Une façon astronomique de mesurer la vitesse de la lumière. Méthodes de mesure de la vitesse de la lumière. La valeur la plus précise de la vitesse de la lumière

MÉTHODES DE MESURE DE LA VITESSE DE LA LUMIÈRE

Présentation .................................................. . ................................................ .. ....3

1. Étapes de base pour mesurer la vitesse de la lumière.............................................. .......4

2. Méthodes de mesure de la vitesse de la lumière.................................................. ........... ...........7

2.1 Mesures astronomiques................................................................ ................ ......7

2.2 Expériences de temps de vol .................................................. ....................... 9

2.3 Constantes électromagnétiques.................................................. 12

2.4 Utilisation des résonateurs .................................................. ..................................13

2.5 Interférométrie.................................................. .. .......................14

3. Autres expériences.................................................. ..................................................15

3.1 Propagation de la lumière dans un milieu ................................................ ....................... ...15

3.2 vitesse maximale lumière................................................. 17

Conclusion................................................. ..................................................19

Bibliographie.................................................. .. ........20

INTRODUCTION

La vitesse de la lumière est une des grandeurs fondamentales et joue rôle important en physique. Il caractérise la grandeur de la vitesse de propagation ondes électromagnétiques dans et fait référence à des constantes qui caractérisent non seulement les corps et les champs individuels, mais aussi la géométrie de l'espace-temps dans son ensemble. Aujourd'hui, la vitesse de la lumière dans le vide est la vitesse limite des particules et de la propagation des interactions. Numériquement, sa valeur est de 299 792,458 km/s.

Dans la nature, ils se propagent à la vitesse de la lumière lumière visible et tout autre rayonnement électromagnétique et, vraisemblablement, les ondes gravitationnelles, le cas échéant.

Les particules massives peuvent avoir des vitesses arbitrairement élevées, mais toujours certainement inférieures à la vitesse de la lumière. De telles particules se déplaçant à des vitesses proches de la lumière sont, par exemple, des particules dans des accélérateurs ou des rayons cosmiques.

La vitesse de la lumière ne dépend pas du mouvement de la source et de l'observateur et est invariante dans tous les référentiels inertiels. Une telle invariance est postulée dans la théorie restreinte de la relativité et confirmée par de nombreuses expériences.

1. LES PRINCIPALES ÉTAPES DE LA MESURE DE LA VITESSE DE LA LUMIÈRE

Les anciens penseurs croyaient que la vitesse de la lumière était infinie, utilisant l'analogie du vol d'une flèche comme argument : sa trajectoire est la plus droite, la plus plus vite. Platon était un partisan de la théorie des rayons visuels, "sentir l'espace". Démocrite et Aristote, à leur tour, ont insisté sur la sortie d'atomes d'objets qui pénètrent dans les organes visuels humains. Cependant, l'interprétation géométrique de la propagation de la lumière, développée dans les travaux d'Euclide, rendait pratiquement les deux points de vue équivalents.

Mais déjà à l'époque moderne, le fait de l'infinité de la vitesse de la lumière était remis en question par des scientifiques tels que Galileo et Hooke, qui supposaient que la vitesse de la lumière était finie, bien que très élevée. À cette époque, Kepler, Descartes et Fermat continuent d'insister sur son infinité.

Descartes a avancé l'idée de la lumière se propageant à une vitesse infinie par pression dans un milieu. Hooke a été le premier à proposer la théorie ondulatoire de la lumière : la lumière est un mouvement ondulatoire dans un milieu homogène. Cette théorie a été développée plus tard par Huygens dans ses travaux. Newton a essayé de ne pas parler de la vitesse de la lumière, mais a clairement adhéré aux vues corpusculaires sur le compte de la lumière.

La première estimation de la vitesse de la lumière a été obtenue en 1676 par Roemer. Il a remarqué que lorsque la Terre et Jupiter sont de part et d'autre du Soleil, les éclipses du satellite Io de Jupiter se produisent avec un retard de 22 minutes. De là, la première estimation de la vitesse de la lumière a été obtenue - 220 000 km / s. Bientôt Bradley, en 1728, utilisant les phénomènes de la lumière, confirma la finitude de la vitesse de la lumière et précisa sa valeur à 308 000 km/s.

Pour la première fois, il a été possible de mesurer la vitesse de la lumière dans des conditions terrestres grâce au passage d'une distance connue par la lumière en 1849 par Fizeau. La lumière a parcouru une distance d'environ 9 km et son enregistrement a été effectué en utilisant la "méthode d'interruption". La valeur de la vitesse de la lumière obtenue lors des mesures était de 312 000 km/s.

Une approche légèrement différente ("la méthode d'un miroir rotatif") a été utilisée par Foucault en 1862. L'essence de la méthode était de mesurer de petits intervalles de temps à l'aide d'un miroir à rotation rapide. Les mesures ont donné une valeur de 298 000 ± 500 km/s. La longueur de la base dans l'expérience de Foucault était petite. Par la suite, la technique de cette expérience a été considérablement améliorée et déjà en 1926, dans l'expérience Mailkelson, l'erreur a été réduite à 4 km / s avec une valeur mesurée de la vitesse de la lumière de 299 796 km / s. La base à la même époque était à 35 km !

Le développement ultérieur de méthodes de mesure de la vitesse a été associé à l'invention de générateurs quantiques (lasers), qui produisent un rayonnement hautement cohérent, ce qui a permis de déterminer la vitesse de la lumière en mesurant simultanément la longueur d'onde et la fréquence du rayonnement. Au début des années 1970, l'erreur dans ces mesures approchait 1 m/s. Ainsi, lors de la XVe Conférence générale des poids et mesures en 1975, la vitesse de la lumière dans le vide a été fixée à 299 792 458 m/s avec une erreur absolue de 1,2 m/s.

Il convient de noter que l'augmentation ultérieure de la précision a été difficile en raison de la précision de la détermination du compteur. Sur cette base, lors de la XVIIe Conférence générale des poids et mesures, la vitesse de la lumière dans le vide a été fixée et il a été recommandé de définir le mètre comme la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 de seconde.

