- 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.