Вимірювання швидкості світла.

Клас 11

Тема: Вимірювання швидкості світла

Мета уроку: Формувати знання учнів про історичний розвиток розв'язання проблеми вимірювання швидкості світла; розглянути дослідні установки, ускладнення, перепони на шляху дослідників. Розвивати логічне мислення і науковий світогляд; виховувати навики дослідницької роботи, старанність, охайність, самостійність, ораторські здібності, навички роботи в групі.

Тип: Засвоєння нових знань.

Форма проведення: Урок-проект.

Обладнання і посібники: роздаткові картки з теоретичним матеріалом, схеми дослідів, ватман, кольорові олівці, кольоровий папір, клей, маркери заготовка шкали, опитувальник, стікери.

Хід уроку.

1. Організаційна частина.

2. Активізація пізнавальної діяльності учнів. Пропонуємо учням назвати слова асоціації до словосполучення «швидкість світла».

3. Мотивація навчальної діяльності

Світло... Яким важливим є воно для нас, адже без нього не можливе життя. Але як писав один публіцист: «Ми цінуємо тільки те, або навіть помічаємо його, недостатність в чому починаємо відчувати.» І це дійсно так, бо для нас світло не є чимось надзвичайним, а скоріше буденним. Коли ми натискаємо вимикач, то вся кімната відразу ж опромінюється світлом. Здається, що йому зовсім не потрібно часу, щоб досягнути стін, стелі, підлоги, заповнити всю кімнату. Світло від Сонця й інших далеких зірок, долаючи грандіозні відстані, потрапляє на Землю. Але скільки часу йому для цього потрібно? Щоб дати відповіді на ці питання, слід знати швидкість світла... Та й сам цей термін породжує багато питань. Швидкість світла. Що можна сказати про неї? Адже ми говоримо про швидкість човнів, машин. Дуже багато вчених намагалося виміряти швидкість світла, довести її скінченність. А тому сьогодні ми зберемо в одне ціле їх досвід. Відкриваємо конференцію, присвячену проблемі вимірювання швидкості світла.

4. Організаційний момент.

Об’єднання в групи, розподіл завдань та обов’язків, визначення назви групи, розподіл обов’язків.

5. Вивчення нового матеріалу.

Самостійна робота учнів у групах.

Запропонований матеріал:

І група:

 Вимірювання швидкості світла методом Галілео Галілея

Ідея вимірювання швидкості світла належить Галілео Галілею. Галілео Галілей (Galileo Galilei; 15 лютого 1564  8 січня 1642)  видатний італійський мислитель епохи Відродження, засновник класичної механіки, фізик, астроном, математик, один із засновників сучасного експериментально-теоретичного природознавства, поет і літературний критик. Був професором Пізанського університету. Метод Галілео Галілея  це так званий прямий метод вимірювання швидкості світла. Полягає він у тому, що два спостерігачі, які мають у своєму розпорядженні ліхтарі, розташовуються спочатку на великій відстані один від одного. Перший спостерігач, увімкнувши свій ліхтар, стежить за ліхтарем другого спостерігача, побачивши світло ліхтаря другого спостерігача, вмикає свій ліхтар, світло ліхтаря другого спостерігача реєструється першим. При малій відстані перший спостерігач бачить світло ліхтаря другого практично в той момент, коли він вмикає свій ліхтар (запізнення визначається лише швидкістю реакції другого спостерігача). Потім дослід повторюється при більших відстанях між спостерігачами, але в межах прямого бачення. Вимірювався час, і швидкість світла визначалася за формулою Дослід можна значно вдосконалити і спростити, якщо замість другого спостерігача помістити дзеркало. Спостерігач, що вмикав ліхтар, відмітить також і мить, коли світловий сигнал, відбившись від дзеркала, повернеться до нього, тобто пройде шлях 2 С. Таким чином була б можливість визначити швидкість світла, використовуючи лише один годинник.

