Первые представления о природе света , возникшие у древних греков и египтян, в дальнейшем, по мере изобретения и усовершенствования различных оптических приборов, развивались и трансформировались.

В средние века стали известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами. В 1590 г. З. Янсен построил первый микроскоп, в 1609 г. Г. Галилей изобрел телескоп. Количественный закон преломления света при прохождении границы раздела двух сред установил в 1620 г. В. Снеллиус. Математическая запись этого закона в виде , принадлежит Р. Декарту (1637 г.) Он же попытался объяснить этот закон исходя из корпускулярной теории . Впоследствии формулировкой принципа Ферма (1660 г.) был завершен фундамент построения геометрической оптики.

Дальнейшее развитие оптики связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди, 1665 г.), двойного лучепреломления (Э. Бартолин, 1669 г.) и с работами И. Ньютона, Р. Гука, Х. Гюйгенса.

В конце XVII века на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две мощные теории света – корпускулярная (Ньютон – Декарт) и волновая (Гук – Гюйгенс).

Корпускулярные воззрения на природу света И. Ньютон развил в стройную теорию истечения. Свет – корпускулы , испускаемые телами и летящие с огромной скоростью. К анализу движения световых корпускул Ньютон, естественно, применил сформулированные им законы механики. Из этих представлений он легко вывел законы отражения и преломления света (рис. 7.11):

Рис. 7.11 - 7.13

Однако из рассуждений Ньютона следовало, что скорость света в веществе больше скорости света в вакууме : .

Кроме того, в 1666 г. Ньютон показал, что белый свет является составным и содержит «чистые цвета», каждый из которых характеризуется своей преломляемостью (рис. 7.12), т.е. дал понятие дисперсии света. Эта особенность была объяснена различием масс корпускул.

В то же время в XVII в. (наряду с концепцией Декарта – Ньютона) развивалась противоположная, волновая теория Гука – Гюйгенса о том, что свет есть процесс распространения продольных деформаций в некоторой среде , пронизывающей все тело , – в мировом эфире .

К концу XVII в. в оптике сложилось весьма своеобразное положение. И та и другая теории объясняли основные оптические закономерности: прямолинейность распространения, законы отражения и преломления. Дальнейшие попытки более полного объяснения наблюдаемых фактов приводили к затруднению в обеих теориях.

Гюйгенс не смог объяснить физической причины наличия различных цветов и механизм изменения скорости распространения света в эфире, пронизывающем различные среды.

Ньютону трудно было объяснить, почему при падении на границу двух сред происходит частичное и отражение, и преломление, а также интерференцию и дисперсию света. Однако огромный авторитет Ньютона и незавершенность волновой теории привели к тому, что весь XVIII в. прошел под знаком корпускулярной теории.

Начало XIX в. характеризуется интенсивным развитием математической теории колебаний и волн и ее приложением к объяснению ряда оптических явлений. В связи с работами Т. Юнга и О. Френеля победа временно перешла к волновой оптике .

· 1801 г. Т. Юнг формулирует принцип интерференции и объяснет цвета тонких пленок.

· 1818 г. О. Френель объясняет явление дифракции.

· 1840 г. О. Френель и Д. Арго исследуют интерференцию поляризованного света и доказывают поперечность световых колебаний.

· 1841 г. О. Френель строит теорию кристаллооптических колебаний.

· 1849 г. А. Физо измерил скорость света и рассчитал по волновой теории коэффициент преломления воды , что совпало с экспериментом.

· 1848 г. М. Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея).

· 1860 г. Дж. Максвелл, основываясь на открытии Фарадея, пришел к выводу, что свет есть электромагнитные волны, а не упругие.

· 1888 г. Г. Герц экспериментально подтвердил, что электромагнитное поле распространяется со скоростью света с .

· 1899 г. П.Н. Лебедев измерил давление света.

Казалось, что спор полностью решен в пользу волновой теории света, так как в середине XIX в. были обнаружены факты, указывающие на связь и аналогию оптических и электрических явлений. Фарадеем, Максвеллом и другими учеными было показано, что свет – частный случай электромагнитной волны с . Только этот интервал длин волн оказывает воздействие на наш глаз и является собственно светом. Но и более длинные и более короткие волны имеют одну и ту же природу, что и свет.

Однако, несмотря на огромные успехи в электромагнитной теории света, к концу XIX в. начали накапливаться новые факты, противоречащие волновой теории света. Волновая теория не смогла объяснить распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела и явление фотоэффекта, которое в 1890 г. исследовал А.Г. Столетов.

В 1900 г. Макс Планк показал, что излучение абсолютно черного тела можно объяснить, если предложить, что свет излучается не непрерывно, а порциями, квантами с энергией , где ν – частота, h – постоянная Планка.

Макс Планк (1858–1947). С 1874 г. он изучал физику у Густава Кирхгофа и Германа Гельмгольца в Мюнхенском университете. В 1930 г. Макс Планк возглавил Институт физики Кайзера Вильгельма (теперь Институт Макса Планка) и занимал этот пост до конца жизни. В 1900 г. в работе, посвященной равновесному тепловому излучению, Планк впервые ввел предположение о том, что энергия осциллятора принимает дискретные значения, пропорциональные частоте колебаний, чем положил начало квантовой физики. Также Макс Планк внес большой вклад в развитие термодинамики.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта на основе представления о световых частицах – «квантах » света, «фотонах », масса которых

.

Это соотношение связывает корпускулярные характеристики излучения , массу и энергию кванта , с волновыми – частотой и длиной волны .

Работы Планка и Эйнштейна явились началом развития квантовой физики .

Итак, обе теории – и волновая, и квантовая – одновременно развивались, имея свои несомненные достоинства и недостатки, и как бы дополняли друг друга. Ученые уже начали приходить к мнению, что свет является одновременно и волнами, и корпускулами. И вот в 1922 г. А. Комптон окончательно доказал, что рентгеновские электромагнитные волны – одновременно и корпускулы (фотоны, кванты), и волны.

Таким образом, длительный путь исследований привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света.

Интерес к оптическим явлениям понятен. Около 80 % информации об окружающем мире человек получает через зрение. Оптические явления всегда наглядны и поддаются количественному анализу. Очень многие основополагающие понятия, такие как интерференция, дифракция, поляризация и др., в настоящее время широко используются в областях, далеких от оптики, благодаря их предметной наглядности и точности теоретических представлений.

Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика, как наука, закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях.

Наиболее важное событие в современной оптике – экспериментальное обнаружение методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул – создание оптического квантового генератора (лазера) (А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и Ч. Таунс, 1954 г.).

В современной физической оптике квантовые представления не противоречат волновым, а сочетаются на основе квантовой механики и квантовой электродинамики.

