- 153 -


         3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНСТАНТНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ
            ИЗУЧЕНИИ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА
     Важнейшей  константой в волновой физике является групповая
скорость распространения  электромагнитной волны в вакууме, ко-
торую принято  называть просто  скоростью света. Эта постоянная
используется в механике,электродинамике, квантовой физике и яв-
ляется фундаментальной, так как  фактически определяет характер
окружающего нас мира. Сам факт, что электромагнитное поле расп-
ространяется  не мгновенно, что скорость переноса энергии и ин-
формации электромагнитными волнами  конечна и является предель-
ной, определил современный облик не только физики,но и мировоз-
зрения в целом. Поэтому методы измерения скорости  света заслу-
живает самого глубокого изучения и наиболее простые из них дол-
жны быть усвоены  учащимися не только на теоретическом, но и на
экспериментальном уровнях.
      3.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА В ТРАДИЦИОННОЙ МЕТО-
ДИКЕ. В школе обычно  ограничиваются чисто описательными сведе-
ниями о методах измерения  скорости света, которые вкратце зак-
лючаются в следующем. Впервые проблема измерения скорости света
была поставлена Галлилеем,предложившим гипотетический опыт, по-
зволяющий, по его мнению, измерить эту величину. Доказательство
конечности скорости света и оценка ее значения были сделаны Ре-
мером методом наблюдений затмений спутника Юпитера, что подроб-
но описано в современных учебниках [117, с.94-96].Еще одним ас-
трономическим методом определения скорости световой волны явля-
ется метод аберрации Бредли,о котором сообщается в курсах повы-
шенного уровня.

                            - 154 -
     С развитием  измерительной техники разрабатывались лабора-
торные методы измерения  скорости  света, причем  измерительная
база  последовательно  сокращалась от  нескольких километров до
метра. При этом в силу огромного значения скорости света потре-
бовалось создание  высокоточных измерителей  малых  промежутков
времени, малоинерционных источников и приемников света, высоко-
частотных модуляторов.
     В [44] дан достаточно полный анализ экспериментов по изме-
рению скорости света, которые можно систематизировать следующим
образом: нелабораторные методы (Ремера,аберраций,радиолокации),
метод оптического затвора (зубчатое колесо Физо,вращающееся зе-
ркало Фуко, ячейка Керра или Поккельса), метод модуляции (ульт-
развуковой, интерференционный модуляторы, малоинерционный исто-
чник света).
     Из лабораторных методов наиболее простым для понимания яв-
ляется метод оптического  затвора, сущность  которого  подробно
изложена в [117, с.94-96] на примере опыта Физо.
     Рассмотрим учебные  варианты фундаментального эксперимента
по определению скорости света. В [2О1] предложена эксперимента-
льная установка на основе метода модуляций источника света. Она
содержит малоинерционный светодиод,подключенный к источнику ко-
ротких  импульсов длительностью  порядка 1О нс, зеркало и фото-
умножитель, подсоединенный к осциллографу, работающему в режиме 
ждущей развертки.Данная установка позволяет определить значение 
скорости света на базе наскольких метров.К ее основным недоста-
ткам  относится то, что использование фотоумножителя делает ус-
тановку дорогостоящей и сложной в обращении.
     Аналогичный метод описан в [62]. В качестве  источника мо-
дулированного излучения  используется газонаполненный диод, за-