Tableau 1. Progrès dans la mesure de la vitesse de la lumière

		Résultat (km/s)	Erreur
	Lunes de Jupiter
	aberration stellaire
	Engrenage
	miroir tournant
Rose, Dorsey	Constantes EM
michelson	miroir tournant
Essen, Gorden Smith	résonateur à cavité
	Interféromètre radio
	interféromètre laser
valeur acceptée

2. MÉTHODES DE MESURE DE LA VITESSE DE LA LUMIÈRE

2.1 Mesures astronomiques

L'espace extra-atmosphérique est idéal pour mesurer la vitesse de la lumière en raison des grandes distances entre les objets et du vide presque parfait. Le temps mis par la lumière pour couvrir une certaine distance connue est généralement mesuré. système solaire, comme par exemple le rayon de l'orbite terrestre. Historiquement, de telles mesures ont été faites avec assez de précision et n'étaient limitées que par la précision avec laquelle les paramètres de l'orbite terrestre étaient connus.

Romer (1676). La première mesure expérimentale de la vitesse de la lumière a eu lieu à la suite de la résolution d'un problème pratique. Römer, utilisant des "horloges naturelles", a en fait mesuré le temps nécessaire à la lumière pour parcourir le diamètre de l'orbite terrestre. Les éclipses périodiques d'Io, l'un des quatre satellites de Jupiter, ont été choisies comme de telles « horloges », bien observées depuis la mer et depuis la terre.

La période de révolution du satellite Io autour de Jupiter est T0=42,5 heures. On savait que la période entre deux éclipses du satellite Io varie au cours de l'année et présente un écart maximal de 1320 s (22 min) par rapport à la valeur de T0. Si la Terre était au repos par rapport à Jupiter, alors des éclipses se produiraient à intervalles réguliers T0. Mais, comme vous le savez, la Terre tourne autour du Soleil à une vitesse de 30 km/s en une période d'un an. Pour cette raison, les intervalles entre les éclipses successives de Io seront différents et différents de T0.

Römer a remarqué qu'en six mois, les moments des éclipses se décalent dans le temps en fonction de la position de la Terre sur son orbite. Lorsque la Terre est plus proche de Jupiter, les moments d'éclipses arrivent plus tôt, et lorsqu'ils sont plus éloignés, ils sont en retard. Roemer s'est rendu compte que la lumière a une distance finie et que la distance supplémentaire parcourue par la lumière réfléchie par Io est exactement égale au diamètre de l'orbite terrestre. Ceci explique la différence courante de 22 minutes.

A cette époque, le diamètre de l'orbite était estimé à environ 292 000 000 km, en divisant cette valeur par 1320 s, Römer détermina la vitesse de la lumière à 222 000 km/s. Si l'on tient compte de la précision pas très élevée de la méthode Roemer, la valeur obtenue pour la vitesse de la lumière peut être considérée comme assez bon résultat pour cette époque.

Selon les données modernes, la période orbitale de Io est de 16,6 minutes et le diamètre de l'orbite est d'environ 300 106 cm, ce qui donnerait la valeur de la vitesse de la lumière c~3 108 km/s.

Bradley (1725). Bradley a observé une étoile dans la constellation de Draco et a constaté que sa position change clairement tout au long de l'année. Cette étoile, située au zénith, effectue un mouvement circulaire d'une période d'un an avec un rayon de 20,5"" observé dans le ciel. Les mesures faites par Bradley ont montré qu'à la suite de la révolution de la Terre autour du Soleil, les points de la disposition apparente des étoiles dans le ciel devaient généralement décrire des ellipses. La forme de l'ellipse dépendra de l'angle b entre la direction de l'étoile et la direction de la vitesse orbitale de la Terre v. Sous certaines conditions, une ellipse peut dégénérer en une droite ou un cercle.

Le phénomène qu'il a observé s'appelle l'aberration stellaire et n'est pas lié au mouvement propre de l'étoile. Ce phénomène est dû uniquement à la rotation annuelle de la Terre et à la finitude de la vitesse de la lumière.

Dans le cas d'un cercle, l'angle auquel la trajectoire apparente de l'étoile est vue depuis la Terre est calculé à partir de la relation :

De là, il est facile de déterminer la vitesse de la lumière c, qui dans les expériences de Bradley était de 308 000 km/s.

2.2 Expériences de temps de vol

Fizeau (1849). Un moyen assez simple de mesurer la vitesse de la lumière dans des conditions terrestres a été proposé et mis en œuvre pour la première fois par le physicien Fizeau. Pour ce faire, il a proposé d'utiliser une installation à engrenages. Sur la Fig. 3 montrés schéma sa mise en place. Un faisceau de lumière a été dirigé de la source vers le premier miroir, après quoi le faisceau a été réfléchi et a frappé le deuxième miroir. La distance parcourue par la lumière était de 8,66 km. De plus, une roue dentée était placée entre ces miroirs, fonctionnant comme un stroboscope, divisant le faisceau continu en éclairs courts.

La roue était mise en mouvement et sa vitesse augmentait continuellement. Il arriva un moment où l'impulsion lumineuse, ayant traversé le trou entre les dents, revint après réflexion sur le second miroir et fut retardée par la dent. Dans ce cas, rien n'était visible. De plus, lors du déroulement, la lumière est redevenue visible et a atteint son intensité maximale. La roue de Fizeau avait 720 dents, et l'intensité maximale a été observée à 25 tours par seconde. Sur cette base, Fizeau a calculé la vitesse de la lumière. La lumière est la distance entre les miroirs et le recul dans le temps jusqu'à ce que la roue tourne d'une dent à l'autre, c'est-à-dire en 1/720 x 1/25 = 1/18000 de seconde. La distance parcourue par la lumière est égale au double de la distance entre les miroirs, soit 17,32 km. La vitesse de la lumière est donc de 17,32 x 18 000 = 312 000 km/s.

Foucault (1862). Un peu plus tard, Jean Foucault prend le relais de la mesure de la vitesse de la lumière, qui perfectionne la méthode Fizeau (Fig. 4).

Dans ce dispositif, la roue dentée a été remplacée par un miroir tournant plat C. Lorsque le miroir commence à tourner, le faisceau réfléchi se décale légèrement (ligne pointillée). Le déplacement du faisceau est fixé dans l'oculaire et donne deux fois l'angle de rotation du miroir pendant le temps que le faisceau est allé vers le miroir concave A et est revenu vers C. Connaissant la vitesse de rotation du miroir C et la distance AC , vous pouvez calculer la vitesse de la lumière.

