибка здесь связана с трудностью фиксирования момента затемнения. Дальнейшие усовершенствование этого метода привели к более точным результатам измерения скорости света.

Метод вращающегося зеркала. Этот метод, предложенный Уитстоном, был использован Фуко в 1960 году. Схема установки показана на рис. 1.3.2. От источника излучения 1 свет, пройдя через полупрозрачное зеркало 2 и объектив 3 направляется вращающимся зеркалом 4 на сферическое зеркало 5. Отразившись от зеркала 5, световой поток шел обратно и фокусировался наблюдательной системой в т. A (при неподвижном зеркале 4). При вращающемся зеркале за время прохождения светом дважды пути L , зеркало успевало повернуться на некоторый угол φ и, отраженный от него в обратном ходе световой поток фокусировался в точке B . Измеряя расстояние между A и B , мы получаем угол, на который поворачивается зеркало 4 и, следовательно, зная скорость вращения зеркала, время прохождения светом расстояния 2^.L. При 2^.L = 20 м, найденное значение скорости распространения света оказалось равным 2.98^.10¹⁰ см/с. Расстояние между A и B было равным только 0.7 мм, и основной источник ошибок лежал в неточности измерения этого расстояния.

Рис. 1.3.2

Метод электрического затвора Керра. В этом методе в качестве модулирующего устройства выступает ячейка Керра (ячейка Керра, заполненная полярной жидкостью и помещенная между скрещенными николями, пропускает свет только при наложении электрического поля). Схема установки представлена на рис. 1.3.3. Свет от ртутной лампы 1 проходит через затвор Керра на полупрозрачное зеркало 2, отражается от него вправо и попадает на зеркало 3. После отражения от зеркала 3 свет в обратном ходе лучей попадает на приемник энергии 8.

Часть световой энергии проходит сквозь полупрозрачное зеркало и преодолев путь, определяемыми зеркалами 4, 5, 6, 7 и обратно, также попадает на приемник 8.

Точность этого метода определяется высокой частотой модуляции светового потока, создаваемой ячейкой Керра, находящейся под воздействием высокочастотного электрического поля, и возможностю точного измерения сдвига фаз двух световых потоков, поступающих от зеркала 3 и от зеркала 7.

Рис. 1.3.3

Значение, полученное для скорости света, равно (2.99776+0.00014) ^.10¹⁰см/с.

Современное общепринятое значение скорости света в вакууме С=299792+0.4 км/с.

Для оптических сред с показателем преломления n скорость света определяется выражением:

.