Домашние эксперименты по определению скорости света?

Могу ли я провести какие-нибудь эксперименты, чтобы определить скорость света, используя только обычные бытовые инструменты?

Галилей предложил его в одной из своих книг, хотя я не слишком уверен в точности... ;)
Я думаю, что это решение было связано со спутниками Юпитера. Это классический способ получить скорость света.
Решение лун Юпитера - это решение Рёмера (см. ответ @nibot), а не Галилея. Решение Галилея было всего лишь нижней границей и, на самом деле, совсем не точным. См. speed-light.info/measurement.htm#Galileo
@Frederic В то время как определение Рёмером скорости света было занижено примерно на 1/3, это было в значительной степени связано с тем, что его предполагаемое значение астрономической единицы было таким же заниженным на ту же величину. Измерение а.е. (до радиолокационной дальности) было заведомо трудным. Аномальная временная задержка в затмении спутников Юпитера была точной. Так что, если бы этот эксперимент был повторен сегодня, с современными значениями а.е. он был бы точен в пределах нескольких %.
@ sigoldberg1: Я размышлял о точности измерений Галилея , а не Ремера.
Технически измерить скорость света невозможно. Скорость света определяется просто. Не то чтобы это имело большое значение, поскольку в повседневной домашней ситуации мы думаем о метре как о длине метровой палки, а не о расстоянии, которое свет проходит примерно за три наносекунды.
@Mark Eichenlaub: Если мы примем официальное определение скорости света, то набор описанных здесь экспериментов можно рассматривать как способ измерения (1) коротких интервалов времени (микроволновая печь и шоколад/вращающееся зеркало) или (2) большие расстояния (ping/Rømer's). Таким образом, ваша точка зрения устраняет все мои сомнения относительно практичности эксперимента Рёмера :-)

Ответы (12)

Я не знаю, можно ли это квалифицировать как домашний эксперимент, но вы можете использовать Интернет, чтобы бесплатно получить доступ к тысячам километров оптических волокон. Он позволяет измерить нижнюю границу скорости света в волокнах, т. с / н , куда н показатель преломления стекла, обычно около 1,5. Это соответствует 2 × 10 8 РС . Используя ping, вы измеряете время прохождения туда-обратно, то есть оно должно соответствовать 100 км/мс туда-обратно.

Из Парижа я пингую сайт Колумбии, в Нью-Йорке у меня

fred@sanduleak2:~$ ping www.columbia.edu
PING www.columbia.akadns.net (128.59.48.24) 56(84) bytes of data.
64 bytes from www-csm.cc.columbia.edu (128.59.48.24): icmp_req=1 ttl=113 time=125 ms
64 bytes from www-csm.cc.columbia.edu (128.59.48.24): icmp_req=2 ttl=113 time=116 ms
....
64 bytes from www-csm.cc.columbia.edu (128.59.48.24): icmp_req=16 ttl=113 time=112 ms
^C
--- www.columbia.akadns.net ping statistics ---
17 packets transmitted, 16 received, 5% packet loss, time 16023ms
rtt min/avg/max/mdev = 108.585/118.151/132.156/7.728 ms

Минимальное время прохождения туда и обратно составляет 108 мс, что соответствует 10 800 км вместо 5839 км. Отклоняется в 2 раза, но в правильном порядке из-за задержек при переключении и т. д., поэтому мы сказали, что это нижняя граница.

Если посмотреть точнее траекторию моих посылок в Нью-Йорк сtracepath

fred@sanduleak2:~$ tracepath www.columbia.edu

 1:  sanduleak2                                            0.266ms pmtu 1500
 ....  
 3:  pioneer.ens-cachan.fr                                 1.072ms 
 ....
 6:  vl172-orsay-rtr-021.noc.renater.fr                   28.747ms asymm  9 
 7:  te0-1-0-5-paris1-rtr-001.noc.renater.fr              20.931ms 
 8:  renater.rt1.par.fr.geant2.net                        30.307ms asymm  9 
 9:  so-3-0-0.rt1.lon.uk.geant2.net                       33.780ms asymm 10 
10:  so-2-0-0.rt1.ams.nl.geant2.net                       36.570ms asymm 11 
11:  xe-2-3-0.102.rtr.newy32aoa.net.internet2.edu        127.394ms asymm 12  
12:  nyc-7600-internet2-newy.nysernet.net                128.238ms 
13:  columbia.nyc-7600.nysernet.net                      135.948ms 
14:  ....

