Швидкість світла Все, що вам потрібно знати!
28 червня 2017 р., 8 хвилин читання
Нагадування: світло
Світло - це електромагнітна хвиля, що складається з магнітного поля та електричного поля, що коливаються перпендикулярно один одному площині, перпендикулярній напрямку поширення світлової хвилі. У вакуумі світло рухається по прямій зі швидкістю світла, зазначеною c.
Швидкість світла у вакуумі
Точне значення
Точне значення швидкості світла було зафіксовано в 1983 році Бюро мір і ваг при: c = 299 792 458 м/с або c = 2,99792458 x 10 8 м/с, використовуючи одиниці міжнародної системи.
Це також можна виразити в кілометрах на годину, помноживши значення в м/с на 3,6: c = 1 079 252 848,8 км/год або c = 1,0792528488 x 10 9 км/год .
Це значення, яке представляє фундаментальну константу у фізиці, може бути використано для розрахунків, що вимагають високої точності. Він також використовується для визначення лічильника в міжнародній системі одиниць вимірювання: один метр відповідає довжині, яку проходить у вакуумі світло протягом періоду 1/299 792 458 секунд.
Орієнтовне значення
Для більш загальних розрахунків ми використовуємо приблизне значення в метрах на секунду: c = 3,00 x 10 8 м/с або в кілометрах на годину: c = 1,08 x 10 9 км/год .
Кожне з цих значень має 3 значущі цифри і є достатньо точним для більшості обчислень, що включають швидкість світла.
Невелике історичне нагадування про швидкість світла
Перші уявлення про світло передбачають, що воно може бути як у просторі, так і відсутнім: отже, світло буде миттєвим.
Галілей не просто керував формою планети Земля !
Поняття поширення в просторі, а отже і швидкість, тоді відсутні.
Інваріантність швидкості світла у вакуумі
У класичній механіці будь-яка швидкість залежить від обраної системи відліку.
Однак це не стосується світла (і електромагнітного випромінювання загалом): його швидкість незмінна. Це означає, що світло поширюється з однаковою швидкістю (c у вакуумі) для спостерігача, нерухомого відносно свого джерела, або для спостерігача, що рухається. Навпаки, швидкість звукової хвилі, виміряна спостерігачем, залежить від швидкості, з якою останній рухається по відношенню до джерела звуку.
Сучасний тест на незмінність швидкість світла була проведена в 1964 р. командою шведського фізика Альвягера в рамках Протонного синхротрону ЦЕРН (Європейської організації з ядерних досліджень). Цей тест, заснований на техніці часу польоту, полягав у вимірюванні швидкості γ-променів, що надходять від розпаду частинок, званих нейтральними піонами π 0, які утворюють фотони шляхом деградації.
Незмінність швидкості світла становить основний постулат особлива теорія відносності, встановлена Альбертом Ейнштейном на початку 20 ст. Швидкість поширення світла у вакуумі незмінна незалежно від частоти світлової хвилі та незалежно від розглянутої системи відліку Галілея.
Вплив середовища розмноження
Швидкість світла в речовині
У більшості прозорих матеріальних середовищ світло рухається повільніше, ніж вакуум: його поспіх тоді залежить від хімічної природи середовища, від його щільності, від концентрації (для розчинів), а також від певних фізичних величин, таких як:
- температури,
- тиску
- або довжина хвилі випромінювання, що розглядається.
Різні прозорі середовища характеризуються своїм показником заломлення (зазначено n). Цей безодиничний показник завжди перевищує 1, оскільки вважається, що для вакууму n = 1, і дозволяє виявити, з якою швидкістю поширюється світло в даному середовищі. Дійсно, показник заломлення (n) середовища визначається як відношення швидкості поширення світла у вакуумі (c) до швидкості поширення в цьому середовищі (v), тобто
| Показник заломлення (n) | 1.00 | 1,33 | 1,50 | 2.42 |
| Швидкість (c) | 3,00 х 10 ^ 8 м/с | 2,25 х 10 ^ 8 м/с | 2,00 х 10 ^ 8 м/с | 1,24 х 10 ^ 8 м/с |
Цей перехід світла від одного середовища до іншого бере початок у поняттях заломлення і відбиття світла.
Швидкість або швидкість ?
Літера "c", що використовується для вираження швидкості світла, походить від терміна "celerity".
Цей термін, як правило, позначає швидкість поширення хвиль і може бути використаний для світла, оскільки це електромагнітна хвиля. Він передбачає передачу варіації фізичного параметра (наприклад, електромагнітного поля, тиску, видовження тощо), тоді як "швидкість" швидше позначає витіснення речовини.
Тому правильніше використовувати термін "швидкість", ніж "швидкість", якщо не вказано, що це "швидкість поширення".
Тим не менше, термін "швидкість" є більш поширеним.
