viteza luminii referat

7
Viteza luminii... 1

Upload: silvia-mirza

Post on 30-Sep-2015

294 views

Category:

Documents


13 download

DESCRIPTION

:viteza luminii_referat

TRANSCRIPT

Viteza luminii

Viteza luminii...

Lumina ca i toate celelalte forme de radiaie electromagnetic, cltoresc n vid cu o vitez de circa 300.000 km/s, iar n aer ceva mai ncet. Viteza luminii n vid reprezint o constant universal, notat cu c , i, conform teoriei relativitii, nimic nu poate fi mai rapid. ntr-o secund o raz de lumin ar putea nconjura de peste 7 ori Pmntul pe la Ecuator, pe cnd cltoria ei de la Soare la Pmnt, pe o distan de circa 150.000.000 km, dureaz cam 8 minute. Viteza luminii n vid este la ora actual determinat precis la valoarea de 299.792.458 m s-1 . Aceast valoare este folosit la aflarea unor distane lungi prin msurarea timpului necesar unui puls de lumin s ajung ntr-un loc i s se ntoarc. Reprezint de asemenea baza anului lumin (distana parcurs de lumin ntr-un an), o unitate folosit la msurarea unor distane astronomice foarte mari. La o scar mai redus, valoarea vitezei luminii permite o determinare foarte precis a distanelor, iar metrul este definit la ora actual ca lungimea drumului parcurs de lumin ntr-o fraciune de 1/299.792.458 dintr-o secund.

Importana progresului tiinific ncercrile de msurare a vitezei luminii au avut un rol important n stabilirea unor teorii tiinifice din trei motive: Sfritul Teoriei Corpusculare

Viteza luminii n aer i ap a fost pentru prima dat msurat la mijlocul secolului XIX de ctre fizicienii francezi Jean Foucault i Armand Fizeau. Acest lucru a dus la o respingere a teoriei corpusculare a luminii propus de Isaac Newton . Newton sugerase c un corp luminos emite un curent de particule care cltoresc n linie dreapt prin eter (un mediu despre care se credea la acea vreme c ocup ntregul spaiu). Dar faptul c lumina se deplasa mai ncet n ap nu putea fi explicat dect prin teoria ondulatorie a luminii i nu prin cea stabilit de Newton.

Originea electromagnetic a luminiiLa mijlocul secolului XIX James Clerk Maxwell a demonstrat teoretic ca undele electromagnetice cltoresc cu o vitez egal cu cea a luminii, ceea ce l-a condus la concluzia c lumina este o parte a spectrului electromagnetic.

Rolul n relativitate

De mare importan este poate rolul vitezei luminii n teoria relativitii a lui Albert Einstein. Aceasta stabilete viteza luminii n vid ca cea mai mare vitez posibil n natur i spune c viteza luminii fa de observatori diferii este aceeai. Viteza luminii, c, este o constant absolut - constanta universal n ecuaia stabilit de Einstein, E=mc2, care stabilete c masa i energia sunt echivalente.

Paradoxul constanei vitezei luminii a creat o mare problem pentru fizic, problem pe care fizicianul american de origine german, Albert Einstein, a rezolvat-o n cele din urm n 1905. Einstein sugera c teoriile fizice nu ar trebui s depind de starea de micare a observatorului. n schimb el spunea c viteza luminii trebuia s rmn constant, i restul fizicii trebuia s se schimbe pentru a respecta acest lucru. Aceast teorie special a relativitii a prezis multe consecine fizice neateptate, dintre care toate au fost de atunci observate n natur.

Msurarea vitezei luminii

Au existat numeroase ncercri de msurare a vitezei luminii.