Природно, що реєстрація моменту виходу й надходження сигналу робиться з деякими помилками. Швидкість же світла виявилась настільки великою, що час проходження світлом порівняно невеликих відстаней, на які можна було віддалити пункти А і В, був значно менше вказаних помилок. Отже, принципово правильний дослід не дав бажаних результатів, а тому с = ∞.

ІІ група:

Астрономічний метод вимірювання швидкості світла

Уперше швидкість світла вдалося виміряти датському вченому в 1676 р. Оле (Олаф) Крістенсен Ремер народився 25 вересня 1644 р. в Орхусі. Ремер  астроном, і його успіх пояснюється саме тим, що відстані, які він брав для вимірювання швидкості світла, були дуже великі. Це відстані між планетами сонячної системи.

Ремер спостерігав затемнення супутників Юпітера  найбільшої  планети сонячної системи. На відміну від Землі, Юпітер має аж чотирнадцять супутників. Іо найближчий до планети з чотирьох найбільших галілєєвих супутників. Має особливо бурхливу вулканічну активність. Іо був відкритий Галілео Галілеєм в 1610 з допомогою його першого в історії телескопу. Ремер спостерігав як він проходив перед планетою, а потім заходив у її тінь і зникав з поля зору. Потім Іо знову з'являвся, ніби раптом спалахнула лампа, інтервал часу між двома спалахами дорівнював 42 год. 23 хв. Отже, цей «місяць»  ніби величезний небесний годинник, що через однакові інтервали часу посилає на Землю свої сигнали.

Перші вимірювання було проведено тоді, коли Земля у своєму русі навколо Сонця підійшла до Юпітера найближче. Такі ж вимірювання, зроблені через кілька місяців, коли Земля віддалилась від Юпітера, несподівано показали, що супутник спізнився з виходом із тіні на цілих 22 хвилини порівняно з моментом часу, який можна було розрахувати, знаючи період обертання І0.

Ремер пояснював це так: «Якби я міг залишитися на протилежному боці земної орбіти, то щоразу бачив би, як І0 виходить з тіні в призначений час; спостерігач звідти побачив би І0 на 22 хв. раніше. Запізнення в цьому разі стається тому, що світло витрачає 22 хв. на те, щоб пройти від місця мого першого спостереження до мого теперішнього місця».

Знаючи час запізнення Іо і відстань, що спричинила це запізнення, можна визначити швидкість світла, поділивши цю відстань на час запізнення. Знайдена швидкість виявилась дуже великою, приблизно 300 000 км/с. Ось чому так важко помітити час поширення світла між двома віддаленими точками на Землі. Адже за секунду світло проходить відстань більшу від земного екватора в 7,5 рази. Відстань, що викликала запізнення появи І0 наближено дорівнює діаметру земної орбіти й точці, Д  діаметр орбіти, с= 215000 км/с.

Через неточності вимірювання сучасні вимірювання цим методом дають с = 298000 км/с.

ІІІ група:

Визначення швидкості світла методом Бредлея.

З великим ступенем точності швидкість світла була вперше виміряна англійським астрономом Д. Бредлеєм у 1727 р.

Джеймс Брадлей народився в березні в Шерборні (графство Глостершир). Був членом Лондонського королівського товариства (з 1718),  професор  Оксфордського університету (з 1721), директор Грінвічської обсерваторії (з 1742).

Спостерігаючи за зірками, він виявив, що всі зірки на небі за рік описують невеликі еліпси. Розмір великої півосі еліпсів усіх зірок становить а = 20,45  кутовий розмір. Ці еліпси не можна пояснити паралаксом, тобто видимим (позірним) зміщенням об'єкта, що розглядається, яке зумовлене зміною точки спостереження. Для зірок, що знаходяться на різній відстані від Землі еліпси різні.

Причина видимого зміщення зірок, як встановив Бредлей, у скінченності швидкості світла.

Земля рухається зі швидкістю 29,8 км/с разом із телескопом. За час проходження світла через тубус, Земля зміщується, і  виявляється, що зірка знаходитиметься в іншому місці, під кутом α від істинного напрямку на неї. Для того, щоб світло потрапляло в центр окуляра, нахиляємо телескоп під кутом α.

