Скорость света в вакууме равна 299 792 458 метров в секунду (м/с)

 ГЛАВНАЯ  »  МАТЕРИАЛЫ  »  Какая скорость света в вакууме?

5 февраля, 2017 МАТЕРИАЛЫ 2 комментария

Скорость света в различных средах различается значительно. Сложность состоит в том, что человеческий глаз не видит его во всем спектральном диапазоне. Природа происхождения световых лучей интересовала ученых еще в древности. Первые попытки расчета скорости света были предприняты еще за 300 лет до н.э. В тот период ученые определили, что волна распространяется по прямой линии.

Быстрый ответ

Им удалось описать математическими формулами свойства и света и траекторию его движения. Скорость света в вакууме стала известной через 2 тысячи лет после проведения первых исследований.

Световой луч представляет собой электромагнитную волну в сочетании с фотонами. Под фотонами понимают простейшие элементы, которые также называют квантами электромагнитного излучения. Световой поток во всех спектрах невидим. Он не перемещается в пространстве в традиционном понимании этого слова. Для описания состояния электромагнитной волны с квантовыми частицами введено понятие показателя преломления оптической среды.

Световой поток переносится в пространстве в виде луча с малым поперечным сечением. Способ движения в пространстве выведен геометрическими методами. Это прямолинейный пучок, который на границе с различными средами начинает преломляться, формируя криволинейную траекторию. Ученые доказали, что максимальная скорость создается в вакууме, в других средах скорость движения может различаться в разы. Учеными разработана система, световой луч и выведенная величина в которой является основной для выведения и отсчета некоторых единиц СИ.

Немного исторических фактов

Примерно около 900 лет назад Авиценой было выдвинуто предположение, что независимо от номинала величины скорость света имеет конечное значение. Галилео Галилей пытался опытным путем вычислить скорость светового потока. С помощью двух фонариков экспериментаторы пытались засечь время, за которое световой пучок от одного объекта будет виден другому. Но такой эксперимент выявился неудачным. Скорость оказалась столь высока, что им не удалось засечь время задержки.

Галилео Галилей обратил внимание на то, что у Юпитера промежуток между затмениями четырех его спутников составил 1320 секунд. На основе этих открытий в 1676 году астроном из Дании Оле Ремер рассчитал скорость распространения светового пучка, как значение 222 тысячи км/сек. На тот период данное измерение было наиболее точным, но его не могли проверить земными мерками.

Через 200 лет Луизи Физо смог вычислить скорость движения светового луча опытным путем. Он создал специальную установку с зеркалом и зубчатым механизмом, который вращался на огромной скорости. Световой поток отражался от зеркала и через 8 км возвращался назад. При увеличении скорости колеса возникал тот момент, когда зубчатый механизм перекрывал луч. Таким образом, скорость луча была установлена, как 312 тысяч километров в секунду.

Фуко усовершенствовал это оборудование, уменьшив параметры за счет замены зубчатого механизма плоским зеркалом. У него точность измерений получилась наиболее приближенной к современному эталону и составила 288 тысяч метров в секунду. Фуко предпринял попытки рассчитать скорость света в инородной среде, взяв за основу воду. Физику удалось сделать вывод, что данная величина не постоянная и зависит от особенностей преломления в данной среде.

Чему равна скорость света в вакууме?

Вакуум представляет собой пространство, свободное от вещества. Скорость света в вакууме в системе Си обозначена латинской буквой C. Она является недостижимой. Ни один предмет нельзя разогнать до такого значения. Физики только предполагают, что может произойти с объектами, если они разгонятся до такой степени. Скорость распространения светового луча обладает постоянными характеристиками, она:

• постоянная и конечная;
• недостижимая и неизменная.

Знание этой константы позволяет вычислить, с какой максимальной скоростью объекты могут перемещаться в космосе. Величина распространения луча света признана фундаментальной постоянной. Она используется для характеристик пространства времени. Это предельно допустимое значение для движущихся частиц. Какая скорость света в вакууме? Современную величину получили посредством лабораторных измерений и математических подсчетов. Она равна 299.792.458 метров в секунду с точностью до ± 1,2 м/с. Во многих дисциплинах, в том числе в школьных, при решении задач используются приближенных вычисления. Берется показатель, равный 3•108 м/с.