Тема:

• Развитие взглядов на природу света. Скорость света.

• (Физика.11 класс)

• Выполнила: учитель физики

• МОУ «СОШ №6»

• г. Кирова Калужской области

• Кочергина В.Э.

• 2010 год

В конце XVII века почти одновременно возникли две, казалось бы взаимоисключающие теории света.

• Они опирались на два возможных способа передачи действия от источника к приёмнику.

• И.Ньютон предложил корпускулярную теорию света, согласно которой свет - это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

• Х.Гюйгенс разработал волновую теорию, в которой свет рассматривался как волны, распространяющиеся в особой среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел (изменение состояния среды).

Ньютон Гюйгенс

Что же такое свет?

• Согласно представлениям современной физики, свет обладает одновременно свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных частиц, которые называют фотонами или квантами света.

• Двойственность свойств света называется корпускулярно – волновым дуализмом.

Два великих противостояния в науке. Этапы развития представлений о природе света.

Это была первая известная попытка экспериментального определения скорости света, предпринятая Галилео Галилеем. Однако обнаружить запаздывание сигнала не удалось из-за большой скорости света.

• Первое экспериментальное определение скорости света выполнил датский астроном Олаф Рёмер в 1675 году.

• Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, было получено значение скорости света:

• с = 3*1011м / 1320с

• с=2,27*108м/с

• Полученный результат имел большую погрешность.

Первое лабораторное измерение скорости света было выполнено в 1849 г. французским физиком Арманом Физо.

• В его опыте свет от источника S проходил через прерыватель К (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала З, возвращался опять к зубчатому колесу.

Метод Физо:

Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало - на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло ℓ ~ 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса v = 12,6 об/с. Время движения света t =2 ℓ/c, поэтому дает с = 3,14 10 8 м/с

Несмотря на значительную погрешность измерений, опыт Физо имел огромное значение - возможность определения скорости света «земными» средствами была доказана.

• Американский физик А. Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал.

Метод Майкельсона:

В соответствии с прямыми методами измерений скорость света в вакууме теперь принимают равной

• с =299792458+1,2 м/c

Конечность скорости света доказывается экспериментально прямым и косвенным методами.

• В настоящее время с помощью лазерной техники скорость света определяется по измерениям длины волны и частоты радиоизлучения независимыми друг от друга способами и вычисляется по формуле:

«Сколько у света скоростей?»

• Пока указаний на изменение с с течением времени нет, но физика не может безоговорочно отбросить такую возможность. Что ж, остается ждать

• сообщений о новых измерениях скорости света. Эти измерения могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии.

31. Развитие взглядов на природу света. Скорость света. Принцип Гюйгенса. Закон отражения света. (Аслаповская С. В.)

