background image

1. Opis teoretyczny:

Ruchem   falowym  nazywamy   rozchodzneie   się   zaburzenia   w   ośrodku.   Jeśli   chcemy   zmierzyć 
prędkość fali v to śledzimy jak przemieszcza się w czasie wybrana część fali, czyli określona faza. 
Dlatego prędkość fali określa się jako prędkość fazową.
Dla wybranej fazy fali y=f(x-vt) poruszającej się w prawo rówanie sprowadza się do warunku 
x – vt = const.
Fala   elektromagnetyczna  składa   się   z   drgających   (oscylujących)   pól   elektrycznych   i 
magnetycznych. Różne możliwe częstości fal elektromagnetycznych tworzą widmo, którego małym 
wycinkiem jest światło widzialne.
Wartości   natężenia  pola  elektrycznego   E   i   indukcji   pola   magnetycznego   B   fali 
elektromagnetycznej rozchodzącej się wzdłuż osi x, zależy od x i zależy od t:

 E = E

sin(kx – ωt),

 B = B

sin(kx – ωt).

Zmienne pole elektryczne indukuje pole magnetyczne i na odwrót. Prędkość rozchodzenia się fali 
elektromagnetycznej możemy obliczyć znając wartości natężenia pola elektrycznego i indukcji pola 
magnetycznego zgodnie ze wzorem: 

c=

E
B

=

1

0

ε

0

.

Równania falowe w przestrzeni nie zawierającej ładunków:

2

E= ε 

2

t

2

,

2

B= ε 

2

t

2

,

fala rozchodzi się wtedy z prędkością  c=

1

ε

.

Prędkość światła możemy wyznaczyć też znając drogę przebytą przez światło od położenia A do 
położenia B (korzystając z układu zawierającego głowicę optoelektroniczną wysyłającą impulsy 
światła, 2 lustra oraz pomocniczą soczewkę). Droga ta wynosi:

L

AB

=

x

B

x

A

 i jest ona przebyta w czasie t

AB

=

T

2

=

1

2f .

Przykładowe metody pomiaru prędkości światła:

1) Detektor światła modulowanego Bergstranda:

Jest to jedna z najbardziej współczesnych metod wyznaczania prędkości światła i jednocześnie 
jedna   z   najbardziej   dokładnych.   Światło   zostaje   odbite   przez   zwierciadło   na   detektor 
fotoelektryczny.   Natężenie   światła   wysyłanego   ze   źródła   jest   modulowane   przez   oscylator   o 
częstości   radiowej.   Oscylator   ten   moduluje   z   tą   samą   częstością   czułość   fotokomórki.   Sygnał 
dawany przez detektor będzie największy, jeżeli światło o maksymalnym natężeniu dojdzie do 
fotokomórki w momencie, gdy czułość jej będzie największa. 
Droga wiązki światła w eksperymencie Bernstranda była rzędu 10 kilometrów. Zmierzył  on tą 
metodą wartość c otrzymując c = 299 793 +-0,3 km/s.
Można zmniejszyć częstotliwość modulacji nawet do 50 Hz, lecz wtedy pomiar prędkości nie jest 

1

background image

wykonywany się bezpośrednio. Obserwuje się wtedy różnice faz sygnału na podstawie krzywych 
Lissajous (wyglądają jak elipsy, w ekstremalnych przypadkach jak koła i odcinki)
2) Metoda Armanda Fizeau:

W metodzie  Fizeau  promienie  świetlne  odbite  przez  półprzepuszczalne  zwierciadło  przechodzą 
przez szczeliny między zębami obracającego się koła zębatego. Następnie padają na zwierciadło 
umieszczone w określonej odległości od koła (w oryginalnym eksperymencie odległość miedzy 
zwierciadłem   a   zębatką   wynosiła   8630m   -   dlatego   eksperyment   został   dokonany   jedynie   w 
powietrzu). Po odbiciu się od zwierciadła światło powinno ponownie trafić na szczelinę między 
zębami   koła.   Jeśli   koło   obraca   się   powoli,   promienie   odbite   od   zwierciadła   można   zobaczyć. 
Obserwator może zmierzyć prędkość c przez zwiększanie prędkości kątowej  

koła od zera do 

wartości, przy której zniknie obraz źródła. Niech  

będzie odległością kątową między środkiem 

przerwy a środkiem zęba. Czas potrzebny na to, by koło obróciło się o kąt, ma być równy czasowi 
przelotu 2l/c. W ten sposób otrzymujemy: 

, czyli 

Fizeau opierając się na tym wzorze obliczył że prędkość światła równa się 315 300 km/s.

