مفهوم سرعة الضوء …افترض العلماء أن سرعة الضوء هي الحد الأقصى للسرعة الكونية ، لذلك لا يمكن لأي شيء أن يسافر أسرع في الفراغ ، وافترضوا أيضًا أن سرعته ثابتة دائمًا في الفراغ. أما بالنسبة للنظرية النسبية الخاصة التي طورها ألبرت أينشتاين ، فقد افترض أن المكان والزمان نسبيان وأن سرعة الضوء هي الثابت الذي يربط بينهما.
نعلم جميعًا أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية بطول موجي معين ، لذلك ينتشر الضوء في أي وسط غير الفراغ ويتباطأ. من هنا ، تمكن العلماء من تطوير قانون لحساب سرعة الضوء وفقًا لطوله الموجي.
تعريف سرعة الضوء (ج)
المحتويات
في الفيزياء ، سرعة الضوء هي ثابت فيزيائي يعبر عن المعدل الذي ينتقل به الضوء في الفراغ (منطقة من الفضاء تكون فيها المادة فارغة ، وضغطها أقل بكثير من الضغط الجوي).
يرمز لها بالرمز (ج) وقيمتها (299،792،458) متر في الثانية أو ما يقرب من 300،000 كم / ساعة في الفراغ. إنه معيار دولي لقياس الوقت ويستخدم لوصف العداد بأنه ثابت فيزيائي.
سرعة قانون الضوء
يتم حساب سرعة الضوء ، كموجة كهرومغناطيسية ، بناءً على طولها الموجي ، ويمكن حساب سرعة أنواع مختلفة من الموجات ، سواء كانت موجات الراديو أو الأشعة السينية أو أشعة جاما ، باستخدام قانون سرعة الضوء. على النحو التالي:
ج = λ * و
أين:
ج: سرعة الضوء في الفراغ ، م / ث.
λ: الطول الموجي (المسافة بين قمتي موجة متتاليتين) ، معبرًا عنه بالمتر.
f: تردد الموجة هو تردد الموجة لكل وحدة زمنية ، f = (1 / T) ووحدتها هيرتز.
مفهوم سرعة الضوء (ج) في النسبية الخاصة
في نظريته النسبية الخاصة ، افترض أينشتاين أن للكون سرعة قصوى وهي سرعة الضوء ، وتجاوز هذه السرعة سيؤدي إلى انهيار القوانين التي تصف آلية الكون.
عرّفها أينشتاين بأنها السرعة القصوى التي ينتقل بها أي شكل من أشكال الطاقة أو المعلومات عبر الفضاء. أي المعدل الذي تتحرك به الجسيمات عديمة الكتلة في الفراغ ، بما في ذلك الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الضوء.
في المعادلة الشهيرة للنسبية (E = m * c ^ 2) يعمل هذا على أنه ثابت التناسب ، ويربط المفاهيم المختلفة للسرعة (ج) والكتلة (م) والطاقة (E). ببساطة ، أظهرت هذه المعادلة أن الطاقة الحركية لجسم متحرك تساوي كتلته مضروبة في مربع سرعة الضوء عندما تتحول كتلته إلى طاقة ، لذا فإن المادة والطاقة شيء واحد.
كيف قاس العلماء سرعة الضوء عبر التاريخ؟
منذ القرن السابع عشر ، جرب العلماء عدة طرق لقياس سرعة الضوء ، بعضها بسيط وبعضها الآخر أكثر تعقيدًا:
- في القرن السابع عشر ، استخدم غاليليو مصدر ضوء ساطع ، وقف هو ومساعده على تلتين بعيدتين ، يحمل كل منهما فانوسًا حتى يتمكن من تغطيته وكشفه. ببساطة ، طلب جاليليو من مساعده شرح مصدر الضوء الذي كان يحمله ، وفعل جاليليو الشيء نفسه عندما رأى الضوء. ثم قام بعد ذلك بحساب سرعة الضوء بقياس الوقت المستغرق لرؤية الضوء الذي اكتشفه مساعده وقسم ذلك الوقت على المسافة بين نقطتي التوقف على التلال التي سبق أن قاسها.
- تمكن العالم أولاوس رومر من قياس سرعة الضوء من خلال فحص الحركة الظاهرة لأقمار المشتري لأول مرة في عام 1675 م ، حيث لاحظ الفرق بين الأوقات المتوقعة لخسوف أقمار المشتري. ويمكن أن تكون الأوقات الفعلية التي يتم ملاحظتها في غضون 1000 ثانية و (ج) تعادل ما يقرب من 214000 كم / ثانية. وذلك لأن الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال من كوكب المشتري إلى الأرض يتغير مع تغير المسافة بين هذين الكواكب.