Текст урока

• Конспект

  Название предмета: Физика Класс: 11 УМК: Физика 11 класс, Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, 2010 год. Уровень обучения: базовый Тема урока: "Развитие взглядов на природу света. Скорость света. Принцип Гюйгенса. Закон отражения света". Общее количество часов, отведенное на изучение темы: 19 Место урока в системе уроков по теме: первый урок изучения темы «Оптика». Цель урока: обеспечение восприятия и осмысления сущности природы света. Задачи урока: Узнать о том вкладе, который внесли ученые разных стран в развитие представлений о природе света. Сделать выводы о природе света на основании полученной информации. Создать опорный конспект "Развитие взглядов на природу света". Планируемые результаты: учащиеся должны осознать, как сложен путь познания человеком природных явлений, повторить законы отражения света, получить понятие о принципе Гюйгенса. Техническое обеспечение урока: мультимедийный проектор, презентация к уроку, раздаточный материал. Дополнительное методическое и дидактическое обеспечение урока (возможны ссылки на интернет - ресурсы): на доске написана дата и тема урока, столы расставлены для работы в группах (по 2 учащихся). Подготовка к уроку: формируются группы, на столах рабочий материал (архив с необходимой литературой, документами и задание, которое НО должно выполнить). Учитель объясняет цели и задачи урока. В течение отведенного времени группы готовят задание. Содержание урока. I. Вводная часть урока 1. Организационный этап (1 мин). Класс делится на 5 заранее сформированных учителем групп (научные общества (НО)), в каждой из которых есть руководитель НО, литературный сотрудник, научный сотрудник. Группы получают задание и необходимые для его выполнения источники информации. 2. Актуализация мыслительной деятельности (2 мин). Учитель. Всем добрый день, садитесь! Как прекрасен этот мир, наполненный светом! А что для вас свет? Какие ассоциации у вас вызывает слово свет? (на экране листаются слайды презентации с №1-8 с музыкальным сопровождением (при нажатии гиперссылки)). Учитель. Свет - это лучистая энергия, воспринимаемая глазом, делающая мир видимым. В жилище наше свет проник. Как он родился и возник? В его природе есть секрет, И велся спор немало лет. 3. Цель и задачи урока (2 мин). На экране слайд № 9-12 Задачи: Узнать о том вкладе, который внесли ученые разных стран в развитие представлений о природе света (для решения этой задачи мы отправимся в виртуальную научную командировку). Сделать выводы о природе света на основании полученной информации (эту задачу вы будете решать, выступая в передаче "Очевидное и невероятное" с результатами своей научной командировки). Создать опорный конспект "Развитие взглядов на природу света". У каждого из вас на столе лежит матрица ОК, который вы должны дополнить (эту задачу вы будете решать в течение всего урока). Я уже сказала, что сегодня мы не просто поработаем, а будем работать по плану-заданию программы "Очевидное и невероятное". Предлагаю вам отправиться в виртуальную научную командировку в разные страны и разные эпохи для того, чтобы поработать в архивах, изучить литературу, документы и установить, что сделали ученые разных стран, для того чтобы выяснить природу света. А так же вы должны подготовить и презентовать результаты своей работы. В командировку отправляются 5 научных обществ (НО) в страны: Данию, Францию, Англию, Голландию (на экране слайд №13: карта Мира с этими странами, по щелчку названная страна отмечается на карте). У каждого научного общества на столах лежит архив с необходимой литературой, документами и задание, которое НО должно выполнить. На командировку отводится 10 минут. В течение этого времени будет звучать музыка, и как только она закончится, вы должны выступить на передаче с результатами своей работы. Итак, я прошу вас приступить к заданию (звучит музыка после нажатия на слайде №13 гиперссылки "звонка"). II. Основная часть урока. 1. Самостоятельная работа учащихся в группах (10 мин, подготовка учащихся к выступлениям НО): Первое НО: Страна: Дания, ученый: Олаф Рёмер, 1676 г.- астрономический метод измерения скорости света. Руководитель НО (сообщает, где побывали) Литературные сотрудники (отбирают материал об ученом) Научные сотрудники (готовят сообщение по методу измерения скорости света (теорию о природе света)) Примеры ответов НО: 1 ученик. Наше НО побывало в Дании. Мы работали в Академии наук в том отделе, где собраны документы об Олафе Рёмере (1644-1710 гг), который измерил скорость света астрономическим методом (на экране слайд №14). 2 ученик. Рёмер Олаф Кристенсен (1644-1710гг), датский физик и астроном. В 1676 году сделал важное открытие: доказал конечность скорости света и измерил ее величину. Однако сообщение ученого на заседании Парижской Академии наук подверглось резкой критике. Несмотря на критику, выводы его были приняты Х. Гюйгенсом, Лейбницем, И. Ньютоном. Окончательная справедливость теории Рёмера была подтверждена в 1725г. после открытия астрономом Бредли явления абберации света. Вернувшись в Данию в 1681 г. возглавил кафедру математики Капенгагенского университета и создал обсерваторию. Также принимал участие в политической и общественной жизни Дании. В конце жизни стал главой Государственного совета. Изобрел новые астрономические приборы. Имя Рёмера занесено на карту Луны (на экране слайд №15). 3 ученик. В 1676г., наблюдая затмение спутника Юпитера Ио, Рёмер обнаружил. Что когда земля через полгода переходит на другую сторону от Солнца, более удаленную от Юпитера, то Ио появляется на 22 минуты позже рассчитанного времени. Эта задержка объяснялась увеличением расстояния от Юпитера до Земли. Зная размер земной орбиты и время запаздывания, Рёмер рассчитал скорость распространения света (на экране слайд №15: по щелчку по гиперссылке "схема метода", слайд №16 - схема лабораторного метода во весь экран). C = 300000 км/с (после дополнений учителя по щелчку на слайде №15 появляется вывод) Второе НО: Страна: Франция, ученый: Физо Арман Ипполит Луи, 1849г.- лабораторный метод измерения скорости света 1 ученик. Наше НО побывало во Франции. Мы работали в Парижской Академии наук, в том отделе, где собраны документы об Армане Физо, который лабораторным методом измерил скорость распространения света (на экране слайд №17). 2 ученик. Физо (1819-1896 гг) - французский физик. В 1863 году стал профессором Политехнической школы в Париже. Первым серьезным достижением Физо в оптике были опыты по интерференции света. В 1849 году поставил классический опыт по определению скорости света. Сконструировал ряд приборов: индукционную катушку. Интерференционный спектроскоп; исследовал кристаллы, занимаясь фотографией. В 1875 году был избран членом Лондонского королевского общества, в 1866 году награжден медалью Румфорда (на экране слайд №18). 3 ученик. По схеме: впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить И.Физо в 1849г. Опыт: свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластину. После отражения от пластины сфокусированный узкий пучок направлялся к быстровращающемуся зубчатому колесу. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала, находящегося на расстоянии нескольких км от колеса. Отразившись от зеркала, свет возвращался опять к зубчатому колесу и должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала был виден. При увеличении скорости он постепенно исчезал. Почему? Пока свет шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на месте прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым. При дальнейшем увеличении скорости вращения колеса свет снова становился видимым. За это время распространения света до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, чтобы на месте прежней прорези вставала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом можно определить скорость света (c=313 км/с) (после сообщения ученика по щелчку на слайде № 18 на экране (слайд №19) показывается демонстрация опыта из коллекции "Кирилл и Мефодий"). (после дополнений учителя по щелчку на слайде №20 появляется вывод) Третье НО: Страна: Англия, ученый: Исаак Ньютон, теория о природе света 1 ученик. Наше НО побывало в Англии. Мы работали в Английской Академии наук в отделе, где собраны документы о И. Ньютоне: (на экране слайд №22) 2 ученик. Ньютон Исаак (1643-1727 гг) - английский математик, механик, астроном и физик, создатель классической механики. Член (1672г) и президент (1703 г.) Лондонского Королевского общества. Фундаментальные труды "Математические начала натуральной философии" (1687 г.) и "Оптика" (1704 г.). Открыл дисперсию света, исследовал интерференцию и дифракцию. Развил корпускулярную теорию света. Построил зеркальный телескоп. Сформулировал основные законы классической механики. Открыл закон всемирного тяготения, дал теорию движения небесных тел. Создал основы небесной механики (на экране слайд №23). 