Мы видим, что пакеты путешествуют (Париж, Лондон, Амстердам) и пересекают Атлантику между Амстердамом (10) и Нью-Йорком (11) за 127-37=90 мс (туда-обратно). Это по-прежнему дает нам расстояние в 9000 км, что слишком много. Я не знаю, связано ли это с траекторией кабеля, электронными задержками, малой выборкой по tracepath или ошибкой в ​​моем расчете.

В связи с этой задержкой пинга у вас есть забавная ошибка 500 миль .

Еще один лабораторный эксперимент с использованием дешевых материалов и компьютеров — это бумажное измерение скорости света arXiv с помощью ping . Однако их измерение является косвенным (они измеряют распространение внутри кабелей CAT5), но оно также должно быть выполнимо с оптическими волокнами.

Отредактировано для добавления : Моя идея использования tracepath, вероятно, исходит из Measuring the Earth with Traceroute . В этой статье им повезло больше, чем мне (только на 20% медленнее, чем на 100%!)

Да. Это может сработать :) Я сделал расчет задержки в своем курсе компьютерных сетей. Но никогда не думал о том, как вычислить скорость света.
Удивительно: траектория Париж-Лондон-Амстердам выше (8-9-10) кажется довольно точной: примерно 3 мс, то есть 300 км каждая, что является реальным расстоянием.
Напоминает мне книгу Клиффа Столла «Яйцо кукушки», в которой он (астроном) использует время пинга, чтобы оценить, насколько далеко может быть злоумышленник в компьютерной системе.
@Frédéric: я не уверен, что вы можете просто взять разницу в два раза в traceroute. При этом не учитываются накладные расходы на обработку, которые могут существенно различаться на каждом узле.
@Joe: Если я правильно понял traceroute, накладные расходы распространяются на следующий узел. Я больше боюсь статистических колебаний.
@Frédéric: На каждом прыжке есть накладные расходы на маршрутизацию. Когда срок действия пакета истекает на этом узле, обработка отличается.
+1 за ссылку на «Измерение скорости света с помощью ping» на arxiv.org/abs/physics/0201053 , хотя в реальном эксперименте это, вероятно, даст только нижнюю границу c.
@ sigoldberg1: да, но нижняя граница находится в пределах 33% от правильного значения. Если сделать с волокном, допустим, что волокно является стеклом, тогда можно легко измерить показатель преломления стекла, равный 1,5, и мы получим правильный результат...
Но предположим, что мы не знали правильного результата и получили разные результаты с разными кабелями. Мы должны быть несколько осторожны, прежде чем объявить ответ «окончательным».
@ sigoldberg1: Хорошо, но эта нижняя граница намного лучше, чем у Галилео.
@Frédéric - хотя, честно говоря, у него был только коммутируемый доступ
Здесь эксперимент провалится. При отправке пакета ICMP он проходит несколько этапов, каждый из которых включает обработку пакета. Модем, который преобразует цифровой сигнал в модулированные волновые сигналы для передачи данных. Чем он проходит через несколько маршрутизаторов, коммутаторов и компьютеров, каждый из которых обрабатывает данные, в зависимости от одновременных подключений, это занимает больше или меньше времени. Так что это не сработает.
-1 Сеть надо изучать. Пакеты не идут по кратчайшему пути. Он проходит через сотни маршрутизаторов, прежде чем достигает пункта назначения. Это даже не приблизительно. Компьютеры намного медленнее. Ошибка в 50% недопустима.
Более того, волны в волоконной оптике не распространяются прямолинейно. Они изгибаются.
@YashasSamaga: Конечно, пакеты не идут по кратчайшему пути, и ошибки возникают из-за компьютеров (избегайте беспроводной связи). Его можно рассматривать как нижнюю границу. Но иметь правильный порядок величины с дешевым (в основном бесплатным) домашним экспериментом, подобным этому, далеко не неприемлемо. Это намного лучше, чем оценка Галиео в 138, но хуже, чем оценка Рёмера в 1675.
@YashasSamaga: Эти волокна являются одномодовыми. В таких волокнах обычное представление о «прыгающем луче света» неверно, и свет действительно распространяется по волокну.
Я удалил свой отрицательный голос, но этот метод дает непредсказуемые ответы. Кто-то может измерить скорость как 100 миль в секунду, кто-то другой может измерить ее как 10 000 миль в секунду.