- في عام 1728 م ، قدم العالم جيمس برادلي تقريرًا عن الانحراف النجمي ، وهو الإزاحة الظاهرة للنجوم بسبب تغير السرعة نتيجة دوران الأرض حول الشمس. استخدم حيود الضوء ولاحظ أن الموقع الظاهري للنجم الذي كان يراقبه في دراكو قد تغير على مدار العام. تتأثر جميع المواقف النجمية بالتساوي بهذه الطريقة. حيث قاس برادلي زاوية ضوء النجوم هذه وعرف سرعة دوران الأرض حول الشمس ، وجد أن قيمة سرعة الضوء كانت 301000 كم / ثانية.
- في عام 1849 م ، استخدم العالم الفرنسي أرماند فيزو المرايا لحساب ذلك عن طريق توجيه شعاع من الضوء المنعكس من مرآة إلى عجلة مسننة تدور على بعد 8 كيلومترات ، ثم عكسها مرة أخرى بمرآة بعيدة. أعطى هذا سرعة الضوء 315000 كم / ثانية. يتم ذلك من خلال معرفة المسافة بين العجلة والظرف ، وعدد الأسنان الموجودة على العجلة ، وسرعة الدوران.
- في وقت لاحق ، قام ليون فوكو بتحسين نتيجة Armand Fizeau من خلال استبدال العجلة المسننة بمرايا دوارة بعد عام. استخدم فوكو هذا الجهاز لقياس سرعة الضوء في الهواء مقابل الماء ، وأعطت هذه المرايا قيمة أكثر دقة تبلغ حوالي 298000 كم / ساعة. أكدت تقنية ليون أن الضوء ينتقل في الماء أبطأ من الهواء.
- في مقال نُشر عام 1865 ، اقترح جيمس كلارك ماكسويل أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية ، لذلك يمكنه حساب (ج) بشكل غير مباشر عن طريق قياس النفاذية المغناطيسية والسماحية الكهربائية للوسط الفارغ.
- في وقت لاحق ، تم تطبيق طريقة ماكسويل لأول مرة من قبل ويبر وكولراوش في عام 1857 م ، وفي عام 1907 بعد الميلاد ، حصلت روزا ودورسي على قيمة تساوي 299،788 كم / ثانية لسرعة الضوء. لأنها كانت القيمة الأكثر دقة في ذلك الوقت.
- بعد عام 1970 بعد الميلاد ، أدى تطوير الليزر الطيفي عالي الاستقرار واستخدام ساعات السيزيوم الدقيقة إلى قياسات أفضل عن طريق إرسال نبضات من ضوء الليزر وقياس الوقت الذي يستغرقه السفر باستخدام ساعة السيزيوم. يوضح الفيديو أدناه التفاصيل:
اهمية قياس سرعة الضوء
هذه السرعة هي أحد الثوابت الأساسية في الطبيعة لأنها تشكل حجر الزاوية في نظرية النسبية لأينشتاين ، معتبرةً إياها أقصى سرعة انتشار للجسيمات والإشارات في الفراغ ، كما أنها تساعد على:
- قس المسافات بين الأجرام السماوية.
- قياس التغيرات في سرعة الأجسام المتحركة.
- قياس تغيرات درجة حرارة المواد.
- قياس التغيرات في الأطوال الموجية.
- قياس تغيرات التردد.
- تحديد السرعة النظرية لنقل المعلومات داخل أجهزة الكمبيوتر ، بالنظر إلى أن المعلومات تنتقل من شريحة إلى أخرى كتيار كهربائي.
قياس سرعة الضوء في بيئات مختلفة
عندما يمر الضوء عبر مواد مختلفة ، يتشتت بعضها وتتباطأ سرعته بسبب الجزيئات التي تتكون منها المادة. يمكن حسابها على النحو التالي:
معامل الانكسار للمادة (ن) = سرعة الضوء في الفراغ ج / سرعة الضوء في المتوسط الخامس.