Metoda lui Galileo n secolul XVI astronomul italian Galileo Galilei a realizat probabil prima ncercare de msurare a vitezei luminii. Experiena lui Galilei consta n urmtoarele: doi observatori, aezai la o distan mare unul de cellalt, au fiecare cte un felinar care poate fi obturat. Observatorul A deschide felinarul; dup un anumit interval de timp lumina ajunge pn la observatorul B, care n acelai moment deschide felinarul su; dup ctva vreme acest semnal ajunge pn n A, care poate n felul acesta s msoare timpul care s-a scurs din momentul trimiterii semnalului pn n momentul ntoarcerii sale. Admind c observatorul reacioneaz la semnal instantaneu i c lumina are aceeai vitez de propagare dup direciile AB i BA, obinem c drumul AB+BA=2D e strbtut de lumin n timpul , adic c=2D/ . Cea de-a doua ipotez fcut poate fi considerat foarte verosimil. Teoria modern a relativitii o ridic chiar la rangul de principiu. Ipoteza legat de posibilitatea reacionrii instantanee la semnal nu corespunde ns realitii i de aceea, dat fiind viteza uria de propagare a luminii, ncercarea lui Galilei nu a dus la nici un fel de rezultat; de fapt nu s-a msurat timpul de propagare a semnalului luminos, ci timpul cheltuit de observator pentru a putea reaciona. Situaia poate fi mbuntit dac observatorul B se nlocuiete printr-o oglind care reflect lumina, nlturndu-se astfel erorile introduse de unul din observatori . Acest principiu de msurare a rmas la baza aproape a tuturor metodelor moderne de laborator utilizate pentru determinarea vitezei luminii; ulterior ns, au fost gsite metode excepionale pentru nregistrarea semnalelor i msurarea intervalelor de timp, ceea ce a permis determinarea vitezei luminii cu o precizie suficient, chiar n cazul unor distane relativ mici. Metoda lui Rmer Primele msurtori reuite ale vitezei luminii au fost de natur astronomic. n 1676 astronomul danez Ole (sau Olaus) Christensen Rmer (1644-1710) a observat o ntrziere a eclipsei unei luni a lui Jupiter cnd aceasta era vzut de pe partea ndeprtat a orbitei pmntului n comparaie cu observarea ei de pe partea apropiat. Presupunnd c ntrzierea reprezenta timpul n care lumina parcurgea orbita pmntului i cunoscnd cu aproximaie dimensiunea orbitei din unele observaii precedente, el a fcut raportul distan-timp pentru a estima viteza i a ajunge la rezultatul de 286.000 km .s-1, cu o eroare de circa 5% din valoarea cunoscut n zilele noastre . Fizicianul englez James Bradley a realizat o msurtoare mai bun n anul 1729. Bradley a descoperit c era nevoie s modifice permanent nclinaia telescopului su pentru a putea capta lumina stelelor pe msur ce pmntul se rotea n jurul soarelui . A ajuns astfel la concluzia c micarea pmntului deplasa telescopul n lateral fa de lumina care cobora asupra acestuia. Unghiul de nclinaie, numit aberaie stelar, este aproximativ egal cu raportul dintre viteza orbital a pmntului i viteza luminii. (Aceasta reprezint i una dintre metodele prin care oamenii de tiin au aflat c pmntul se mic n jurul soarelui i nu vice versa.) Metoda lui Fizeau Omul de tiin francez Armand Fizeau a msurat o vitez a luminii de 3,13 108 m.s-1. n 1842 el a realizat primele msurtori n condiii de laborator. Caracteristica metodei sale const n nregistrarea automat a momentelor emisiei i ntoarcerii semnalului, realizat cu ajutorul unei ntreruperi regulate a fluxului luminos (folosirea unei roi dinate). Lumina provenit din S se propag printre dinii unei roi W pus n micare, spre oglinda M, i reflectndu-se, trebuie s treac din nou printre acetia, nspre observator. Pentru comoditate, ocularul E, care servete pentru observaie, se aaz n faa lui a, iar lumina provenit din S se trimite spre W cu ajutorul unei oglinzi semitransparente N. Dac roata se nvrtete, i anume, cu o astfel de vitez unghiular nct n timpul de propagare a luminii de la a la M i napoi n dreptul dinilor vor fi spaii goale i invers, atunci lumina reflectat nu va ptrunde pn la ocular i observatorul nu o va vedea (prima ncercare). Dac viteza unghiular va crete, atunci lumina va trece parial nspre observator. n cazul unei viteze duble vom avea un maxim de lumin, n cazul unei viteze triple, o a doua ntunecare. Cunoscnd distana aM=D, numrul dinilor z, viteza de rotaie (numrul de ture pe secund ), putem calcula viteza luminii. Condiia primei ntunecri: lumina, care a trecut prin spaiul gol dintre doi dini, la ntoarcere ntlnete dintele cel mai apropiat. Pentru aceasta e necesar ca n decursul timpului t=2D/c roata s se roteasc cu un unghi 2/2z, adic unghiul care separ centrul intervalului dintre doi dini vecini de centrul primului dinte. Dac observarea primei ncercri are loc pentru un numr de ture pe secund, atunci condiia de mai sus se va exprima cu ajutorul relaiei: 2D/c=1/2z, sau c=4Dz.

