TN đo vận tốc ánh sáng

Kết quả này cũng phù hợp với lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell, biểu diễn tốc độ ánh sáng trong chân không là: là hằng số điện là độ từ thẩm chân không • những hằng số trên k

CÁC THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH

TỐC ĐỘ ÁNH SÁNG

ĐỀ TÀI SEMINAR

KHOA VẬT LÝ- ĐHSP TPHCM

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

I Lịch sử các thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng

II Trình bày một số thí nghiệm tiêu biểu

1 Thí nghiệm của Galileo Galilei 1667

3 Thí nghiệm của Armand Fizeau

3.1 Thí nghiệm đĩa răng cưa 1849 3.2 Thí nghiệm trong môi trường nước 1851

4 Thí nghiệm của Leon Foucault 1862

5 Thí nghiệm của Albert Michelson 1879

6 Thí nghiệm của Michelson & Pease 1932

7 Thí nghiệm của Keith Davy Froome 1951

III Tóm tắt và kết luận

GIỚI THIỆU

Tốc độ ánh sáng (hay đôi khi được gọi là vận tốc ánh sáng) là độ lớn vô hướng của vận tốc lan truyền của ánh sáng Trong chân không, các thí nghiệm đã chứng tỏ ánh sáng đi với tốc độ không thay đổi, thường được ký hiệu là c= 299 792 458 m/s, không phụ thuộc vào hệ quy chiếu Kết quả này cũng phù hợp với lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell, biểu diễn tốc độ ánh sáng trong chân không là:

là hằng số điện

là độ từ thẩm chân không

• những hằng số trên không phụ thuộc vào hệ quy chiếu

1 2

ÁNH SÁNG LÀ 1 LƯỢNG VÔ HẠN?

Tốc độ ánh sáng được biết đến như là một hằng số cơ bản rất chính xác, đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực tính toán khoa học Từ xưa các nhà khoa học đã tranh cãi rất nhiều về tính vô hạn hay hữu hạn của ánh sáng.

Khoảng những năm 1600, các nhà khoa học đã bắt

đầu tiến hành các cuộc thí nghiệm để xác định tốc độ của ánh sáng.

Galileo Galilei là người đầu tiên tiến hành thí nghiệm nhưng kết quả chưa chính xác do phương pháp quá đơn giản Sau đó đã có rất nhiều nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm khác nhau với các phương pháp và dụng cụ thí nghiệm ngày càng hiện đại để

đi tìm lời giải chính xác cho câu hỏi trên.

Bạn có biết?

* Trong không gian, ánh sáng

luôn di chuyển với vận tốc tối

đa có thể: 186.282,024 dặm

(299.792,458 km/s)

Vận tốc này gọi là vận tốc

ánh sáng.

* Aùnh sáng chỉ mất 1,3s để đi

từ Trái Đất đến Mặt Trăng.

* Mặt Trời ở cách xa chúng ta

hơn Mặt Trăng.

* Khi rời Mặt Trời, ánh sáng

mất khoảng 8 phút 30 giây nó

mới đến được với chúng ta

trên Trái Đất.

Các ngôi sao trên bầu trời cách xa Trái Đất hơn Mặt Trời rất nhiều Ngôi sao gần

chúng ta nhất sau Mặt Trời làProxima

Centauri, và ánh sáng phải mất 4,22 năm

thì mới di chuyển được tới Trái Đất.

Tất cả các ngôi sao khác còn cách xa chúng ta hơn Aùnh sáng của hầu hết mọi ngôi sao chúng ta nhìn thấy trên bầu trời đêm đều đã di chuyển mất hàng trăm, hàng nghìn, hay thậm chí hàng vạn năm mới đến được mắt của chúng ta Mặc dù chúng ta vẫn nhìn thấy chúng nhưng rất có thể một số ngôi sao trong số đó đã không còn tồn tại nữa, chúng ta chưa biết điều đó bởi vì ánh sáng từ vụ nổ khi chúng bị phá huỷ vẫn chưa đến được với mắt chúng ta.

Khoảng cách trong vũ trụ thường được đo

bằng thuật ngữ năm ánh sáng, tức là

quãng đường ánh sáng đi được trong một năm.