Есть трюк, о котором я слышал раньше, но никогда не пробовал. Основная идея заключается в том, чтобы поместить батончик Mars в микроволновую печь на короткое время. Сначала вы снимаете поворотный стол, чтобы плитка шоколада оставалась неподвижной. Затем вы включаете микроволновку ровно настолько, чтобы шоколад начал таять. Он должен плавиться в узлах стоячего поля. Вы просто измеряете расстояние между узлами и умножаете на частоту микроволновой печи, чтобы получить скорость света. Здесь есть демонстрация YouTube (ребенком) .

Вы должны знать частоту микроволн, однако.
Да. К счастью, это обычно написано на них.
что поднимает вопрос о минимальной задержке, которую мы могли бы надеяться измерить дома, т.е. «с помощью обычных бытовых инструментов». Можно ли включать компьютер, смартфон или другое устройство? Разрешено ли нам что-то перепрограммировать. Можем ли мы построить линию задержки из волокна или кабеля? Можем ли мы измерить интерференционные полосы?
Ну, не знаю, как у вас, а у меня в кухонных шкафах нет 30000 км оптоволокна.
Нет, но вы могли бы получить 30 м или транслировать сигнал в эфире такой длины, и если бы вы могли найти способ точно измерить 20-микросекундную задержку туда и обратно, возможно, используя микросхемы таймера в компьютере, это могло бы сработать. .
@sigoldberg1: Скорость света примерно 3 × 10 8 м с − 1 . Таким образом, требуется только 10 − 7 с проехать 30 м, если только скорость в волокне на порядки ниже. Это 100 наносекунд, а не 10 микросекунд. Для задержки в 10 микросекунд вам нужно 3 км.
@Joe Fitzsimmons: В волокне скорость всего на 33% медленнее.
@Frédéric: Да, я догадался, что это будет немного. Я просто не могу понять, откуда он взял эти цифры.
Этот ответ будет отличаться в два раза, так как первый узел находится на полпути вдоль волны. Вам нужно удвоить свое измерение, чтобы получить полную длину волны, или измерить до «2-й» точки плавления.
@Nic: да, ты прав, конечно.
Придирка: стержень не будет плавиться в узлах, он будет плавиться между ними в вершинах. Вы получите тот же результат в любом случае.
Я также видел этот эксперимент с двухмерной сеткой зефира. на demos.wolfram.com/… есть несколько картинок и объяснение.
@StefanoBorini На самом деле, мне интересно, не могли бы вы пойти дальше, чем просто использовать спецификацию производителя. Подключив осциллограф к разным точкам напряжения, возможно, удастся измерить частоту магнетрона. Фактически это было бы истинным измерением скорости света.

Вы можете найти конденсатор и прочитать его емкость, поочередно построить один и измерить его, а также измерить его размеры. Теперь вы можете получить хорошую оценку диэлектрической проницаемости вакуума, эпсилон.

Возможно, есть и другие сложные способы измерения этого числа.

Затем скорость света определяется соотношением, включающим другое число, проницаемость вакуума µ, которая не нуждается в измерении, поскольку она определена.

Это соотношение можно вывести из уравнений Максвелла.

с знак равно 1 ε µ

+1: вы можете добавить значение мю 0 знак равно 4 π ⋅ 10 − 7 единицы СИ

С помощью часов и телескопа вы могли бы повторить определение Рёмером скорости света .

Этот эксперимент займет 6 месяцев, но вы также должны найти способ определить расстояние от Земли до Солнца. Есть идеи ?
Исторический способ определения расстояния между Землей и Солнцем кажется более сложным, чем определение Ремером скорости света: en.wikipedia.org/wiki/Astronomical_Unit#History :-(
Вы можете найти расстояние от земли до солнца по параллаксу. Хотя понятия не имею, какое расстояние вам придется преодолеть для этого.