Le remplacement de la roue dentée par un miroir rotatif a permis de réduire la distance de 8-9 kilomètres à 20 mètres. La vitesse de la lumière dans les expériences de Foucault était de 298 000 ± 500 km/s.

Michelson (1926). Tout au long de sa vie, le physicien américain Michelson a amélioré les méthodes de mesure de la vitesse de la lumière et y a obtenu des résultats impressionnants. Il a développé un schéma expérimental dans lequel un faisceau de lumière a été envoyé entre deux sommets situés à une distance de 35 km l'un de l'autre. Dans cette expérience, une méthode améliorée de miroir rotatif de Foucault a été utilisée. Le prisme rotatif octogonal a été fabriqué avec une grande précision et était entraîné par un rotor spécial, lui permettant de tourner jusqu'à plusieurs centaines de tours par seconde. Le principe de fonctionnement est resté le même, le principal changement ne comprenait qu'un trajet accru du faisceau lumineux. En augmentant la fréquence de rotation du miroir, il fallait obtenir l'observation dans l'oculaire d'une image stable (~530 rpm).

Dans la période de 1924 à 1927, Michelson a mené une série d'expériences, augmentant la précision de la détermination de la distance entre deux miroirs et augmentant la vitesse du rotor.

Un exemple de calcul ressemble à ceci :

Ici, n et T sont la fréquence et la période de rotation du prisme octogonal, φ est le temps de rotation d'une face du miroir et L est la distance utilisée entre la source lumineuse et l'observateur (~ 35 km).

À la suite d'une série d'expériences, la vitesse de la lumière mesurée était de 299 796 km/s avec une précision record de 4 km/s.

2.3 Constantes électromagnétiques

Immédiatement après que Maxwell a proposé la théorie de l'électromagnétisme, il est devenu possible de calculer la vitesse de la lumière dans le vide grâce à la constante électrique e0 et la constante magnétique m0, qui sont liées par la relation c2=1/(e0m0). La constante électrique e0 peut être déterminée en mesurant la capacité d'un condensateur avec ses dimensions connues, tandis que la valeur de la constante magnétique m0 est généralement prise comme une valeur précisément connue de 4pCh10-7 H/m. En 1907, Rosa et Dorsey ont utilisé cette méthode, calculant la vitesse de la lumière à 299 710 ± 22 km/s.

2.4 Utilisation de résonateurs

Une autre façon de déterminer la vitesse de la lumière est la mesure indépendante simultanée de la fréquence un rayonnement électromagnétique dans le vide n et sa longueur d'onde l. Ensuite, la vitesse de la lumière c peut être trouvée à partir de l'équation c = n l. A ces fins, il est commode d'utiliser un résonateur à cavité. L'idée principale est de créer une onde stationnaire et de compter le nombre de demi-ondes sur la longueur du résonateur. Si les dimensions d'un tel résonateur sont connues avec une grande précision, elles peuvent être utilisées pour déterminer la longueur d'onde du rayonnement étudié.

En 1946, Essen et Hodon-Smith ont mesuré la fréquence d'émission pour divers modes normaux d'émission dans une cavité micro-onde de taille connue. La taille linéaire du résonateur a été mesurée avec une précision de ± 0,8 µm. La longueur d'onde de chacun des modes étant déterminée par la géométrie de l'appareil lui-même, la mesure de la fréquence du rayonnement a permis de calculer la vitesse de la lumière. La vitesse de la lumière ainsi mesurée était de 299 792 ± 3 km/s.

2.5 Interférométrie

L'interférométrie est une méthode de recherche basée sur le phénomène d'interférence (addition) d'ondes. L'essence de cette approche est la suivante. Un faisceau lumineux cohérent formé par un laser est spatialement divisé en deux (ou plusieurs) faisceaux de fréquence connue n par l'un ou l'autre dispositif, puis rapprochés. En se repliant à nouveau, les rayons sur l'écran forment un motif d'interférence. La distance entre le maximum (ou le minimum) sera uniquement liée à la longueur d'onde. Après avoir déterminé la longueur d'onde l, la vitesse de la lumière est trouvée à partir de la relation c = n l.

Considérons le principe de fonctionnement de l'appareil sur l'exemple de l'interféromètre de Michelson classique (Fig. 7), à l'aide duquel il a été prouvé que la vitesse de la lumière est une constante et ne dépend pas du mouvement relatif de la lumière source et le récepteur.

L'interféromètre est constitué de deux miroirs M1, M2 en verre translucide P inclinés à 45o. Ce verre transmet une partie de la lumière et en réfléchit une partie. La différence de trajet du faisceau est déterminée par la différence entre les bras de l'interféromètre L1 et L2 :

Dans ce cas, un déphasage apparaît d=2p/l=kD.

La répartition de la lumière sur l'écran dépendra du delta de déphasage. Les maxima du motif d'interférence seront observés lorsque la différence de trajet est un nombre entier de longueurs d'onde, et les minima - lorsqu'il s'agit d'un demi-entier.

Avant l'avènement des lasers, des sources radio cohérentes étaient utilisées en interférométrie pour déterminer la vitesse de la lumière. En 1958, Froome a obtenu la vitesse de la lumière à 299 792,5 ± 0,1 km/s en utilisant un interféromètre à micro-ondes et un obturateur électro-optique (cellule de Kerr). La fréquence a été trouvée par comparaison avec les harmoniques supérieures d'un oscillateur à quartz standard. Un interféromètre de Michelson similaire a été utilisé pour mesurer la longueur d'onde. Le rayonnement du klystron avec une fréquence de 24 GHz a été divisé en deux faisceaux dans l'interféromètre. La position du miroir a été déterminée avec une précision de 3 μm, et la différence de marche a assuré la détermination de la longueur d'onde avec une précision allant jusqu'à 3 10-6. Des erreurs importantes dans la détermination de la vitesse de la lumière sont survenues en raison de phénomènes de diffraction dans l'interféromètre et de la présence d'un écho créé par des objets stationnaires dans le laboratoire. Les valeurs obtenues de la vitesse de la lumière ont été recalculées au vide sur la base de l'indice de réfraction connu de l'air.