3 ученик. Ньютон был сторонником корпускулярной теории света - свет представляет собой поток частиц-корпускул, идущих от источника во все стороны. Эта теория легко объясняла прямолинейное распространение, отражение и преломление света. Выдающийся ученый Ньютон обладал большим авторитетом среди своих коллег, и поэтому большинство из них поддерживали корпускулярную теорию, считая, что свет распространяется как поток частиц, а не волна (на экране слайд №23 - по щелчку появляется вывод, по второму щелчку - рисунок). Четвертое НО: Страна: Голландия, ученый: Христиан Гюйгенс, теория о природе света 1 ученик. Мы побывали в Голландии: (на экране слайд № 24) 2 ученик. Х. Гюйгенс (1629-1695 гг) - голландский математик, физик, астроном. Изобрел маятниковые часы со спусковым механизмом, установил законы колебаний физического маятника. Создал и опубликовал волновую теорию света. Усовершенствовал телескоп, сконструировал окуляр, открыл кольцо у Сатурна и его спутник Титан. Был избран членом Лондонского Королевского общества. Часть его трудов: результаты исследования об упругом ударе и центробежной силе были напечатаны уже после смерти (на экране слайд №25). 3 ученик. Х.Гюйгенс выступал против корпускулярной теории света. Волновая теория света Гюйгенса объясняла такие оптические явления как интерференция и дифракция, которые не могла объяснить корпускулярная теория. Согласно волновой теории Гюйгенса свет представляет собой волну, распространяющуюся в особой гипотетической (упругой) среде-эфире, которая заполняет все пространство и все тела (на экране слайд №25- по щелчку появляется вывод, по второму щелчку - рисунок). Пятое НО: Страна: Англия, ученый: Томас Юнг, развитие волновой теории света Страна: Франция, ученый: Огюстен Жан Френель, развитие волновой природы света 1 ученик. Мы побывали в Англии и побывали во Франции (на экране слайд №26) 2 ученик. Юнг Томас (1773-1829 гг) - английский физик. В 21 год (1794 г) стал членом Королевского общества. Получил степень доктора медицины. Открыл в Лондоне частную практику. Исследования Юнга в области оптики легли в основу его статьи "Механизм глаза" (1800 г.), в которой он дал объяснение природе аккомодации, астигматизма и цветового зрения. Был назначен профессором Королевского института. Один из создателей волновой теории света. В 1803 году объяснил явление интерференции света. Высказал гипотезу о поперечности световых колебаний. Измерил длины волн света разных цветов. В теории упругости Юнгу принадлежат исследования деформации сдвига (на экране слайд №27 - по первому щелчку появляется фотография). 3 ученик. Т. Юнг впервые ввел понятие "интерференции". Интерференцию Юнг открыл, наблюдая это явление для водяных волн. Результаты своих исследований по оптике Юнг доложил на ученом заседании Лондонского Королевского общества, а также опубликовал их в начале 19 века. Но, не смотря на убедительность работ Юнга, никто не хотел их признавать т.к. это означало отказаться от привычных взглядов и, кроме того, выступить против авторитета Ньютона. На работы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась статья, содержащая грубые нападки на него. 4 ученик. Френель Огюстен Жан (1788-1827 гг.), французский физик, один из создателей волновой теории света. Работы Френеля посвящены физической оптике. Стал самостоятельно изучать физику и вскоре начал проводить эксперименты по оптике. В 1815 году переоткрыл принцип интерференции, добавив к опытам Т. Юнга несколько новых. В 1821 году доказал поперечность световых волн, 1823 г. установил законы поляризации света. Изобрел ряд интерференционных приборов. В 1823 году Френель был избран членом Парижской Академии наук. В 1825 году стал членом Лондонского Королевского общества. Французский инженер, ставший впоследствии знаменитым физиком О. Френель начал заниматься изучением явлений интерференции и дифракции с 1814 года. Он не знал о работах Юнга, но подобно ему увидел в этих явлениях доказательство волновой теории света. Однако постепенно, несмотря на все трудности, стоявшие перед гипотезой о поперечности световых волн волновая теория, света стала побеждать и вытеснять корпускулярную теорию света (на экране слайд №27 - по второму щелчку появляется фотография). (после дополнений учителя на слайде №27 по щелчку появляется вывод) 2. Презентация результатов работы НО (15 - 20 мин.): Учитель. Сейчас мы приступаем к презентации результатов работы своей научной командировки. В начале урока, мы, поставили перед собой проблему - выяснить природу света. В ходе презентаций не забывайте заполнять шаблон ОК (на столах у учащихся листы с шаблоном опорного конспекта). Первым большим успехом в изучении природы света было измерение скорости света. Оказалось, что скорость распространения света не бесконечно велика. Проблема измерения скорости света впервые была сформулирована Галилеем (XVI век), который поставил вопрос о конечности скорости света. Но он не смог ответить на поставленный им вопрос. Скорость света была, в конце концов, измерена (на экране слайд №21). I НО: (Дания, Рёмер) - выступления учащихся (слайды презентации №14-16). Дополнения учителя. Сам Рёмер вследствие малой точности измерений и неточного знания радиуса орбиты Земли получил для скорости света значение 215000 км/с. II НО: (Франция, Физо) - выступления учащихся (слайды презентации № 17-20). Дополнения учителя. Более точно скорость света начали измерять после 1960 г., когда заработал первый лазер. По современным данным скорость света в вакууме равна значению, которое вы видите на экране (слайд №21) с точностью + (-) 0,2 м/с. Приближенно с = 3*108 м/с (необходимо запомнить). А где вы встречались с этой цифрой? (эта величина, полученная экспериментально, совпадает с величиной предсказанной Максвеллом и экспериментально впервые измеренной Герцем - скоростью электромагнитных волн). Значение скорости света поможет определить природу света. С давних времен человека интересовала природа света. Были различные легенды, мифы, гипотезы, научные работы. В 16 веке человек еще не знал природу света. В 17 веке почти одновременно начали свое существование, совершенно различные, теории о том, что такое свет, какова его природа?! III НО: (Англия, Ньютон) - выступления учащихся (слайды презентации № 22-23). IV НО: (Голландия, Гюйгенс) - выступления учащихся (слайды презентации №24-25). Дополнения учителя. Вывод: первая теория утверждала: свет - это поток частиц, идущих от источника по всем направлениям; вторая теория утверждала: свет - это волна, распространяющаяся в особой гипотетической среде - эфире. V НО: (Англия, Т. Юнг; Франция, О. Френель) - выступления учащихся (слайды презентации №26-27). Дополнения учителя. Таким образом, поворот был сделан к волновой природе света. Ряд экспериментов проведенных в 19 веке, а также труды Максвелла нашедшие затем подтверждение в опытах Герца, доказали справедливость волновой теории: свет распространяется как электромагнитная волна. III. Заключительная часть урока Подведение итогов (5 мин): Какой продукт мы получили? Обратимся к вашим ОК. Обратите внимание, все ли вы выполнили. Давайте сравним ваши опорные конспекты (ОК) с тем, который представлен на экране (слайд презентации №28). А как же быть с теорией Ньютона? Мысль у него гениальная, что свет можно рассматривать как частицу. Был ли он прав? А он был прав, т.к. в 20 веке представления о природе света начали меняться, когда были открыты квантовые свойства света, ученым пришлось вспомнить о корпускулярной теории. Какую же природу имеет свет? Вывод: свет имеет двойственную природу - корпускулярно-волновую (слайд презентации №29, по первому щелчку появляется вывод, по второму щелчку - рисунок). Свет - это поток частиц; свет - это волна. "То, что неясно, следует выяснить" (Конфуций). Об этом вы узнаете в дальнейшем (слайды презентации №30-37, звучит музыка после нажатия гиперссылки). Домашнее задание: стр. 168-170, п. 59, инд. Задание п. 60. При подготовке использовала сайты: 1. http://nsportal.ru 2. http://festival.1september.ru/articles/614775/ 3. https://videouroki.net/razrabotki/fizika/uroki-1/11-class/3 4. https://infourok.ru/konspekt_otkrytogo_uroka_po_fizike_otrazhenie_sveta_11_klass-565783.htm