                            - 155 -
питанный  напряжением частотой 1,2 Мгц, прием светового сигнала
осуществляется также с помощью фотоумножителя.
     В [199] рассмотрена  экспериментальная установка для изме-
рения скорости света методом оптического затвора,в качестве ко-
торого  используется ячейка Поккельса. Промодулированный свето-
вой пучок расщепляется  полупрозрачным зеркалом на два, один из
которых доходит до удаленного зеркала и после отражения регист-
рируется  фотоумножителем, другой - поступает на фотоумножитель
непосредственно. К выходу фотоумножителя подключен осциллограф,
на экране  которого  высвечиваются два импульса, отстоящие друг
от друга на расстояние,пропорциональное времени распространения
света до удаленного  зеркала и обратно. Эта установка обеспечи-
вает на базе около 1ОО м погрешность измерений менее 1%.
     В [72,с.5О-52] описана экспериментальная установка для из-
мерения скорости света с помощью ячейки Поккельса по схеме опы-
та Физо. Ячейка Поккельса запитана  переменным напряжением час-
тотой 6ОО МГц. Источником света является лазер, в качестве при-
емника используется фотоумножитель.
     Подробный анализ перечисленных выше экспериментов показал,
что они объективно сложны для понимания учащимися.Скорость све-
товой  волны, частоты модуляций, длительности вспышек источника
света находятся далеко за пределами чувственного восприятия че-
ловека. Поэтому демонстрация подобных опытов должна сопровожда-
ться  подробным  объяснением  принципа действия соответствующей
установки, без которого  понять их  невозможно. Кроме того, все
учебные установки по измерению скорости света сложны,дорогосто-
ящи и совершенно недоступны отечественной школе.
     Рассматривая  опыты по измерению скорости света, нельзя не
остановиться на эксперименте по определению  скорости распрост-

                            - 156 -
ранения электромагнитного импульса в двухпроводной линии. Мето-
дика школьного варианта этого опыта описана О.Ф.Кабардиным [47],
позже она была включена в учебное пособие по лабораторному пра-
ктикуму [167, с.161-168]. Экспериментальная  установка  состоит
из двухпроводной линии длиной О,5-1 км, один конец которой зам-
кнут, а другой  подключен к генератору прямоугольных  импульсов
длительностью 1 - 1О мкс и высокочастотному  осциллографу. Суть
опыта  в том, что вырабатываемые  генератором электрические им-
пульсы распространяются  по двухпроводной  линии до  замкнутого
конца, отражаются  и возвращаются обратно. На экране получаются
осциллограммы испущенного и отраженного импульсов. По известной
скорости развертки осциллографа и измеренному  расстоянию  меж-
ду осциллограммами можно определить время запаздывания отражен-
ного импульса и, зная длину двухпроводной линии,легко вычислить
искомую скорость.
     Использование данного эксперимента в учебном процессе пре-
дполагает теоретическое и экспериментальное обоснование явления
распространения  электромагнитного поля вдоль двухпроводной ли-
нии, а также объяснение  причин несовпадения  экспериментальных
результатов со  значением скорости  света в вакууме. Применение
данного эксперимента в лабораторном практикуме представляет оп-
ределеный интерес,так как позволяет убедиться в конечности ско-
рости  распространения  электромагнитного  поля, однако, на наш
взгляд, для  демонстрации  метода измерения групповой  скорости
волны безотносительно к ее природе целесообразнее  использовать
звуковые волны.
     3.2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО МЕ-
ТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА В ВАКУУМЕ. Выше показано,что изу-
чение методов измерения скорости света фактически не обеспечено

                            - 157 -
экспериментом, и это связано с объективно существующим  уровнем
техники учебного физического эксперимента. Кроме того, даже ес-
ли опыты по измерению скорости света  будут в известных учебных
вариантах внедрены в учебный процесс,усвоение их учащимися ока-
жется сопряженным с немалыми трудностями.
     Поэтому  необходима либо принципиально новая методика экс-
периментального изучения методов измерения скорости света, либо
методика, опирающаяся на  модельные опыты. В настоящем исследо-
вании реализован второй вариант, предполагающий использование в
качестве модельного учебного опыта со звуковыми волнами.В поль-
зу его можно высказать ряд аргументов:
     - в настоящее время нет необходимости подробно изучать со-
ставившие эпоху в истории физики методы измерения скорости све-
та, так как принцип оптимизации обучения требует лишь такой ис-
торичности, которая обеспечивает оптимальность усвоения,
     - целесообразно теоретическое ознакомление  учащихся с од-
ним из современных  методов  измерения  скорости света, который
при прочих равных условиях обладал бы наиболее  высокой доступ-
ностью для усвоения,
     - акустическая модель позволяет самыми простыми средствами
и в наиболее полном объеме изучить характерные особенности реа-
льного метода измерения скорости света.
     Рассматривая известные экспериментальные  методы измерения
групповой  скорости звука  нельзя  не обратить внимания на опыт
А.Б.Млодзеевского, поставленный по способу П.Н.Лебедева, анало-
гичному методу Физо с зубчатым колесом [175, с.3О-31]. В качес-
тве источника звука в установке используется свисток Эдельмана,
приемником звука служит чувствительное пламя. Эксперимент имеет
почти ту же схему, что и опыт Физо. К основным недостаткам дан-

