Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Фуко метод
Определение скорости света методом Фуко

Описание

Скорость света в свободном пространстве (вакууме) - скорость распространения любых электромагнитных волн (так называемых световых); Одна из фундаментальных физических постоянных; представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий и инвариантна при переходе от одной системы отсчёта к другой.
Скорость света в среде с' зависит от показателя преломления среды n, различного для разных частот v излучения с'(v)=c/n(v). Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости от фазовой скорости света в среде, если речь идёт не о монохроматичном свете (для скорости света в вакууме эти две величины совпадают). Экспериментально определяя с', всегда измеряют групповую скорость света, либо так называемую скорость сигнала, или скорость передачи энергии, только в некоторых специальных случаях не равную групповой.
Впервые скорость света определил в 1676 0. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера. В 1728 её установил Дж. Брадлей, исходя из своих наблюдений аберрации света звёзд. В 1849 А. И. Л. Физо первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы); так как показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают величину, весьма близкую к с. В опыте Физо пучок света от источника, отражённый полупрозрачным зеркалом N, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском W, проходил базу MN (окружность 8 км) и, отразившись от зеркала М, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр Е. По известным скоростям вращении диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил значение с=313300 км/с. В 1862 Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 идею Д. Араго, применив вместо зубчатого диска быстровращающееся (512 об/с) зеркало. Отражаясь от зеркала, пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на это же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол (рисунок 1). При базе всего в 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000±500 км/с. Схемы и основные идеи опытов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света. Полученное А. Майиельсоном в 1926 значение с=299796±4 км/с было тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин.
Определение скорости света методом вращающегося зеркала (методом Фуко)
Рисунок 1
На рисунке S - источник света; R - быстровращающееся зеркало; С - неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения R (поэтому свет, отражённый С, всегда попадает обратно на R); М  - полупрозрачное зеркало; L - объектив; Е - окуляр; RC - точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RС и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив L, который собирает отражённый пучок в точке S', а не вновь в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале R. Скорость света устанавливают, измеряя смещение SS'
Измерения скорости света в 19 веке сыграли большую роль в физике, дополнительно подтвердив волновую теорию света. Выполненное Фуко в 1850 сравнение скорости света одной и той же частоты v в воздухе и воде показало, что скорость в воде и=с/п(v) в соответствии с предсказанием волновой теории. Была также установлена связь оптики с теорией электромагнетизма: измеренная скорость света совпала со скоростью электромагнитных волн, вычисленной из отношения электромагнитных и электростатических единиц электрического заряда [опыты В. Вебёра и Ф. Кольрауша в 1856 и последующие более точные измерения Дж. К. Максвелла. Это совпадение явилось одним из отправных пунктов при создании Максвеллом в 1864-1873 электромагнитной теории света.
В современных измерениях скорость света используется модернизированный метод Физо (модуляционный метод) с заменой зубчатого колеса на электрооптический, дифракционный, интерференционный или какой-либо иной модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок. Приёмником излучения служит фотоэлемент или фотоэлектронный умножитель. Применение лазера в качестве источника света, УЗ-модулятора со стабилизированной частотой и повышение точности измерения длины базы позволили снизить погрешности измерений и получить значение с=299792,5±0,15 км/с. Помимо прямых измерений скорости света по времени прохождения известной базы, широко применяются косвенные методы, дающие большую точность. Так, с помощью микроволнового вакуумированного резонатора при длине волны излучения l=4 см получено значение с=299792,5±0,1 км/с. С ещё меньшей погрешностью определяется скорость света как частное от деления независимо найденных l и v атомарных или молекулярных спектральных линий. К. Ивенсон и его сотрудники в 1972 по цезиевому стандарту частоты (смотрите Квантовые стандарты частоты) нашли с точностью до 11-го знака частоту излучения СН4-лазера, а по криптоновому стандарту частоты его длину волны (около 3,39 мнм) н получили с = 299792456,2±0,8 м/с. Решением Генеральной ассамблеи Международного комитета по численным данный для науки и техники КОДАТА (1973), проанализировавшей все имеющиеся данные, их достоверность и погрешность, скорость света в вакууме принято считать равной 299792458±1,2 м/с.

 

Области техники и экономики

 

Применение эффекта

Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретическом плане и для определения значений других физических величии, но и для практических целей. К ним, в частности, относится определение расстояний по времени прохождения радио или световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии, в системах слежения ИСЗ и других.

Реализации эффекта

Один из методов исследования космических объектов. Радиолокация базируется на сравнении параметров излучаемых антенной и отраженных от исследуемого объекта радиоволн. Если радиоизлучение испускается в виде импульсов, возникает возможность измерить расстояние до отражающего объекта по времени задержки их возвращения. Ослабление интенсивности отраженного излучения вместе с возможной его поляризацией позволяют судить о физических характеристиках поверхностей космических объектов. С помощью радиолокации уточняются расстояния от Земли до различных тел Солнечной системы, исследуются метеороиды и структура земной ионосферы, с космических аппаратов изучаются свойства поверхностей планет. Например, карта поверхности Венеры составлена только на основе этого метода. Первоначально радиолокация использовалась для определения положений самолетов в интересах противовоздушной обороны.

Электрооптический дальномер, светодальномер, прибор для измерения расстояний по времени прохождения измеряемого расстояния электромагнитными волнами оптического или инфракрасного диапазонов. Электрооптические дальномеры делятся на импульсные и фазовые (в зависимости от того, каким способом определяют время прохождения световым импульсом расстояния до объекта и обратно). Электрооптический дальномер первого вида измеряют расстояние по времени между моментом испускания импульса передатчиком и моментом возвращения импульса, приходящего от отражателя, установленного на конце измеряемой линии, второго вида по разности фаз посылаемого синусоидально модулированного излучения и принятого. Наибольшее распространение получили фазовые электрооптические дальномеры, упрощённая блок-схема которых дана на рисунке 1. Источниками света ранее служили лампы накаливания (3 - 30 вт) и газосветные лампы (50 - 100 вт), ныне газовые и полупроводниковые оптические квантовые генераторы (ОКГ). В эЭлектрооптических дальномерах обычно применяют амплитудную модуляцию с частотами в 10 - 80 мгц, при которой разности фаз в 1° соответствует изменение расстояния менее, чем на 1 см. Конструктивно модулятор н демодулятор одинаковы, их действие основано на использовании Керра эффекта или Поккельса эффекта. Модулирующее световой поток переменное напряжение вырабатывает генератор масштабной частоты, называется так потому, что соответствующая ей длина волны определяет масштаб перевода разности фаз в расстояния. Промодулированный свет линзовой или зеркально-линзовой оптической системой формируется в узконаправленный пучок, посылаемый на отражатель. Отражённый свет фокусируется на демодулятор оптической системой, аналогичной передающей. Регистрируемая индикатором разности фаз интенсивность на выходе демодулятора зависит от соотношения фаз в принятом световом сигнале и в управляющем демодулятором напряжении; фазовращатель позволяет установить заданное соотношение и отсчитать полученную разность фаз, по которой и вычисляется расстояние. Индикатором разности фаз может служить глаз наблюдателя (электрооптический дальномер с визуальной индикацией) или фотоэлектрическое устройство со стрелочным прибором на выходе.
Схема электрооптического дальномера
Рисунок 1
 

Литература

1. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др.– М.: Большая Российская энциклопедия. Т.IV –. 1998. Стр. 548.

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина