Рис. З06. Неудачные попытки определить скорость света
точность измерения небольших промежутков времени. Оба эти усовершенствования и были внесены впоследствии и
привели к благоприятным результатам.
§ 157. Определение скорости Света Рёмером. В методе дат ского астронома Олафа Рёмера (1644-1710),предложенном в 1675 Г., были использованы огромные расстояния, с ко;.
торыми приходится иметь дело астроному. Световым сигна
лом, посылавшимся из пункта А, служили затмения спут ника Юпитера (например, моменты выхода этого спут ника из тени Юпитера); наблюдатель на Земле регистриро
вал момент затмения.
Обращение ближайшего к Юпитеру спутника происхо дит за Р/4 дня, т. е. затмения его следуют весьма часто одно за другим. Рёмер установил, что н а б л ю д а ю т с я зат
мения не вполне регулярно. Если, например, начинаSl
с положения Земли Зi (рис. 307), предвычислиrь ,моменты ожидаемых затмений и произвести наблюдщlИЯ при полрже-
384
нии Земли примерно через 1/2 года *), то момент затмения
оказывается з а поз Д а в ш и м против вычисленного по
.чтlf на 16 мин. Однако те же вычисления дают правильный
.результат, если вновь провести наблюдения к моменту поло
.жения Земли 3а, т. е. еще примерно через 1/2 года.
,~.,.,Ю;J
(~~~
....---"
.---.--- \,.~:;
t
/.~
..--.----.
'..
~--,.",.'
32 (' ~!)/.с '~3• _ . - . - .
/ "~Ю,(\: \ 2
\'i,lIf~' 3 '~-._._._._._.~.-t::
~~-
,,"-,,,,,,,," f
--..___ •
'...~_.........#
--'---,
_·t'
'--'--/4~ЮI
(,.~~\---
'j':"'-'"
Рис. 307. К определению скорости света
по Рёмеру: Ю13i -
Земля 3i
находится между Юпитером Ю1 и Солнцем С; Ю232 -
Земля 32 и Юпи
тер Юз находятся по разные стороны
Солнца; Юз3з - следующее
взаимное расположение Земли 33 и Юпитера ЮЗ
Рёмер дал простое объяснение этим явлениям: надо учи
тывать время, необходимое для того, чтобы свет прошел до бавочное расстояние, равное поперечнику земной орбиты.
Это добавочное расстояние по современным измерениям равно 2,99·108 км, добавочное время - 966,4 с, отсюда скорость света с приблизительно равна зоо 000 км/с. Сам Рёмер нашел для скорости света с значение 215000 км/с.
§ 158. Определение скорости света по методу вращающеГОСII зеркала. Французский физик Леон Фуко (1819-1868)применил в 1862 г. очень точный способ определения вре
мени прохождения света между двумя пунктами А и В,
благодаря чему удалось надежно измерить скорость света,
не прибегая к чрезмерно большим расстояниям между А иВ.
Световой сигнал,
вышедший по направлению SA
(рис. З08), отражался
вращающимся зеркалом А к непод
вижному зеркалу В. Это последнее делалось сферическим
с очень большим радиусом кривизны R, так что центр его
совпадал с зеркалом А. Благодаря такому устройству свет при любом положении зеркала А распространялся вдоль
радиуса зеркала В, падал перпендикулярно на его поверх-
*) Период обращения Юпитера значительно (почти в 12 раз) больше периода обращения Земли. Поэтому положения Ю1• Ю2• ЮЗ разделены
промежутками около полугода.
13 i:JJJeMeHTapHbI!! учебник фИЗIIКИ, Т. IJI
ность И после отражения шел вновь по радиусу зеркала В,
т. е. возвращался к зеркалу А. Однако за время т, в течение которого свет проходил путь от А до В и обратно (т. е. путь, равный 2R), зеркало А успевало повернуться на не
большой угол а, и свет отражался по направлению AS',
Рис. 308. К определению скорости света ПО методу вращающегося зер
кала
составляющему угол 2et с направлением SA. Измерив угол
2а и зная угловую скорость вращения зеркала, можно
определить время т, а следовательно, и скорость света с=
=2R/T.