                            - 158 -
ного опыта относятся большие размеры установки, площадь которой
составляюет  несколько квадратных метров. Кроме того, установка
слишком явно моделирует опыт Физо,в наши дни представляющий ис-
ключительно исторический интерес, и поэтому не может быть реко-
мендована для современного учебного процесса.
     В настоящее время разработаны электронные методы измерения
малых промежутков  времени, дающие достаточно точные результаты
на небольшой базе.Один из таких методов описан в статье А.А.Ев-
сюкова и М.А.Крылова [37], в которой рассматривается экспериме-
нтальное изучение акустической локации. Динамик, подключенный к
генератору импульсов, формирует звуковые импульсы, которые, от-
разившись от зеркала, принимаются  микрофоном. Сигналы с микро-
фона и генератора  поступают на осциллограф, на экране которого
высвечиваются их осциллограммы. Зная расстояние, пройденное во-
лной, и определив время запаздывания отраженного импульса,можно
вычислить  скорость звука. Аналогичный, но более  совершенный в
техническом отношении демонстрационный опыт  предложен в статье
[145].
     Мы уже упоминали работу [58], в которой описан опыт по из-
мерению скорости звука с помощью электронного  аналогого секун-
домера. Принцип действия этого прибора  основан на том, что при
подключении  конденсатора к источнику постоянного напряжения на
некоторый измеряемый  промежуток  времени, конденсатор успевает
зарядиться до напряжения, которое примерно пропорционально вре-
мени замыкания. В приборе  применяются  контактные датчики, что
существенно снижает точность измерений.
     В Приложении 2 описан разработанный нами измеритель време-
ни, который с высокой  точностью  позволяет  измерить групповую 
скорость звука.

                            - 159 -
     Анализ известных учебных опытов по измерению скорости зву-
ка позволяет сделать заключение о целесообразности их использо-
вания при изучении измерения скорости света, например,в качест-
ве модельных демонстраций.
      Ознакомление с проблемой измерения скорости света следует
начать с обсуждения физической сущности всех  методов измерения
групповой скорости волны. Перенос энергии  волной обусловлен ее
негармоничностью,  немонохроматичностью. Любая  негармоническая
волна представима в виде суперпозиции конечного или бесконечно-
го числа синусоидальных волн, образующих группу волн или волно-
вой пакет. Скорость переноса энергии равна скорости распростра-
нения группы волн, которая  определяется как отношение расстоя-
ния l, проходимого волной к затраченному времени t: c = l / t .
     Таким образом,для определения групповой скорости волны не-
обходимо сформировать  волновой пакет и измерить время t , тре-
буемое для прохождения им расстояния l.
     Следует обратить внимание учащихся на сложность экспериме-
нта по измерению  скорости света, обусловленную огромным значе-
нием измеряемой  величины. Время прохождения  светом расстояния
1 м составляет около 33 нс, поэтому для определения этой фунда-
ментальной константы необходимы  малоинерционные источник света
или затвор, приемник света, точные измерители времени.
     Далее рекомендуется рассмотреть экспериментальную установ-
ку для измерения скорости света методом оптической или радиоло-
кации (рис.36). Генератор 6  вырабатывает  короткие электричес-
кие импульсы, поступающие  на малоинерционный  светодиод 3 и на
вход запуска ждущей развертки осциллографа 5. С приходом каждо-
го импульса включается развертка, электронный луч начинает свое
равномерное  движение по экрану слева направо, и, одновременно,

                            - 16О -

Рис.36. Функциональная схема установки для измерения скорости света.

