ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.12.2023
Просмотров: 24
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Знание точной величины С. с. имеет большое практическое значение, в частности в связи с определением расстояний по времени прохождения радио- или световых сигналов в радиолокации, оптической локации и дальнометрии. Особенно широко этот метод применяется в геодезии и в системах слежения за искусственными спутниками Земли; он использован для точного измерения расстояния между Землёй и Луной и для решения ряда других задач.
Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.
Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ=c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды.
Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что скорость света в среде зависит от скорости и направления движения самой среды.
-
Скорость света и ее определение
Скорость света – абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [цэ]). Скорость света относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела, а свойства мира в целом. По современным представлениям скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.
Значимость скорости света
Скорость света в вакууме - фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Это постоянная, по размерности и по величине совпадающая со скоростью света.
Также важен тот факт, что эта величина абсолютна. Это один из постулатов СТО.
В вакууме (пустоте)
Распространение светового луча в масштабной модели Земля-Луна
Скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или же 1 079 252 848.8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды. Скорость света обозначается буквой c.
Основополагающий для СТО опыт Майкельсона показал, что скорость света в вакууме не зависит ни от скорости движения источника света, ни от скорости движения наблюдателя. В природе со скоростью света распространяются:
– собственно видимый свет
– другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи и др.)
Из специальной теории относительности следует, что движение любых материальных объектов быстрее скорости света невозможно, поскольку наличие частиц, обладающих подобным свойством (называемых тахионами), привело бы к противоречию с принципом причинности.
Действительно, если начало и конец пути тахиона отстоят друг от друга на расстояние большее, чем мог пройти за время пути свет, то согласно преобразованиям Лоренца получается, что в некоторой системе отсчёта, процесс будет выглядеть так, что конец пути предшествует во времени его началу. Иными словами, наблюдатель этой системы отсчёта придёт к заключению, что источник тахионов влияет на прошлое, что является нарушением принципа причинности. Принцип причинности является несомненным опытным фактом, хотя и не является логически обязательным (ни одна теория не использует его в качестве постулата).
Частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой покоя, в отличие от безмассовых фотонов и гравитонов, которые всегда движутся со скоростью света.
В планковских единицах скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.
Отрицание постулата о максимальности скорости света
В последние годы нередко появляются сообщения о том, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, 15 августа 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесенные на 18 км в пространстве связанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана - сверхсветовая скорость при туннельном эффекте.
Научный анализ значимости этих и подобных результатов показывает, что они принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества.
3. Теория относительности Эйнштейна
Общая теория относительности (ОТО; англ. general theory of relativity) – геометрическая теория, развивающая Специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей.
Уравнения Эйнштейна также именуемые уравнениями Эйнштейна-Гильберта (термин применяется также, а в современной физике и главным образом, в единственном числе: уравнение Эйнштейна , поскольку, как видно из записи ниже, это на самом деле одно тензорное уравнение, хотя в компонентах представляет собой систему уравнений) — основные уравнения общей теории относительности, связывающие между собой свойства материи, заполняющей искривлённое пространство-время, с его кривизной. Выглядят они следующим образом:
где Rab — тензор Риччи, получающийся из тензора кривизны пространства-времени Rabcd посредством свёртки его по паре индексов, R — скалярная кривизна, то есть свёрнутый тензор Риччи, gab — метрический тензор, Λ — космологическая постоянная, а Tab представляет собой тензор энергии-импульса материи, (π — число пи, c — скорость света в вакууме, G — гравитационная постоянная Ньютона). Так как все входящие в уравнения тензоры симметричны, то в четырёхмерном пространстве-времени эти уравнения равносильны 4·(4+1)/2=10 скалярным уравнениям.
Одним из существенных свойств уравнений Эйнштейна является их нелинейность, приводящая к невозможности использования при их решении принципа суперпозиции.
Специальная теория относительности Эйнштейна:
– Постулат принципа относительности: никакие опыты, проведенные внутри данной ИСО, не дают возможности обнаружить покоится эта система, либо движется равномерно и прямолинейно;
– Принцип инвариантности: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех ИСО.
