Скорость света
Вы наверняка слышали о том, что свет от Солнца до Земли доходит за 8 минут. Но почему именно столько и как это измерили? В этой статье разберем, что такое скорость света, какая она бывает в различных средах и как ее вычислить
С разнообразными физическими явлениями люди сталкиваются ежедневно, скорость света нам тоже встречается в повседневной жизни. Мы загораем на пляже, посещаем театры теней и наслаждаемся красотой затмений, проводим интересные опыты с зеркалами, а в университетах преподаватели с помощью лазерной указки проводят нас по сложным формулам на больших досках. В этой статье мы сделаем первые шаги в изучении световых явлений в мире и начнем со скорости света.
Что такое скорость света в физике
Скорость света – это скорость движения электромагнитных волн, которые излучает Солнце и любые другие источники света.
Чтобы было понятнее, представьте себе лучик Солнца, который выпускает из себя наша звезда, и скоростью этого лучика будет то, как быстро мы увидим свет, находясь на некотором расстоянии от его источника. В разных условиях эта скорость будет варьировать в зависимости от свойств объекта, через который проходит наш лучик, но сама по себе, без влияния внешних условий, она изменяться не будет. Например, если вы приложите фонарь телефона к бутылке с водой, то скорость лучей от фонаря, проходящих через воду и пластик бутылки, будет существенно ниже, чем их же скорость, но без препятствий. В силу того, насколько велик масштаб подобных вещей, заметить невооруженным глазом изменения в скорости света почти невозможно.
Впервые скорость света пытались измерить еще древние греки, но первые близкие к правильным величины были вычислены астрономом и математиком Олафом Ремером в XVII веке. Он измерял разницу во времени затмений спутника Юпитера Ио, и самое большое замедление составило 22 минуты. Таким образом, он смог получить скорость света в размере 220 000 км/с, что довольно близко к правде!
Спустя 50 лет эту величину удалось уточнить Джеймсу Брэдли, который зафиксировал показатель скорости света на 308 000 км/с, но опыты продолжали проводиться, и каждый раз разные исследователи получали разные результаты.
Точку в поиске реальной скорости света поставил Альберт Майкельсон. Ему удалось установить, что скорость света составляет 299 796 км/с. Еще позже, в 70-х годах XX века, когда были изобретены лазеры, результат удалось уточнить до 299 796,458 км/с.
На сегодняшний день не существует инструментов, которые позволили бы измерить скорость света еще точнее. Но, используя математические формулы, можно легко находить близкие к реальным значения с минимальной погрешностью. Раньше люди использовали линзы, установленные на горах на больших расстояниях друг от друга, чтобы находить скорость света. Сегодня, используя полученные ими знания, мы можем с помощью формул и калькулятора рассчитать все необходимое для нас.
Полезная информация о скорости света
Собрали для вас в небольшую таблицу полезную информацию о скорости света.
| Параметр | Информация о скорости света |
|---|---|
| В каком году впервые была зафиксирована | 1676 |
| Кто первым нашел скорость света | Олаф Ремер |
| Каким символом обозначается | с |
Скорость света в вакууме
За величину скорости света обычно берется скорость света в вакууме. Поскольку именно в этой среде мы можем получить постоянную, неизменяемую величину с минимальной погрешностью. Скорость света обозначает, за какое время некоторое число частиц проходит определенный путь. Скорость света в вакууме постоянна и составляет ~300 000 км/с. Не пугайтесь того, насколько велико это число, в масштабах космоса это совсем немного.
Скорость света в воде
Чтобы найти скорость света в воде, нам нужно вспомнить про абсолютный показатель преломления. Для воды он составит 1,333. Теперь мы можем поделить скорость света в вакууме на этот показатель – и получим примерно 225 000 км/с.
Мы уже узнали, что свет замедляется в разных средах из-за того, что электромагнитные волны сталкиваются с препятствиями: чем плотнее среда, тем медленнее в ней распространяется свет. Чтобы представить это наглядно, вернемся к нашему солнечному лучу.
Допустим, рука, которой вы машете, – это луч света. Двигая рукой в воздухе, вы почти не ощущаете сопротивления, а, например, в воде оно уже будет очевидно. С точно таким же сопротивлением сталкивается и луч света. Если вокруг вашего кулака вдруг образуется алмаз, вы не сможете двигать пальцами из-за его плотности, и с примерно такими же трудностями столкнется световой луч. Разница лишь в том, что луч рано или поздно через алмаз пройдет, столкнувшись с одним из самых высоких показателей преломления (2,42), а вот руку из алмаза без врачей вынуть уже не получится.
Эту разницу принято называть оптической плотностью. Там, где не пройдет ваша рука, легко сможет пройти луч света, но то, насколько он замедлится, определяет оптическая плотность.
