Прямолінійне поширення світла. Швидкість світла та її вимірювання

Оптика вивчає поширення світла і його взаємодію з речовинами. Слово оптика походить від грецького слова "оптікос" і означає "зоровий".

Під світлом часто розуміють ті електромагнітні хвилі, довжина яких становить приблизно

від 700 до 400 нм, тобто ті, які сприймаються оком людини. Сучасна оптика вивчає хвилі і меншої довжини - (ультрафіолетові), і більшої (інфрачервоні). Тіло, яке випромінює світло, називають джерелом світла. Джерела світла розрізняють за багатьма параметрами, наприклад, штучні і природні. Теплові джерела - ті, які світяться в результаті нагрівання, і нетеплові - вони світяться завдяки реакціям, у яких беруть участь, наприклад, (окиснення і т. д.). Джерела світла можуть бути точковими і масивними, випромінювати біле світло і монохроматичне (одного кольору). Детальне вивчення показує, що теплові джерела випромінюють світло різних довжин хвиль, яке називають некогерентним. Газові лазери випромінюють упорядковане,когерентне світло, частинки якого називають фотонами або квантами. Фотони утворюються окремими атомами чи молекулами і в результаті їх незалежності в нагрітому тілі потік фотонів виявляється невпорядкованим.

Оскільки світло є електромагнітною хвилею, то в однорідному середовищі воно поширюється рівномірно і прямолінійно. Це дозволяє використовувати пучки світла для точних робіт (будівництва тунелів, високих будинків і т.п.).

Прямолінійне поширення світла від точкового джерела утворює різкі конкуренти - тіні - зон, куди не потрапляють промені від частин поверхонь джерела світла (рис.6.5,а). Якщо джерело світла протяжне, то утворюються також зони півтіней, куди попадають промені від частин поверхні джерела світла (рис. 6.5, б).

Швидкість світла у вакуумі дорівнює граничній швидкості для будь-якого матеріального тіла і дорівнює швидкості поширення електромагнітної хвилі _cв = 3·10⁸ м/с. Хоча ця швидкість є дуже великою, але вона скінченна. Рухаючись із такою швидкістю, світло від Місяця ( відстань 380000 км) доходить до Землі за 11/3 с, від Сонця (відстань 150 млн. км) - за 8 хв.; а від віддалених зірок і галактик може рухатись мільйони років.

На різних етапах розвитку фізики використовували різні способи вимірювання швидкості світла. Першим її спробував розрахувати Галілей, але йому не вдалось цього зробити. У XVII ст. її вперше визначив датський астроном Ремер, вивчаючи рухи супутника Юпітера - Іо. Реєструючи його появу із-за планети, він отримав приблизні дані швидкості світла _cв 215000 км/с. У ХІХ ст. було вперше визначено лабораторним шляхом. Цей експеримент поставив французький фізик І. Фізо 1849 року (рис.6.6).

За допомогою напівпрозорого дзеркала А світло від джерела S і збірної лінзи направлялося на зубчасте колесо К з числом зубців N, що оберталося навколо точки О. Проходячи між зубцями і через збирні лінзи Л₂ і Л₃ світло досягало дзеркала D, яке знаходилося від колеса на відстані l = 8,6 км. Якщо колесо К оберталося досить швидко, то відбите від дзеркала світло потрапляло на зубець так, що до спостерігача воно не доходило. Швидкість світло розраховували за формулою:

, (1)

де w₀ - найменша кутова швидкість обертання колеса, за якої світло не доходить до спостерігача с.

Було розроблено й чимало інших, точніших лабораторних методів вимірювання швидкості світла. Зокрема, американський фізик А. Майкельсон розробив досконалий метод вимірювання швидкості світла, застосувавши замість зубчастого колеса обертові дзеркала.

Швидкість світла вимірювали в різних прозорих речовинах. Швидкість світла у воді виміряли 1856 року. Як виявилось, вона в 4/3 разу є меншою, ніж у вакуумі. В усіх інших речовинах вона також менша, ніж у вакуумі. В середовищі з діелектричною проникністю e і магнітною проникністю m, швидкість світла визначали за формулою:

,

де с - швидкість світла у вакуумі; n - абсолютний показник заломлення в заданому середовищі.

За сучасними даними швидкість світла у вакуумі дорівнює 299792458±1,2 м/с. Можна вважати, що швидкість світла приблизно дорівнює 3·10⁸ м/с. Тепер швидкість світла вимірюють досить точно, але вчені намагаються зробити це ще точніше. Її значення використовують у багатьох формулах, як коефіцієнт. Вона є граничною швидкістю руху елементарних частинок і поширення будь-яких сигналів. Останнє з'ясувалося після створення теорії відносності.