Một năm ánh sáng bằng khoảng 6 nghìn tỉ dặm (9500 tỉ km)

I Lịch sử các thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng

Vận tốc ánh sáng chính xác nhất đã được tìm

ra vào

October 21, 1983

là

299.792 458 m/s

1 Thí nghiệm đèn lồng của Galileo Galilei 1667

C = 333.5 km/s

Năm 1676, nhà thiên văn học người Đan Mạch là Roemer đã đưa ra phép

đo có giá trị đầu tiên mặc dù kết quả vẫn chưa chính xác

Bằng cách quan sát vệ tinh Io của sao Mộc và tính toán thời gian giữa 2 lần liên tiếp vệ tinh Io

đi vào vùng tối của sao Mộc, Roemer đã đưa ra công thức tính vận tốc ánh sáng:

d: đường kính quỹ đạo Trái Đất

t: thời gian sai biệt khi Trái Đất ở gần và xa sao Mộc nhất

2 Thí nghiệm của Roemer 1676

Ole Roemer

M B M A d c



Hippolyte Fizeau (1819 1896) là một nhà khoa học người Pháp Ông là một trong những nhà

khoa học đã mang tới một ước tính hữu ích cho vận tốc của ánh sáng Fizeau đã tiến hành

2 thí nghiệm vào những năm

1849 và 1851 để đo tốc độ ánh sáng nhưng do dụng cụ còn đơn giản và sai số còn lớn

nên giá trị đo được vẫn còn không chính xác (vẫn còn lớn)

Hippolyte Fizeau

3 Các thí nghiệm của Fizeau

Aùnh sáng xuất phát từ 1 nguồn, sau đó được phản chiếu trên 1 gương nửa trong suốt truyền tới đĩa răng cưa Fizeau xoay đĩa răng cưa với tốc độ tăng dần Aùnh sáng sẽ lọt qua các khe, phản chiếu trên 1 gương rồi tới mắt của người quan sát Khi tới 1 tốc độ quay nào đó của đĩa thì ánh sáng không còn truyền tới mắt người quan sát nữa Từ đó, Fizeau đã đưa ra công thức:

D: khoảng cách giữa 2 trạm n: số vòng quay của đĩa trong 1 giây khi mắt nhìn thấy ánh sáng tắt

P: số răng của đĩa

Trạm 1 Trạm 2

• C = 312.000 km/s

3.2 Thí nghiệm nước năm 1851

Aùnh sáng xuất phát từ nguồn S, sau đó phản chiếu trên các gương Các gương này sẽ hướng ánh sáng theo 2 hướng ngược nhau xuyên qua dòng nước đang chuyển động Sau khi 2 chùm ánh sáng này gặp nhau sẽ tạo ra giao thoa Từ đó, Fizeau đã đề xuất công thức tính vận tốc ánh sáng như sau:

n: chiết suất của nướcv: vận tốc của nước : hệ số kéo sóng ánh sáng

2

1 1

k

n

Như vậy với c/n là vận tốc của ánh sáng trong nước đứng yên(n là chiết suất của nước) thì trong trường hợp nước chuyển động theo chiều như hình vẽ, vận tốc trong 2 nhánh T1, T2 là c/n±v thời gian để ánh sáng đi qua 2 nhánh T1, T2 lần lượt là 1/(c/n ± v), với l là chiều dài chung của T1, T2

Gọi là hệ số kéo sóng ánh sáng trong môi trường chuyển động

4 Thí nghiệm gương quay của Foucault 1862

Leon Foucault

Jean Bernard Leon Foucault

sinh ra vào ngày 19/06/1819 tại Pháp Trong cuộc đời của mình ông đã đạt được nhiều thành tựu khoa học:

-Là người đầu tiên chụp ảnh Mặt Trời.

-Đã đo được tốc độ ánh sáng bằng phương pháp gương quay Foucault mất vào 11/02/1868 tại Pháp

Nguồn sáng từ S tới gương M đang đứng yên hoặc đang

quay với vận tốc nhỏ thì nó sẽ phản chiếu xuống gương cầu Aùnh sáng qua gương cầu sẽ phản chiếu ngược lại và cho ảnh là s qua kính ngắm vi cấp Nếu gương M quay với vận tốc lớn thì ảnh phản chiếu cuối cùng là s’ qua kính ngắm vi cấp.

.d (d là khoảng cách từ nguồn sáng S tới gương quay)

2D

c

 Vậy (N là số vòng quay mỗi giây của gương)  2   4 N  

5 Thí nghieäm cuûa Michelson

Albert Abraham Michelson

Albert Michelson(19/12/1852-

09/05/1931) là nhà vật lý học người Mỹ gốc Phổ, nổi tiếng với nghiên cứu về cách đo tốc

độ ánh sáng và đặc biệt là với thí nghiệm Michelson-Morley Năm 1907, ông dành được giải thưởng Nobel vật lý.

Michelson chính là người Mỹ đầu tiên dành giải Nobel trong lĩnh vực khoa học.

C = 299.910 ± 4 km/s

Thí nghiệm Michelson-Morley

được mô tả như hình vẽ Aùnh sáng

đơn sắc đồng pha đi vào môt tấm

gương bán mạ A, rồi được chia

làm 2 phần giống nhau Môt phần

của tia sáng đi vào tấm gương

phẳng B, cách A một khoảng l1,

và phản chiếu lại Một phần khác

của ánh sáng đi vào tấm gương

phẳng C, cách A một khoảng l2,

và cũng được phản chiếu lại

Hai tia phản chiếu này sau khi

quay lại A sẽ được phản xạ một

phần tới máy thu D Tại D, hai tia

này giao thoa với nhau tạo thành

vân giao thoa Bằng việc đếm các

vân giao thoa, suy ra chênh lệch

đường đi của hai tia sáng và tính

ra được tốc độ của ánh sáng

6 Giao thoa kế của Michelson và Pease

1930, Michelson cộng tác với Pease và Pearson đã tiến

hành thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Để thực hiện thí

nghiệm này, ông dùng 1 ống dài 1600m và hút không khí trong ống ra (áp suất 0.5 mmHg).