Скорость света в воздухе
Возвращаясь к аналогии с рукой и лучом, мы можем задаться вопросом: если мы не чувствуем сопротивления, двигая рукой в воздухе, почему его чувствует луч света и почему он замедляется?
Дело в том, что воздух полон разнообразных мелких частиц, которые мы не замечаем. Люди практически всегда находятся в воздушной среде, из-за чего мы не ощущаем сопротивление воздуха при движении. А вот луч Солнца в воздух попадает из космического вакуума, где он не сталкивался ни с какими препятствиями, поэтому хоть и немного, но он замедляется. Показателем преломления для воздуха будет 1,0003, что несильно отличается от 1 для вакуума. Из-за этого очень часто в задачах можно пренебречь расчетом скорости света в воздухе, так как разница будет совсем небольшой.
это интересно
Закон всемирного тяготения
Рассмотрим формулировку закона и его действие на примерах из жизни
Подробнее
Формула скорости света
Самой по себе формулы скорости света не существует: скорость света является константой, то есть постоянной величиной, и задается она латинской буквой c. А вот абсолютный показатель преломления рассчитывается следующим образом:
n = c : ν
где n – это показатель преломления, c – скорость света в вакууме, ν – скорость света в какой-нибудь среде.
Для удобства скорость света часто записывают еще и таким образом:
c = 3 x 108 м/с
Так пишут для того, чтобы при решении задач было удобнее сокращать величины.
Задачи по теме «Скорость света»
Давайте решим несложные задачи, чтобы закрепить изученный материал.
Задача 1
Вычислите, за какое время свет в воде пройдет расстояние, равное 3 000 километров.
Задача 2
Найдите скорость света в сахаре, если известно, что абсолютный показатель преломления для сахара составляет 1,56.
Ответы к задачам
Теперь давайте проверим решения и ответы.
Задача 1
Все, что нужно для решения данной задачи, это вспомнить скорость света в воде – 225 000 км/с. Разделим 3 000 на 225 000.
Ответ: 0,013 секунд.
Задача 2
Для решения этой задачи вспомним формулу абсолютного преломления (n = c : ν). Подставим в нее известные значения:
1,56 = 300 000 : ν
Теперь выразим из этого уравнения то, что мы ищем, а именно скорость света в сахаре:
ν = 300 000 : 1,56
Отсюда ν будет равно ~192 300 км/с.
Важно помнить, что скорость, в отличие от показателей преломления (относительного или абсолютного), имеет единицы измерения, поэтому в ответ стоит записывать полученное число вместе с правильной единицей измерения.
Ответ: 192 300 км/с.
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Ксения Чернова, преподаватель физического факультета НИУ ИТМО:
Что быстрее, чем скорость света?
Нет ничего быстрее скорости света. Это максимальная скорость во вселенной. Все, что происходит в мире, имеет причину и следствие. Чтобы что-то начало двигаться, его нужно толкнуть, то есть предметы перемещаются в пространстве под действием сил. Сила – это взаимодействие. Она большая, 300 000 км/с, в нашей обычной жизни мы не можем ее почувствовать или заметить, с нашей точки зрения все происходит мгновенно: например мы сразу видим стол, если посмотрим на него. Но в масштабах вселенной это ограничение уже начинает иметь значение – свет от далеких звезд доходит до нас с большим опозданием. Когда мы смотрим на ночное небо, мы видим свет звезд, каким он был миллионы лет назад.
Почему скорость света изучают в 11 классе?
Сам факт того, что существует предельная скорость во вселенной, противоречит нашей бытовой интуиции. Казалось бы, если будешь бежать с фонариком, то свет от него будет лететь быстрее. Но законы физики говорят, что нет, скорость света не зависит от того, как быстро движется наблюдатель. Конечность скорости света становится заметна на очень больших расстояниях, в масштабах вселенной, и это тоже не так легко себе представить. Когда мы говорим про частицы, которые движутся со скоростью света или близкой к ней, для них тоже не работают наши привычные понимания времени и расстояния, такие частицы живут медленнее, чем те, из которых состоим мы. Для того чтобы хорошо понимать все эти тонкости, отказаться от привычного понимания мира, отказаться от бытовой интуиции, нужно иметь достаточно развитое абстрактное мышление. Чтобы суметь что-то посчитать для быстрых частиц, нужно достаточно хорошо знать математику. Этими навыками в среднем школьники овладевают только к 11 классу, поэтому тему скорости света проходят в школах так поздно.
В каком задании ЕГЭ пригодится формула скорости света?
В ЕГЭ по физике есть задание, в которых нужно знать про скорость света и связанные с ней законы. Это задание №17 из первой части, задание на знание специальной теории относительности. Оно не сложное: от школьника требуется знание основных постулатов теории и умение посчитать какую-то величину по формулам. Скорость света в вакууме на ЕГЭ округляется и берется как величина, равная 300 000 км/с, или 3 ∙ 108 м/с.