À partir de 1970, il est devenu possible d'utiliser des lasers à haute stabilité de spectre et des horloges atomiques, ce qui a augmenté la précision des mesures pour enregistrer des précisions. Des expériences ont montré que la vitesse de la lumière était de 299 792,4574 ± 0,001 km/s. A partir de ce moment, il devint plus raisonnable de redéfinir la notion de mètre en fixant la vitesse de la lumière. Ainsi, aujourd'hui, un mètre est compris comme une distance, comme la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 secondes. Ainsi, la vitesse de la lumière, la constante fondamentale la plus importante en physique, est maintenant calculée avec une très grande certitude, et le compteur de référence peut être déterminé avec beaucoup plus de précision que jamais auparavant.

3. AUTRES EXPÉRIENCES

3.1 Propagation de la lumière dans un milieu

En 1851, Fizeau met en place une expérience pour mesurer la vitesse de la lumière dans un milieu. La lumière passait à travers de l'eau stagnante et en mouvement, et la vitesse de la lumière était mesurée à l'aide d'un interféromètre.

Dans cette expérience, un faisceau de lumière (faisceau 1 et faisceau 2) a traversé deux fois un tube d'eau et a finalement créé un motif d'interférence. La vitesse de propagation de la lumière a d'abord été mesurée dans l'eau au repos, puis dans l'eau se déplaçant à une vitesse V : en aval (faisceau 1) et à contre-courant (faisceau 2). La différence dans le trajet des rayons a été mesurée et le changement de la vitesse de propagation de la lumière en a été trouvé.

La vitesse de la lumière dans un milieu stationnaire c" est liée à l'indice de réfraction du milieu

La loi d'addition des vitesses stipule que la vitesse de la lumière par rapport à un observateur stationnaire doit être

Cependant, Fizeau a constaté que la vitesse V entre dans cette équation sous la forme 6V, où

Ainsi, au cours des expériences de Fizeau, il a été démontré que l'addition classique ne fonctionne pas dans le cas de la propagation de la lumière dans un milieu et doit être modifiée. Cette expérience a joué grand rôle dans la construction de la théorie restreinte de la relativité.

3.2 Vitesse maximale de la lumière

En 1932, les scientifiques Kennedy et Thorndike, puis en 1963 Sade, ont mené une série d'expériences, établissant que la valeur de la vitesse de la lumière est la même dans tous les référentiels inertiels. L'expérience a considéré l'annihilation d'électrons et de positrons avec des vitesses de 0 à c/2. En conséquence, deux rayons gamma sont émis, dont la vitesse peut être mesurée.

Il a été trouvé avec une bonne précision que la vitesse des quanta gamma était la même et égale à c, quelles que soient les vitesses de l'électron et du positron avant l'annihilation.

CONCLUSION

La vitesse de la lumière joue un rôle important en physique et son importance ne peut être surestimée. Étant, d'une part, la vitesse limite de la propagation des interactions et du mouvement des particules, elle caractérise l'espace-temps dans son ensemble, étant une quantité invariante dans tout référentiel inertiel.

Les idées sur la vitesse de la lumière ont changé au cours des siècles, et sa valeur numérique déterminée de plus en plus précisément par diverses méthodes instrumentales.

Ainsi, la vitesse de la lumière est une quantité étonnante qui captive par son propriétés étonnantes plus d'une génération de spécialistes des sciences naturelles.

LISTE DE LA LITTÉRATURE UTILISÉE

Eichelson et la vitesse de la lumière. Traduction de l'anglais. - M. : Maison d'édition de la littérature étrangère, 1963. Gadzhaev. Proc. Manuel pour les universités.-M. : Supérieur. École, 1977 Matveev. - M. : Livre à la demande, 2012. Rosa E. B. Dorsey, N. E. Le rapport des unités électromagnétiques et électrostatiques // Bulletin du Bureau des normes. - 1907. - 3(6). - P. 433 Essen L. La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dérivées des fréquences de résonance d'un résonateur à cavité cylindrique // Actes de la Royal Society of London A. - 1950. - 204(1077). - P. 260-277 Sade D. États cohérents à deux photons des champs de rayonnement // Physical Review Letters. - 1963. - 10. - P. 271 Bradley J. Compte rendu d'un nouveau mouvement découvert du Fix "d Stars // Transactions philosophiques. - 1729. - 33. - P. 637-660. Cohen I. B. Roemer et le première détermination de la vitesse de la lumière (1676) // Isis. - 1940. - 31(2). - P. 327 Gindikin sur les physiciens et les mathématiciens. - M.: MTsNMO, 2001 - P.105-108 Bonch-Bruevich de la lumière // Encyclopédie Physique / Ch. éd. . - M. : BRE, 1994. - V.4 - S.548-549.

Présentation sur le thème "Détermination de la vitesse de la lumière" en physique pour les lycéens.

Professeur Kruchenok E.N.

Fragments de la présentation

La nature de la lumière a été spéculée depuis l'Antiquité :

Pythagore : "La lumière est la sortie des "atomes" des objets vers les yeux de l'observateur"
Aux XVI-XVII siècles René Descartes, Robert Hooke,
Christian Huygens est parti du fait que la propagation de la lumière est la propagation des ondes dans un milieu.
Isaac Newton a mis en avant la nature corpusculaire de la lumière, c'est-à-dire qu'il croyait que la lumière est le rayonnement de certaines particules par les corps et leur distribution dans l'espace.

Méthode astronomique pour mesurer la vitesse de la lumière

Pour la première fois, la vitesse de la lumière a été mesurée par le scientifique danois O. Römer en 1676. Pour les mesures, il a utilisé les distances entre les planètes du système solaire. Römer a observé des éclipses de la lune Io de Jupiter.

Le rayon de l'orbite du satellite Io autour de Jupiter est de 421600 km, le diamètre du satellite est de 3470 km.
Roemer a vu le satellite passer devant la planète, puis plonger dans son ombre et disparaître de sa vue. Puis il réapparut comme une lampe clignotante.

L'intervalle de temps entre deux poussées était de 42 heures 28 minutes.

Initialement, les mesures ont été effectuées au moment où la Terre, dans son mouvement autour du Soleil, se rapprochait le plus de Jupiter.
Mêmes mesures au bout de 6 mois, lorsque la Terre s'est éloignée de Jupiter au diamètre de son orbite.
Le satellite a tardé à sortir de l'ombre de 22 minutes, par rapport au calcul.
Soit T1 le moment où Io quitte l'ombre de Jupiter selon l'horloge terrestre, et t1 le moment réel où cela se produit ; Alors:
T1 = t1 + S1/c, où S1 est la distance parcourue par la lumière jusqu'à la Terre.
... calculs

Méthodes de laboratoire pour mesurer la vitesse de la lumière

Pour la première fois, la vitesse de la lumière a été mesurée par la méthode de laboratoire par le physicien français I. Fizeau en 1849.