Якщо спостерігати протягом року, то зірка, що знаходиться в напрямку, перпендикулярному до екліптики, опише за рік коло, а зірка в іншому напрямку опише еліпс, а в площині земної орбіти - відрізок - виродження еліпса.

Щоб його встановити, потрібні дуже точні прилади. Знаючи α можна визначити с

ІV група:

 Визначення швидкості світла методом Фізо

Фізо Арман Іпполіт Луї народився в Парижі 23 вересня 1819 р. Був членом паризької Академії Наук (1800 p.), більшість дослідів здійснив за власні кошти. У 18441847 рр. разом з Леоном Фуко виявив фраунгоферівські лінії в інфрачервоній області спектра. 1849 р. першим виміряв швидкість світла лабораторним методом.

У досліді Фізо світло від джерела після фокусування лінзою потрапляло на напівпрозору пластинку. Відбившись від пластинки, сфокусований вузький пучок напрямлявся на периферію зубчатого колеса, яке швидко оберталося. Коли світло проходило між зубцями, воно потрапляло на дзеркало, яке було за кілька кілометрів від колеса. Відбившись від дзеркала, світло, перед тим як потрапить до ока спостерігача, мало пройти знову між зубцями. Поки колесо оберталося повільно, то світло, відбите від дзеркала, було видно. Із збільшенням швидкості обертання світло поступово зникало. Як це пояснити? За той час, що світло, пройшовши між двома зубцями, ішло до дзеркала й назад, колесо встигало повернутися так, що на місце прорізу ставав зубець, і тому світла не було видно.

Якщо швидкість обертання колеса й далі збільшувалась, то знову можна було спостерігати світло. Очевидно, що за час проходження світла до джерела і назад, колесо встигло повернутися настільки, що на місце попереднього прорізу потрапив наступний зубець. Знаючи цей час і відстань між колесом та дзеркалом, можна визначити швидкість світла. У досліді Фізо відстань дорівнювала 8,6 км, і для швидкості світла було отримане значення  с=313000 км/с.

V група:

Визначення швидкості світла за методом обертання дзеркал

Жан Бернар Леон Фуко народився 18 вересня 1819 р. в Парижі. Був французьким фізиком і астроном, членом французької академії наук (з 1865 р.), член-кореспондентом Петербурзької академії наук (з 1860 р.). Отже, в 1862 р. вчений застосував дуже тонкий прийом визначення часу проходження світла між двома пунктами А і В, завдяки чому вдалося надійно виміряти швидкість світла, не використовуючи занадто великі відстані між А і В.

Світловий сигнал, що вийшов у напрямку А, відбивався дзеркалом А, яке обертається (вісь обертання проходить через центр увігнутого дзеркала перпендикулярно до площини падіння променя SA) до іншого нерухомого дзеркала В – увігнуте дзеркало. Це останнє виготовлено сферичним, так що центр сфери співпадав з дзеркалом А. АВ = R, між А і В можна розташувати трубку, заповнену водою. Завдяки такому обладнанню світло при будь-якому розташуванні дзеркала А розповсюджувалося б уздовж радіуса дзеркала В, падало перпендикулярно на його поверхню й після відбивання йшло знову по радіусу дзеркала В, тобто поверталося до дзеркала А. Але за час t, протягом якого світло проходило шлях від А до В і назад (тобто шлях рівний 2R), дзеркало А встигало повернутися на невеликий кут α, і світло відбивалося за напрямком AS', що складає кут 2α з SА. Вимірявши кут 2α і знаючи кутову швидкість обертання дзеркала, можна визначити час t, а отже й швидкість світла В одному з  дослідів відстань АВ дорівнювала 4 м, дзеркало здійснювало N = 800 об/с, кут повороту дзеркала а= 27,3", отже для цих даних с = 296000 км/с.

Середнє значення швидкості світла, отримане Фуко, дорівнювало 298000 км/с.

VІ група:

Лабораторний метод вимірювання швидкості світла
Альберта Майкельсона.