Урок по теме «История развития взглядов на природу света. Скорость света». 11 класс Храмова Анна Владимировна

«Всеми возможными способами нужно воспламенять в детях горячее стремление к знанию и умению».

Я. Каменский

Урок по физике в 11 классе по теме

Тип урока : урок изучение нового материала.

Форма урока : урок - теоретическое исследование.

Цели урока: познакомить учащихся с историей развития представлений о природе света и со способами нахождения скорости света.

Задачи урока:

Обучающие:

повторение основных свойств света, формирование умений объяснять физические явления на основе использования квантовой или волновой теории света, применение идеи корпускулярно-волнового дуализма.

Развивающие:

Обобщение и систематизация изученного материала, выяснение роли опыта и теории в становлении квантовой физики, объяснение границы применимости теорий, раскрытие корпускулярно-волнового дуализма.

Воспитательные:

показать бесконечность процесса познания, открыть духовный мир и человеческие качества ученых, ознакомить с историей развития науки, рассмотреть вклад ученых в развитие теории света.

Оборудование : мультимедийная установка, раздаточный материал.

Виды деятельности : групповая работа, индивидуальная работа, фронтальная работа, самостоятельная работа, работа с литературой или электронными источниками информации, анализ результатов работы с текстом, беседа, письменная работа.

Структура интерактивного занятия по теме

«Развитие взглядов на природу света. Скорость света».

Ход урока.

1. Организационный момент. Приветствие, проверка готовности учащихся к уроку.
2. Объявление темы урока и актуализация знаний по данной теме.

Учитель:

Ребята, давайте вспомним, что же мы знаем по данной теме?

Приведите примеры естественных и искусственных источников света.

Что такое луч?

Закон прямолинейного распространения света.

Что такое тень?

Что такое полутень?

Закон отражения света.

Ученикам предлагается заполнить первую графу «Знаю» таблицы ЗХУ (Приложение1).

В обыденной речи слово "свет" мы используем в самых разных значениях: свет мой, солнышко, скажи..., ученье - свет, а неученье - тьма... В физике термин "свет" имеет гораздо более определенное значение. Так что же такое свет? И что бы вы хотели узнать о световых явлениях? Заполните, пожалуйста, самостоятельно вторую графу таблицы ЗХУ.

1. Постановка цели и задач урока (по результату совместного анализа таблицы ЗХУ).
2. Теоретический блок «Развитие взглядов на природу света».

Ученикам раздается текст «Развитие взглядов на природу света» (Приложение2). Ставиться задача самостоятельно ознакомиться с текстом, проанализировать его и составить двухчастный дневник (Приложение 3).

1. Обсуждение результата работы с текстом.
2. Формулировка проблемной ситуации «Как измерить скорость света?»

Знаменитый американский ученый Альберт Майкельсон почти всю жизнь посвятил измерению скорости света.

Однажды ученый осматривал предполагаемый путь светового луча вдоль полотна железной дороги. Он хотел построить еще более совершенную установку для еще более точного метода измерения скорости света. До этого он уже работал над этой проблемой

несколько лет и добился самых точных для того времени значений. Поведением ученого заинтересовались газетные репортеры и, недоумевая, спросили, что он тут делает. Майкельсон объяснил, что он измеряет скорость света.

А зачем? - последовал вопрос.

Потому что это дьявольски интересно,- ответил Майкельсон.

И никто не мог предполагать, что эксперименты Майкельсона станут фундаментом, на котором будет построено величественное здание теории относительности, дающей совершенно новое представление о физической картине мира.

Пятьдесят лет спустя Майкельсон все еще продолжал свои измерения скорости света.

Kaк - то раз великий Эйнштейн задал ему такой же вопрос,

Потому что это дьявольски интересно! - спустя полвека ответил Майкельсон и Эйнштейну.

Учитель задает вопрос: «А важно ли знать скорость света, кроме того что это просто «дьявольски интересно»?

Выслушиваются мнения учеников, где применяются знания о скорости света.

1. Теоретический блок «Измерение скорости света».

Учитель заранее разбивает класс на творческие группы по изучению различных методов измерения скорости света:

1. Группа «Метод Рёмера»
2. Группа «Метод Физо»
3. Группа «Метод Фуко»
4. Группа «Метод Брадли»
5. Группа «Метод Майкельсона»

Каждая группа предоставляет отчет+презентацию по изученному материалу по плану:

1. Дата проведения эксперимента
2. Экспериментатор
3. Суть эксперимента
4. Найденное значение скорости света.

Остальные учащиеся самостоятельно заполняют таблицу в ходе выступления групп(Приложение 4). Макет таблицы готовится заранее.

Учитель подводит итог.

В чём состояла основная трудность при измерении скорости света?

Чему приблизительно равна скорость света в вакууме?

Современная физика решительно утверждает, что история скорости света на закончена. Свидетельством тому служат работы по измерению скорости света, выполненные в последние годы.

Определенным итогом измерения скорости света в СВЧ-диапазоне стала работа американского ученого К.Фрума, результаты которой были опубликованы в 1958 году. Ученый получил результат 299792,50 километров в секунду. В течение длительного периода эта величина считалась наиболее точной.

Для того, чтобы повысить точность определения скорости света требовалось создание принципиально новых методов, которые позволили бы проводить измерения в области больших частот и соответственно, меньших длин волн. Возможность разработки таких методов появилась после создания оптических квантовых генераторов – лазеров. Точность определения скорости света возросла по отношению к опытам Фрума практически в 100 раз. Способ определения частот с помощью использования лазерного излучения дает величину скорости света, равную 299792,462 километра в секунду.

Физики продолжают исследовать вопрос о постоянстве скорости света во времени. Исследования скорости света могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии. 300-летняя история фундаментальной постоянной с отчетливо демонстрируют ее связи с важнейшими проблемами физики.

Учитель: - Какой вывод мы можем сделать о значимости значения скорости света?

Ученики: - Измерение скорости света дало возможность дальнейшему развитию физики как науки.

1. Рефлексия. Заполнение графы «Узнал» в таблице ЗХУ.

Домашнее задание. Параграф 59 (Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев “Физика. 11”)

Решение задач

1. Из древнегреческой легенды о Персее:

“Не далее полета стрелы было чудовище, когда Персей взлетел высоко в воздух. Тень его упала в море, и с яростью ринулось чудовище на тень героя. Персей смело бросился с высоты на чудовище и глубоко вонзил ему в спину изогнутый меч…”

Вопрос: что такое тень и благодаря какому физическому явлению она образуется?

2. Из африканской сказки “Выборы вождя”:

“Собратья, – молвил Аист, степенно выйдя в середину круга. – Мы спорим с самого утра. Смотрите, наши тени уже укоротились и скоро совсем исчезнут, ибо близится полдень. Так давайте еще до того, как солнце минует зенит, придем к какому-то решению…”

Вопрос: почему длины теней, которые отбрасывали люди стали укорачиваться? Ответ поясните рисунком. Есть ли на Земле такое место, где изменение длины тени минимально?

3. Из итальянской сказки “Человек, который искал бессмертие”:

“И тут Грантэста увидел что-то, что показалось ему страшнее бури. К долине приближалось чудовище, летевшее быстрее, чем луч света. У него были кожистые крылья, бородавчатый мягкий живот и огромная пасть с торчащими зубами…”

Вопрос: что неверно с точки зрения физики в этом отрывке?

4. Из древнегреческой легенды о Персее:

“Скорей отвернулся Персей от горгон. Боится увидеть он их грозные лица: ведь один взгляд и в камень обратится он. Взял Персей щит Афины-Паллады – как в зеркале отразились в нем горгоны. Которая же из них Медуза?

