Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 97
Текст из файла (страница 97)
При их помощи, строго говоря, нельзя проверить явление Доплера, ибо мы не имеем возможности непосредственно измерить скорость звезды. Наоборот, эти наблюдения используются для определения слагающей скорости звезды вдоль линии, соединяющей звезду и Землю (лучевая скорость звезд), в предположении о правильности принципа Доплера. В настоящее время такие измерения доведены 399 гл. ххт, явленит: ДОтт,ттнРА до большой степени точности (с точностью до 1 км/с) и служат почти единственным методом исследования лучевых скоростей космических тел. Благодаря явлению Доплера были открыты двойные звезды, столь удаленные, что разрешение их посредством телескопов оказывается невозможным. Спектральные линии таких звезд периодически становятся двойными.
Это может быть объяснено предположением, что источником являются два тела, попеременно приближающиеся и удаляющиеся, т.е. обращающиеся вокруг обшего центра тяжести. Из подобных наблюдений нетрудно вычислить также период обращения удаленных двойных звезд и их лучевые скорости, т.е. скорости вдоль линии наблюдения. В астрофизике нередко пользуются также принципом Доплера для оценки скорости извержения водородных масс., наблюдаемых на Солнце (протуберанцы).
Измерение наблюдаемых изменений частоты водородных линий дает для скорости водородного облака значения свыше 100 км/с (и даже до 1000 км/с). Спектроскопический метод определения скорости небесных тел был применен Фогелем (1861 г.), а впоследствии Ланглеем и Корню для измерения скорости вращения солнечного диска. С этотй целью сравнивался сдвиг спектральных линий от восточного и западного краев Солнца,.
Линейная скорость на диаметре оказалась равной 2,3 км/с, тогда как непосредственные наблюдения переметцения солнечных пятен датот около 2 км/с. В таких наблюдениях можно видеть количественное подтверждение явления Доплера. Первые лабораторные исследования оптического явления Доплера принадлежат А.А. Белопольскому (1900 г.); его опыты были позже повторены Б.Б.
Голицыным (1907 г.). Белопольский увеличил скорость движения источника, использовав многократное отражение от движущихся зеркал. На рис. 21.4 изображена схема, поясняющая идею Рис. 21.4, Схема опыта А.А. Белопольского: Я вЂ” источник света; А и В— движущиеся зеркала; У, У', 5"', Я"" — движущиеся изображения 5 Белопольского.
Два зеркала А и В смещатотся друг относительно друга. Посредине между зеркалами на расстоянии т от каждого из них помещается источник Я, так что ЯХ = х. Тогла, ЯЯ' = 2х; ЯУ' = 4т; и т.д.; вообще и-е изображение окажется на расстоянии от источника 2пг, Если расстояние х от Я до зеркала меняется со скоростью г = = т1х/й (движутся зеркала), то движутся и все изображения, так что скорость гт-го изображения будет равна ит= ( '') =2пп.
тй 400 СКОРОСТЬ СВЕТА Таким образом, прибор Белопольского позволяет значительно повышать скорость наблюдаемого источника, которым является и-е изображение действительного источника. В приборе Белопольского (рис. 21.5) зеркала. представляют собой радиальные лопасти двух колес (подобных пароходным), приводимых Рис.
21.5. Схема прибора А.А. Белопольского во вращение моторами. Окончательттая скорость ттт была, около 500 м/с (в опытах Белопольского 0,67 км,'с; у Голицына от 0,25 до 0,35 км/с). Спектральным прибором для наблюдения смещения служил у Белопольского трехпризменный спектрограф, у Голицына эшелон Майкельсона.
Расхождение опытных данных с теорией составляло 57е, что следует признать чрезвычайно хорошим результатом для таких трудных опытов. Впоследствии Фабри и Бюиссон (1919 г.) произвели подобные измерения более простым способом, использовав большую разрешающую силу интерференционного спектроскопа.
Источником света служила, охлаждаемая ртутная лампа, излучение которой отражалось от краев бума. жного диска, вращающегося на центрифуге, причем линейная скорость края диска, достигала 100 м/с; спектральная линия, отраженная от двух противоположных краев вращающегося диска, давала двойную линию, надежно разрешаемую интерференпионным прибором. Штарк наблюдал смещение спектральных линтттт, пользуясь в качестве источника света, быстро несущимися светящимися атомами в каналовых лучах. Из этих опытов можно, пользуясь принципом Доплера, определить скорость каналовых лучей. Наблюдения оказались в согласии с оценкой этих скоростей по данным отклонения в электрическом и магнитном полях.
В случае водорода получающиеся скорости столь значительны (порядка 108 см/с), что наблюдение 5 смещения можно без труда выполнить при помощи призменного спектрографа, Рис. 21.6. Наблюдение ивле- умеренной разрешающей силы. ния Доплера на каналовых лу- В трубке с каналовыми лучами чах (рис. 21.6) светятся как неподвижные атомы, так и быстро несущиеся каналовые частицы, Первые дают резкие линии.