La lumière de la source tombait sur le miroir, puis était dirigée vers la périphérie de la roue en rotation rapide.
Puis il atteignit le miroir, passa entre les dents et frappa l'œil de l'observateur.
La vitesse angulaire de rotation a été choisie pour que la lumière, après réflexion sur le miroir derrière le disque, pénètre dans l'œil de l'observateur en passant par le trou voisin.
La roue tournait lentement - la lumière était visible.
Au fur et à mesure que la vitesse augmentait, la lumière disparaissait progressivement.
Avec une nouvelle augmentation de la vitesse de rotation, la lumière est redevenue visible.

La vitesse de la lumière est d'environ 313 000 km/s.

vitesse de la lumière

La vitesse maximale possible pour les corps matériels.
Des progrès récents (1978) ont donné la valeur suivante pour la vitesse de la lumière c=299792,458 km/s=(299792458±1,2) m/s.
Dans toutes les autres substances, la vitesse de la lumière est inférieure à celle du vide.
Théorie des quanta la lumière est apparue au début du XXe siècle. Il a été formulé en 1900 et justifié en 1905. Les fondateurs de la théorie quantique de la lumière sont Planck et Einstein. Selon cette théorie, le rayonnement lumineux est émis et absorbé par des particules de matière non pas en continu, mais discrètement, c'est-à-dire en portions séparées - des quanta de lumière. La théorie quantique, pour ainsi dire, a relancé sous une nouvelle forme la théorie corpusculaire de la lumière, mais c'était essentiellement le développement de l'unité des phénomènes ondulatoires et corpusculaires.

En 1676, l'astronome danois Ole Römer fit la première estimation approximative de la vitesse de la lumière. Römer a remarqué une légère différence dans la durée des éclipses des satellites de Jupiter et a conclu que le mouvement de la Terre, soit en s'approchant de Jupiter, soit en s'en éloignant, modifiait la distance que la lumière réfléchie par les satellites devait parcourir.

En mesurant l'ampleur de cet écart, Römer a calculé que la vitesse de la lumière était de 219 911 kilomètres par seconde. Dans une expérience ultérieure en 1849, le physicien français Armand Fizeau a découvert que la vitesse de la lumière était de 312 873 kilomètres par seconde.

Comme le montre la figure ci-dessus, la configuration expérimentale de Fizeau consistait en une source lumineuse, un miroir translucide qui ne réfléchit que la moitié de la lumière tombant dessus, permettant au reste de passer au-delà de l'engrenage rotatif et du miroir fixe. Lorsque la lumière frappait un miroir translucide, elle était réfléchie sur une roue dentée, qui divisait la lumière en faisceaux. Après avoir traversé un système de lentilles de focalisation, chaque faisceau lumineux était réfléchi par un miroir fixe et renvoyé vers la roue dentée. En effectuant des mesures précises de la vitesse à laquelle la roue dentée bloquait les rayons réfléchis, Fizeau a pu calculer la vitesse de la lumière. Son collègue Jean Foucault a amélioré cette méthode un an plus tard et a découvert que la vitesse de la lumière est de 297 878 kilomètres par seconde. Cette valeur diffère peu de la valeur moderne de 299 792 kilomètres par seconde, qui est calculée en multipliant la longueur d'onde et la fréquence du rayonnement laser.

Expérience Fizeau

Comme le montrent les figures ci-dessus, la lumière se déplace vers l'avant et vers l'arrière à travers le même espace entre les dents de la roue si elle tourne lentement (figure du bas). Si la roue tourne vite (photo du haut), le rouage adjacent bloque la lumière qui revient.

Les résultats de Fizeau

En plaçant le miroir à une distance de 8,64 kilomètres de la roue dentée, Fizeau a déterminé que la vitesse de rotation de la roue dentée nécessaire pour bloquer le faisceau lumineux de retour était de 12,6 tours par seconde. Connaissant ces chiffres, ainsi que la distance parcourue par la lumière et la distance que l'engrenage devait parcourir pour bloquer le faisceau lumineux (égale à la largeur de l'écart entre les dents de la roue), il calcula qu'il fallait le faisceau lumineux 0,000055 secondes pour parcourir la distance entre la roue dentée et le miroir et vice-versa. En divisant par ce temps la distance totale de 17,28 kilomètres parcourue par la lumière, Fizeau obtient pour sa vitesse une valeur de 312 873 kilomètres par seconde.

Expérience de Foucault

En 1850, le physicien français Jean Foucault améliore la technique de Fizeau en remplaçant la roue dentée par un miroir tournant. La lumière de la source n'a atteint l'observateur que lorsque le miroir a fait un tour complet de 360° pendant l'intervalle de temps entre le départ et le retour du faisceau lumineux. En utilisant cette méthode, Foucault a obtenu une valeur de 297 878 kilomètres par seconde pour la vitesse de la lumière.

L'accord final dans les mesures de la vitesse de la lumière.

L'invention des lasers a permis aux physiciens de mesurer la vitesse de la lumière avec une précision beaucoup plus grande que jamais auparavant. En 1972, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology ont soigneusement mesuré la longueur d'onde et la fréquence d'un faisceau laser et ont fixé la vitesse de la lumière, le produit de ces deux variables, à 299792458 mètres par seconde (186282 miles par seconde). L'une des conséquences de cette nouvelle mesure fut la décision de la Conférence générale des poids et mesures d'adopter comme mètre étalon (3,3 pieds) la distance parcourue par la lumière en 1/299792458 de seconde. Ainsi / la vitesse de la lumière, la constante fondamentale la plus importante en physique, est maintenant calculée avec une très grande certitude, et le mètre de référence peut être déterminé avec beaucoup plus de précision que jamais auparavant.