Как падает с неба орел на намеченную жертву, так ринулся Персей к спящей Медузе. Он глядит в ясный щит, чтоб верней нанести удар…”

Вопрос: какое физическое явление использовал Персей, чтобы обезглавить Медузу?

Приложение1.

Таблица «Знаю/Хочу узнать/Узнал»

Приложение 2

История развития взглядов на природу света

Первые представления о природе света были заложены в глубокой древности. Греческий философ Платон (427–327 гг до н.э.) создал одну из первых теорий света.

Евклид и Аристотель (300–250 гг до н.э.) опытным путем установили такие основные законы оптических явлений, как прямолинейное распространение света и независимость световых пучков, отражение и преломление. Аристотель впервые объяснил сущность зрения.

Несмотря на то, что теоретические положения древних философов, а позднее и ученых средних веков, были недостаточными и противоречивыми, они способствовали формированию правильных взглядов на сущность световых явлений и положили начало дальнейшему развития теории света и созданию разнообразных оптических приборов. По мере накопления новых исследований о свойствах световых явлений изменилась точка зрения на природу света. Ученые считают, что историю изучения природы света следует начинать с XVII века.

В XVII веке датский астроном Ремер (1644–1710) измерил скорость распространения света, итальянский физик Гримальди (1618–1663) открыл явление дифракции, гениальный английский ученый И.Ньютон (1642–1727) развил корпускулярную теорию света, открыл явления дисперсии и интерференции, Э.Бартолин (1625–1698) обнаружил двойное лучепреломление в исландском шпате, заложив тем самым основы кристаллооптики. Гюйгенс (1629–1695) положил начало волновой теории света.

В XVII веке делаются первые попытки теоретического обоснования наблюдаемых световых явлений. Корпускулярная теория света, развитая Ньютоном, состоит в том, что световое излучение рассматривается как непрерывный поток мельчайших частиц – корпускул, которые испускаются источником света и с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно.

С точки зрения волновой теории света, основоположником которой является Х.Гюйгенс, световое излучение представляет собой волновое движение. Световые волны Гюйгенс рассматривал как упругие волны высокой частоты, распространяющиеся в особой упругой и плотной среде – эфире, заполняющем все материальные тела, промежутки между ними и межпланетные пространства.

Электромагнитная теория света была создана в середине XIX века Максвеллом (1831–1879). Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Исследования Герца и в дальнейшем П.Н.Лебедева также подтвердили, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами световых волн.

Лоренц (1896) установил взаимосвязь между излучением и структурой вещества и развил электронную теорию света, согласно которой входящие в состав атомов электроны могут совершать колебания с известным периодом и при определенных условиях поглощать или испускать свет.

Электромагнитная теория Максвелла в сочетании с электронной теорией Лоренса объясняла все известные тогда оптические явления и, казалась полностью раскрывала проблему природы света.

Световые излучения рассматривались как периодические колебания электрической и магнитной силы, распространяющейся в пространстве со скоростью 300000 километров в секунду. Лоренс полагал, что носитель этих колебаний – электромагнитный эфир, обладает свойствами абсолютной неподвижности. Однако созданная электромагнитная теория вскоре оказалась несостоятельной. Прежде всего эта теория не учитывала свойства реальной среды в которой распространяются электромагнитные колебания. Кроме того, с помощью этой теории нельзя было объяснить ряд оптических явлений, с которыми столкнулась физика на рубеже XIX и XX веков. К таким явления относятся процессы излучения и поглощения света, излучение абсолютно черного тела, фотоэлектрический эффект и другие.

Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн. Согласно этой теории, световое излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами света.

Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света, по существу же она явилась развитием единства волновых и корпускулярных явлений.

В результате исторического развития современная оптика располагает обоснованной теорией световых явлений, которая может объяснить различные свойства излучений и позволяет ответить на вопрос о том, в каких условиях те или иные свойства световых излучений могут проявляться. Современная теория света подтверждает его двойственную природу: волновую и корпускулярную.

Результат (км/с)

1676

Рёмер

Спутники Юпитера

214000

1726

Бредли

Звездная аберрация

301000

1849

Физо

Шестерня

315000

1862

Фуко

Вращающееся зеркало

298000

1883

Майкельсон

Вращающееся зеркало

299910

1983

Принятое значение

299 792,458

Страница

Повторение изученного материала.

Что такое оптика?

Что такое геометрическая оптика?

Приведите примеры естественных и искусственных источников света.

Что такое луч?

Закон прямолинейного распространения света.

Что такое тень?

Что такое полутень?

Закон отражения света.

Изучение нового материала.

Развитие оптики и технический прогресс. Создание оптических приборов.

Жизнь на Земле возникла и существует благодаря солнечному свету. Благодаря нему мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Лучи света сообщают нам о положении близких и отдаленных предметов, об их форме и цвете. Свет, усиленный оптическими приборами, открывает человеку два полярных по масштабам мира: космический мир с его огромными протяженностями и микроскопический, населенный неразличимыми простым глазом мельчайшими организмами.

Основы оптики были заложены еще в глубокой древности. Варка прозрачного стекла была известна древним египтянам и жителям Мессопотамии за 1600 лет до нашей эры, а в древнем Риме из стекла с высоким совершенством изготовляли посуду и украшения. В XIII веке человечество получило первые оптические приборы - очки и увеличительные стекла. Значительно позднее, в начале XVII века, были изобретены зрительная труба и микроскоп.

В 1609 году итальянский ученый Галилей изобрел подзорную трубу с отрицательной линзой в качестве окуляра и широко использовал ее для наблюдений. В России очки и зрительные трубы появились в начале XVII веке.

Создание теории оптических приборов началось в конце XVII века благодаря трудам выдающихся ученых: Р. Декарта, П. Ферма, И. Ньютона, К. Гаусса и других. Большой вклад в развитие мировой науки и техники в области оптики внесли русские ученые М. В. Ломоносов, Л. Эйлер, В. Н. Чиколев, механики И. П. Кулибин, О. Н. Малофеев.

В России при Петре 1 оптика получила свое дальнейшее развитие. В 1725 году при Академии Наук была организована кафедра оптики и оптическая мастерская. Одним из руководителей кафедры оптики был Л. Эйлер, который написал книгу “Диоптрика”, где изложил основы геометрической оптики.

М. В. Ломоносов был первым русским ученым, который применил микроскоп для научных исследований, он создал целый ряд принципиально новых оптических приборов, разработал способы изготовления цветного стекла, цветной мозаики. Трудами выдающихся русских М.В.Ломоносова и Л.Эйлера в XVIII веке были заложены главнейшие основы для развития оптического производства в России. После революции 1917 года в Петрограде в 1918 году был организован Государственный Оптический Институт, его возглавил академик Д.С.Рождественский. ГОИ явился центром, определяющим научную политику в области создания отечественной оптическо-механической промышленности. В ГОИ работали выдающиеся ученые: С.И.Вавилов, А.А.Лебедев, И.В.Гребенщиков, Н.Качалов и другие.