Световые волны видимого человеку спектра и рентгеновские волны возможно разогнать до показаний, приближающихся до скорости распространения света. Они не могут сравняться с этой константой, а также превысить ее значение. Константа выведена на основе отслеживания поведения космических лучей в момент разгона их в специальных ускорителях. Она зависит от той инерциальной среды, в которой происходит распространение луча. В воде прохождение света ниже на 25%, а воздухе будет зависеть от температуры и давления на момент вычислений.

Все расчеты проведены с использованием теории относительности и закону причинности, выведенному Энштейном. Физик считает, что если объекты достигнут скорости 1 079 252 848,8 километров/час и превысят ее, то произойдут необратимые изменения в строении нашего мира, система поломается. Время начнет отсчитываться в обратном порядке, нарушая порядок событий.

На основе скорости светового луча выведено определение метра. Под ним понимают участок, который успевает пройти световой луч за 1/299792458 секунды. Не следует смешивать данное понятие с эталоном. Эталон метра — это специальное техническое устройство на кадмиевой основе со штриховкой, позволяющее видеть данное расстояние физически.

ЗАМЕДЛЕННЫЙ СВЕТ | Наука и жизнь

Понятие скорости распространения волны оказывается простым только в отсутствии дисперсии.

Лин Вестергард Хэу возле установки, на которой был проведен уникальный эксперимент.

‹

›

Открыть в полном размере

Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.

Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью — почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с — фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.

В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха — 1,0003, воды — 1,33, различных сортов стекла — от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз — 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.

В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект — так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду.

Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!

Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.

Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости — фазовую и групповую. Фазовая скорость v_ф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны — бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления — тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.

Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.

Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но «красный» спортсмен бежит быстрее, чем «оранжевый», «оранжевый» — быстрее, чем «желтый», и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается.

А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии — большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.

Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики — теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

Все частицы — как заключенные в атоме, так и свободные — делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком — основном — энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением.

Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания «атомного лазера» (см. «Наука и жизнь» № 10, 1997 г.).

Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики — оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10^-7 — 10^-8 с и в конденсированных средах — менее 10

-11 c. При этом возникает запаздывание импульса — его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.

Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние — на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).

После этого конденсат осветили «связующим пучком» линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения.

И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков — в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз — до 43 микрометров.

Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет — возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.

Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.

5.1.1: Скорости различных типов волн

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

26167

• Кайл Форинаш и Вольфганг Кристиан

Скорость волны определяется типом волны и физическими свойствами среды, в которой она распространяется. Исключение составляют электромагнитные волны, которые могут распространяться в вакууме. Для большинства веществ материал будет вибрировать, подчиняясь силе закона Гука, когда волна проходит через него, и скорость не будет зависеть от частоты. Электромагнитные волны в вакууме и волны, распространяющиеся в линейной среде, называются линейными волнами и имеют постоянную скорость. Примеры: 9{\ circ} \ text {C} \}} Вещество Скорость звука (\(\text{м/с}\)) Углекислый газ \(259\) Водород \(1284\) Гелий \(965\) 9{\ circ} \ text {C} \}} Глицерин \(1904\) Морская вода (\(3,5\)% солености) \(1535\) Вода \(1493\) Меркурий \(1450\) Керосин \(1324\) Метиловый спирт \(1103\) Четырёххлористый углерод \(926\) Твердые вещества Алмаз \(12000\) Стекло пирекс \(5640\) Железо \(5960\) Гранит \(6000\) Алюминий \(5100\) Латунь \(4700\) Медь (отожженная) \(4760\) Золото \(3240\) Свинец (отожженный) \(2160\) Резина (резинка) \(1550\)

Таблица \(\PageIndex{1}\)

Вот более полный список скорости звука в различных материалах.

Как мы видели в предыдущей главе, существует зависимость между периодом, длиной волны и скоростью волны. На период плавания пробки в воде влияет скорость прохождения волны (скорость волны) и расстояние между вершинами (длина волны). Соотношение между скоростью, периодом и длиной волны синусоидальной волны задается формулой \(v=\lambda /T\) , где длина волны и период синусоидальной волны были определены ранее. Это также можно записать как \(v=\lambda f\), поскольку частота является обратной величиной периода и верно для всех линейных волн. Обратите внимание, что, поскольку скорость волны обычно является фиксированной величиной, частота и длина волны будут обратно пропорциональны; более высокие частоты означают более короткие длины волн.

