Evoluția metodelor de determinare a vitezei luminii

Evoluția metodelor de determinare a vitezei luminii

Efectuat de:Olarașu Cătălina

Cuprins

1. Viteza luminii

2. Metoda lui Galileo Galilei

3. Masuratorile lui Ole Romer

4. Experiența lui Fizeau ( metoda roții dințate)

5. Metode recente

6. Concluzie

Viteza luminii în vid este o importantă constantă fizică universală; conform cunoștințelor existente, este viteza de propagare a luminii în vid - independent de parametrii fizici ai luminii cum sunt: culoarea, intensitatea, direcția, polarizarea sau durata propagării. Valoarea sa, exprimată în unități din Sistemul Internațional, este de 299 792 458 m/s.Conform teoriilor actuale, general acceptate, viteza luminii în vid este cea mai mare viteză posibilă din univers.

Experiența lui Galilei („metoda lanternei și paravanului”)

Galileo Galilei și un asistent al său au efectuat experiența descrisă în „Dialog despre cele două sisteme principale ale lumii”, după toate probabilitățile în anul 1620, undeva în apropierea Florenței. Experimentul a constat în următoarea procedură: el și asistentul său se aflau la o oarecare distantă unul față de celălalt, în noapte. Fiecare avea o lanternă (un „felinar”) în mână care putea fi acoperit cu ajutorul unui paravan acționat manual după voie. Galilei a pornit experiența dezobturând felinarul lui. Când lumina a ajuns la asistentul său, acesta a descoperit felinarul lui, lumina căruia a fost observat de către Galilei. Cunoscând cu precizie distanța dintre cei doi, Galilei a încercat să măsoare timpul scurs între momentul descoperirii primului felinar și momentul în care el a observat lumina celui de-al doilea felinar. Prin raportul dintre dublul distanței dintre cei doi și acest interval de timp ar fi trebuit să găsească valoarea vitezei de propagare a luminii în aer. Rezultatul experienței a fost un eșec, din cauza faptului că Galilei nu a putut pune în evidență o diferență de timp între cele două momente. Se știe astăzi că pentru o distanță de 1 km între cei doi, lumina face un parcurs dus-întors într-un interval de timp de circa 3,3 x 10–6 s. Acest interval de timp este cu ordine de mărime mai mic decât timpul de reacție uman respectiv precizia ceasurilor obișnuite, motiv pentru care experiența lui Galilei a fost sortit eșecului.

Măsurătorile lui Ole Rømer

Primele rezultate cantitative au fost obținute în 1676 de către Ole Rømer care studia prin telescop mișcarea satelitului Io al lui Jupiter. Perioada de revoluție a lui Io în jurul lui Jupiter era cunoscută din observațiile asupra eclipsei. Din aceste observații, el a dedus că lumina parcurge o distanță egală cu diametrul orbitei Pământului în 22 de minute. Cu distanțele astronomice cunoscute în acele timpuri, Rømer ar fi ajuns la o viteză a luminii de aproximativ 213 000 km/s.

Experiența lui Fizeau ( metoda roții dințate) În anul 1849 Armand Hyppolite Louis Fizeau (1819-1896), un fizician francez, a măsurat pentru prima dată viteza luminii pe o cale neastronomică, obținând valoarea de 3,15x108 m/s. În figura alăturată este prezentat montajul experimental folosit de către Fizeau în experiența sa. Schema dispozitivului experimental al lui Fizeau. L: sursa de lumină, S1: oglindă semitransparentă, Z: roata dințată, S2: oglindă reflectătoare și B: observatorul. Prin Δs este notată distanța dintre planul roții dințate (Z) și planul oglinzii reflectătoare (S2)

Cu ajutorul unei lentile convergente lumina provenită de la sursa L era strânsă și trimisă pe oglinda semitransparentă S1 care o reflecta și care făcea ca în planul roții dințate să se formeze o imagine a sursei. Oglinda S1 era „semiargintată”; stratul reflector al ei era atât de subțire încât numai jumătate din lumina incidentă era reflectată, cealaltă jumătate fiind transmisă. În spatele roții dințate se afla o altă lentilă astfel ca imaginea din planul roții dințate să dea un fascicul paralel de lumină; după aceasta fasciculul trecea printr-o lentilă care focaliza lumina pe oglinda S2. Distanța Δs dintre oglinda S2 și roata dințată Z era de 8633 m. Când lumina întâlnea din nou oglinda S1, o parte din ea era transmisă observatorului B printr-o lentilă. Observatorul vedea imaginea sursei L după ce lumina a parcurs drumul 2Δs, dus și întors. Pentru a determina timpul necesar luminii să parcurgă această distanță era nevoie ca ea să fie marcată într-un fel.

