Hvordan beregnes lyshastigheten? Min kunnskap om fysikk er begrenset til hvor mye jeg studerte til videregående. En måte som kommer opp i tankene mine er: hvis vi kaster lys fra ett punkt til et annet (av kjent avstand) og måler tiden det tar, kunne vi vite lysets hastighet. men har vi et så presist tidsmålingsverktøy?
Kommentarer
- Lyshastighet, som alle hastigheter, beregnes ved å dele en lengde med tiden trengte å reise den lengden.
- @ Georg: i utgangspunktet beregnes ingen hastighet slik. Det er zillioner av fysiske lover som involverer hastighet, og man kan bruke hvilken av dem som er best egnet.
- @Marek, beregnes ingen hastighet ut fra det forholdet? Men for å forklare hva kommentaren min var rettet mot: den burde starte " lærerenfor alltid " å tenke på forskjellen på " beregning av " og " måling ". Ikke å skille mellom det som er en vanlig nybegynnerfeil.
- @Geord: Jeg tolket ordet " beregnet " som målt . For ellers har ikke spørsmålet ' ikke noen mening for meg …
Svar
Fra Wikipedia:
For tiden er lysets hastighet i vakuum definert til å være nøyaktig 299.792.458 m / s (ca. 186.282 miles per sekund). Den faste verdien av lyshastigheten i SI-enheter er et resultat av at måleren nå er definert i form av lysets hastighet.
Ulike fysikere har forsøkt å måle lysets hastighet gjennom historien. Galileo forsøkte å måle lysets hastighet i det syttende århundre. Et tidlig eksperiment for å måle lysets hastighet ble utført av Ole Rømer, en dansk fysiker, i 1676. Ved hjelp av et teleskop observerte Ole bevegelsene til Jupiter og en av dets måner, Io. Rømer la merke til avvik i den tilsynelatende perioden av Ios bane, og beregnet at det tar omtrent 22 minutter å krysse diameteren på jordens bane. [4] Dessverre var størrelsen ikke kjent på den tiden. Hvis Ole hadde kjent diameteren på jordens bane, ville han ha beregnet en hastighet på 227 000 000 m / s.
En annen, mer nøyaktig, måling av lyshastigheten ble utført i Europa av Hippolyte Fizeau. i 1849. Fizeau rettet en lysstråle mot et speil flere kilometer unna. Et roterende tannhjul ble plassert i lysstrålens bane da det beveget seg fra kilden, til speilet og deretter tilbake til opprinnelsen. Fizeau fant at kl. en viss rotasjonshastighet, ville bjelken passere gjennom ett gap i hjulet på vei ut og neste gap på vei tilbake. Å vite avstanden til speilet, antall tenner på hjulet og rotasjonshastigheten, Fizeau var i stand til å beregne lysets hastighet til 313.000.000 m / s.
Léon Foucault brukte et eksperiment som brukte roterende speil for å oppnå en verdi på 298.000.000 m / s i 1862. Albert A. Michelson utførte eksperimenter på lysets hastighet fra 1877 til hans død i 1931. Han foredlet Foucaults metoder i 1926 ved å bruke forbedrede roterende speil for å måle tiden det tok lys å ta en rundtur fra Mt. Wilson til Mt. San Antonio i California. De nøyaktige målingene ga en hastighet på 299.796.000 m / s.
Kommentarer
- Godt svar, +1. Bare for å legge til: de moderne, nøyaktige målingene av både avstand og tid er alltid basert på " atomur ", bølgelengden eller periodisiteten til elektromagnetisk stråling som sendes ut av forskjellige atomer. De ' viser hvordan måleren og den andre ble definert før lyshastigheten ble løst av SI-definisjonen du nevnte. Disse atomurmålingene gir derfor den samme relative nøyaktigheten av avstandene $ x $ og ganger $ t $ hvis $ x \ ca ct $.
- Atomklokker bruker lavfrekvente mikrobølger. De første brukte masere; nyere, for å være mer nøyaktig, kjøler du ned saken med lasere, og deretter sondrer de resonantstatene ved hulrom, i atomfontener. Avstandene måles med lignende stråling og interferometri – vanligvis brukes kortere bølgelengder for å oppnå høyest nøyaktighet (for korte nok avstander).
- Wow – neste spørsmål bør være Hvordan var avstanden mellom de to fjellene så nøyaktig beregnet!
- Hvordan overvurderte R ø jordens diameter ' s bane (i lysminutter) så mye?
Svar
Tittelen på spørsmålet ditt er om beregning av lysets hastighet ($ c $), men kroppen spør om måling $ c $.Andre har svart deg om målespørsmålet, men jeg vil gjerne ta med litt om beregningen av $ c $ fra prinsipper.
Lys, som et elektromagnetisk fenomen, er beskrevet av Maxwells ligninger:
$$ \ begin {eqnarray} \ nabla \ cdot E & = & \ frac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ nabla \ cdot B & = & 0 \\ \ nabla \ times E & = & – \ frac {\ partial B} {\ partial t} \\ \ nabla \ times B & = & \ mu_0 J + \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial E} {\ partial t} \ end {eqnarray} $$
hvor $ \ rho $ er ladetettheten, $ J $ er strømtettheten, $ E $ og $ B $ er henholdsvis de elektriske og magnetiske feltene, $ \ mu_0 $ er den magnetiske permeabiliteten til ledig plass, og $ \ epsilon_0 $ er den elektriske permittiviteten til ledig plass. I mangel av ladninger er en løsning på disse ligningene en vandrende planbølge med hastighet
$$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $$
Dette etterlater selvfølgelig problemet med å måle $ \ mu_0 $ og $ \ epsilon_0 $, men er en flott demonstrasjon av det faktum at lys virkelig er et elektromagnetisk fenomen. Som en ekstra bonus kan $ \ mu_0 $ og $ \ epsilon_0 $ måles på en rekke måter, uten å kreve veldig høy tidsoppløsning.