Часто проще написать \(ω = 2πf\), где \(\omega\) угловая частота в радианах в секунду, чем везде писать \(2\pi f\). Точно так же проще написать \(k=2\pi /\lambda \), где \(k\) — волновое число в радианах на метр, чем писать \(2\pi /\ лямбда\) много. {\circ}\text{C}\)) звук распространяется со скоростью \(344\text{м/с}\). 9{8}\text{ м/с}\) в вакууме, но замедляются при прохождении через среду (например, при переходе света из воздуха в стекло). Это происходит потому, что материал имеет другое значение диэлектрической и/или магнитной проницаемости из-за взаимодействия волны с атомами материала. Величина изменения скорости определяется показателем преломления \(n=c/v\), где \(c\) — скорость света в вакууме, а \(v\) — скорость в среде. Частота волны не меняется при ее замедлении, так как \(v=\lambda f\), длина волны электромагнитных волн в среде должна быть несколько меньше.

Примеры видео/аудио:

• Какова скорость звука в вакууме? Зуммер в стеклянном стекле. Почему нет звука при удалении воздуха из банки?
• Демонстрация скорости звука в различных газах. Почему нет звука при удалении воздуха из банки?
• Эти два видеоролика демонстрируют эффект Allasonic. Скорость звука в жидкости с пузырьками воздуха разная, потому что разная плотность. По мере того как пузырьки лопаются, скорость звука изменяется, что приводит к изменению частоты звуковых волн в столбе жидкости и, таким образом, к изменению высоты тона. Пример: раз, два. Что вы слышите в каждом случае?
• Зубная трубка — это игрушка, внутри которой находится пружина, прикрепленная к двум пластиковым чашкам на каждом конце. Вибрации пружины распространяются с разной скоростью, поэтому звук, начинающийся на одном конце (например, щелчок, когда вы встряхиваете трубку, и пружина ударяет по чашке), в конечном итоге меняет высоту звука на другом конце по мере поступления различных частот. Другими словами, это нелинейная система. Посмотрите, сможете ли вы понять из видео, какие частоты распространяются быстрее, высокие частоты или низкие.

{8}\text{ м/с}\), но звуковые волны распространяются со скоростью примерно \(344\text{ м/с}\). Каково время задержки света и звука от источника, который находится на расстоянии \(10 000\text{м}\) (это можно использовать для получения приблизительного расстояния до грозы)?

Какие две ошибки допускают в научно-фантастических фильмах, когда вы одновременно видите и слышите взрыв в космосе?

См. таблицу скорости звука в различных веществах. Если вы держите одно ухо в воде, а одно высовываете во время купания в озере, и звонит колокол, который находится наполовину в воде на некотором расстоянии от вас, какое ухо первым услышит звук? 9{\ circ} \ text {C} \}}?

Как бы звучал оркестр, если бы разные инструменты издавали звуки, распространяющиеся с разной скоростью?

Скорость волны определяется средой, в которой она распространяется, поэтому в данной ситуации она обычно постоянна. Что произойдет с частотой волны, если длину волны увеличить вдвое?

Что произойдет с длиной волны, если частоту увеличить вдвое, а скорость останется той же?

Предположим, что звуковая волна имеет частоту \(200\text{ Гц}\). Если скорость звука \(343\text{ м/с}\), какой длины волны эта волна?

Какие факторы определяют скорость звука в воздухе?

Почему звуковые волны распространяются быстрее в жидкостях, чем в воздухе?

Почему звуковые волны распространяются быстрее через твердые тела, чем через жидкости?

Скорость звука в жидкости определяется выражением \(v=\sqrt{B/Q}\), где \(B\) — объемный модуль (сжимаемость), а \(Q\) — плотность. Что произойдет со скоростью, если плотность жидкости увеличится?

Что должно быть верно в отношении сжимаемости \(B\) воды по сравнению с воздухом, учитывая, что звук в воде распространяется быстрее, а вода плотнее воздуха?

Скорость звука в жидкости определяется выражением \(v=\sqrt{B/Q}\), где \(B\) — объемный модуль (сжимаемость), а \(Q\) — плотность. Можете ли вы придумать умный способ измерения объемного модуля жидкости, если у вас есть простой способ измерить скорость звука в жидкости? Объяснять.