В одном из опытов Фуко расстояние АВ = 4 м,
частота
вращения
зеркала N = 800
c- 1 , угол поворота
зеркала
а = 27,3",
следовательно, для этих данных
а
2R
Т=2лN=2,7.IО-В С и
С=т=296 000 км(с.
Среднее значение скорости света, полученное Фуко, рав
нялось 298 000 км/с.
Вводя на пути света АВ трубу с водой, Фуко смог непо
средственно измерить скорость распространения света в БО
де и получил значение, в 4/з раза меньшее, чем в воздухе,
в соответствии с представлениями Гюйгенса (C:VI. § 130).
деления скорости света. По его опреде.1ениям (1927 г.)
с = 299 796 км/с. За последние годы лабораторные методы
определения скорости света существенно усовершенство
ваны. В их основу положены независимые измерения ДЛИНbI
световой волны и ее частоты. Это позволило К. Ивенсону с сотрудниками в 1972 г. определить скорость света с точ
ностью 0,2 м/с: с = 299 792 456,2 + 0,2 м/с. Однако ЭТИ
результаты требуют дальнейшего подтверждения. В 1973 г. решением Генеральной ассамблеи Международного коми тета по числеННЫ1\! данным для наук!! и техники, обобщив
шим все известные экспериментальные данные, скорость
света в вакууме принято считать равной
с = 299 792 458 + 1,2 м/с.
Для всех практических расчетов мы будем принимать
скорость света в вакууме равной 300 000 км/с (3·108 м/с). Колоссальная с точки зрения наших земных масштабов
скорость света не так уж ве.IJика в масштабах астрономичес
ких. Здесь время распространения света измеряется значи тельными числами. Так, свет идет от Солнца до Земли около 8 мин, а от ближайшей звезды - около 4 лет. За год свет
проходит путь примерно в 101~ км. Эта величина оказы
вается удобной в качестве единицы длины для огромных астрономических расстояний; она называется cвemolJbl.At годом.
Наряду с этой единицей астрономы пользуются парсе ком. Парсек (т. е. параллакс-секунда) - это расстояние, с которого радиус земной орбиты (150 млн. км) виден под углом 1". Нетрудно подсчитать, что парсек равен примерно
31/4
светового
года.
В
настоящее
время имеется возможность независимо
измерять частоту 'V и длину волны л монохроматичес
кого
света,
поэтому скорость его с = л'V может быть най
дена
и без кинематических измерений, осуществляемых
прежними
способами.
Г л а в а XIX. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА И ЦВЕТА ТЕЛ
§ 159. Состояние вопроса о цвете тел до исследований Нью
тона. Вопрос о причине различной окраски тел естественно занимал ум человека уже давно. Очень большое количество наблюдении, и чисто житейских, и научных, было в распо
ряжении исследователей, но вплоть до работ Ньютона (начав
шихся около 1666 г.) в этом вопросе царила полная неопре деленность. Считалось, что цвет есть свойство самого тела, хотя внимательное наблюдение обнаруживало, что в зави
симости от времени дня или условий освещения нередко
наблюдается очень значительное изменение в цвете тел.
Существовало мнение, что различные цвета получаются как
«смесь» света и темноты, т. е. смешивались два существенно
различных поняТия - цвет и освещенность. С незапамятных
времен наблюдались превосходные (радужные) цвета раду
ги и даже было известно, что образование радуги связано с
освещением дождевых капель.Так, французский физик Рене декарт (1596-1650)наблюдал искусственную радугу на
водяной пыли фонтанов и производил опыты по получе нию радуги со стеклянными шарами, наполненными водой. В 1637 г. Декарт объяснил форму и угловые размеры ра дуги на небесном своде, но причины цветов радуги и их
последовательности ему оставались неясными.
Точно так же игра цветов в граненых алмазах и даже в
стеклянных призмах была хорошо известна. На Востоке, в частности в Китае, украшения в виде стеклянных призм, дающих радужные блики, принадлежали к числу излюб
леннеЙших. Европейцы неоднократно описывали эти ки тайские игрушки. И тем не менее никто не сопоставлял
между собой эти многочисленные и разнообразные явления,
и связь между великолепными красками радуги, играющей
на небе, и цветом тел была открыта только в замечательных
исследованиях Ньютона.
