Comment calculerla vitesse de la lumière

Contenu

• Expériences légères
• Mesurer la vitesse de la lumière à partir d'observations astronomiques
• Comparer la vitesse deLa lumière dans l'air à la vitesse dans l'eau
• Utiliser l'équation pour la vitesse de la lumière
• Une méthode de mesure moderne utilisant des lasers
• Mesurer la vitesse de la lumière n'a plus de sens
• Utilisation de la vitesse de la lumière pour calibrer un appareil expérimental
• La vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle

Enclenchez vos doigts! Dans le temps qu'il a fallu pour faire cela, un faisceau de lumière a été capable de voyager presque jusqu'à la lune. Si vous claquez une fois de plus vos doigts, vous allez donner le rayontemps pour terminer le voyage. Le fait est que la lumière voyage très, très vite.

La lumière voyage rapidement, mais sa vitesse n’est pas infinie, comme on le croyait avant le 17ème siècle.La vitesse est trop rapide pour être mesurée à l'aide de lampes, d'explosions ou d'autres moyens dépendant de l'acuité visuelle et du temps de réaction de l'homme. Demandez à Galilée.

Expériences légères

En 1638, Galilée conçut une expérience utilisant des lanternes. La meilleure conclusion à laquelle il pouvait parvenir était que la lumière était "extraordinairement rapide" (en d'autres termes, vraiment, très vite).Il n'a pas été capable de trouver un chiffre, s'il a essayé l'expérience. Cependant, il a osé dire qu'il croyait que la lumière se propageait au moins dix fois plus vite que le son.En fait, cela ressemble plus à un million de fois plus vite.

La première mesure réussie de la vitesse de la lumière, que les physiciens représentent universellement par un c minuscule, a été réaliséepar Ole Roemer en 1676. Il a basé ses mesures sur l'observation des lunes de Jupiters. Depuis lors, les physiciens ont utilisé l'observation des étoiles, des roues dentées, des miroirs rotatifs,interféromètres radio, résonateurs à cavité et lasers pour affiner la mesure. Ils savent maintenant c si précisément que le Conseil général des poids et mesures a basé le compteur,qui est l'unité de longueur fondamentale dans le système SI, sur ce dernier.

La vitesse de la lumière est une constante universelle, il n'y a donc pas de formule de vitesse de la lumière, en soi. En fait, si c Si elles étaient différentes, toutes nos mesures devraient changer, car le compteur est basé sur celui-ci. La lumière a cependant des caractéristiques d'onde,qui incluent la fréquence ν et longueur d'onde λ, et vous pouvez les relier à la vitesse de la lumière avec cette équation, que vous pourriez appeler l’équation de la vitesse de la lumière:

c = νλ

Mesurer la vitesse de la lumière à partir d'observations astronomiques

Roemer a été le premier à proposer un chiffre indiquant la vitesse de la lumière. Il l'a faittout en observant les éclipses des lunes de Jupiters, en particulier Io. Il regarderait Io disparaître derrière la planète géante et ensuite le temps qu'il faudrait pour qu'il réapparaisse. Il a estimé que celaLe temps peut varier de 1 000 secondes, selon la proximité de Jupiter à la Terre. Il a proposé une valeur de la vitesse de la lumière de 214 000 km / s, ce qui est enle même stade que la valeur moderne de près de 300 000 km / s.

En 1728, l’astronome anglais James Bradley calculait la vitesse de la lumière en observant des aberrations stellaires,qui est leur changement apparent de position dû au mouvement de la terre autour du soleil. En mesurant l'angle de ce changement et en soustrayant la vitesse de la terre, qu'il pourrait calculerÀ partir de données connues à l’époque, Bradley a proposé un chiffre beaucoup plus précis. Il a calculé que la vitesse de la lumière dans le vide était de 301 000 km / s.

Comparer la vitesse deLa lumière dans l'air à la vitesse dans l'eau

Le philosophe français Armand Hippolyte Fizeau fut le prochain à mesurer la vitesse de la lumière. Il ne s’appuya pas sur des observations astronomiques.Au lieu de cela, il construisit un appareil composé d'un diviseur de faisceau, d'une roue dentée rotative et d'un miroir placé à 8 km de la source lumineuse. Il pourrait ajuster la vitesse de rotation duroue pour permettre à un faisceau de lumière de passer vers le miroir mais de bloquer le faisceau de retour. Son calcul de c, qu'il a publié en 1849, était de 315 000 km / s, ce qui n'était pas aussiprécis que Bradleys.