Скорость звука на струне определяется выражением \(v=\sqrt{T/\mu}\), где \(T\) — натяжение в ньютонах, а \(\mu\) — линейная плотность (толщина) в \(\text{кг/м}\). Вы также знаете, что \(v=f\lambda\). Приведите два способа изменения частоты колебаний гитарной струны, основанные на знании этих двух уравнений.

Что касается предыдущего вопроса, увеличение напряжения влияет на частоту? Что делает использование более плотной струны с частотой?

На следующем графике изображена волна, застывшая во времени в точке \(t = 0\). Уравнение, описывающее волну, имеет вид \(y(x,t)=A\cos (kx-\omega t+\phi )\). Нарисуйте эффект удвоения амплитуды \(A\).

Рисунок \(\PageIndex{1}\)

25. Для следующего графика волны нарисуйте эффект удвоения длины волны.

Рисунок \(\PageIndex{2}\)

26. Математическое описание синусоиды дается выражением \(y(x,t)=A\cos (kx-\omega t+\phi )\) . Объясните, что представляет каждый из терминов \((A, k, \omega, \phi )\).

---

Эта страница под названием 5.1.1: Speeds of Different Types of Waves распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 3.0 и была создана, изменена и/или курирована Кайлом Форинашем и Вольфгангом Кристианом через исходный контент, который был отредактирован для стиль и стандарты платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Кайл Форинаш и Вольфганг Кристиан

   Лицензия

   СС BY-NC-SA

   Версия лицензии

   3,0

2. Теги

   1. источник@https://www. compadre.org/books/SoundBook

Электромагнитные волны распространяются с той же скоростью только в вакууме? Почему так?

спросил 5 лет, 1 месяц назад

Изменено 5 лет назад

Просмотрено 8к раз

$\begingroup$

Я читал, что все электромагнитные волны распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. А как насчет воздуха, воды и других материалов, отличается ли их скорость в этих материалах, если да, то почему?

• электромагнитное излучение
• скорость света
• преломление

$\endgroup$

$\begingroup$

На ваш вопрос можно ответить различными способами, которые сильно отличаются друг от друга в зависимости от того, какой ответ является для вас наиболее значимым: классический или квантовый. Тем не менее, я приведу очень простой классический аргумент, чтобы ответить на ваш вопрос.

Распространение волн в свободном пространстве — это скорость света, обычно обозначаемая буквой $c$. Уравнения Максвелла говорят нам, что это значение $c$ можно вычислить из следующего соотношения с проницаемостью свободного пространства $\mu_0$ и диэлектрической проницаемостью свободного пространства $\epsilon_0$: $$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $$ Однако в материальных средах оба эти значения проницаемости и диэлектрической проницаемости могут измениться таким образом, что вычисленная результирующая скорость будет меньше стандартной скорости света в вакууме.

Эти значения проницаемости и диэлектрической проницаемости подобны сопротивлению потоку электромагнитных волн. В результате среда иногда обозначается как имеющая коэффициент скорости для электромагнитных волн, который составляет процент от скорости света для этой среды.

$\endgroup$

$\begingroup$

Фазовая и групповая скорости света в вакууме одинаковы и постоянны $$c_{ph}=\frac {\omega}{k}=c_{gr}=\frac {d\omega}{dk}=c$ $ из-за соотношения линейной дисперсии $$k(\omega) =\frac {2\pi}{\lambda}=\frac {\omega}{c}$$ Следовательно, в вакууме все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью . В обычных диэлектрических материалах (с $\mu_r=1$) электромагнитное поле взаимодействует с молекулами, создавая диэлектрическую поляризацию, которая приводит (зависит от частоты) к относительной диэлектрической проницаемости $\epsilon_r \gt 1$. Это, как правило, изменяет фазовую скорость на значение, меньшее, чем скорость света в вакууме $$c_{ph}=\frac {c}{n} \lt c$$, где (зависящий от частоты) показатель преломления равен $n = \sqrt\epsilon_r$. Таким образом, фазовая скорость света в диэлектрической среде (за исключением) меньше скорости света в вакууме. Обычно это также зависит от частоты света, которая называется дисперсией.

$\endgroup$

$\begingroup$

Да, все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью $c$ только в вакууме. В других средах их скорость зависит от их частоты.

В электромагнитной волне теохарактеристическими свойствами являются частота и длина волны.