§ J60. Основное открытие Ньютона в оптике. Ньютон обра
тился к исследованию цветов, наблюдаемых при преЛОМJlе-
НИИ света, в СБЯЗИ с попытками усовершенствования теле
скопов. Стремясь получить линзы возможно лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изо бражений является наличие окрашенных краев. Как из вестно, это обстоятельство застаmmо его начать строить
телескопы с зеркало:v! (рефлекторы) (§ 119). Исследуя окра
шивание при преломлении, Ньютон сделал свои величайшие
оптические открытия.
!1
!{
Рис. 309. Схема основного опыта Ньютона по дисперсии света. Расстоя ние от экрана до призмы ДOCTaTO'JНO велнко, чтобы МОЖНО было рззли
'13Tb отдельные цветные полосы
Сущность открытий Ньютона поясняется следующими опытами (рис. 309). Свет ОТ фонаря освещает узкое отвер
стие S (щель). При помощи линзы L изображение щели
получается на экране MN в виде короткого белого прямо
УГОJJьника S'. Поместив на пути лучей призму Р, ребро кото
рой параллельно щели, обнаружим, что изображение щели
сместится и превратится в окрашенную полоску, переходы
цветов в которой от красного к фиолетовому подобны н а6лю
даемым в радуге. Это радужное изображение Ньютон на
звал сnекmро~1t *) (рис. 310).
Еиrи прикрыть щель цветным стеК"10М, т. е. если на
праВ"1JЯТЬ на приз:v!у вместо белого света цветной, изображе
ние щели сведется к цветному прямоугольнику, располага
IOщемуся на соответствующем месте спектра, т. е. Б зависи
мости от цвета свет будет отклоняться на различные углы
от первоначалыюго изображения S'. Описанное наблюдение
показывает, что лучи разного цвета различно преЛО.МЛЯlОтся nРUЗ/flОЙ.
Это важное заl{лючение Ньютон проверил многими опы
таl\lИ. Важне:i'!ший нз IIИХ состоял В определении показателя
*) Спектр - дат. sреС(ГlllП - видение.
389
преломления лучей различного цвета, в ы д е л е н R Ы Х
из спектра. Для этой це.т1И в экране MN (рис. 309), на кото
ты показывают, что для узкого цветного пучка, выделен ного из спектра, показатель пре.'Iомления имеет ВПО.'Iне оп
ределенное значение, тогда как пре.'IO!\!.'Iение бе.тlOГО света
можно только приблизите.'IЬНО охарактеризовать одним ка ким-то значением этого показате.'IЯ. СопостаВu1ЯЯ подобные
наблюдения, Ньютон сдедад вывод, что существуют про
с т ы е цвета, не раЗ.'Iагающиеся при прохождении через
призму, И С Л О Ж Н Ы е, представляющие совокупность
простых, имеющих разные показатели преломления. В част-
390
насти, солнечный свет есть такая совокупность цветов, ко
торая при помощи призмы разлагается, давая спектральное
изображение щели.
Таким образом, в основных опытах Ньютона заключа
лись два важных открытия: 1) свет различного цвета харак
теризуется раЗНЫ'ми nоказателя!vtи nрело,Мления в данном веществе (дисперсия) *); 2) белый цвет есть совокупность
простых цветов.
Мы знаем в настоящее время, что раЗНЫl\'i цветам соот
ветствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать таким образо~.f: nоказатель nреЛОJtленuя вещества зависит от дЛllНЫ свето
вой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения
длины волны.
Первое открытие Ньютона сохраняется в неизменной формулиров ке и до настоящего временн. Что же касается второго утверждения, то надо отметить значительную сложность вопроса о природе белого све
та. Эта проблема выходит за рамки излагаемого в этой книге материала. Впрочем. для очень большого числа практических вопросов мы
можем заменить белый свет совокупностью соответствующим образом подобранных простых (монохроматических) цВетоВ, т. е. рассматривать белый свет как смесь этих цветов.