Zasada działania układu pomiarowego:

Układ  pomiarowy  posiada   następujące   elementyL głowica   optoelektroniczna,   która  wysyła   impulsy 
światła, oscyloskop, dwa lustra oraz pomocnicza soczewka. Głowica wysyła za
pośrednictwem diody LED nanosekundowe impulsy światła z częstośc 40 kHz. Pojedynczy impuls jest
rozdzielany i wybiega przez dwa okna. Na jedno okno należy położyć małe lusterko odblaskowe. Przed  
drugim   należy   umieścić   duże   lustro   pomiarowe.   Głowica   elektrooptyczna   odbiera   odbite   impulsy  
świetlne   i   odpowiadające   im   sygnały   elektryczna   przesyła   do   oscyloskopu.   Przy   prawidłowym 
ustawieniu   luster   i   oscyloskopu   wiidać   na   ekranie   dwa   impulsy:   jeden   odpowiada   impulsowi 
pochodzącemu od małego lusterka umieszczonego na głowicy i drugi, od dużego lustra pomiarowego.

2. Przebieg doświadczenia:

1) Na początku włączyłam zasilanie układu optycznego i oscyloskopu. Ustawiłam podstawę 

czasu na zakres 1 mikrosekundy oraz ustawiłam czułość oscyloskopu tak aby móc 
obserwować obraz z obu luster.

2) Odsunęłam duże lustro pomiarowe na odległość 10 m i odczytałam ilość działek jaka jest 

między między impulsami pochodzącymi z obydwu luster (przy każdym przesunięciu lustra 
justowałam układ).

3) Następnie ustawiałam lustro pomiarowe, aby odległość między impulsami pochodzącymi z 

luster wynosiła kolejno 1/5, 2/5, 3/5, 4/5, 5/5 działki i spisywałam w jakiej odległości 
znajduje się w danym momencie duże lustro od układu optycznego.

2

background image

3. Obliczenia:

W celu obliczenia prędkości światła posłużyłam się wzorem:  c=

s
z
t

, gdzie s oznacza drogę 

przebytą przez światło do dużego lustra, a t jest zakresem czasu który jest równy 0,1·10

-6

s oraz 

z – oznacza liczbę działek między impulsami pochodzącymi z dużego i małego lustra:
Otrzymane przeze mnie wartości prędkości światła wynoszą:

 Działka

Odległość [m]

Obliczona prędkość światła [m/s]

3,5

5

10,00

2,857⋅10

8

1
5

3,98

3,980⋅10

8

2
5

5,88

2,940⋅10

8

3
5

7,84

2,613⋅10

8

4
5

10,94

2,735⋅10

8

5
5

14,97

2,994⋅10

8

\
Obliczyłam opóźnienie  Δt impulsu dla każdej z ustawionych odległości między impulsami. 

Obliczeń dokonałam zgodnie ze wzorem:  t=

z

c

, gdzie z jest odległością między impulsami, a 

c – obliczoną przeze mnie prędkością światła.

 Działka

Opóźnienie impulsu [s]

3,5

5

0,05⋅10

6

1
5

0,01⋅10

6

2
5

0,03⋅10

6

3
5

0,05⋅10

6

4
5

0,06⋅10

6

5
5

0,07⋅10

6

3

background image

Następnie obliczyłam średnią wartość prędkości światła (ze względu na zawyżony wynik przy 

odległości 

1
5

między impulsami, pozwoliłam sobie odrzucić ten wynik w liczeniu średniej 

wartości), która wyniosła:  c

śr

=

2,838⋅10

8

m

s

.

Obliczyłam również średnie opóźnienie impulsu, które wyniosło:  t

śr

=

0,045⋅10

6

.

4. Analiza błedu:

Metodą różniczki logarytmicznej obliczyłam błąd pomiaru prędkości światła.

Niepewność prędkości światła obliczyłam zgodnie ze wzorem: 

c

c

=

s

s

t

t

z

z

.

Czyli:  c=

s

s

t

t

z

z

⋅

c

Przyjęłam, że Δs = 0,01m,   Δz = 0,05.

Otrzymałam następujące niepewności pomiaru prędkości światła:

Lp.

u(c) [m/s]

dla c [m/s]

1

0,344⋅10

8

2,857⋅10

8

2

1,036⋅10

8

3,980⋅10

8

3

0,448⋅10

8

2,940⋅10

8

4

0,338⋅10

8

2,613⋅10

8

5

0,331⋅10

8

2,735⋅10

8

6

0,344⋅10

8

2,994⋅10

8

Niepewność pomiaru prędkości światła dla wartości średniej światła wyniosła:

c

śr

=

0,233⋅10

8

m

s

6. Wnioski:

Otrzymane przede mnie w przeprawadzonym doświadczaniu prędkości światła są bliskie tablicowej 

prędkości światła która wynosi  c=2,99⋅10

8

m

s

. Gdy uwaględnie w swoich wynikach niepewność 

pomiarową to każdy wynik mieści się w normie wartości tablicowej. Przy odległości między 

impulsami 

1
5

otrzymałam wartość znacznie różniącą się od tablicowej wartości prędkości światła 

jednak jak widać c

2

=

3,98±1,04⋅10

8

m

s

 , w obliczaniu niepewności, błąd pomiarowy również 

wyszedł bardzo wysoki. Na obliczenia również miał wpływ odczytu impulsu ze skali na 
oscyloskopie. Nie dla każdego pomiaru impuls ten był na równi intensywny, co mogło spowodować 
różnicę otrzymania prędkości światła dla różnych odległości dużego lustra.

4