Вы также можете попробовать метод вращающегося зеркала Леона Фуко. Подробно здесь и здесь . Единственная трудная часть — это вращающееся зеркало, но это, вероятно, можно сделать с помощью дрели.

Похоже, это требует вращения в масштабе 10 2 к 10 3 оборотов в секунду. Знаете ли вы, возможно ли это/измеримо с помощью зеркала, бытовой дрели и легко изготавливаемых шестерен (при необходимости)?
Моя дрель делает 2800 оборотов в минуту, т.е. 47 оборотов в секунду. Эксперимент кажется сложным, но выполнимым.
Мы сделали это в моем лабораторном курсе бакалавриата. Это было довольно мило. В лаборатории мы сделали изогнутый оптический путь в стиле Индианы Джонса.
@Justin: Если вы хотите измерить скорость сверла, я бы попытался записать его звук на компьютер и посмотреть на его спектр, полученный с помощью БПФ. Я надеялся увидеть пики с интервалом 47 Гц. Если вы хотите провести механическое измерение скорости, я бы использовал катушку с нитью для швейной машины (они созданы для быстрого вращения и преобразования угла поворота в длину нити, которую легче измерить).
Вы можете компенсировать низкую скорость вращения, просто увеличив оптический путь. Сделайте это на футбольном поле. :) Лазерная указка в наше время может легко пройти сотни метров.
Ваши варианты выполнения этой работы — многокилометровые пути, зеркала, вращающиеся со скоростью более 20 000 об/мин (например, с помощью маршрутизатора), или наблюдение за отклонением с помощью микроскопа.

Я не могу придумать, как это сделать с помощью «обычных бытовых инструментов», но если у вас есть осциллограф, лазерный диод, пара фотодатчиков, светоделитель, вы можете это сделать. Все эти вещи легко доступны в интернет-магазинах товаров для науки/хобби, но обычно не в большинстве домов.

Настройте лазерный диод так, чтобы он попал в светоделитель и разделился на два луча. Настройте два луча так, чтобы они попадали на два фотодатчика, но сделайте так, чтобы один из фотодатчиков находился ровно в два раза дальше от светоделителя, чем другой. Это создаст два отдельных пути для света, один в два раза длиннее другого. Запустите выход фотодиодов на два канала осциллографа. Включите лазерный диод, и вы должны увидеть два импульса на о-скопе, по одному от каждого из двух лазерных диодов. Разница между ними — это время, которое требуется световому лучу, чтобы пройти расстояние, равное разности двух путей.

Причиной такого подхода является точность - если у вас был только один луч, и ваш фотодиод включался, скажем, на 1 микросекунду дольше, чем указано в документации, или ваш лазер включался медленно, то вы получат очень неточные результаты. Но с двумя лучами эти ошибки компенсируют друг друга, и поэтому все, что у вас остается, — это время света.

Можно ли провести этот эксперимент в маленькой комнате, скажем, менее 10 м? Осциллограф должен быть очень точным.
Я так думаю - свет проходит около 1 фута за 1,02 наносекунды, так что вы натыкаетесь на точность самых дешевых O-scopes, но мой маленький USB Oscope за 200 долларов выдаст 50 нс/деление. Я думаю, что вы все еще должны быть в состоянии сделать это, сделав один световой путь очень коротким, а другой очень длинным, а затем соответствующим образом подкорректировав свою математику. Тогда вы могли бы увидеть разницу в полдивизии или около того...
@hwlau: Просто используйте зеркала.

Эти лазерные рулетки работают интересным образом, полагаясь на скорость света для определения расстояния. И наоборот, если у вас есть известное расстояние, то с тем же оборудованием вы сможете оценить c.

Что делают рулетки, так это модулируют интенсивность исходящего лазера в соответствии с интенсивностью отраженного света. По сути, это генератор, частота которого зависит от оптической задержки распространения. Коммерческие продукты используют полученную частоту для определения отображаемого расстояния.

Если вы можете получить выходной сигнал генератора и настроить его для измерения известного расстояния, вы сможете оценить c как частоту в Гц, умноженную на расстояние туда и обратно в метрах.