Согласно второму постулату все ИСО равноправны, т.е. все явления (механические, оптические) во всех ИСО протекают одинаково.
Искривление пути света происходит в любой ускоренной системе отсчёта. Детальный вид наблюдаемой траектории и гравитационные эффекты линзирования зависят, тем не менее, от кривизны пространства-времени. Эйнштейн узнал об этом эффекте в 1911 году, и, когда он эвристическим путём вычислил величину кривизны траекторий, она оказалась такой же, какая предсказывалась классической механикой для частиц, движущихся со скоростью света. В 1916 году Эйнштейн обнаружил, что угловой сдвиг направления распространения света в ОТО в два раза больше, чем в ньютоновской теории. Таким образом, это предсказание стало ещё одним способом проверки ОТО.
Невозможность достижения скоростей, превышающих скорости света, вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с. Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.
4. Сверхзвуковая скорость
Сверхзвуковая скорость – скорость материального тела, превышающая скорость распространения звуковых волн в данной среде.
Сверхзвуковая скорость – скорость частиц вещества выше скорости звука для данного вещества или скорость тела, движущегося в веществе с более высокой скоростью, чем скорость звука для данной среды.
Скорость звука изменяется в зависимости от температуры, давления и химического состава. Так например, при температуре 0 градусов по Цельсию и давлении 1 Атм скорость звука в газообразном азоте М=334 м/с, в кислороде 316 м/с, водороде 1284 м/с, воздухе 331 м/с; в воде при температуре +20 по Цельсию 1490 м/с.
Принципиальной особенностью движения на около- и сверхзвуковых скоростях является необходимость учета сжатия среды, мало проявляющегося до этого. Сжатие радикально меняет всю картину обтекания, значительно увеличивая сопротивление движению. Так, изменение скорости и направления движения набегающего потока на сверхзвуковых скоростях приводит к образованию скачков уплотнения, в которых резко меняется плотность и температура среды. Еще одной особенностью движения со сверхзвуковыми скоростями является кинетический нагрев, вызываемый торможением набегающего потока на поверхности тела и в скачках уплотнения. При этом выделяется значительно больше тепла, чем от трения.
Форма тел, предназначенных для движения со сверхзвуковыми скоростями, имеет ряд особенностей - острые кромки, минимальная кривизна образующих и т.д. Большое значение для летательного аппарата имеет взаимное расположение его элементов - фюзеляжа, крыльев, мотогондол. При его оптимизации можно значительно увеличить подъемную силу ЛА.
В аэродинамике часто скорость характеризуют числом Маха, которое определяется следующим образом:
, где u — скорость движения потока или тела, cs — скорость звука в среде. Звуковая скорость определяется как 
, где γ — показатель адиабаты среды (для идеального n-атомного газа, молекула которого обладает i степенями свободы он равен 
). Здесь i = np + nr + 2nc – полное число степеней свободы молекулы. При этом, количество поступательных степеней свободы np = 3. Для линейной молекулы количество вращательных степеней свободы nr = 2, количество колебательных степеней свободы (если есть) nc = 3n − 5. Для всех других молекул nr = 3, nc = 3n − 6.При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).
Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: черенковское излучение, волна создаваемая судами на поверхности воды.
При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет "быстрый" гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше не считаются гиперзвуковой скоростью, а «скоростью возврата» космических аппаратов на Землю.
Гиперзвуковая скорость – («ГС») - скорости в аэродинамике, которые значительно превосходят скорость звука в атмосфере. Начиная с 1970х годов, термин обычно относится к сверхзвуковым скоростям выше 5 чисел Маха («М»). Гиперзвуковой режим является частью сверхзвукового режима полета. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полета самолета при скоростях выше скорости звука (выше 1.2 М) кардинально отличается от дозвукового полета (до 0.75 М). Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов ионизации и диссоциаций молекул в приграничном слое около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при 5 М.