Рис.37. Функциональная схема установки для измерения групповой скорости звуковой волны.

                            - 161 -
вспыхивает светодиод. В течение времени  распространения свето-
вого импульса от светодиода к зеркалу 4 и обратно к фотоумножи-
телю 2 электронный луч продолжает свое движение по экрану.В мо-
мент прихода  светового  сигнала к фотоумножителю на его выходе
появляется электрический импульс,который после прохождения уси-
лителя 1 поступает на вход вертикального отклонения осциллогра-
фа. Так как импульс с фотоумножителя  приходит  позже импульса,
запускающего развертку, то осциллограмма  первого импульса ока-
жется смещенной относительно начала  развертки по экрану осцил-
лографа вправо.Если придвинуть зеркало в положение 4' на извес-
тное расстояние  l , то световой сигнал достигнет фотоумножите-
ля раньше  и осциллограмма  импульса на экране сместится влево.
Зная длительность развертки, можно определить время t , соотве-
тствующее смещению зеркала на расстояние l и определить группо-
вую скорость света по формуле, приведенной выше.
     Затем  проводят модельную  демонстрацию измерения скорости
света на примере звуковых волн [89].
                           Опыт 6.1.1
              Демонстрация измерения групповой скорости
                  звука осциллографическим методом
     Экспериментальная установка  (рис.37) состоит из генерато-
ра импульсов 1 (Приложение 2), к одному из выходов которого по-
дключено устройство  задержки 2, а ко второму - динамик 3. Про-
тив динамика  находится микрофон 4 сигнал с которого после уси-
лителя 6 или непосредственно поступает на вход Y осциллографа 7.
Сигнал  с устройства  задержки  подается на вход запуска ждущей 
развертки осциллографа X. Линейка 5 предназначена для измерения 
расстояния между микрофоном и динамиком, которое должно состав-
лять примерно 1 м.

                            - 162 -
     Настройку установки производят так. Включают генератор им-
пульсов, при этом динамик начинает выдавать звуковые импульсы с
частотой следования порядка 1О Гц, что воспринимается учащимися
как часто следующие друг за другом щелчки. Регулируя чувствите-
льности  усилителя и осциллографа, получают на экране осциллог-
рамму электрических импульсов,идущих от микрофона. Плавно изме-
няя уровень запуска ждущей развертки, синхронизируют получившу-
юся осциллограмму,затем подбирают частоту ждущей развертки так,
чтобы на экране получилось хорошее изображение одиночного импу-
льса, воспринимаемого микрофоном.
     Перед демонстрацией эксперимента следует объяснить учащим-
ся, как работает экспериментальная установка. Генератор импуль-
сов через равные промежутки времени вырабатывает  электрические
импульсы, которые преобразуются динамиком в звуковые и одновре-
менно поступают на вход  запуска развертки осциллографа. С при-
ходом каждого  импульса электронный луч начинает равномерно пе-
ремещаться по экрану слева направо, после чего исчезает до сле-
дующего импульса. Когда звуковой сигнал достигает микрофона, на
равномерное движение луча накладываются электрические колебания
с выхода микрофона, - на экране  осциллографа появляется осцил-
лограмма напряжения.
     Придвигают микрофон вплотную к динамику и включают генера-
тор импульсов. При этом в левой части экрана осциллографа полу-
чается осциллограмма  напряжения на выходе микрофона. Объясняют
учащимся это тем, что звуковой сигнал достигает микрофона прак-
тически сразу после запуска ждущей развертки.
     Затем  микрофон отодовигают от динамика на расстояние, из-
меряемое с помощью  линейки. При этом учащиеся наблюдают умень-
шение амплитуды осциллогаммы и ее одновременное смещение на не-