O a doua ncercare va avea loc n cazul unei viteze unghiulare triple, adic atunci cnd lumina reflectat va fi oprit de dintele urmtor etc.Fizicianul francez Jean-Bernard Foucault a utilizat o versiune mbuntit a acestui dispozitiv pentru a determina viteza luminii cu o eroare de pn la 1% din valoarea folosit la ora actual.

Metoda lui Michelson

Experimentul din 1882 al lui Albert Michelson este probabil cea mai cunoscut metod de msurare a vitezei luminii, reprezentnd de fapt o mbuntire a metodelor folosite de Fizeau i Foucault. n acest experiment (reprezantat n diagram) Michelson a folosit un aparat alctuit dintr-o prism care se putea roti, o lentil convex i o oglind concav.

O raz de lumin de la o surs S cade pe o prism care se rotete foarte repede cnd aceasta se afl n poziia AB. Lumina este focalizat de o lentil convex L pe suprafaa unei oglinzi concave M, al crei centru de curbur se afl n centrul lentilei. Raza este reflectat i se ntoarce la prisma aflat acum n poziia CD. Aici este reflectat i formeaz o imagine ntr-un punct S. n experimentul lui Michelson din 1882 distana LM era de circa 610 m iar prisma era rotit de o turbin la o frecven de 256 rotaii pe secund. Prin msurarea distanei SS el a dedus viteza luminii din toate celelalte date. n 1931 Michelson a realizat ultima sa msurtoare n California. El a montat oglinda fix la Mount San Antonio i prisma la circa 35 km deprtare la Observatorul Mount Wilson . Aceast cretere enorm a drumului luminii a fost realizat prin proiectarea unei oglinzi octogonale perfecte, astfel nct imaginea era mult mai luminoas dect la folosirea unei singure oglinzi. Prin reglarea vitezei de rotaie, Michelson a reuit ca lumina emis pe drumul su de 70 km de pe o fa a prismei s fie captat la ntoarcere pe faa urmtoare, aflat exact n aceeai poziie cu cea precedent. n acest fel imaginea S coincide cu punctul S i inconvenientul msurrii distanei a fost eliminat.

Acest experiment a dus la aflarea valorii de 299.796 km s-1, dar nesigurana cu privire la condiiile atmosferice limiteaz precizia acestei msurtori.

Metoda lui Essen n 1950 fizicianul britanic Louis Essen a calculat viteza luminii prin msurarea exact a frecvenei de rezonan a unei caviti metalice. Cunoscnd dimensiunile cavitii, el a putut determina i lungimea de und. Din aceste dou msurtori a putut calcula viteza luminii folosindu-se de ecuaia c=f, unde f este frecvena luminii i este lungimea de und. Metoda lui Essen msoar de fapt viteza undelor radio, dar viteza tuturor undelor electromagnetice n vid este aceeai, astfel nct ea poate fi folosit i pentru determinarea vitezei luminii. Mai mult, din moment ce undele radio au o lungime de und de ordinul metrilor, acestea sunt mai uor de msurat dect lungimea de und a luminii, care este de 5 10-7 m . Metode recenteCele mai recente metode au derivat din metoda lui Essen i implic msurarea frecvenei luminii vizibile captat asemntor undelor ntr-o cavitate laser. Cu toate acestea, msurarea vitezei luminii nu mai reprezint o provocare, ea fiind la ora actual cunoscut ca o constant fundamental la valoarea de 299.792.458 m.s12