Un an plus tard, le physicien français Léon Foucault a amélioré l'expérience de Fizeaus en substituant un miroir rotatif à la roue dentée.La valeur de c pour Foucault était de 298 000 km / s, ce qui était plus précis. Foucault a fait une découverte importante. En insérant un tube d’eau entre le tube rotatifmiroir et le fixe, il a déterminé que la vitesse de la lumière dans l’air est supérieure à celle de l’eau. C’était contraire à ce que la théorie corpusculaire de la lumière prédit et a aidéétablir que la lumière est une onde.

En 1881, A. A. Michelson améliora les mesures de Foucault en construisant un interféromètre permettant de comparer les phases dele faisceau d'origine et le retour et affichent un motif d'interférence sur un écran. Son résultat était de 299 853 km / s.

Michelson avait mis au point l'interféromètre pour détecterla présence du éther, substance fantomatique à travers laquelle on pense que les ondes lumineuses se propagent. Son expérience, menée avec le physicien Edward Morley, a été un échec,et cela a amené Einstein à conclure que la vitesse de la lumière est une constante universelle identique dans tous les cadres de référence. C'était le fondement de la théorie de la relativité restreinte.

Utiliser l'équation pour la vitesse de la lumière

La valeur de Michelsons était celle acceptée jusqu'à ce qu'il l'améliore lui-même en 1926. Depuis lors, la valeur a été affinée par un certain nombredes chercheurs utilisant une variété de techniques. L'une de ces techniques est la méthode par résonateur à cavité, qui utilise un dispositif générant un courant électrique. Ceci est une méthode valide car,à la suite de la publication des équations de Maxwell au milieu du XIXe siècle, les physiciens ont convenu que la lumière et l’électricité sont à la fois des phénomènes d’ondes électromagnétiques, etles deux voyagent à la même vitesse.

En fait, après que Maxwell ait publié ses équations, il est devenu possible de mesurer c indirectement en comparant la perméabilité magnétique et la perméabilité électrique.de l'espace libre. Deux chercheurs, Rosa et Dorsey, ont procédé de la sorte en 1907 et ont calculé que la vitesse de la lumière était de 299 788 km / s.

En 1950, les physiciens britanniques Louis Essen et A.C.Gordon-Smith a utilisé un résonateur à cavité pour calculer la vitesse de la lumière en mesurant sa longueur d'onde et sa fréquence. La vitesse de la lumière est égale à la distance parcourue par la lumière ré divisé par le temps qu'il faut ∆t: c = d / ∆t. Considérons que le temps pour une seule longueur d'onde λ passer un point est la période de la forme d'onde,qui est l'inverse de la fréquence v, et vous obtenez la formule de la vitesse de la lumière:

c = νλ

Le dispositif utilisé par Essen et Gordon-Smith est connu sous le nom de ondemètre à résonance de cavité. Il génère un courant électrique de fréquence connue, et ils ont pu calculer la longueur d'onde en mesurant les dimensions de l'ondiomètre.Leurs calculs ont donné 299 792 km / s, ce qui était la détermination la plus précise à ce jour.

Une méthode de mesure moderne utilisant des lasers

Une mesure contemporaineLa technique ressuscite la méthode de division du faisceau utilisée par Fizeau et Foucault, mais utilise des lasers pour améliorer la précision. Dans cette méthode, un faisceau laser pulsé est divisé. Un faisceause dirige vers un détecteur pendant qu'un autre se déplace perpendiculairement vers un miroir placé à une courte distance. Le miroir renvoie le faisceau à un second miroir qui le dévie vers un second détecteur.Les deux détecteurs sont reliés à un oscilloscope, qui enregistre la fréquence des impulsions.