Aùnh sáng xuất phát từ nguồn S, sau khi đi qua gương sẽ

phản chiếu đến lăng kính P, tới các gương M1, M2, M3

Lần phản xạ cuối cùng sẽ ló ra khỏi ống chân không tới kính ngắm.

Thí nghiệm được tiến hành từ năm 1930 đến khi Michelson mất (khoảng giữa năm 1931) Pease và Pearson tiếp tục công việc đến năm 1933 mới hoàn thành.

C = 299.774 ± 11 km/s

7 Giao thoa kế vô tuyến của Froome 1951

Máy thu thay đổi vị trí làm đổi hướng đi của 2 chùm tia và dẫn đến sự giao thoa trong ống dẫn.

N: là số lần giao thoa tối thiểu

A: là hằng số

z= là độ dịch chuyển của máy thu

1 1 2



8.Thí nghi ệ m b ằ ng laze 1983

• Để tính toán vận tốc của ánh sáng sau nhiều cuộc tranh cãi và thí nghiệm Năm 1969, khi tàu Apollo 11

đáp xuống Mặt Trăng, các nhà du hành vũ trụ đã đặt

trên Mặt Trăng tại một điểm cố định là một vách đá một chiếc gương phẳng hướng về Trái Đất Sau đó, từ Trái Đất, các nhà khoa học đã chiếu một chùm tia laser lên Mặt Trăng ngay vào chiếc gương và ghi nhận thời điểm chùm tia laser phản xạ ngược về Trái Đất Họ ghi nhận chu kì phát-phản xạ Trái Đất-Mặt Trăng-Trái Đất.

• Sau nhiều lần thí nghiệm phát-thu vào năm 1983, các nhà khoa học đều nhận được một chu kì phát-thu

chùm tia laser ứng với chu kì thời gian phát-nhận là như nhau: khoảng 384.400 km, từ đó họ đã tính được tốc độ ánh sáng tương đương tốc độ ánh sáng lý thuyết đã được nêu ra bởi các nhà bác học như Albert Einstein… là

299.792,458 km/s trong điều kiện chân không.

III Tóm tắt và kết luận

•* Những thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng thậm chí còn dẫn đến việc định nghĩa lại đơn vị “mét” vào năm 1983

Nhóm chúng tôi xin tóm tắt lại các thí

nghiệm đã được các nhà khoa học tiến hành theo tiến trình lịch sử để xác định tốc

độ ánh sáng như sau

Năm Nhà nghiên cứu Phương pháp Giá trị ước tính

(km/s)

1667 Galileo Galilei Đèn lồng có mái che 333.5

1676 Ole Roemer Vệ tinh của sao Mộc 222.000

1726 James Bradley Hiện tượng quang sai 301.000

1834 Charles Wheatstone Gương quay 402.336

1838 Francis Arago Gương quay

1849 Armand Fizeau Bánh xe quay 315.000

1868 James Clerk Maxwell Tính toán lý thuyết 284.000

1875 Marie-Alfred Cornu Gương quay 299.990

1879 Albert Michelson Gương quay 299.910

1888 Heinrich Rudolf Hertz Bức xạ điện từ 300.000

1889 Edward Bennett Rosa Phép đo điện 300.000

1890s Henry Rowland Quang phổ kế 301.800

1907 Edward Bennett Rosa

& Noah Dorsey

Phép đo điện 299.788

1923 Andre Mercier Phép đo điện 299.795

1926 Albert Michelson Gương quay (giao thoa kế) 299.798

1928 August Karolus

& Otto Mittelstaedt Lá chắn Kerr 299.778

1932

1935 Michelson & Pease Gương quay (giao thoa kế) 299.774

1947 Louis Essen Hộp cộng hưởng 299.792

1949 Carl I Aslakson Radar Shoran 299.792,4

1951 Keith Davy Froome Giao thoa kế vô tuyến 299.792,75

1973 Kenneth M Evenson Laser 299.792,457

1978 Peter Woods &

1983 International Laser 299.792.458

Cám ơn thầy và các bạn đã lắng

nghe

Nhóm thực hiện

Lê Đỗ Vũ Anh Phùng Tấn Đạt Trịnh Trung Hưng Nguyễn Khánh Phong

Tài liệu tham khảo

* Giáo trình Quang Học ĐHSP TPHCM lưu hành nội bộ 2004

•(TS Nguyễn Trần Trác-TS Diệp Ngọc Anh)