Скорость света для егэ

в условии
в решении
в тексте к заданию
в атрибутах

Категория:

Атрибут:

Всего: 228    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

Добавить в вариант

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

Всего: 228    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

Скорость света: чему она равна и как ее измерять

Скорость света — это величина, характеризующая быстроту перемещения света.

До второй половины XVII века скорость света считалась бесконечной, пока ее не измерил датский астроном Олаф Рёмер. Он наблюдал затмения спутника Юпитера Ио и заметил, что они не совпадают по времени с расчетными, а зависит это несовпадение от расстояния между событием и наблюдателем. Принимая во внимание положение Земли на своей орбите относительно Юпитера, Рёмер подсчитал, что скорость света равна 220 000 км/с.

В начале XIX века французский ученый Физо разработал для измерения скорости света так называемый метод прерываний. Физик направил луч света на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8,6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов Физо получил результат — 313 000 км/с.

Изобретение лазера в XX веке позволило дойти до предела точности и зафиксировать скорость света на отметке 299 792 458 м/с с погрешностью 1,2 м/c. Дальнейшее уточнение стало невозможным из-за отсутствия точного определения метра. В то время за эталон брали металлическую палку, хранящуюся в палате мер и весов.

В восьмидесятых годах прошлого века Генеральная конференция по мерам и весам (да, такая действительно существует) приняла за метр расстояние, которое преодолевает свет за 1/299 792 458 секунды. Соответственно, скорость света стала официально равной 299 792 458 метров в секунду. Для удобства ее значение принято округлять до 300 000 км/с.

Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Неудавшийся опыт Галилея

Чтобы измерить скорость света, в 1600 году Галилей и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари и оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно открывая и закрывая огонь, они пытались рассчитать скорость света. Галилей и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать огонь. Когда один из них открывал заслонку, то же должен был сделать и другой.

Однако эксперимент был провальным, и неудивительно: чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.

Скорость света в различных средах

Свет распространяется в разных средах по-разному. В вакууме и в воздухе скорость света почти не различается, а вот в других средах она меньше. Это зависит от оптической плотности среды — чем она больше, тем меньше скорость распространения света.

Основной характеристикой в данном случае служит показатель преломления среды. Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости распространения света в среде.

Ниже представлена таблица скоростей света в разных средах и показателей преломления в них.

Параметры, связанные со скоростью света

Самые важные параметры — это длина волны и период.

Задачка для практики

Определите цвет освещения, проходящий расстояние в 1000 раз больше его длины волны за 2 пикосекунды.

Решение

Для начала переведем 2 пикосекунды в секунды — это 2 * 10^-12 с.

Теперь возьмем формулу скорости: v = S/t

По условию S = 1000λ, то есть v = 1000λ/t.

Выражаем длину волны:

λ = vt/1000

Подставляем значения скорости света и известного нам времени:

λ = (3 * 10⁸ * 2 * 10^-12)/1000 = 600

И соотносим со шкалой видимого света:

На шкале видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.

Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.

Скорость выше, чем скорость света

Здесь мы подходим к самому интересному. По сути, преодолеть скорость света — это то же самое, что изобрести машину времени. Ведь мы не можем увидеть свет от зажженного на улице фонаря раньше, чем он зажегся. Казалось бы, вопрос закрыт, машина времени невозможна и вообще все мечты детства разрушены. Но на самом деле это не совсем так.

Физически машину времени ничто не запрещает. То есть с точки зрения физики она вполне возможна, у нас есть только технические ограничения.

Согласно общей теории относительности, чем быстрее мы разгоняем частицу, у которой есть некая масса, тем больше энергии нам требуется. По мере приближения к скорости света эта энергия будет стремиться к бесконечности. Но это не означает, что свет на порядки быстрее всего во Вселенной. Например, ученые ЦЕРНа разогнали протоны в Большом адронном коллайдере до скорости 299 792 455 м/c, что всего на 3 м/с уступает невесомым фотонам света.