La vitesse de la lumière a été déterminée pour la première fois par l'astronome danois Roemer en 1676. Jusqu'à cette époque, il y avait deux opinions opposées parmi les scientifiques. Certains croyaient que la vitesse de la lumière était infinie. D'autres, bien qu'ils la considéraient comme très grande, néanmoins définitive. Roemer a confirmé la deuxième opinion. Il a correctement relié les irrégularités dans le temps des éclipses des satellites de Jupiter avec le temps qu'il faut à la lumière pour traverser le diamètre de l'orbite terrestre autour du Soleil. Il a été le premier à tirer une conclusion sur la vitesse finie de propagation de la lumière et a déterminé son ampleur. Selon ses calculs, la vitesse de la lumière s'est avérée être de 300 870 km / s dans les unités modernes. (Données tirées du livre : G. Lipson. Grandes expériences en physique.)

Méthode de Foucault

Méthode de mesure de la vitesse de la lumière, qui consiste en la réflexion successive d'un faisceau lumineux sur un miroir à rotation rapide, puis sur un second miroir fixe situé à une distance précisément mesurée, puis à nouveau sur le premier miroir, qui a subi le temps de tourner sous un petit angle. La vitesse de la lumière est déterminée (compte tenu de la vitesse de rotation du premier miroir et de la distance entre les deux miroirs) en changeant la direction du faisceau lumineux réfléchi trois fois. En utilisant cette méthode, la vitesse de la lumière dans l'air a été mesurée pour la première fois par J. B. L. Foucault en 1862.

En 1878–82 et 1924–26, il mesure la vitesse de la lumière, pendant longtemps est resté inégalé dans la précision. En 1881, il prouve expérimentalement et, avec E. W. Morley (1885-1887), confirme avec une grande précision l'indépendance de la vitesse de la lumière par rapport à la vitesse de la Terre.

Le fonctionnement des réflecteurs d'angle de la gamme optique repose sur le même principe, à savoir un petit prisme trièdre en verre transparent dont les bords sont recouverts d'une fine couche de métal. Un tel U. o. a un Sef élevé en raison du grand rapport a/l. Pour recevoir U. omnidirectionnel environ. utiliser un système de plusieurs prismes. Optique U. environ. s'est généralisé après l'avènement des lasers. Ils sont utilisés dans la navigation, pour mesurer les distances et la vitesse de la lumière dans l'atmosphère, dans les expériences avec la lune et dans d'autres applications. sous forme de verre coloré avec de nombreux évidements de forme tétraédrique, ils sont utilisés comme moyen de signalisation dans le secteur routier et dans la vie quotidienne.

Célèbre américain le scientifique Albert Michelson a passé la majeure partie de sa vie à mesurer la vitesse de la lumière.

Une fois, un scientifique a examiné le trajet présumé d'un faisceau lumineux le long de la toile chemin de fer. Il voulait construire une installation encore plus parfaite pour encore plus méthode exacte mesurer la vitesse de la lumière. Avant cela, il avait déjà travaillé sur ce problème pendant plusieurs années et avait atteint les valeurs les plus précises pour cette époque. Les journalistes se sont intéressés au comportement du scientifique et, perplexes, ont demandé ce qu'il faisait ici. Michelson a expliqué qu'il mesurait la vitesse de la lumière.

- Pourquoi? – question suivie.

"Parce que c'est diablement intéressant", a répondu Michelson.

Et personne n'aurait pu imaginer que les expériences de Michelson deviendraient la base sur laquelle serait construit le majestueux édifice de la théorie de la relativité, donnant une idée complètement nouvelle de l'image physique du monde.

Cinquante ans plus tard, Michelson poursuivait toujours ses mesures de la vitesse de la lumière.

Une fois, le grand Einstein lui a posé la même question :

« Parce que c'est sacrément intéressant ! Michelson et Einstein ont répondu un demi-siècle plus tard.

Méthode Fizeau

En 1849, A. Fizeau met en place une expérience de laboratoire pour mesurer la vitesse de la lumière. La lumière de la source 5 traversait l'interrupteur K (les dents de la roue tournante) et, réfléchie par le miroir 3, revenait à la roue dentée. Supposons que la dent et la fente de la roue dentée aient la même largeur et que la place de la fente sur la roue soit occupée par la dent adjacente. Ensuite, la lumière sera bloquée par une dent et elle deviendra sombre dans l'oculaire. Cela se fera sous la condition que le temps d'aller-retour de la lumière t=2L/c soit égal au temps de rotation de l'engrenage d'une demi-crémaillère t2=T/(2N)=1/(2Nv). Ici L est la distance entre la roue dentée et le miroir ; T est la période de rotation de la roue dentée ; N est le nombre de dents ; v=1/T – fréquence de rotation. De l'égalité t1=t2 découle la formule de calcul pour déterminer la vitesse de la lumière par cette méthode :

c=4LNv

Par la méthode de l'obturateur rotatif, Fizeau obtient en 1849 la valeur de la vitesse de la lumière c = 3,13-10**5 km/s, ce qui n'est pas mal du tout pour l'époque. Par la suite, l'utilisation de divers obturateurs a permis d'affiner sensiblement la valeur de la vitesse de la lumière. Ainsi, en 1950, la valeur de la vitesse de la lumière (dans le vide) a été obtenue, égale à :

s = (299 793,1 ± 0,25) km/s.

Une solution ingénieuse au problème complexe de la détermination de la vitesse de la lumière a été trouvée en 1676 par l'astronome danois Olaf Roemer.

Olaf Roemer, observant le mouvement des satellites de Jupiter, a remarqué que lors d'une éclipse, le satellite quitte la région d'ombre avec un retard périodique. Remer a expliqué cela par le fait qu'au moment de la prochaine observation, la Terre se trouve à un point différent de son orbite que la fois précédente et, par conséquent, la distance entre elle et Jupiter est différente. L'augmentation maximale de cette distance est égale au diamètre de l'orbite terrestre. Et juste au moment où la Terre est la plus éloignée de Jupiter, le satellite sort de l'ombre avec le plus de retard.

En comparant ces données, Roemer est arrivé à la conclusion que la lumière du satellite parcourt une distance égale au diamètre de l'orbite terrestre - 299 106 000 km en 1320 secondes. Une telle conclusion non seulement convainc que la vitesse de propagation de la lumière ne peut pas être instantanée, mais nous permet également de déterminer l'amplitude de la vitesse ; Pour ce faire, il faut diviser le diamètre de l'orbite terrestre par le temps de retard du satellite.