Acest lucru sa realizat prin întreruperea fasciculului de lumină cu ajutorul roții dințate Z. Timpul necesar parcurgerii distanței 2Δs era de 2Δs/c, timp în care roata dințată s-a rotit doar cu atât cât era necesar ca trenul de undă luminoasă care a scăpat printre doi dinți ai roții să ajungă înapoi în planul roții astfel ca să fie obturat de un dinte. Lumina fiind obturată de dintele roții, ea nu mai ajungea la ochiul observatorului. Viteza de rotație a roții dințate era reglabilă, astfel încât pentru o anumită turație, observatorul nu mai vedea licăririle luminii întrerupte de roata dințată.Procedeul a constat în mărirea treptată a vitezei unghiulare ω a roții dințate până la dispariția imaginii sursei L. Dacă se notează cu φ unghiul la centru dintre o adâncitură și un dinte al roții, timpul de rotație necesar pentru ca roata să facă unghiul φ este 2Δs/c, sau pus în ecuație:φ/ω=2Δs/c, relație din care rezultă valoarea vitezei luminii: c=2ωΔs/φ.

În 1950 fizicianul britanic Louis Essen a calculat viteza luminii prin măsurarea exactă a frecvenţei de rezonanţă a unei cavităţi metalice. Cunoscând dimensiunile cavităţii, el a putut determina şi lungimea de undă. Din aceste două măsurători a putut calcula viteza luminii folosind ecuaţia c=fλ, unde f este frecvenţa luminii şi λ este lungimea de undă. Metoda lui Essen măsoară de fapt viteza undelor radio, dar viteza tuturor undelor electromagnetice în vid este aceeaşi, astfel încât ea poate fi folosită şi pentru determinarea vitezei luminii.

Metode recente

In 1973, NBS (National Institute of Standards and Technology) din Boulder, Colorado, a masurat viteza luminii cu ajutorul unui laser, folosind metoda interferometrica iar valoarea acesteia a fost de 299.792,4574 cu o eroare relativa de masurare de 0,001 km/s.

In 1882 al lui Albert Michelson a folosit un aparat alcătuit dintr-o prismă care se putea roti, o lentilă convexă şi o oglindă concavă.O rază de lumină de la o sursă S cade pe o prismă care se roteşte foarte repede când aceasta se află în poziţia AB. Lumina este focalizată de o lentilă convexă L pe suprafaţa unei oglinzi concave M, al cărei centru de curbură se află în centrul lentilei. Raza este reflectată şi se întoarce la prisma aflată acum în poziţia CD. Aici este reflectată şi formează o imagine într-un punct S’. Distanţa LM era de circa 610 m iar prisma era rotită de o turbină la o frecvenţă de 256 rotaţii pe secundă. Prin măsurarea distanţei SS’ el a dedus viteza luminii din toate celelalte date. În 1931 Michelson a realizat ultima sa măsurătoare în California. El a montat oglinda fixă la Mount San Antonio şi prisma la circa 35 km depărtare la Observatorul Mount Wilson. Această creştere enormă a „drumului” luminii a fost realizată prin proiectarea unei oglinzi octogonale perfecte, astfel încât imaginea era mult mai luminoasă decât la folosirea unei singure oglinzi. Prin reglarea vitezei de rotaţie, Michelson a reuşit ca lumina emisă pe drumul său de 70 km de pe o faţă a prismei să fie captată la întoarcere pe faţa următoare, aflată exact în aceeaşi poziţie cu cea precedentă. În acest fel imaginea S’ coincide cu punctul S şi inconvenientul măsurării distanţei a fost eliminat. Acest experiment a dus la aflarea valorii de 299.796 km s-1.

Concluzie

Determinarea vitezei luminii a fost un pas mare pentru observarea si intelegerea spatiului

Mulțumesc pentru atenție!