Les pics des impulsions de l’oscilloscope sont séparés car le second faisceau parcourt une plus grandedistance que le premier. En mesurant la distance entre les pics et la distance entre les miroirs, il est possible de calculer la vitesse du faisceau lumineux. C'est une technique simple,et cela donne des résultats assez précis. Un chercheur de l'Université de New South Wales en Australie a enregistré une valeur de 300 000 km / s.

Mesurer la vitesse de la lumière n'a plus de sens

Le mètre utilisé par la communauté scientifique est le mètre. Il a été défini à l’origine comme un dix millionième de la distance entre l’équateur et le pôle Nord.la définition a ensuite été changée en un certain nombre de longueurs d'onde de l'une des raies d'émission du krypton-86. En 1983, le Conseil général des poids et mesures a mis au rebut cesdéfinitions et adopté celle-ci:

le mètre est la distance parcourue par un faisceau de lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde, où la seconde estsur la base de la désintégration radioactive de l'atome de césium 133.

Définir le compteur en termes de vitesse de la lumière fixe la vitesse de la lumière à 299 792 458 m / s. Si unl'expérience donne un résultat différent, cela signifie simplement que l'appareil est défectueux. Plutôt que de mener plus d'expériences pour mesurer la vitesse de la lumière, les scientifiques utilisent la vitessede lumière pour calibrer leur équipement.

Utilisation de la vitesse de la lumière pour calibrer un appareil expérimental

La vitesse de la lumière apparaît dans une variété d'inconvénients en physique, et sestechniquement possible de le calculer à partir d'autres données mesurées. Par exemple, Planck a démontré que l’énergie d’un quantum, tel qu’un photon, est égale à sa fréquence.fois la constante de Planck (h) égale à 6,6262 x 10^-34 Joule⋅second. Depuis la fréquence est c / λ, L’équation de Plancks peut être écrite en termes de longueur d’onde:

E = hν = hc / λ

c = Eλ / h

En bombardant une plaque photoélectrique avec une lumière de longueur d'onde connue et en mesurant l'énergie des électrons éjectés,il est possible d'obtenir une valeur pour c. Ce type de calculateur de vitesse de la lumière n’est pas nécessaire pour mesurer c, car c est défini être ce que c'est.Cependant, il pourrait être utilisé pour tester l'appareil. Si Eλ / h ne se révèle pas être c, quelque chose ne va pas soit avec les mesures de l'énergie des électrons ou lalongueur d'onde de la lumière incidente.

La vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle

Il est logique de définir le compteur en termes de vitesse de la lumière dans le vide,depuis sa constante la plus fondamentale dans l'univers. Einstein a montré que c'était la même chose pour chaque point de référence, quel que soit le mouvement, et que c'était aussi le plus rapide avec lequel tout peut voyagerl'univers - au moins, n'importe quoi avec la masse. L'équation d'Einsteins, et l'une des équations les plus célèbres de la physique, E = mc², fournit la clé pour expliquer pourquoi il en est ainsi.

Dans sa forme la plus reconnaissable, l'équation d'Einstein ne s'applique qu'aux corps au repos. L’équation générale inclut toutefois le Facteur de Lorentz γ, où γ= 1 / √ (1- v²/ c²). Pour un corps en mouvement avec une masse m et la vitesse v, L'équation d'Einsteins devrait être écrite E = mc²γ. Quand vous regardez cela, vous pouvez voir que quand v = 0, γ = 1 et vous obtenez E = mc².

Cependant, quand v = c, γ devient infini, et la conclusion que vous deveztirer est qu’il faudrait une quantité infinie d’énergie pour accélérer toute masse finie à cette vitesse. Une autre façon de voir les choses est que la masse devient infinie à la vitesse de la lumière.

La définition actuelle du compteur fait de la vitesse de la lumière la norme pour les mesures de distance terrestres, mais elle est utilisée depuis longtemps pour mesurer les distances dans l'espace.Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière au cours d'une année terrestre, soit 9,46 × 10¹⁵ m.

Ce nombre de mètres est trop pour être compris, mais une année lumière est facilecomprendre, et comme la vitesse de la lumière est constante dans tous les référentiels inertiels, c’est une unité de distance fiable. Sa fait légèrement moins fiable en étant basé sur l'année,ce qui est un laps de temps qui n'aurait aucune pertinence pour quiconque d'une planète différente.