Часто в темное время суток я замечал, что свет от фар машин тут же отражается от полосок моей куртки. Меня заинтересовал вопрос: а с какой же скоростью свет фар доходит до меня? Как быстро может распространяться свет? Пролетают ли в космосе лучи самого важного для человека источника света — Солнца — моментально или нет? А свет от далеких звезд? И так как мне нравится все, что связано с космосом, звездами и планетами, я решил изучить этот вопрос поглубже и попробовать измерить скорость света, если это возможно.
Актуальность нашей работы определяется тем, что в настоящее время в начальной школе не изучаются вопросы, связанные с электромагнитными волнами и светом, хотя они используются повсюду и ученики знают о существовании световых лучей и волн, знакомы с понятием движения.
На сегодняшний день существует много теоретических работ, посвященных измерению скорости света. Однако, мы решили изучить этот вопрос глубже, обобщить имеющийся опыт, провести свои измерения и подтвердить достоверность результатов — в этом и заключается новизна нашего исследования.
Целью работы является определение возможности измерения скорости света в домашних условиях и оценка достоверности полученного результата.
Задачи:
– изучить материалы, раскрывающие понятие природы света и способов измерения скорости света;
– рассмотреть возможность применения современных электроприборов для измерения скорости света в домашних условиях;
– провести серию экспериментов по измерению скорости света;
– подтвердить достоверность полученных результатов путем сравнения с эталонным значением.
Таким образом, объектом исследования будет являться свет, а предметом исследования — его скорость и методы ее измерения.
Свет нельзя пощупать или взять в руку. Свет помогает нам понимать мир, в котором мы живем. Свет состоит из мельчайших частиц. Эти частицы называются фотонами. Солнечный свет, сияние звезд, мерцание свечи — все это потоки фотонов. Ученые выяснили, что на самом деле свет — это не только поток частиц — фотонов, но и одновременно свет — это энергетическая волна, которая перемещается строго по прямой и с постоянной скоростью [1].
Скоростью света называют скорость, с которой происходит распространение энергетических волн в космосе. На данный момент скорость света является самой большой из всех возможных достижимых скоростей и равна точно 299 792 458 м/с [2].
Сначала над вопросом измерения скорости света никто не задумывался. В эпоху античности среди ученых философов господствовало мнение о том, что скорость света бесконечна. В эпоху Просвещения появилось множество мнений о природе и скорости света. И, конечно же, эти мнения разделились. Так, Декарт, Кеплер и Ферма были того же мнения, что и ученые античности. А вот Галилео Галилей считал, что скорость света конечна, хоть и очень велика. Собственно, он и провел первое измерение скорости света.
Опыт Галилея (1607 год). Основатель экспериментальной физики, итальянский астроном Галилей проводил эксперимент по измерению скорости света, вооружившись простыми подручными средствами. На большом и известном расстоянии друг от друга (на разных холмах) Галилей и его помощник стояли с зажженными фонарями. Один из них открывал заслонку на фонаре, а второй должен был проделать то же самое, когда увидит свет первого фонаря. Зная расстояние и время, протекшее от момента подачи сигнала до момента его возвращения, Галилей надеялся вычислить скорость света. Однако попытки осуществления такого опыта потерпели неудачу, так как из-за огромной скорости света измерялось не время распространения светового сигнала, а время, потраченное наблюдателями на реакцию [3].
Опыт Рёмера (1676 год). Первым удачным и на удивление точным опытом по определению скорости света был опыт датского астронома Олафа Рёмера. Он применил астрономический метод измерения скорости света. Рёмер, наблюдая в телескоп за спутником Юпитера Ио, обнаружил, что время наступления затмения спутника меняется по мере отдаления Земли от Юпитера. Максимальное время запаздывания составило 22 минуты. Посчитав, что Земля удаляется от Юпитера на расстояние диаметра земной орбиты, Рёмер разделил примерное значение диаметра на время запаздывания, и получил значение скорости света 214 000 000 м/с [3].
Опыт Физо (1849 год). Французский физик Арман Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора. Идея опыта заключалась в следующем: свет, отражаясь от зеркала, проходил через зубья колеса и отражался от еще одного зеркала, удаленного на 8,6 км. Скорость колеса увеличивали до того момента, пока свет не становился виден в следующем зазоре. Расчеты Физо дали результат в 313 000 000 м/с [3].
Как же измерить скорость света в домашних условиях? Методы, использованные учеными, в домашних условиях воспроизвести нельзя, так как они очень сложные и трудоемкие. Но на помощь нам может прийти современная техника, в которой используются энергетические волны.
Известно, что, зная длину волны L и её частоту ν, можно рассчитать скорость распространения электромагнитной волны, равную скорости света С [4]. Воспользуемся микроволновой печью. Она разогревает пищу посредством энергетических микроволн. Микроволновое излучение имеет высокий коэффициент поглощения веществом, что приводит к сильному нагреву. При этом внутри камеры печи образуется «стоячая волна».
Рис. 1. Схема образования «стоячей волны»
В верхних и нижних точках волны («пиках») наблюдаются «горячие зоны», где происходит наибольший разогрев. Известно, что длина энергетической волны будет равна измеренному расстоянию между «пиками», умноженному на два: L = 2 l, м.