Описанные выше ограничения, которые накладывает на скорости во Вселенной современная физика, не касаются частиц, которые не имеют массы, не взаимодействуют с обычными частицами и могут перемещаться быстрее скорости света. Такие частицы принято называть тахионами и на данный момент их существование является лишь предположением (сложно придумать эффективный инструмент для их обнаружения, ведь они ни с чем не взаимодействуют).

В специальной теории относительности есть даже такое понятие, как релятивистское замедление времени. Его смысл заключается в том, что в движущемся теле все физические процессы проходят медленнее.

Классическим примером этого явления является сценарий близнецов. Представим, что один близнец летит на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, а другой остается на Земле. Когда близнец-космонавт вернется на Землю постаревшим всего на год или на два, он обнаружит, что его брат стал старше на несколько десятилетий.

В реальной жизни эксперимент с близнецами никто не проводил, но проводили аналогичный — с часами. Ученые запустили атомные часы на орбиту и оставили идентичные часы на Земле. Когда часы вернулись, они шли с некоторым отставанием от своего земного близнеца.

Еще один популярный пример сверхсветовой скорости — это явления квантовой механики. В тот самый момент, когда вы надели на правую ногу один носок, второй моментально и автоматически стал левым, несмотря на расстояние между ними.

Или эксперимент с котом Шрёдингера, про который вы наверняка что-то слышали.

Лирическое отступление про кота Шрёдингера

Физик, которому не очень нравятся кошки, помещает кота в коробку вместе с бомбой, которая взрывается с вероятностью 50% после того, как закрыли крышку. До того, как мы откроем коробку, нет способа узнать, взорвалась ли бомба. Поэтому мы не знаем, жив кот или мертв.

Оперируя понятиями квантовой физики, мы можем сказать, что до нашего наблюдения кот находился в состоянии суперпозиции — состоянии, сочетающем в себе обе возможности с шансом 50% для каждой.

Нечто подобное случается с физическими системами квантовых размеров, вроде электрона, вращающегося вокруг атома водорода. Электрон не совсем вращается — он как бы находится во всем пространстве одновременно, а в некоторых местах с большей вероятностью. Только после того, как мы определили его местоположение, мы можем точно указать, где он находится в этот момент. Так же, как мы не знали, был кот жив или мертв до того, как мы открыли коробку.

Это подводит нас к странному и красивому феномену квантовой запутанности. Представим себе, что вместо одного кота в одной коробке у нас было бы два кота в двух разных коробках. Если мы повторим эксперимент с котом Шрёдингера с парой этих котов, в результате эксперимента могут быть четыре возможности:

• оба кота будут живы,
• оба мертвы,
• первый будет жив, второй мертв,
• первый мертв, второй жив.

Ситуации, когда оба кота мертвы или оба кота живы, не соответствуют состоянию суперпозиции. Другими словами, возможна такая система из двух котов, в которой в итоге всегда один из котов будет мертв, а другой жив. Пользуясь техническими терминами, можно сказать, что состояния этих двух котов запутаны.

Назревает вопрос: что произойдет, если этих котов поместить в разных уголках Вселенной. Не поверите, но то же самое! Один из котов в любом случае будет жив, а другой — мертв, хотя какой конкретно кот будет жив, а какой мертв, совершенно непредсказуемо.

Квантовая запутанность была подтверждена в настоящих лабораторных экспериментах. Две субатомные частицы запутаны в состоянии суперпозиции так, что если одна вращается в одну сторону, то другая — в противоположную.

Запутанность находится в центре квантовой информатики — развивающейся области науки, которая ищет применение законам странного квантового мира. Так, квантовая криптография позволяет шпионам надежно посылать друг другу информацию, а квантовое программирование — взламывать секретные коды.

Каждодневная физика со временем может стать более похожей на странный мир квантовой механики. Квантовая телепортация сможет достигнуть такого прогресса, что однажды ваш кот сможет сбежать в более безопасную вселенную, где нет физиков и коробок.