Швидкість, пройдена відстань і тривалість
Як і всі швидкості, швидкість світла (c) визначається як відношення пройденої відстані, що позначається d (відстань, на якій відбулося поширення), тривалістю поширення, позначеною Δt, що може бути перекладено відношенням:
Швидкість світла будучи вже відомим, це відношення не представляє жодної реальної практичної користі. Однак можна використовувати це відношення для вираження або відстані, або тривалості.
- Відстань, пройдена світлом:
- Час розмноження:
Відносини, включаючи швидкість світла
Швидкість світла у вакуумі (с) бере участь у багатьох відносинах:
- Маса Ейнштейна - енергетична еквівалентність:
- Зв'язок між частотою (ν) та довжиною хвилі (λ) електромагнітної хвилі:
- Зв'язок між вимірюваною тривалістю (ΔTm) та природною тривалістю (ΔT0):
Примітка: швидкість світла бере участь у більшості фізичних величин, виражених в рамках релятивістська фізика.
Швидше світла ?
Теорія відносності Ейнштейна передбачає, що жоден об'єкт не може досягти швидкості, більшої за c у вакуумі.
Однак можливо, щоб предмет або частинка перевищили швидкість світла в середовищі, відмінному від вакууму.
У цьому випадку частинка виробляє інтенсивне синє світло, коли рухається зі швидкістю світла, а потім утворює кінчик "конуса" синього світла, коли ця швидкість перевищена: це називається ефект Черенкова, названий на честь дослідника, який його відкрив, що принесло йому Нобелівську премію в 1958 році.
Саме цей ефект виробляє синій колір характеристика басейнів охолодження АЕС.
Блакитне світло від атомних електростанцій спричинене ефектом Черенкова (бо ні, вода не є блакитною від природи!)
Хоча в даний час це явище обмежене частинками, не виключено, що люди теж могли колись рухатися зі швидкістю світла, як Star Trek Enterprise !
Швидкість світла: ти знав ?
Невелика затримка звуку.
Ви можете побачити спалах, перш ніж почути !
Це пояснюється різниця між швидкістю світла та швидкістю звуку: остання має приблизне значення 340 м/с проти 3 x 10 8 м/с для світла. Оскільки звук, таким чином, набагато повільніший за світло, звичайно спостерігати блискавку перед тим, як почути грім: момент, коли блискавка видно, є справді моментом, коли блискавка перетинає небо, але момент, коли ми чуємо грім, може спричинити відставання.
Чим далі точка спалаху від точки спостереження, тим більшим буде цей зсув. Також можна оцінити відстань, що відділяє нас від цієї блискавки, підрахувавши різницю між світлом і звуком: Затримка 3 секунди приблизно дорівнює відстані 1 км. Тому ми повинні розділити на 3 підраховане зміщення, щоб отримати оцінку в км.
Будьте обережні, важливо пам’ятати, що звук не поширюється у вакуумі, оскільки це механічна хвиля, а не електромагнітна, як світло. Тому йому потрібно середовище для поширення. Усі звуки, що утворюються в космосі, і тому їх можна спостерігати у фільмах, є помилковими !
Новини зі швидкістю світла !
Багато постачальників послуг Інтернету пропонують оптоволоконні пропозиції. На відміну від супутника, заснованого на бездротовій мережі, або ADSL, заснованого на мережі мідних проводів, оптичне волокно - це метод передачі інформації, заснований на заломленні та відбитті світла в скляному або пластиковому дроті.
Ядро волокна, що має більш високий показник заломлення, ніж оболонка, що його оточує, світловий сигнал потрапляє в пастку і буде відбиватися кілька разів по всьому волокну завдяки явищу повного внутрішнього відбиття. Сигнал, випромінюваний світлодіодом або лазерами, перетворює інформацію в модуляцію її інтенсивності і передаватиметься без втрат до кінця волокна, проходячи зигзагоподібний шлях.
В даний час, швидкість передачі інформації завдяки оптичному волокну (не плутати зі швидкістю) в даний час досягає від 70% до 75% швидкості світла.
Однак є експериментальні волокна, швидкість яких може досягати 99%.
Світла і здоров’я
Електромагнітні хвилі широко використовуються в медичній візуалізації, оскільки видиме та інфрачервоне випромінювання менш небезпечні, ніж рентгенівські промені від радіостанцій або МРТ. Вони несуть менше енергії.
Оптичні волокна використовуються, зокрема, для медичної візуалізації. Ми можемо взяти приклад з фіброскопа, типу ендоскопа, який використовується для візуалізації раніше недоступних ділянок людського тіла.
Вам сподобалась стаття ?
Засновник Superprof та інженер, ми намагаємось надати найбільшу базу знань.
Захоплюючись фізикою та хімією та вивчаючи природничі науки в середній школі, я ділюсь своїми уроками (після оновлення їх відповідно до Національної освітньої програми).