Номер 3, страница 109 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

3. В чем отличие лабораторного метода определения скорости света от астрономического?

Определение скорости света, одной из фундаментальных физических констант, исторически проводилось двумя принципиально разными способами: астрономическими и лабораторными (земными). Их главное отличие заключается в масштабах, принципе измерения и точности.

Астрономические методы

Астрономические методы были первыми, с помощью которых удалось доказать конечность скорости света и оценить ее значение. Они основаны на наблюдении за небесными телами.

1. Метод Рёмера (1676 г.): Олаф Рёмер наблюдал за затмениями спутника Юпитера Ио. Он заметил, что когда Земля в своем движении по орбите удаляется от Юпитера, промежутки времени между затмениями Ио становятся больше, а когда приближается – меньше. Рёмер правильно объяснил это тем, что свету требуется дополнительное время, чтобы преодолеть изменяющееся расстояние от Юпитера до Земли. Зная диаметр земной орбиты, он смог оценить скорость света.

2. Метод Брэдли (1728 г.): Джеймс Брэдли открыл явление годичной аберрации света звезд. Это видимое смещение положения звезды на небесной сфере, вызванное сложением скорости света и скорости движения Земли по орбите. Аналогично тому, как капли дождя для бегущего человека кажутся падающими под углом, свет от звезды "смещается". Измерив угол аберрации и зная скорость Земли, Брэдли с высокой для того времени точностью вычислил скорость света.

Особенностью этих методов является использование огромных, астрономических расстояний, а точность измерений напрямую зависела от точности астрономических инструментов и знаний о размерах Солнечной системы.

Лабораторные методы

Лабораторные методы проводятся полностью на Земле в контролируемых условиях. Их суть заключается в прямом измерении времени, за которое свет проходит известное расстояние.

1. Метод Физо (1849 г.): Арман Физо использовал установку с прерывателем света в виде быстро вращающегося зубчатого колеса. Луч света проходил через промежуток между зубьями, отражался от зеркала, расположенного на расстоянии нескольких километров, и возвращался назад. При определенной скорости вращения колеса обратный луч попадал не в промежуток, а в следующий за ним зубец и становился невидимым. Зная расстояние до зеркала $\text{L}$, число зубьев и скорость вращения колеса, можно было рассчитать время прохождения светом пути туда и обратно $t = 2L/c$ и, следовательно, саму скорость света $\text{c}$.

2. Метод Фуко (1862 г.): Леон Фуко усовершенствовал метод Физо, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Это позволило значительно повысить точность и проводить измерения на меньших расстояниях. Метод Фуко был настолько точен, что позволил измерить скорость света в воде и доказать, что она меньше, чем в воздухе, что стало решающим аргументом в пользу волновой теории света. Последующие усовершенствования, сделанные Альбертом Майкельсоном, довели точность лабораторных измерений до очень высокого уровня.

Современные лабораторные методы используют лазеры и интерферометры, что позволяет достигать высочайшей точности. Фактически, сегодня скорость света в вакууме $\text{c}$ не измеряется, а является фундаментальной константой, через которую определяется единица длины — метр.

Основные отличия

Таким образом, ключевые отличия между методами заключаются в следующем:
1. Масштаб: Астрономические методы оперируют космическими расстояниями (диаметр орбиты Земли), тогда как лабораторные — земными (от нескольких метров до десятков километров).
2. Принцип измерения: Астрономические методы являются косвенными. Скорость света вычисляется на основе наблюдаемых эффектов, вызванных ее конечностью (задержка сигнала, аберрация). Лабораторные методы являются прямыми — они измеряют время прохождения светом точно известного расстояния.
3. Точность и контроль: Лабораторные методы позволяют проводить измерения в полностью контролируемых условиях, что обеспечивает значительно более высокую точность и воспроизводимость результатов. Точность астрономических методов была ограничена возможностями наблюдательной техники и неточностью в определении астрономических расстояний.
4. Среда распространения: В астрономических методах свет распространяется в основном в космическом вакууме. В лабораторных опытах свет проходит через воздух или другую среду, что позволяет изучать зависимость скорости света от свойств среды.

Ответ:
Лабораторный метод определения скорости света отличается от астрономического тем, что он является прямым измерением времени прохождения светом известного расстояния в контролируемых земных условиях, что обеспечивает высокую точность. Астрономический метод является косвенным, он основан на наблюдении явлений (например, задержек затмений спутников или аберрации звезд), вызванных конечной скоростью света на космических расстояниях, и его точность исторически была ниже из-за сложностей астрономических наблюдений и определения расстояний.