Открытие явления разложения белого света на цвета при
преломлении позволило объяснить образование радуги и
других подобных метеорологических явлений. Преломле
иие света в водяных капельках или ледяных кристалликах,
плавающих в атмоСфере, сопровождается БJ1агодаря дис персии в воде или льде разложением солнечного света. Рас считывая направление преломления лучей в случае сфери
ческих водяных капель, мы получаем картину распределе
ния цветных дуг, точно соответствующую наблюдаемым в
радуге. Аналогично, рассмотрение преломления света в
кристалликах льда позволяет объяснить явлеНIIЯ кругов вокруг Солнца и Луны в морозное время года, образование так называемых ложных СО,1НЦ, столбов и т. д.
§ 162. Дисперсия показателя преломления различных мате
риалов. Измерения показателя преломления в заВИСIIМОСТИ
от длины волны для разных веществ показывают, что
дисперсия различных материалов может быть весы!а раз
лична. В табл. 9 лриведены Б качеСтве примера значения
*) Дисперсия - лат. dispersus - рассеянный, разбросанный. На блюдавшееся Ньютоном явление следует точнее называть дисперсией fWказаmедя преlЮмления, ибо и другие оптические величины обнаружи
вают зависимость от длины волны (дисперсию).
391
Т а б л и ц а 9. Зависимость показателя преломления
от ДЛИНЫ волны для разных веществ
ПOl<<Jзатель преломления
Длина ВОЛНЫ л в ИМ
стекло. тяже-I
легкий
серо-
вода
(цвет)
стекло,
лый флинт
крон
I
углерод
I
656,3
(красный)
1,6444
1.5145
] ,6219
1.3311
589,3
(желтый)
1,6499
1,5170
] ,6308
1,3330
486, I
(голубой)
1,6657
1,5230
j ,6799
1,3371
404,7
(фиолетовый)
j ,6852
1,5318
1,6990
1,3428
показателя преломления в заВИСШIЮСТИ от ДЛIIНЫ BO,TJНЫ Д,1Я
двух сортов стекла и двух различных жидкостей.
На рис. 311 изображено, как выглядел бы спектр солнеч
ного света, полученный при помощи призм одинаковой фор мы, сделанных из перечисленных в таблице материалов.
Рис. 311. Сравнительная дисперсия
разных веществ:
1 - вода,
2 - легкий крон, 3 - тяжелый флинт.
О темных линиях
в спеКТJjе
см.в§178
Различие в дисперсии для разных стекол позволяет ,исправлять хроматическую аберрацию, как об этом упо миналось в § 106.
§ 163. Дополнительные цвета. Как было сказано в § 160,
основной опыт Ньютона состоял в раз л о ж е н и и бе
лого света в спектр. Естественно ожидать, что если мы с м е
ш а е м все цвета полученного спектра, то вновь ПОЛУЧIIТСЯ
белый свет. Соответствующие опыты также были осуществ лены Ньютоном. Смешение спектральных цветов можно осу ществить, например, следующим образом. Направим на
призму Р (рис. 312) параллельный пучок белого Света. На
выходной грани призмы поместим диафраГ\IУ D и за приз
мой расположим линзу L. В главной фокальной плоскости
MN линзы, где сходятся параллельные пучки различных
цветов, получим цветную полоску крф (спектр), ибо лучи
разных цветов падают на линзу под разными углами п,
следовательно, собираются в разных точках фокальной плоскости. Но эти же цветные IJУЧЮl лучей, проходящие
через диафрагму D по разным направлеl!ИЯl\l, дадут бла годаря линзе L изображение Дl!афрагмы D в виде белого
Рис. 312. СХбlатическое изображение опыт;) по Оlешению цветов.
Рисунок имеет цветной дубликат (см. форзац)
кружка в плоскости АВ; в каждой точке изображения
смешаны все ,1УЧИ, которые входили в состав пучка бе.lОГО
света, упавшего на ПРИЗ:vlу.
Поместим теперь в плоскость MN, где получено резкое
изображение спектра, какую-нибудь непрозрачную полоску
(напрпмер, карандаш) так, чтобы она задержала какой нибудь участок СlIектра, например зеленый (рис. 313).
Рис. 313. Карандаш О задерживает часть спектра (зе.lеную). Рисунок
ю!еет ЦRеТII()И дубликат (см. форзац)
Тогда изображение окажется цветным и притом красным.
Переместим карандаш так, чтобы он задерживал другие лучи спектра, например синие; изображение станет желтым. Перемещая карандаш параллельно самому себе вдоль MN.