Движутциеся же (с различными скоростями) канало- 401 гл. хх11. ОптикА движущихся сРнд вые частицы дают линии., сливающиеся в расширенную полоску, смещенную относительно первых. На рис. 21.7 видны как резкие линии Н и Нл покоящихся атомов водорода так и смещенные влево ушилучеи. Наконец, следует упомянуть, что =,,--„=.','-:':,-';.':;::.,":-;:.-: —.,:.ф";;: 4:;.';-'::='".'-.,':;"„;,:";;„='";: во всех газовых источниках света мы бол лениям (скорости от 100 м~'с до 2 км,!с в зависимости от молекулярного веса Рис. 21.7.
Спектр водорода, изгаза и его температуры). Вследствие лччаемый вижл, имися и неподоплеровского смещения спектраль- движными атомами ные линии оказываются расширенными. При значительном разреженилл газа, когда столкновения между светящимися атомами и окружающими частицами сравнительно редки, явление Доплера служит главной причиной, определяющей ширину спектральной линии. Наблюдение уширения спектральных линий в указанных условиях также является подтверждением эффекта Доплера. Удалось установить, например, что при охлаждении такого источника жидким воздухом ширина линий уменьшалась соответственно уменьшению средних молекулярных скоростей. Г л а в а ХХН ОПТИКА ДВИ:~КУЩИХСЯ СРЕД Уже при изучении явления Доплера мы встретилплсь с вопросом о том, как протекает оптическое явление в случае движения системы, в которой оно происходит.
При рассмотрении этой проблемы существенное значение имеет ответ на следующий вопрос: возможно ли установить двллженлле ллсточника света 1л воспрллнимающ1лх свет приборов относительно среды, в которой свет распространяется, или возможно лишь установление относительного движения источника и приемника света друг относллтельно друга. Мы подходим, таким образом, к общей задаче оптики (и электродинамики) движущихся сред, имеющей большое пр1лнц1лпиальное значение, 1лбо огромное большинство наших опытов протекает в земных лабораториях, т.е. в системе, движущейся относительно других небесных тел. Представляется важным знать, отражается ли этот факт на протекании наблюдаемых явлений и как именно. $ 129.
Принцип относительности в механике и формулы преобразования Галилея Физические законы, в том числе и законы механики Ньютона, и в частности закон инерции, имеют определенный смысл лишь тогда, 402 СКОРОСТЬ СВЕТА когда точно определены реальные условия протекания рассматриваемых явлений и, следовательно, указана система отсчета, к которой они отнесены. Представим себе несколько систем отсчета, одна из которых связана с берегом, а другие — с различными движущимися относительно него кораблями. Пусть по берегу перемещается какое-нибудь тело, на которое в береговой системе отсчета не действуют никактле силы,например, по вполне горизонтальному столу катится без трения шар. Движение это в береговой системе отсчета. будет происходить равномерно и прямолинейно, т.е.
явится движением по тлнерции в ньютоновом смысле. Предположим, что совершенно такие же опыты (шар, катящийся без трения по горизонтальному столу) производятся и на каждом из кораблей. Для всех систем отсчета, связанных с кораблями, перемещающимися равномерно и прямолинейно относительно берега, движентле шаров также будет равномерным и прямолинейньлм, т.е. будет движением по инерции в ньютоновском смысле. Но в системе отсчета, связанной с кораблем, который проходит мимо берега с ускорением, движение шаров является ускоренным, а не прямолинейным и равномерным. Следовательно, в этой системе оно не является движением по тлнерции, и в ней действуют некоторые силы (силы инерции), сообщающие телам ускорение. Таким образом, закон движения формулируется одинаково только для тех систем отсчета, которые движутся равномерно и прямолинейно друг относительно друта; эти системы составляют совокупность так называемых иттсрциалъттых систем.
Итак, законы механики одинаково формулируются для всех инерциальных систем, и формулировка их изменяется для системы отсчета, движущейся с ускорением относительно инерциальных стлстем. Это видно из того, что в основной закон ньютоновой механики входит тт,'т', выражение для ускорвттия тела, а не его скоростлл: тп —, = Е. Таким й2 образом. добавление любой постоянной скорости, т.е. переход к любой иной инерциальной стлстеме, не отразится на формулировке законов механики.
Необходимость определить систему отсчета, для которой сформулированы законы механики, заставила Ньютона ввести понятие абсолютного пространства как такой исходной системы. Однако все системы, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно этого абсолютного пространства, т.е. являющиеся инерциальными по отношению к нему, допускают ту же формулировку законов механических процессов и с точки зрентля механики эквивалентны друг другу. Таким образом, наблюдения над механическими процессами не дают возможности выделить абсолютное пространство из целой бесконечной совокупности инерциальных систем. Это обстоятельство получило название прииципа отпноситпелъттостпи классической ллехаттики, и, следовательно, ньютонова механика сред построена в согласии с принципом относительности. При переходе от одной инерциальной системы к другой ускорения остаются неизменными, но координаты и скорости меняются.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