Альберт Абрахам Майкельсон народився 19 грудня 1852 р. у Стрельно, Пруссія. Американський фізик, відомий винайденням названого його ім’ям інтерферометра Майкельсона та вимірюванням швидкості світла. Лауреат Нобелевської премії з фізики в 1907 р.

Отже, найточніше швидкість світла виміряв А. Майкельсон у 18781887 pp. за такою схемою.

Від джерела S вузький пучок світла направляється на одну з граней восьмикутної призми П. Відображений від тієї грані промінь направляється на систему дзеркал Д₁ Д₂, які повертають промінь на грань призми П. Після відображення від призми і дзеркала Д3 промінь попадає в трубу Т, через яку спостерігають відображення світла. Призма П і дзеркала Д₁ і Д₂ розташовані на вершинах двох гір, віддалених на 35,4 км одна від одної. Призма приводилась в обертання й відображення S в трубі зникало. Кутову швидкість обертання призми збільшували плавно до моменту, коли можна знову спостерігати в трубі відображення джерела світла. Це можливо лише в тому випадку, коли час проходження світла від призми до дзеркал Д₁ і Д₂ і назад до призми дорівнює часу 1/8 оберту восьмигранної призми. При інших значеннях кутової швидкості призми промінь не попадає в трубу, спостерігач не може побачити відображення. Швидкість світла в такому випадку визначається як відношення пройденого світлом шляху до І/8 періоду обертання призми. За допомогою цієї установки Майкельсон отримав значення швидкості світла

С = 299725,5 ± 3,4 км/с.

У сучасних лабораторних методах вимірювання швидкості світла зберігає принцип класичного методу Майкельсона, але переривають світло не механічним обертанням призми, а більш точнішими електрооптичними методами. Приймачем світла виступає не око, а фотоапарат. Отже, швидкість розповсюдження світла - одна із основних констант. Визначення швидкості світла - одна з проблем оптики та й взагалі усієї фізики.

VІІ група:

Інші методи визначення швидкості світла

Останнім часом замість механічних затворів застосовують електричну комірку Керра, робота якої надійніша і тому значно підвищила точність вимірювання швидкості світла. Застосування радіолокаційних методів, мікрохвильових резонаторів дало змогу значно точніше виміряти швидкість світла. 1972 р. американські фізики визначили швидкість світла прямим методом вимірювання.

Швидкість, визначена цим методом під керівництвом Івенсона, дорівнює

С = 299792450,2+ 1,2 м/с.

Джерелом світла взято гелій-неоновий лазер, який генерує випромінювання довжини хвилі 3,39 мкм. Довжина хвилі вимірюється інтерферометричним порівнянням з еталоном довжини, тобто з швидкістю хвилі у вакуумі оранжевою лінією ізотопу криптону-86.

Швидкість лазерного випромінювання вимірюється порівнянням її з атомним стандартом частоти, тобто частотою переходу між двома надтонкими квантовими рівнями атома цезію-133 у нульовому магнітному полі.

Вимірювання за допомогою лазерної техніки дало змогу консультативному комітету рекомендувати величину швидкості світла у вакуумі

С = (299792458 ±1,2) м/с.

Удосконалення техніки експерименту дало можливість підвищити точність вимірювання швидкості світла. Ряд експериментальних досліджень дає підставу твердити, що швидкість світлових хвиль у вакуумі для частини спектра від декількох сотень нанометрів до міліметрів не залежить від довжини хвиль

Виявляється, що швидкість світла володіє чудовою властивістю  вона не залежить від швидкості джерела. Такий висновок був зроблений із дослідів А. Майкельсона.

Що ж саме значить незалежність швидкості від руху джерела? Припустимо, що на кораблі, який стоїть на якорі, у ціль стріляє носова гармата, при цьому швидкість заряду дорівнює Vc. Потім корабель перемістився до цілі з швидкістю Vc + Vk. Випущений у цей час снаряд із кормової гармати буде рухатися зі швидкістю Vc  Vk. Іншими словами, при пострілі в напрямку ходу, швидкість корабля додається до швидкості снаряду, а при пострілі у протилежному напрямку  віднімається. А світло прожекторів, які встановлені на щоглах, дійде від корабля рівновіддалених пунктів А і В одночасно, з якою б швидкістю не йшов корабель.