В послевоенные годы наша оптическая промышленность с успехом осваивала производство уникальных высокоточных приборов, электронных микроскопов, интерферометров, приборов для космических исследований.

На базе явлений фотоэлектрического эффекта, открытого русским ученым А.Г.Столетовым, успешно развивается фотоэлектрическая область оптики, нашедшая применение в автоматике, телевидении, управлении космическими кораблями.

К числу крупных достижений отечественной оптики относятся работы профессора М.М.Русинова. Созданные им широкоугольные аэрофотообъективы выдвинули советскую аэрофотсъемку на ведущее место в мире.

Создание аппаратуры для фотографирования невидимой с Земли обратной стороны Луны явилось началом развития нового направления оптического приборостроения – космически оптических приборов.

Исследования советских физиков Н.Г.Басова и А.М.Прохорова в середине 50-х года XX века стали тем зерном, из которого выросла новая область науки – квантовая электроника. В 1971 году Денис Габор получил Нобелевскую премию за открытие голографии.

Еще в 1930 году в Германии Ламм передал по оптическим волокнам не только свет, но и изображение. Но технология изготовления стеклянных волокон была очень сложной, поэтому идеи Ламма на долгие годы остались забытыми.

Современная наука подняла на гребень волны волоконную оптику.

История развития взглядов на природу света

Первые представления о природе света были заложены в глубокой древности. Греческий философ Платон (427–327 гг до н.э.) создал одну из первых теорий света.

Евклид и Аристотель (300–250 гг до н.э.) опытным путем установили такие основные законы оптических явлений, как прямолинейное распространение света и независимость световых пучков, отражение и преломление. Аристотель впервые объяснил сущность зрения.

Несмотря на то, что теоретические положения древних философов, а позднее и ученых средних веков, были недостаточными и противоречивыми, они способствовали формированию правильных взглядов на сущность световых явлений и положили начало дальнейшему развития теории света и созданию разнообразных оптических приборов. По мере накопления новых исследований о свойствах световых явлений изменилась точка зрения на природу света. Ученые считают, что историю изучения природы света следует начинать с XVII века.

В XVII веке датский астроном Ремер (1644–1710) измерил скорость распространения света, итальянский физик Гримальди (1618–1663) открыл явление дифракции, гениальный английский ученый И.Ньютон (1642–1727) развил корпускулярную теорию света, открыл явления дисперсии и интерференции, Э.Бартолин (1625–1698) обнаружил двойное лучепреломление в исландском шпате, заложив тем самым основы кристаллооптики. Гюйгенс (1629–1695) положил начало волновой теории света.

В XVII веке делаются первые попытки теоретического обоснования наблюдаемых световых явлений. Корпускулярная теория света, развитая Ньютоном, состоит в том, что световое излучение рассматривается как непрерывный поток мельчайших частиц – корпускул, которые испускаются источником света и с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно.

С точки зрения волновой теории света, основоположником которой является Х.Гюйгенс, световое излучение представляет собой волновое движение. Световые волны Гюйгенс рассматривал как упругие волны высокой частоты, распространяющиеся в особой упругой и плотной среде – эфире, заполняющем все материальные тела, промежутки между ними и межпланетные пространства.

Электромагнитная теория света была создана в середине XIX века Максвеллом (1831–1879). Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Исследования Герца и в дальнейшем П.Н.Лебедева также подтвердили, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами световых волн.

Лоренц (1896) установил взаимосвязь между излучением и структурой вещества и развил электронную теорию света, согласно которой входящие в состав атомов электроны могут совершать колебания с известным периодом и при определенных условиях поглощать или испускать свет.

Электромагнитная теория Максвелла в сочетании с электронной теорией Лоренса объясняла все известные тогда оптические явления и, казалась полностью раскрывала проблему природы света.

Световые излучения рассматривались как периодические колебания электрической и магнитной силы, распространяющейся в пространстве со скоростью 300000 километров в секунду. Лоренс полагал, что носитель этих колебаний – электромагнитный эфир, обладает свойствами абсолютной неподвижности. Однако созданная электромагнитная теория вскоре оказалась несостоятельной. Прежде всего эта теория не учитывала свойства реальной среды в которой распространяются электромагнитные колебания. Кроме того, с помощью этой теории нельзя было объяснить ряд оптических явлений, с которыми столкнулась физика на рубеже XIX и XX веков. К таким явления относятся процессы излучения и поглощения света, излучение абсолютно черного тела, фотоэлектрический эффект и другие.

Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн. Согласно этой теории, световое излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами света.

Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света, по существу же она явилась развитием единства волновых и корпускулярных явлений.

В результате исторического развития современная оптика располагает обоснованной теорией световых явлений, которая может объяснить различные свойства излучений и позволяет ответить на вопрос о том, в каких условиях те или иные свойства световых излучений могут проявляться. Современная теория света подтверждает его двойственную природу: волновую и корпускулярную.

Скорость света

Одна из характерных черт физика – количественный характер ее законов. Во многие соотношения, выражающие законы физики входят некоторые постоянные – так называемые физические константы. Это, например, гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения, удельная теплоемкость в уравнении теплового баланса, скорость света в законе Эйнштейна, связывающем массу тела и его полную энергию. Многие физические постоянные названы так весьма условно. Действительно, нагревается вместо воды спирт и в соответствующих уравнениях приходится использовать иную величину теплоемкости. Такими “относительными” постоянными являются коэффициент трения, удельное сопротивление, плотность и т.д. Но есть и константы, которые не меняют своего значения. Гравитационная постоянная не зависит от того, взаимодействуют ли тела из свинца или из стали. Электроны в меди и золоте имеют одинаковый заряд. Так же универсальна и постоянная с – скорость света в вакууме.

Именно вследствие своей универсальности, такие константы названы мировыми или фундаментальными постоянными. Величины фундаментальных постоянных определяют важнейшие особенности всего физического мира – от элементарных частиц до крупнейших астрономических объектов.

Принадлежность скорости света к весьма небольшой группе мировых постоянных объясняет интерес к этой величине. Однако надо признать, что даже в этой группе она занимает выдающееся место. Скорость света связана с физическими законами, относящимися к самым, казалось бы, далеким разделам физики. Постоянная с входит в преобразования Лоренца в специальной теории относительности, она связывает электрическую и магнитную постоянные. Формула Эйнштейна Е=mc 2 позволяет рассчитать количество энергии, выделяющейся при ядерных превращениях. И везде мы сталкиваемся со скоростью света.

Такая распространенность константы с служит для современной физики ярким проявлением единства физического мира и правильности пути, по которому развивается наука о природе.

