Hoe wordt de lichtsnelheid berekend? Mijn kennis van natuurkunde is beperkt tot hoeveel ik heb gestudeerd tot de middelbare school. Een manier die bij me opkomt is: als we licht van het ene punt naar het andere (van bekende afstand) werpen en de tijd meten, kunnen we de snelheid van het licht kennen. maar hebben we zon nauwkeurig tijdmeetinstrument?
Opmerkingen
- Lichtsnelheid wordt, zoals alle snelheden, berekend door een lengte te delen door de tijd nodig om die lengte af te leggen.
- @Georg: eigenlijk wordt geen snelheid zo berekend. Er zijn ontelbaar veel natuurwetten met betrekking tot snelheid en je kunt er een gebruiken die het meest geschikt is.
- @Marek, Wordt er geen snelheid berekend op basis van die verhouding? Maar om uit te leggen waar mijn opmerking voor bedoeld was: het moet beginnen " leerling voor altijd " om na te denken over het verschil van " berekening " en " meting ". Geen onderscheid maken is een veelgemaakte beginnersfout.
- @Geord: ik heb het woord " berekend " zoals gemeten . Omdat anders de vraag niet ' voor mij niet echt logisch is …
Antwoord
Van Wikipedia:
Momenteel wordt de lichtsnelheid in een vacuüm gedefinieerd als precies 299.792.458 m / s (ongeveer 186.282 mijl per seconde). De vaste waarde van de lichtsnelheid in SI-eenheden komt voort uit het feit dat de meter nu wordt gedefinieerd in termen van lichtsnelheid.
Verschillende natuurkundigen hebben door de geschiedenis heen geprobeerd de lichtsnelheid te meten. Galileo probeerde in de zeventiende eeuw de lichtsnelheid te meten. Een vroeg experiment om de lichtsnelheid te meten werd uitgevoerd door Ole Rømer, een Deense natuurkundige, in 1676. Met behulp van een telescoop observeerde Ole de bewegingen van Jupiter en een van zijn manen, Io. Rømer merkte discrepanties op in de schijnbare periode van de baan van Io en berekende dat het ongeveer 22 minuten duurt voordat licht de diameter van de baan van de aarde doorkruist. [4] Helaas was de grootte op dat moment niet bekend. Als Ole de diameter van de baan van de aarde had gekend, zou hij een snelheid van 227.000.000 m / s hebben berekend.
Een andere, nauwkeuriger meting van de lichtsnelheid werd in Europa uitgevoerd door Hippolyte Fizeau in 1849. Fizeau richtte een lichtstraal op een spiegel enkele kilometers verderop. Een draaiend tandwiel werd in het pad van de lichtbundel geplaatst terwijl het van de bron naar de spiegel reisde en vervolgens terugkeerde naar zijn oorsprong. Fizeau ontdekte dat op een bepaalde rotatiesnelheid, zou de straal door een opening in het wiel gaan op de weg naar buiten en de volgende opening op de terugweg. Weten wat de afstand tot de spiegel is, het aantal tanden op het wiel en de rotatiesnelheid, Fizeau was in staat om de lichtsnelheid te berekenen als 313.000.000 m / s.
Léon Foucault gebruikte een experiment waarbij roterende spiegels werden gebruikt om in 1862 een waarde van 298.000.000 m / s te verkrijgen. Albert A. Michelson voerde experimenten uit op de snelheid van het licht van 1877 tot aan zijn dood in 1931. Hij verfijnde de methoden van Foucault in 1926 met verbeterde roterende spiegels om de tijd te meten die het licht kostte om een rondreis vanaf Mt. Wilson naar Mt. San Antonio in Californië. De nauwkeurige metingen leverden een snelheid van 299.796.000 m / s op.
Opmerkingen
- Goed antwoord, +1. Om toe te voegen: de moderne nauwkeurige metingen van zowel afstand als tijd zijn altijd gebaseerd op " atoomklokken ", de golflengte of periodiciteit van de elektromagnetische straling uitgezonden door verschillende atomen. Ze ' geven weer hoe de meter en de tweede werden gedefinieerd voordat de lichtsnelheid werd vastgelegd door de SI-definitie die je noemde. Die atoomklokmetingen leveren daarom dezelfde relatieve nauwkeurigheid op van afstanden $ x $ en maal $ t $ als $ x \ ongeveer ct $.
- Atoomklokken gebruiken laagfrequente microgolven. De eersten gebruikten masers; nieuwere, om nauwkeuriger te zijn, koelen de materie af met lasers en vervolgens onderzoeken ze de resonerende toestanden door holtes, in atoomfonteinen. De afstanden worden gemeten door vergelijkbare straling en interferometrie – meestal worden kortere golflengten gebruikt om de hoogste nauwkeurigheid te bereiken (voor afstanden die kort genoeg zijn).
- Wauw – de volgende vraag zou moeten zijn Hoe was de afstand tussen de twee bergen zo nauwkeurig berekend!
- Hoe heeft R ø mer de diameter van de aarde overschat ' s baan (in lichtminuten) zoveel?
Antwoord
De titel van uw vraag is over het berekenen van de lichtsnelheid ($ c $), maar het lichaam vraagt naar meten $ c $.Anderen hebben u geantwoord over de meetkwestie, maar ik “zou graag iets willen opnemen over de berekening van $ c $ uit principes.
Licht, als een elektromagnetisch fenomeen, wordt beschreven door de vergelijkingen van Maxwell:
$$ \ begin {eqnarray} \ nabla \ cdot E & = & \ frac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ nabla \ cdot B & = & 0 \\ \ nabla \ maal E & = & – \ frac {\ partiële B} {\ partiële t} \\ \ nabla \ maal B & = & \ mu_0 J + \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partiële E} {\ partiële t} \ end {eqnarray} $$
waar $ \ rho $ is de ladingsdichtheid, $ J $ is de huidige dichtheid, $ E $ en $ B $ zijn respectievelijk de elektrische en magnetische velden, $ \ mu_0 $ is de magnetische permeabiliteit van vrije ruimte en $ \ epsilon_0 $ is de elektrische permittiviteit van vrije ruimte. Als er geen kosten zijn, is een oplossing voor deze vergelijkingen een reizende vlakke golf met snelheid.
$$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $$
Dit laat natuurlijk het probleem van het meten van $ \ mu_0 $ en $ \ epsilon_0 $ over, maar het is een geweldige demonstratie van het feit dat licht echt een elektromagnetisch fenomeen is. Als extra bonus kunnen $ \ mu_0 $ en $ \ epsilon_0 $ op verschillende manieren worden gemeten, zonder dat er een zeer hoge tijdsresolutie nodig is.