Возможно, интерферометр Физо:

http://en.wikipedia.org/wiki/Физо_интерферометр

Большая часть этого должна быть в пределах досягаемости увлеченного любителя, но я не уверен, что вы используете в качестве светоделителя, не купив его.

Думаю, самым простым было бы использовать ВЧ-генератор, приемник для определения его частоты и провода Лехера (т.е. пару параллельных проводов), где узлы стоячей волны определяются с помощью ВЧ-вольтметра. См . http://en.wikipedia.org/wiki/Lecher_lines .

Это был один из экспериментов с набором электроники, который был у меня в юности. Длина линии Лехера составляла около 5 м, а частота генератора составляла около 100 МГц с использованием всего одного транзистора в цепи с общей базой.

В качестве варианта также можно изменить частоту и измерить, насколько переместились узлы.

Разве радиолюбители (любители) однажды не запустили шар, похожий на отражающий спутник? Он все еще на орбите? Даже на нескольких сотнях км задержка будет в миллисекундах. Возможно, МКС частично отражающая.

Даже если вы использовали ретрорефлектор, оставленный на Луне (которая никогда не бывает дальше 406000 км от нас, временная задержка между отправкой и получением отраженного сигнала составляет всего чуть более секунды. Для сигнала, отраженного от МКС (при условии, что вы могли даже достичь этого) временная задержка будет примерно 1 мс. Было бы чрезвычайно сложно точно измерить это с помощью «обычных бытовых инструментов», не говоря уже о сложности фактического отличия сигнала от фонового шума.
что поднимает вопрос о минимальной задержке, которую мы могли бы надеяться измерить дома, т.е. «с помощью обычных бытовых инструментов». Можно ли включать компьютер, смартфон или другое устройство? Разрешено ли нам что-то перепрограммировать. Можем ли мы построить линию задержки из волокна или кабеля? Можем ли мы измерить интерференционные полосы?
Несколько лет назад это было проще, когда междугородная связь осуществлялась через геостационарные спутники (36000 км × 4), вы могли четко слышать задержку между вопросом и ответом, когда звонили кому-то достаточно далеко (например, из Европы в Азию). . Это было примерно 1/2 секунды. Сейчас везде кабельное, и задержка уже не может быть серьезной, кроме как на телевидении, когда на поле журналисты отвечают на студию через спутниковую связь.
Используя спутник или Луну, как бы вы проверили расстояние? Или нам удобно доверять внешним авторитетам?
@DarenW: Например, вы измеряете размер Земли, как Эратосфен (отправляетесь в отпуск), а затем используете гравитацию Ньютона для вычисления расстояния до спутника с учетом его периода и g.

А как насчет метода доплеровского сдвига? Доплеровский радар скорости или лидар может иметь все необходимые компоненты, чтобы его логика была изменена на обратную. Вот, например, готовый к разборке. http://cgi.ebay.com/ws/eBayISAPI.dll?ViewItem&item=300374815766&rvr_id=169891150704&crlp=1_263602_304642&UA=M *S%3F&GUID=0537e92612c0a06456359f45ffd1174f&itemid=300374815766&ff4=263602_304642#ht_2332wt_979

Есть ли у кого-нибудь указатель на патент Kinect?? устройство XBox измеряет расстояние, используя отражение инфракрасного света, поэтому наверняка его работа зависит от конечной скорости света.

Я бы предположил, что он просто использует спад освещенности для измерения расстояния. Это кажется намного проще, чем синхронизация импульсов.
Это неправильное мнение о Kinect довольно часто высказывается на форумах.
@Georg Kinect изначально должен был использовать ZCam, который имеет попиксельный дальномер по времени полета. в серийной версии используется структурированный свет и стереокамера.
@Мартин, рассчитай фронт огибающей длительности импульса и времени нарастания световых импульсов, необходимых для времени полета на таких расстояниях. Тогда ищите электронные детали, которые делают это, и достаточно малы и доступны.
@Georg Вы правы в том, что прямое определение времени полета для каждого пикселя недоступно. Но ZCam использовал твердотельный модулятор для преобразования разницы во времени пролета в разницу интенсивности, которую гораздо легче обнаружить.
Домашние эксперименты по определению скорости света?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v