Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Важной особенностью установки Фуко явилось применение в качестве зеркала С вогнутого сферического зеркала, с центром кривизны, лежащим на оси вращения В. Благодаря этому свет, отраженный от В к С, всегда попадал обратно на В„в случае же применения плоского зеркала С это происходило бы лишь при определенной взаимной ориентации В и С, когда ось отраженного конуса лучей располагается нормально к С. Фуко в соответствии с первоначальным замыслом Араго осуществил при помощи своего прибора также и определение скорости света в воде, ибо ему удалось уменьшить расстояние ВС до 4 м, сообтцив зеркалу 800 оборотов в секунду.
Измерения Фуко показали, что скорость света в воде меньгпе, чем в воздухе, в соответствии с представлениями волновой теории света. Дальнейшие усовершенствования метода Фуко, при которых улучшалась техника работы с вращакнцимся зеркалом и увеличивался путь ВС, привели к очень значительному повышению точности, дав в руках Майкельсона весьма хорошие результаты по определению скорости света. Результаты измерений по методу вращающегося зеркала таковы: Последняя (1926 г.) установка Майкельсона был выполнена между двумя горными вершинами, так что в результате получено расстояние Х? = 35,4 км ~точнее, 35373,21 м).
Зеркалом служила восьмигранная скОРОсть светА стальная призма, вращавшаяся со скоростью 528 об/с. Схема установки Майкельсона изображена на рис. 20.7. Время, за которое свет совершал полный путь, равнялось 0,00023 с, так что зеркало успевало повернуться на 1/8 оборота и свет Ь. --~ ~~! Рис. 20.7, Схема установки Майкельсона для определения скорости света падал на следующую грань призмы. Таким образом, смещение зайчика было сравнительно незначительным, и определение его положения играло роль поправки, а не основной измеряемой величины, как в первых опытах Фуко, где все смещение достигало лишь 0,7 мм.
Были произведены также весьма точные измерения скорости распространения радиоволн. При этом были использованы радиогеодезические измерения, т.е. определение расстояния между двумя пунктами с помощью радиосигналов параллельно с точными триангуляционными измерениями. Лучшая полученная таким методом величина, приведенная к вакууму, с = 299792 ~ 2,4 км/с. Наконец, скорость радиоволн была определена по методу стоячих волн„образованных в цилиндрическом резонаторе.
Теория позволяет связать данные о размерах резонатора и резонансной частоте его со скоростью волн. Опыты делались с эвакуированным резонатором, так что приведения к вакууму не требовалось. Лучшее значение, полученное по этому методу, с = 299 792,5 ~ 3,4 км/с. В 1972 г. значение скорости света было определено на основе независимых измерений длины волны и частоты света. В качестве источника был выбран, по ряду причин, гелий-неоновый лазер, генерирующий излучение с длиной волны 3,39 мкм. Длина волны этого излучения измерялась с помощью интерферометрического сравнения с эталоном длины, т.е. с длиной волны оранжевого излучения криптона (см.
3 31). Методами нелинейной оптики (генерации излучения с суммарными и разностными гармониками, см. 3 236) частоту лазерного излучения удалось сравнить с эталоном времени ). Таким образом было получено значение скорости света с = Ак превосходящее по точ- ) Секунда определяется как 9 192 б31 770 периодов колебаний в излучении, соответствующем переходу между двумя уровнями сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия 133.
ГЛ. ХХ. СКОРОСТЬ СВЕТА И МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ 389 ности все ранее известные значения более чем на два порядка: с = 299792456,2 ~ 1,1 м/с. Сопоставим лучшие данные, полученные разными методами: М айкельсон, 1926 г. Метод вращающегося зеркала с = 299 796 ~ 4 км/с Метод прерываний (усо- вершенствованный) Бергштранд, 1950 г. с = 299 793,1 ~ 0,25 км/с Аслаксон, 1949 г. с = 299 792 ~ 2,4 км/с с = 299 792,5 ~ 3,4 км/с Радиогеодезия Полый резонатор Эссен, 1950 г. Микроволновая интер- ферометрия с = 299 792,2 ~ 0.,2 км/с Фрум, 1958 г.