В общем, сверхсветовая скорость существует, хоть у нее и очень слабая доказательная база. Если ученые добьются того, чтобы скорости выше скорости света стали нашей реальностью, то и до машины времени недалеко.

Определение

Оптика — раздел физики, изучающий явления и свойства света.

Прежде чем приступить к изучению явлений и законов оптики, следует разобраться в природе света. Выясним, что он собой представляет, какими свойствами обладает, и какую роль скорость света играет в специальной теории относительности Эйнштейна.

Корпускулярная и волновая теории света

Действие одного тела на другое может передаваться переносом вещества или изменением среды без переноса вещества. К примеру, заставить колокольчик звенеть можно, если попасть в него камнем. Это пример воздействия переноса вещества (рис. а). Если же к язычку колокольчика привязать шнур (рис. б), взять его конец и начать дергать, то переноса вещества происходить не будет. Но колокольчик зазвенит, поскольку среда (шнурок) между рукой и колокольчиком будет изменяться (колебаться).

В соответствии с двумя способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали параллельно развиваться две теории о том, что такое свет, и какова его природа:

• корпускулярная — эту теорию выдвигал Ньютон;
• волновая — эту теорию выдвигал Гюйгенс.

Согласно корпускулярной теории, свет — это поток частиц (корпускул), идущих от источника во все стороны (происходит перенос вещества). Согласно волновой теории, свет — это волна (происходит изменение среды).

Обе теории оказались несостоятельными. Так, корпускулярная теория не объясняла, почему пересекающиеся пучки света в пространстве никак не взаимодействуют друг с другом. Ведь если бы это были частицы, то они бы сталкивались и рассеивались. Однако волновая теория это легко объясняла на примере волн на поверхности воды, которые свободного проходят друг через друга, не оказывая взаимного влияния. Но она не могла объяснить прямолинейное распространение света. Хотя в корпускулярной теории оно легко объясняется действием закона инерции.

Вскоре Максвеллу удалось доказать, что свет представляет собой электромагнитную волну. Но в начале XX века выяснилось, что в одних случаях свет ведет себя как волна, в других — как частица. Так, явление интерференции и дифракции света легко объясняется, если принять свет за волну. Но явления излучения и поглощения света могут быть объяснены только в том случае, если считать свет потоком частиц.

В связи с двойственной природой света в физике начали развиваться два направления: геометрическая и волновая оптика.

Определения

Геометрическая оптика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах, отражения света от зеркально-отражающих поверхностей и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.

Волновая оптика — это отдел физической оптики, в котором изучают интерференцию, дифракцию, поляризацию и другие явления, для понимания которых необходимо и достаточно представление о волновой природе света.

Пример №1. Учитывая, что свет распространяется прямолинейно, вычислить площадь тени, которую отбрасывает квадратное препятствие со стороной квадрата 1 м. Плоскость квадратного препятствия перпендикулярна направлению распространения света от точечного источника. Учесть, что расстояние от источника света до препятствия равно 6 м, а расстояние от препятствия до плоской параллельной ему поверхности, в которой образовалась тень — 4 м. Источник света равноудален от углов квадратного препятствия.

Построим рисунок:

Согласно условию задачи, OA = OC, тогда AB = CD. Так как свет распространяется прямолинейно, тень примет вид квадрата со стороной BD. Следовательно, нам нужно найти его площадь, равную квадрату его стороны.

Треугольники OAC и OBD подобны по двум сторонам и углу между ними, следовательно AC подобна BD. OA относится к OB следующим образом:

OAOB=66+4=610

Следовательно:

ACBD=610

1BD=610

BD=106≈1,67

Тогда площадь тени равна:

S=BD2=(1,67)2≈2,79 (кв.м)

Скорость распространения света

Когда мы включаем свет, комната озаряется светом моментально. Поэтому кажется, что свету нисколько не нужно времени, чтобы достигнуть стен. Но это не так, просто свет распространяется с такой большой скоростью, что это непросто заметить в обычных условиях.