                            - 163 -
сколько делений вправо. Зная длительность развертки, определяют
время прохождения звуковым сигналом известного расстояния и вы-
числяют  скорость звука. Снова смещают микрофон и повторяют из-
мерения.
       Если увеличить  частоту следования импульсов до величины
порядка 1 кГц, то  вследствие инерционности  зрения учащиеся не
будут различать движение электронного пучка,выписыващего осцил-
лограмму непрерывно. Вместо генератора импульсов  в опыте с тем
же успехом может использоваться генератор звуковых цугов.Приме-
нение  устройства задержки  необязательно, однако оно позволяет
расширить  функциональные возможности  установки и  существенно
увеличить чувствительность  метода. Если включение ждущей  раз-
вертки  происходит  одновременно  с генерацией импульса, то при
уменьшении ее длительности осциллограмма растягивается и смеща-
ется  вправо за пределы экрана. Регулируя время задержки, можно
вернуть осциллограмму на экран. Это позволяет работать на очень
малых длительностях развертки, при которых регистрируются изме-
нения расстояния между динамиком и микрофоном порядка 1 см.
     Единственным отличием  рассмотренной выше модельной демон-
страции  от реального эксперимента  по измерению скорости света
является отсутствие зеркала: источник и приемник волны установ-
лены друг напротив друга. Можно объяснить учащимся,что в опытах
со  светом источник  и приемник расположены рядом друг с другом 
для того, чтобы свести время распространения электрического си-
гнала  по проводам к настолько малой величине, что ей допустимо
пренебречь. В опытах со звуком это требование всегда выполняет-
ся, поэтому в принципе зеркало не нужно.
     Если все-таки микрофон  и динамик расположить рядом, а на-
против них  установить зеркало, то слабый отраженный сигнал бу-

                            - 164 -
дет глушиться звуковым импульсом, непосредственно идущим от ди-
намика. Чтобы уменьшить этот нежелательный  эффект, между дина-
миком и микрофоном  располагают слой  поролона. В этом варианте
установка полностью моделирует ту, которая используется для из-
мерения  скорости света, однако  уступает  рассмотренной выше в
дидактическом отношении.



                       КРАТКИЕ ВЫВОДЫ
     1. Проведен подробный анализ  известных  учебных опытов по
волновой физике, в результате которого выявлены фундаментальные
опыты, обеспечивающие  реализацию дидактической модели ее эмпи-
рического базиса с различными видами волн.
     2. В соответствии с системными и дидактическими требовани-
ями определены основные параметры приборов, обеспечивающих пос-
тановку полной системы фундаментального  эксперимента по волно-
вой физике. Доказано, что система фундаментального эксперимента
по волновой физике  наряду с типовым  оборудованием требует ис-
пользования генератора импульсов, генератора звуковых цугов,ин-
дикатора и измерителя времени распространения звука, индикатора 
частоты, узкополосного малоинерционного частотомера, измерителя 
интенсивности звука, модели резонирующей среды, или аналогичных 
приборов.На основе типового и нового учебного оборудования пре-
дложены 19 демонстрационных установок,обеспечивающих выполнение 
системы учебного  фундаментального эксперимента по волновой фи-
зике.
     3. Показана  возможность  экспериментального  изучения  на
примере звуковых волн явлений распространения, поглощения, дис-

                            - 165 -
персии волн, явления Доплера, принципа  Ферма, зависимостей ин-
тенсивности волны от колебательных параметров источника,от рас-
стояния,пройденного волной в поглощающей среде; времени распро-
странения  от траектории  распространения  и ее длины;  фазовой
скорости  волны  и коэффициента  поглощения от  частоты волны и
свойств среды; доплеровского смещения частоты от скорости отно-
сительного движения источника и приемника волны; результата ин-
терференции от степени  когерентности волн; фазовой и групповой
скорости волны от свойств среды, а также метода измерения груп-
повой скорости волны.
     4. Доказано,что в результате разработки методики указанных
выше фундаментальных опытов  со звуковыми волнами возможно соз-
дание  системы учебного фундаментального эксперимента по волно-
вой физике.


ВВЕРХ