6. Захист проектів.

Виступ учнів по запропонованій темі, запитання інших груп, тощо. Члени робочої групи прикріпляють необхідні схеми й опорний конспект. Після завершення виступу матеріали, підготовлені групою залишаються на дошці. Таким чином, по закінченню виступів всіх груп на дошці спостерігається галерея накопичених за урок знань.

7. Закріплення вивченого матеріалу проходить у вигляді запитань і відповідей між групами.

8. Підсумок (обговорення та виставлення оцінок).

Визначення швидкості світла відіграло в науці важливу роль. Воно в значній мірі сприяло з'ясуванню природи світла. Особливе значення швидкість світла у вакуумі має тому, що жодне тіло у світі не може рухатись із більшою швидкістю. Слід також відмітити, що в 1983 р. на засіданні Генеральної конференції по мірам і вагам було прийнято нове визначення метра: «Метр є довжина шляху, пройденого світлом в вакуумі на протязі часового інтервалу, рівного 1 / 299792458 с». Колосальна, з точки зору наших земних масштабів, швидкість світла не така вже й велика в масштабах зоряного всесвіту. Тут час розповсюдження світла визначається значними числами. Так відстань від Землі до Сонця світло долає за 8 хв., а від найближчої до нас зірки йде 4 роки. На основі значення швидкості світла було введено ще одне значення відстані. А саме відстань, яку світло проходить за 1 рік. Вона дорівнює 10¹³ км і була названа світловим роком. А тепер кожен з вас нехай, залежно від того на скільки сподобалась вам наша робота, розмістить свою  зірку знань (стікер) на зоряному небі пізнання.

9. Домашнє завдання. Опрацювати §___.

Додаток

Приклади учнівських проектів

Клас 11

Тема: Вимірювання швидкості світла

Зрозуміло, що найбільше зацікавлення викликає людина, що вперше сформулювала й намагалася розв'язати задачу по вимірюванню швидкості світла. Цією людиною став відомий учений, професор Пізанського університету Галілео Галілей.

Проект І групи

Отже, малі відстані й погані засоби вимірювання часу не дали бажаного результату. Та чи слід опускати руки при першій невдачі. Іноді сама природа дає відповіді на поставлене питання. А відстані, ну то зрозуміло, що їх треба збільшувати до грандіозних, ні, навіть до астрономічних масштабів. А ось і потрібне слово «астрономічних». Тому й не дивно, що вперше швидкість світла була виміряна астрономами. А й справді, іноді сама природа дає відповіді на поставлені питання, слід тільки побачити і не пропустити її.

Вперше швидкість світла, завдяки астрономічним спостереженням, виміряв Олаф Ремер  датський астроном.

Проект ІІ групи

 Здавалося б, що в цій галузі все сказано. Але англійський учений астроном О. Бредлей з честю спростував це твердження.

Проект ІІІ групи

Але настав час спуститися з небес на землю, тобто спробувати перенести дослідну установку з космічного простору в лабораторію. І знову світ науки чекав, кому першому вдасться це зробити. Першим став французький фізик Арман Фізо.

Проект ІV групи

Важко бути першим, але не легше бути наступним, бо важливо не повторити попередника. Свій метод вимірювання швидкості світла запропонував французький вчений Леон Фуко.

Проект V групи

Увівши ряд винахідливих удосконалень у метод обертального дзеркала, американський фізик Альберт Майкельсон підвищив точність вимірювання швидкості світла.

Проект VІ групи

Ми ознайомились з усіма найвідомішими методами визначення швидкості світла, які були запропоновані вченими в різні сторіччя. Але цікаво, що може сказати з цього питання сучасна наука. Чи вдалося сучасним вченим сказати щось принципово нове?

Проект VIІ групи

Говорячи про швидкість світла, слід відмітити ще одну дуже незвичайну і, на перший погляд, незрозумілу її властивість.

Для нотатОк