Впервые конечность скорости света удалось установить О. Рёмеру (датскому ученому) в 1676 г. Он наблюдал за затмением Ио — спутника Юпитера. Он видел, как ИО проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками был равен 42 ч 28 мин. Поэтому спутник представлял для астронома космические часы, которые посылали сигналы на Землю через равные промежутки времени.

Сначала Рёмер делал измерения, когда Земля при своем движении вокруг Солнца подошла к Юпитеру максимально близко. Затем он повторил их в момент, когда Земля максимально удалилась от Юпитера. Измерения показали, что во втором случае спутник появился на 22 минуты позже по сравнению с первым результатом. Ученый объяснил это явление так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время; наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 минуты раньше. Запаздывание в этом случае происходит оттого, что свет употребляет 22 мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения».

Зная опаздывание появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние на время опаздывания. Из-за неточности измерений и неточного знания радиуса земной орбиты Рёмер получил скорость света, равную 215 000 км/с. Если провести расчеты с более точными данными, результат получается максимально приближенным к реальному значению скорости света — около 300 000 км/с.

Позже измерения скорости света повторили другие ученые. В 1849 году И. Физо (французский ученый) сделал расчеты, в результате которых он получил значение 313 000 км/с. В 1856 году была измерена скорость света в воде, которая оказалась в 4/3 раз меньше по сравнению со скоростью света в космосе (вакууме). Так же было установлено, что скорость света в средах всегда меньше скорости света в вакууме.

По современным данным принято считать, что скорость света равна 299 792 458 м/с с точностью ±1,2 м/с. Обозначают эту величину как c. Единица измерения в СИ — м/с.

Внимание!

При выполнении расчетных задач скорость света принято принимать за величину c = 3∙10⁸ м/с.

Элементы теории относительности и инвариантность скорости света

Определения

Теория относительности – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физических процессов.

Событие — физическое явление, которое происходит в определённый момент времени в данной точке пространства.

В теории относительности часто будет использовано понятие «событие». События могут происходить в одно и тоже время. Тогда их называют одновременными. Если координаты событий совпадают, то события называют одноместными. При этом учитываем, что реальные тела имеют размеры, и события разворачиваются во времени.

Рассмотрим случай, продемонстрированный на рисунке. В центре вагона поезда (в точке О) загорается лампочка (первое событие). Свет от лампочки достигает точки А на одном конце вагона и точки В — на противоположном (второе и третье события).

Одновременно ли достигнет свет две противолежащие точки А и В? Ведь вагон движется со скоростью в одном направлении, и одна стенка приближается к летящему свету, а другая отдаляется. Классический закон сложения скоростей не работает в описании распространения электромагнитного излучения от источника света. Чтобы ответить на эти вопросы, важно знать, меняются ли основные законы электродинамики при переходе одной инерциальной системы отсчёта к другой, или же подобно принципам относительности Галилея и законам Ньютона, они остаются неизменными.

Определения

Согласно принципу относительности Галилея законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. А именно, математическая форма второго и третьего законов Ньютона не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Но в

Инерциальные системы отсчёта (ИСО) — это системы отсчёта, в которых выполняется первый закон Ньютона – закон инерции.

В соответствии с принципом относительности Галилея, если источник света находится в покоящейся ИСО K, то скорость его распространения в равномерно удаляющейся от нее ИСО K´ будет равна:

c´=c−v

Если же она равномерно приближается, то согласно закону сложения скоростей, вытекающего из этого принципа, скорость света во второй системе будет равна:

c´=c+v

Так, если бы человек с включенным фонариком в руке побежал в сторону распространения света, то относительно Земли скорость света, излучающегося фонариком, была бы равна сумме скорости света в вакууме и скорости бега человека. Однако этот закон сложения скоростей не выполнялся на практике.