Итак, зная длину волны и частоту микроволн печи, можно вычислить скорость, с которой энергетические волны распространяются в микроволновке, а значит, определить скорость света. Частота печи, участвующей в эксперименте, равна 2,45 ГГц. Следовательно, скорость света может быть вычислена по формуле: С 2 450 000 000 L, м/с.
Проведем несколько опытов по измерению скорости света с помощью микроволновой печи. Сначала извлечем вращающийся поддон из печи для того, чтобы была возможность наблюдать не равномерный прогрев, а фиксировать «горячие зоны» [5]. Чтобы оценить, насколько такой метод определения скорости света является точным, возьмем несколько продуктов, которые есть в холодильнике: яйцо, сосиску, сыр и шоколад. Будем проводить с каждым продуктом опыт, помещая его в микроволновку и замеряя полученные расстояния между точками, где был зафиксирован максимальный нагрев.
Надо отметить, что в ходе проведения экспериментов приходилось проводить серию опытов для каждого вида продуктов. Это было связано с необходимостью выявления оптимальной мощности работы микроволновой печи и времени разогрева продуктов, при которых удавалось зафиксировать «стоячую волну». Наиболее удачные и показательные эксперименты мы зафиксировали и опишем ниже.
Опыт № 1. Поставим яичный белок на невращающуюся подставку в микроволновой печи. Через 30 секунд выключим печь и измерим расстояние между явными областями нагрева. Мы получили два видимых результата, которые занесем в таблицу 1. Для примера на рисунке 2 показан ход проведения измерений.
Рис. 2. Проведение измерений расстояния между пиками «стоячей волны»
Опыт № 2. Поставим сосиску в микроволновую печь. Через 40 секунд выключим микроволновку, проведем измерения. Результаты занесем в таблицу 1.
Опыт № 3. Поставим сыр на специальную подставку в микроволновой печи. Через 25 секунд выключим печь и измерим расстояние между явными областями нагрева. Результат измерений занесем таблицу 1.
Опыт № 4. Повторим тот же опыт с плиткой шоколада. Проведем измерения, результат занесем в таблицу 1.
Используя полученные в опытах № 1 — № 4 результаты измерений и ранее рассмотренные формулы, мы вычислили скорость света для каждого из проведенных опытов с продуктами. Вычисления занесем в таблицу 1.
Таблица 1
Значения измерения и расчета скорости света
|
Опыт |
Измеренное расстояние |
Рассчитанная скорость света, м/с |
|
|
см |
м |
||
|
№ 1–1 |
6,0 |
0,060 |
294 000 000 |
|
№ 1–2 |
5,5 |
0,055 |
269 500 000 |
|
№ 2 |
5,8 |
0,058 |
284 200 000 |
|
№ 3 |
7,2 |
0,072 |
352 800 000 |
|
№ 4–1 |
6,6 |
0,066 |
323 400 000 |
|
№ 4–2 |
6,3 |
0,063 |
308 700 000 |
|
Среднее значение: |
305 400 000 |
||
В каждом из четырех опытов мы получили значение скорости света, примерно совпадающее с его истинным значением. Как видно из таблицы 1 и рисунка 3, более точный результат скорости света получен на примере с ячным белком. Это объясняется тем, что на белке после его нагрева сразу становятся видны контрастные белые пятна — пики «стоячей волны». Сыр дал самый неточный результат. Средняя скорость света в наших экспериментах составила 305 400 000 м/с.
Рис. 3. Анализ полученных результатов
В результате выполнения научно-исследовательской работы мы узнали много нового о том, что такое свет и как он распространяется в окружающей среде. Выяснили, какими способами пытались измерить скорость света ученые в прошлом, какие методы они изобретали для проведения измерений и с какими трудностями им пришлось столкнуться. В домашних условиях воспроизвести эти опыты практически невозможно. Но нам на помощь пришло изобретение микроволновой печи, благодаря особенностям которой появился способ измерения скорости света, доступный каждому.
С помощью микроволновой печи и набора продуктов мы провели серию экспериментов по измерению скорости света и расчетным путем определили значение скорости, равное 305 400 000 м/с, очень близкое к настоящему значению. Различие составило всего 2 %.
Литература:
- Качур, Е. Увлекательная физика / Е. Качур. — Москва: Детское издательство «Елена», 2013.
- Алексеева, В. К. Большой детский иллюстрированный словарь обо всём на свете. Гигантский детский иллюстрированный словарь / В. К. Алексеева, Л. Д. Вайткене, В. В. Ликсо. — Москва: Издательство АСТ, 2018.
- Ландсберг, Г. С. Элементарный учебник физики / Г. С. Ландсберг. — Москва: Наука, 1985.
- Никонов, А. П. Физика на пальцах / А. П. Никонов. — Москва: Издательство АСТ, 2016.
- Апресов, С. Как измерить скорость света в... микроволновке? Опыт «ПМ»! // Популярная механика / С. Апресов. — № 3 (161). — 2016.