Selon les calculs de Roemer, la vitesse de propagation de la lumière s'est avérée être de 215 000 km/sec.

Des méthodes ultérieures plus avancées d'observation du temps de retard des satellites de Jupiter ont permis d'affiner cette valeur. La vitesse de propagation de la lumière, selon les données modernes, est de 299 998,9 km/s. Pour des calculs pratiques, la vitesse de la lumière dans le vide est supposée être de 300 000 km/sec. L'énorme grandeur de la vitesse de la lumière a stupéfié non seulement les contemporains de Roemer, mais a également servi de prétexte pour nier la théorie corpusculaire de la lumière.

Si la lumière est un flux de corpuscules, alors à une telle vitesse de mouvement, leur énergie devrait être très élevée. Les impacts des corpuscules lors de la chute sur les corps doivent être ressentis, c'est-à-dire que la lumière doit exercer une pression !

Après Roemer, la vitesse de la lumière a été mesurée par James Bradley.

En traversant la Tamise un jour, Bradley a remarqué que pendant que le bateau se déplaçait, le vent semblait souffler dans une direction différente de la réalité. Cette observation lui permit probablement d'expliquer par un phénomène analogue le mouvement apparent des étoiles fixes, appelé aberration Sveta.

La lumière d'une étoile atteint la Terre, tout comme des gouttes de pluie tombent sur les vitres d'une voiture en marche. Le mouvement du faisceau de lumière et le mouvement de la terre s'additionnent.

Par conséquent, pour que la lumière d'une étoile située perpendiculairement au plan de mouvement de la Terre pénètre dans le télescope, elle doit être inclinée d'un certain angle, qui ne dépend pas de la distance à l'étoile, mais uniquement de la vitesse de la lumière et la vitesse de la Terre (elle était déjà connue à l'époque - 30 km/sec).

En mesurant l'angle, Bradley a découvert que la vitesse de la lumière est de 308 000 km/sec. Les mesures de Bradley, comme celles de Roemer, n'ont pas résolu la question controversée de la valeur de la constante dans la loi de réfraction, puisque Bradley et Roemer ont déterminé la vitesse de l'ensemble non pas dans n'importe quel milieu, mais dans l'espace extra-atmosphérique.

L'idée d'une nouvelle méthode de mesure de la vitesse de la lumière a été proposée par D. Arago. J'en ai fait deux différentes façons I. Fizeau et L. Foucault.

Fizeau en 1849 mesura soigneusement la distance entre deux points. Au fond d'eux, il a placé une source de lumière, et dans l'autre - un miroir, à partir duquel la lumière doit être réfléchie et revenir à la source.

Afin de déterminer la vitesse de propagation de la lumière, il était nécessaire de mesurer très précisément le temps que la lumière met pour parcourir le double du trajet de la source au miroir.

La distance entre la source située aux portes de Paris, Surenay, et le miroir installé à Montmartre était de 8 633 m, ce qui signifie que le double de la distance était de 17 266 m, six cent millièmes de seconde.

Il n'y avait alors aucun moyen de mesurer des intervalles de temps aussi petits.

Par conséquent, ces mesures doivent être exclues de l'expérience.

Une longue-vue a été installée à Suresnes, visant Paris. De côté, la lumière provenait d'une source à travers un autre tube. De la surface d'une plaque de verre transparente placée dans un tube à un angle de 45°, la lumière était partiellement réfléchie vers Paris.

A Paris, sur Montmartre, une autre longue-vue a été installée, dans laquelle tombait la lumière réfléchie par une plaque transparente.

En regardant à travers l'oculaire, on pouvait voir la source lumineuse située derrière le tube latéral. L'oculaire du tube installé à Montmartre a été remplacé par un miroir, grâce auquel la lumière revenait sur Suresnes.

La lumière réfléchie par le miroir de Montmartre, rencontrant une plaque de verre transparente sur le chemin du retour à l'intérieur du tube, était partiellement réfléchie par sa surface, et la secte, qui traversait la plaque et l'oculaire du tube, tombait dans l'œil de l'observateur.

Le télescope de Suresnes, en plus du tube latéral par lequel la lumière entrait, avait une fente à l'endroit où se trouvaient le foyer de l'objectif et de l'oculaire. Une roue dentée traversait la fente, qui était mise en mouvement par un mouvement d'horlogerie. Lorsque la roue était immobile et réglée de manière à ce que la lumière passe entre les dents, l'oculaire du tube pouvait voir la lumière réfléchie par le miroir de Montmartre.

Lorsque la roue a été mise en mouvement, la lumière a disparu. Cela s'est produit au moment où la lumière, passant entre les dents de la roue vers Paris, a rencontré la dent au retour, et non l'écart entre les dents.

Pour que la lumière réapparaisse dans l'oculaire, il fallait doubler le nombre de tours de la roue.

Avec une nouvelle augmentation du nombre de tours, la lumière a de nouveau disparu.

Dans les expériences de Fizeau, la roue dentée avait 720 dents. La première disparition de l'ensemble a été observée lorsque la roue a fait 12,67 tours par seconde.

Il a fait un tour en un temps égal à 1/12,67 sec. Dans ce cas, l'espace entre les dents a été remplacé par une dent. S'il y a 720 dents, alors il y a aussi 720 interstices, donc le changement s'effectue en un temps égal à 1/12,67*2*720 = 1/18245 sec.

Pendant ce temps, la lumière a parcouru deux fois la distance de Suresnes à Montmartre.

Par conséquent, sa vitesse était égale à 315 000 km / s.

Une méthode aussi ingénieuse a réussi à éviter les mesures de petits intervalles de temps tout en déterminant la vitesse de la lumière.

La distance relativement importante entre la source lumineuse et le miroir ne permettait de placer aucun support sur le trajet de la lumière. Fizeau a déterminé la vitesse de la lumière dans l'air.

La vitesse de la lumière dans d'autres médias a été déterminée par Foucault en 1862. Dans les expériences de Foucault, la distance entre la source et le miroir n'était que de quelques mètres. Cela a permis de placer un tube rempli d'eau dans le chemin de la lumière.

Foucault a découvert que la vitesse de la lumière dans divers environnements moins que dans les airs. Dans l'eau, par exemple, elle est égale à la vitesse de la lumière dans l'air. Les résultats obtenus ont résolu un différend de deux siècles entre les théories corpusculaire et ondulatoire sur la valeur de la constante dans la loi de la réfraction. Valeur correcte dans la loi de la réfraction donne la théorie ondulatoire de la lumière.