Решить сложившееся противоречие смог Альберт Энштейн — основатель теории относительности, которую также называют специальной. В основу теории легли два постулата.

Определение

Постулат – основное положение, которое не может быть логически доказано, а является результатом обобщения всех опытов. В физической теории выполняет ту же роль, что и аксиома в математике.

Постулаты теории относительности

Постулат №1

Все физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. Это значит, что во всех ИСО физические законы имеют одинаковую форму. Так, принцип относительности классической механики распространяется на все процессы в природе, в том числе и на электромагнитные явления.

Постулат №2

Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта. Она не зависит ни от скорости источника света, ни от скорости светового приёмника сигнала.

Скорость света занимает особое положение в этой теории, так как распространение света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе. В этом заключает инвариантность, или неизменность скорости света.

Казалось бы, первый и второй постулаты противоречат друг другу. Но независимость скорости света от его источника была доказано экспериментально. А.М. Бонч-Бруевич и В.А. Молчанов в 1955 году проводили опыты, измеряя скорости света от правого и левого краёв Солнца (один из которых из-за осевого вращения Солнца приближается к нам со скоростью 2,3 км/с, а другой с такой же скоростью удаляется). Учёные, проведя расчёты, пришли к выводу, что скорости распространения света с обоих концов одинаковы.

Следствия из постулатов теории относительности Эйнштейна

После выдвижения Эйнштейном специальной теории относительности (СТО) в механике образовалось два раздела: классическая механики и релятивистская. Причем классическая механика (механика Ньютона) является частным случаем более общей механики, описывающей процессы в разных инерциальных системах отсчёта.

Определения

Классическая (ньютоновсая) механика — раздел физики, рассматривающий законы механики (законы движения тел и частиц) при скоростях, значительно меньших скорости света.

Релятивистская механика — раздел физики, рассматривающий законы механики (законы движения тел и частиц) при скоростях, сравнимых со скоростью света.

Сравним основные законы классической механики с законами релятивистской механики, которые вытекают из постулатов теории относительности.

Физические идеи, понятия, законы	Классическая механика	Релятивистская механика (следствия постулатов теории относительности)
Принцип относительности	Во всех инерциальных системах отсчета механические явления протекают одинаково (при одинаковых начальных условиях).
Закон сложения скоростей	→v=→v0+→v´	→v=→v0+→v´1+v0v´c2
Длина	Абсолютная величина: l=l0	Относительная величина: l=l0√1−v2c2
Промежуток времени	Абсолютная величина: τ=τ0	τ=τ0√1−v2c2
Импульс	→p=m→v	→p=m→v√1−v2c2
Второй закон Ньютона	→F=→p´ →F=m→a	→F=→p´ →F≠m→a
Масса	Абсолютная величина: m=m0	Относительная величина: m=m0√1−v2c2 m0 — масса покоящегося тела.
Энергия уединенного тела	E=U+mv22	E=m0c2√1−v2c2 При скорости тела, много меньшей скорости света: E=m0c2+m0v22 Энергия покоящегося тела: E0=m0c2
Кинетическая энергия тела	EК=mv22	EК=E−E0 При скорости тела, много меньшей скорости света: EК=mv22

Пример №2. Две частицы удаляются друг от друга, имея скорость 0,6c каждая, относительно земного наблюдателя. Чему равна относительная скорость частиц?

Для решения задачи, необходимо перейти в ИСО, связанную с одной из частиц. Пусть частицы движутся вдоль одной прямой, в противоположные стороны. Используем закон сложения скоростей СТО:

v´=v0+v1+v0vc2

где v — скорость частицы относительно неподвижной системы отсчета. v´— ее скорость относительно подвижной системы отсчета, связанной с ней, v0 — скорость подвижной системы отсчета относительно неподвижной. c — скорость света.

Тогда:

Алиса Никитина | Просмотров: 2.7k