Измерение частоты и длины волны Ивенсон, 1972 г. с = 299 792,4562 ~ 0,0011 км/с $ 125. Фазовая и групповая скорости света Лабораторные методы определения скорости света, позволяющие производить эти измерения на коротком базисе, дают возможность определять скорость света в различных средах и, следовательно, проверять соотношения теории преломления света. Как уже неоднокра1 но упоминалось, показатель преломления света в теории Ньютона равен и, = в1пг/ вш г = ия/н1, а в волновой теории и = вш г/ а1п г = н1 /н, где ьг — скорость света в первой среде, а нз — скорость света во второй.
Еще Араго видел в этом различии возможность ехрег1п1епФп1п сгпс1в и предложил идею опыта, который был выполнен позднее Фуко, нашедшим для отношения скоростей света в воздухе и воде значение, близкое к 4/3, как следует по теории Гюйгенса, а не 3/4, как вытекает из теории Ньютона. Правда, к моменту выполнения этих опытов (1862 г.) волновая теория света уже не нуждалась в подобных дополнительных аргументах.
Тем не менее, по мере усовершенствования методов определения скорости света вопрос этот подвергался дальнейшему экспериментальному исследованию, причем оказалось, что дело обстоит гораздо сложнее. Так, для воды Майкельсон получил с/п = 1,33 в соответствии со значением показателя преломления воды. Но для сероуглерода он нашел с/н = 1,75, тогда как обычное определение показателя преломления дает и = 1,64. Объяснение Это сопоставление показывает превосходное согласие, оправдывающее ту точность измерения, на которую указывают авторы. Прекрасное совпадение скорости световых волн и скорости радиоволн вновь подтверждает справедливость электромагнитной теории света, напоминая, что первым аргументом Максвелла в пользу этой теории было тогда еще грубо установленное равенство скорости света и электро- динамической постояннои, определяющей скорость распространения электромагнитных волн. СКОРОСТЬ СВЕ'1А было найдено Рэлеем, выяснившим сложный характер понятия скорости волны.
Обычное определение показателя преломления и = в1п1~в1пг = = н1 /и2 из изменения направления волновой нормали на границе двух сред дает отношение фазовых скоростей волны в этих двух средах. Однако понятие фазовой скорости применимо только к строго монохроматическим волнам, которые реально не осуществимы, так как они должны были бы существовать неограниченно долго во времени и быть бесконечно протяженными в пространстве. В действительности мы всегда имеем более или менее с,ложный импульс, ограниченный во времени и в пространстве. При наблюдении такого импульса мы можем выделять какое-нибудь определенное его место, например, место максимальной напряженности того электрического или магнитного поля, которое представляет собой электромагнитный импульс.
Скорость импульса можно отождествить со скоростью распространения какой-либо его точки, например, точки максимальной напряженности поля. При этом, однако, надо предполагать, что импульс наш сохраняет при распространении свою форму или во всяком случае деформируется достаточно медленно или периодически восстанавливается. Для выяснения этого обстоятельства мы можем представить импульс как наложение бесконечно большого числа близких по частоте монохроматических волн (представление импульса в виде интеграла Фурье).
Если, например, все эти монохроматические волны разной длины распространяются с одной и той же фазовой скоростью (среда не имеет дисперсии), то с той лсе скоростью перемещается и импульс как целое, сохраняя неизменной свою форму. Однако среда (за исключением вакуума) обычно характеризуется дисперсией, т.е. монохроматические волны распространяются с различными фазовыми скоростями, зависящими от их длины, и импульс начинает деформироваться. В таком случае вопрос о скорости импульса становится более сложным. Если дисперсия не очень велика, то деформация импульса происходит медленно и мы можем следить за перемещением определенной амплитуды поля в волновом импульсе, например, максимальной амплитуды поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