Des mesures de la vitesse de propagation de la lumière dans différents milieux ont permis d'introduire la notion de densité optique d'une substance.

Liste de la littérature utilisée

Modélisation par simulation. – [Ressource électronique] – Mode d'accès : webcache.googleusercontent.com – Date d'accès : avril 2014. - Zagl. depuis l'écran.

Vraiment, comment ? Comment mesurer la vitesse la plus élevée en univers dans nos modestes conditions terrestres ? Nous n'avons plus besoin de réfléchir à cela - après tout, pendant plusieurs siècles, tant de personnes ont travaillé sur cette question, développant des méthodes pour mesurer la vitesse de la lumière. Commençons l'histoire dans l'ordre.

vitesse de la lumière est la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide. Il est désigné par la lettre latine c. La vitesse de la lumière est d'environ 300 000 000 m/s.

Au début, personne ne pensait du tout à la question de la mesure de la vitesse de la lumière. Il y a de la lumière - c'est super. Puis, à l'époque de l'Antiquité, l'opinion selon laquelle la vitesse de la lumière était infinie, c'est-à-dire instantanée, dominait parmi les philosophes scientifiques. Alors c'était Moyen-âge avec l'Inquisition, alors que la principale question des gens pensants et progressistes était la question "Comment ne pas entrer dans le feu?" Et seulement à l'époque Renaissance Et Éclaircissement les opinions des scientifiques se sont multipliées et, bien sûr, divisées.

Donc, Descartes, Kepler Et Cultiverétaient du même avis que les savants de l'antiquité. Mais il croyait que la vitesse de la lumière est finie, bien que très élevée. En fait, il a fait la première mesure de la vitesse de la lumière. Plus précisément, il a fait la première tentative pour le mesurer.

L'expérience de Galilée

Expérience Galilée était brillant dans sa simplicité. Le scientifique a mené une expérience pour mesurer la vitesse de la lumière, armé de simples moyens improvisés. À une distance grande et bien connue l'un de l'autre, sur différentes collines, Galilée et son assistant se tenaient avec des lanternes allumées. L'un d'eux ouvrit le volet de la lanterne, et le second dut faire de même lorsqu'il vit la lumière de la première lanterne. Connaissant la distance et le temps (le délai avant que l'assistant n'ouvre la lanterne), Galilée s'attendait à calculer la vitesse de la lumière. Malheureusement, pour que cette expérience réussisse, Galileo et son assistant ont dû sélectionner des collines distantes de plusieurs millions de kilomètres. Je vous rappelle que vous pouvez commander un essai en remplissant une demande sur le site.

Expériences de Roemer et Bradley

La première expérience réussie et étonnamment précise pour déterminer la vitesse de la lumière a été l'expérience de l'astronome danois Olaf Romer. Roemer a appliqué la méthode astronomique de mesure de la vitesse de la lumière. En 1676, il a observé la lune Io de Jupiter à travers un télescope et a découvert que l'heure de l'éclipse du satellite change à mesure que la Terre s'éloigne de Jupiter. Le temps de retard maximum était de 22 minutes. En supposant que la Terre s'éloigne de Jupiter à une distance du diamètre de l'orbite terrestre, Roemer a divisé la valeur approximative du diamètre par le temps de retard et a reçu une valeur de 214 000 kilomètres par seconde. Bien sûr, un tel calcul était très approximatif, les distances entre les planètes n'étaient connues qu'approximativement, mais le résultat s'est avéré relativement proche de la vérité.

L'expérience Bradley. En 1728 James Bradley a estimé la vitesse de la lumière en observant l'aberration des étoiles. aberration est un changement de la position apparente d'une étoile causé par le mouvement de la terre sur son orbite. Connaissant la vitesse de la Terre et mesurant l'angle d'aberration, Bradley a obtenu une valeur de 301 000 kilomètres par seconde.

L'expérience de Fizeau

Le résultat de l'expérience de Roemer et Bradley a été traité avec méfiance par le monde scientifique de l'époque. Cependant, le résultat de Bradley était le plus précis depuis plus de cent ans, jusqu'en 1849. Cette année-là, le scientifique français Armand Fizeau mesuré la vitesse de la lumière en utilisant la méthode de l'obturateur rotatif, sans observer corps célestes mais ici sur terre. En fait, c'était le premier après Galileo méthode de laboratoire mesurer la vitesse de la lumière. Vous trouverez ci-dessous un schéma de la configuration de son laboratoire.

La lumière, réfléchie par le miroir, passait à travers les dents de la roue et était réfléchie par un autre miroir, à 8,6 kilomètres de distance. La vitesse de la roue a été augmentée jusqu'à ce que la lumière soit visible dans l'intervalle suivant. Les calculs de Fizeau donnaient un résultat de 313 000 kilomètres par seconde. Un an plus tard, une expérience similaire avec un miroir tournant a été réalisée par Léon Foucault, qui a obtenu le résultat de 298 000 kilomètres par seconde.

Avec l'avènement des masers et des lasers, les gens ont de nouvelles opportunités et de nouvelles façons de mesurer la vitesse de la lumière, et le développement de la théorie a également permis de calculer la vitesse de la lumière indirectement, sans effectuer de mesures directes.

La valeur la plus précise de la vitesse de la lumière

L'humanité a accumulé une vaste expérience dans la mesure de la vitesse de la lumière. A ce jour, la valeur la plus précise de la vitesse de la lumière est considérée comme la valeur 299 792 458 mètres par seconde reçu en 1983. Il est intéressant de noter qu'une mesure plus précise de la vitesse de la lumière s'est avérée impossible en raison d'erreurs de mesure. mètres. Maintenant, la valeur du mètre est liée à la vitesse de la lumière et est égale à la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 secondes.

Enfin, comme toujours, nous vous suggérons de regarder une vidéo informative. Amis, même si vous êtes confronté à une tâche telle que mesurer indépendamment la vitesse de la lumière avec des moyens improvisés, vous pouvez vous tourner en toute sécurité vers nos auteurs pour obtenir de l'aide. Vous pouvez commander un test en ligne en remplissant une demande sur le site Web du cours par correspondance. Nous vous souhaitons une étude agréable et facile!