Понимание этого единства прошло не сразу. Со времени первого определения значения скорости света прошло более 300 лет. Постепенно константа с раскрывала перед учеными свои тайны. Иногда за измерениями этой величины стояли годы целенаправленных поисков, работы по усовершенствованию методов измерения и научных приборов. Иногда скорость света возникала в экспериментах возникала неожиданно, ставя перед учеными вопросы, касавшиеся самых глубин физической науки. Измерение константы опровергали и подтверждали физические теории и способствовали прогрессу техники.

Существуют прямые и косвенные методы измерения скорости света. К прямым методам относятся опыты О.Ремера, А.Физо, Л.Фуко, А.Майкельсона. К косвенным методам относятся опыты Д.Брадлея, Ф.Кольрауша, В.Вебера.

Прямой способ основан на измерении пути, пройденного светом и времени прохождения этого пути c=l/t . В 1676 году Ремер наблюдал за затмением спутника Юпитера – Ио. Спутник проходил пeред планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Через 42 часа 28 минут Ио появлялся опять. Ремер проводил измерения, когда Земля ближе всего подходила к Юпитеру. Когда через несколько месяцев он повторил наблюдения, то оказалось, что спутник появился из тени на 22 минуты позже. Ученый объяснил, 22 минуты свет затрачивает на прохождение из предыдущей точки наблюдения до нынешней точки. Зная время запаздывания и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость света. Вследствие неточности измерений и неточного значения радиуса Земли Ремер получил значение скорости света равное 215000 километров в секунду.

В лабораторных условиях скорость света впервые удалось измерять в 1849 году французскому физику Физо. В его опыте свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную стеклянную пластинку. Отразившись от пластинки узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося колеса. Пройдя между зубцами свет достигал зеркала, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет проходил между зубцами колеса и затем попадал в глаз наблюдателя. Когда скорость вращения была маленькой, свет отраженный от зеркала был виден, при увеличении скорости вращения он исчезал. При дальнейшем увеличении скорости вращения, свет опять становился виден. То есть, за время распространения света до зеркала и обратно колесо успевало повернуться на столько, что на место прежней прорези вставала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 километров, а скорость света получилась равной 313000 километров в секунду.

В основе косвенного способа измерения скорости света лежит представление о свете как об электромагнитной волне и ее скорость находится путем умножения длины волны на частоту колебаний волны.

Развивая теорию электродинамики Ампера, в 1846 году Вебер и Кальрауш получили значение скорости света 310000 километров в секунду, но полученный результат объяснить они не могли, так как не существовало ясного понимания механизма передачи взаимодействия электрических зарядов. Формально теория дальнодействующих электромагнитных сил Вебера не сталкивалась со сколь-нибудь серьезной оппозицией, но уже зрели идеи близкодействия, важнейшим следствием которых является конечность скорости распространения взаимодействий.

Современная физика решительно утверждает, что история скорости света на закончена. Свидетельством тому служат работы по измерению скорости света, выполненные в последние годы.

Резкое повышение точности измерения скорости электромагнитных волн произошло после Второй мировой войны. Исследования, проведенные в военных целях, кроме угрозы существованию человечеству принесли множество важнейших, чисто научных результатов. Один из них – развитие техники сверхвысоких частот. Были созданы генераторы и приемники излучения, работающие в диапазоне длин волн от 1 метра до нескольких миллиметров. В СВЧ-диапазоне волн удалось провести очень точные и, что самое важное, независимые измерения частоты излучения и его длины волны. Такой метод определения скорости света очень удобен, так как длины волн порядка одного сантиметра можно определить с очень высокой точностью.

Конечно, не следует думать, что измерить величину с , используя новую технику, было очень просто. Каждый ученый, работавший в этой области, ставил перед собой задачу-максимум: провести предельно точные измерения длины волны и частоты для получения возможно более точного значения скорости света, а работа на пределе точности всегда сложна.

Определенным итогом измерения скорости света в СВЧ-диапазоне стала работа американского ученого К.Фрума, результаты которой были опубликованы в 1958 году. Ученый получил результат 299792,50 километров в секунду. В течение длительного периода эта величина считалась наиболее точной.

Для того, чтобы повысить точность определения скорости света требовалось создание принципиально новых методов, которые позволили бы проводить измерения в области больших частот и соответственно, меньших длин волн. Возможность разработки таких методов появилась после создания оптических квантовых генераторов – лазеров. Точность определения скорости света возросла по отношению к опытам Фрума практически в 100 раз. Способ определения частот с помощью использования лазерного излучения дает величину скорости света, равную 299792,462 километра в секунду.

Физики продолжают исследовать вопрос о постоянстве скорости света во времени. Исследования скорости света могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии. 300-летняя история фундаментальной постоянной с отчетливо демонстрируют ее связи с важнейшими проблемами физики.

Решение задач

1. Из древнегреческой легенды о Персее:

“Не далее полета стрелы было чудовище, когда Персей взлетел высоко в воздух. Тень его упала в море, и с яростью ринулось чудовище на тень героя. Персей смело бросился с высоты на чудовище и глубоко вонзил ему в спину изогнутый меч…”

Вопрос: что такое тень и благодаря какому физическому явлению она образуется? Нарисуйте ход лучей.

2. Из африканской сказки “Выборы вождя”:

“Собратья, – молвил Аист, степенно выйдя в середину круга. – Мы спорим с самого утра. Смотрите, наши тени уже укоротились и скоро совсем исчезнут, ибо близится полдень. Так давайте еще до того, как солнце минует зенит, придем к какому-то решению…”

Вопрос: почему длины теней, которые отбрасывали люди стали укорачиваться? Ответ поясните рисунком. Есть ли на Земле такое место, где изменение длины тени минимально?

3. Из итальянской сказки “Человек, который искал бессмертие”:

“И тут Грантэста увидел что-то, что показалось ему страшнее бури. К долине приближалось чудовище, летевшее быстрее, чем луч света. У него были кожистые крылья, бородавчатый мягкий живот и огромная пасть с торчащими зубами…”

Вопрос: что неверно с точки зрения физики в этом отрывке?

4. Из древнегреческой легенды о Персее:

“Скорей отвернулся Персей от горгон. Боится увидеть он их грозные лица: ведь один взгляд и в камень обратится он. Взял Персей щит Афины-Паллады – как в зеркале отразились в нем горгоны. Которая же из них Медуза?

Как падает с неба орел на намеченную жертву, так ринулся Персей к спящей Медузе. Он глядит в ясный щит, чтоб верней нанести удар…”

Вопрос: какое физическое явление использовал Персей, чтобы обезглавить Медузу? Нарисуйте возможный ход лучей.

Домашнее задание

Введение, п. 40 (Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев “Физика. 11”)