يوضح الجدول أدناه معامل الانكسار لبعض المواد مثل الزجاج التي يكون معامل الانكسار فيها (1.5). هذا يعني أن الضوء يمر عبر الزجاج بسرعة تساوي (ج / 1.5) = v ، أي:
(300000 / 1.5) = الخامس
ت = 200000 كم / ثانية
| درس | معامل الانكسار (ن) |
| هذا | 1.33 |
| صنوبر | 1.5 |
| طقس | 1.0003 |
| ملح | 1.54 |
| الكحول الإيثيلي | 1.36 |
| زجاج صوان ثقيل | 1.65 |
| الماس | 2.42 |
أمثلة لحساب سرعة الضوء
1- احسب قيمة الطول الموجي
بالنظر إلى أن الضوء ينتقل بسرعة (ج) ، احسب الطول الموجي للإشعاع بالتردد (12) ^ 10 * 4 = f هرتز
(8 ^ 10) * 3 م / ث.
حل:
تُعطى سرعة الضوء بالعلاقة التالية:
ج = λ * و
λ = (ج / و)
(12 ^ 10) * 3 /λ = 4 * (10 ^ 8)
(4 -) ^ 10 * 1.33 =λ
0.000133 م =
2- حساب سرعة الضوء (ج).
احسب سرعة الضوء (ج) لشعاع من الطول الموجي λ = 540 * 10 ^ (- 6) م ، والذي يستغرق 3 دقائق من الشمس للوصول إلى سطح الأرض.
حل:
ج = λ * و
- نحسب التردد f والوقت المتبادل يساوي T:
و = 1 / T.
- تحويل الوقت من الدقائق إلى الثواني:
T = 3 * 60 = 180 ثانية
1/180 = ص
ج = λ * و
ج = 540 * (10 ^ -6) / 180 = 3 * 10 ^ (- 6) م / ث
الأسئلة المتداولة حول سرعة الضوء
يتم طرح الكثير من الأسئلة حول هذه السرعة ، وإليك بعض الإجابات:
1 – هل سرعة الضوء ثابتة في كل مكان؟
لا .. سرعة الضوء ثابتة فقط في الفراغ وتساوي (299،792،458) مترًا في الثانية ، ولكنها تتباطأ بمعدل يسمى مؤشر الانكسار حيث يمر عبر الوسائط الشفافة مثل الهواء والماء والزجاج. هي نسبة البيئة ، وعادة ما تكون هذه النسبة أكبر من واحد. اكتشفه جان فوكو في خمسينيات القرن التاسع عشر.
2- هل هناك ما هو أكبر من سرعة الضوء؟
لا … أثبتت نظرية النسبية لأينشتاين أنه لا يوجد شيء في الطبيعة أسرع من الضوء.
3 – من اكتشف سرعة الضوء؟
كان البيروني أول من اكتشف أن سرعة الضوء محدودة وأكبر بكثير من سرعة الصوت. لكن رومر كان أول من حاول قياسه.
4 – لماذا لا نصل الى سرعة الضوء؟
وفقًا للنظرية النسبية الخاصة ، فإن السبب الرئيسي لعدم قدرتنا على الوصول إلى هذه السرعة هو الكتلة (ج).
نتيجةً لذلك … لا يمكن أبدًا لأي جسم أن يصل إلى (ج) ما لم يكن عديم الكتلة ، لأنه يحتاج إلى طاقة غير محدودة.
5- ماذا يحدث إذا تجاوزت سرعة الضوء؟
لا يمكن تجاوز هذه السرعة لأننا لتحقيق ذلك سنحتاج إلى طاقة لا نهائية لأنه حينها سيتوقف الوقت وهذا غير ممكن. الفيديو أدناه سوف يجيب على سؤالك:
6 – ما الفرق بين طرق قياس سرعة الضوء؟
تتضمن جميع الطرق التي يستخدمها العلماء لقياس c قياس الوقت أو المسافة التي يقطعها الضوء في وسط أو مكان معين ، ثم تطبيق الصيغة c = d / t ؛ d هي المسافة المقطوعة و t هي الوقت.
7- ما العلاقة بين موجات الجاذبية وسرعة الضوء؟
تعرف النظرية العامة للنسبية الموجات الثقالية بأنها موجات عديمة الكتلة تنتج عن تشويه الزمكان (نسيج الزمكان) بسبب حركة الأجسام الضخمة مثل الكواكب والنجوم والثقوب السوداء. هذه الموجات تحمل الطاقة. ينتشر في الفضاء بعيدًا عن المصدر وبسرعة يمكن أن تصل إلى (ج) ، أي يمكنه نظريًا الاقتراب منه ، ولكن ليس أسرع.