световые волны распространяются быстрее чем звуковые волны

Что быстрее всего на свете — звук или свет?

Человек за час неспешной ходьбы преодолевает 4 км. Скорость ветра — 35-70 км/ч, космической ракеты — 8 км/с. Земля, вращаясь вокруг Солнца, только за одну секунду проходит 30 км. Быстрым движением считается то, которое мы перестаем улавливать на близком расстоянии. Пример: летящие пули, снаряды. Но что быстрее всего на свете? Статья будет ответом на этот вопрос.

Как измеряли скорость света

Людей всегда интересовало, что быстрее всего на свете. Многие ученые пытались выяснить, распространяется ли свет мгновенно или с задержкой, но сделать это впервые удалось датчанину О. Ремеру. В 1676 г астроном наблюдал за движением спутника Юпитера и заметил, что он периодически опаздывает. То, что расстояние между Землей и и этим газовым гигантом меняется, было закономерно: в момент каждого нового наблюдения наша планета смещалась по орбите.

Вам будет интересно: «Чушь» — это о недоверии

Как измеряли скорость звука

Через 50 лет Исаак Ньютон рассчитал скорость звуковой волны. Оказалось, что его теоретический результат и результат эксперимента Мерсенна очень сильно отличаются. Лишь в 1808 г француз Пуассон пришел к выводу, что величина, полученная Ньютоном, верна только для постоянной температуры воздуха, чего в обычных условиях добиться невозможно.

В 1822 г опыты группы французских ученых подтвердили догадки. Вывод был таков: скорость звука зависит от температуры, чем она выше, тем быстрее распространяется звуковая волна.

Звук или свет — что быстрее?

При нулевой температуре воздуха скорость звука составляет 331 м/с. При 20° С — 344 м/с. Звуковая волна распространяется не только в воздухе, но и в жидкостях, твердых телах. Известно, что чем больше вещество сопротивляется сжатию, тем лучше проводит звук. Так, скорость звука в воде — 1484 м/с. Металлы, например, алюминий, сталь, железо, проводят звук со скоростью 5000-6000 м/с, а сапфир — со скоростью 11400 м/с.

Полученная Ремером величина скорости света слегка корректировалась, и не раз, потому что со временем менялись методы измерений, расчетов. Свет проходит расстояние в 150 млн км за 8 минут. Его скорость немного меньше 300 тыс. км/с, но для удобства вычислений величину принято округлять.

Сегодня науке доподлинно известно: свет — это то, что быстрее всего на свете. Иными словами, эти частицы двигаются быстрее всех.

Источник

Мы редко задумываемся о природе привычных нам вещей. Между прочим, это может оказаться очень интересно. Поговорим о том, что такое свет и звук, рассмотрим их природу и приведем несколько интересных фактов про звук и свет.

Что такое свет? Свет – это электромагнитное излучение, длины волн которого лежат в диапазоне от 380 до 760 нанометров. Именно этот диапазон волн воспринимается нашими глазами как видимый свет. Так, волна определенной длины, отражаясь от предмета, попадает на сетчатку глаза, и мы решаем, что этот предмет, например, желтого цвета. Самой короткой длине волны соответствует фиолетовый свет, а самой длинной – красный. Тут вспоминается детская шпаргалка для запоминания цветов радуги: каждый (красный) охотник (оранжевый) желает (желтый) знать (зеленый) и так далее. Ниже приведем спектр электромагнитного излучения с указанием длин волн.

Спектр

Скорость света

Скорость света – самая большая из возможных в мире скоростей. В вакууме она составляет 300 000 километров в секунду. Например, чтобы добраться от Солнца до Земли, свету нужно около 8 минут. Так что мы никогда не видим Солнце таким, какое оно есть именно в данный момент. Это всегда Солнце 8 минутназад. Собственно, так со всеми предметами. То есть по факту мы всегда видим прошлое.

Свет

свет в любых системах отсчета движется относительно других тел с одинаковой скоростью независимо от того, как движутся сами тела

Это один из основных постулатов Теории Относительности.

Скорость света изменяется в зависимости от среды, в которой свет распространяется. Более того, свет даже не всегда распространяется прямолинейно. Например, вблизи массивной черной дыры фотоны испытывают такое сильное притяжение, что траектория сначала из прямой линии превращается в дугу, а затем и в окружность. Так, свет вращается вокруг черной дыры подобно спутнику, который вращается вокруг Земли по орбите.

У черной дыры

Что такое звук? Это тоже волна, но не электромагнитная, а вполне себе механическая упругая волна. Колеблются частицы среды (воздух, вода, твердое тело), и это колебание воспринимается барабанной перепонкой человеческих ушей. Частота звуков, которые слышат люди, лежит в диапазоне от 16 герц до 20 килогерц. Опять же, звуки ниже слышимого диапазона называются инфразвуком, а выше – ультразвуком.

То, что мы не слышим звук выше или ниже нашего предела восприятия, не значит, что его не слышат другие существа. Например, киты, летучие мыши, птицы и рыбы используют ультразвуковую эхолокацию для общения и навигации. Так, синие киты могут слышать друг друга на расстоянии до 30 километров.

Различают шумы и музыкальные звуки. Шумы обладают сплошным спектром, а музыкальные состоят из гармоник – колебаний определенной частоты.

Metallica

Скорость звука

Сверхзвуковой самолет

В этой статье мы рассмотрели самые фундаментальные понятия в области природы света и звука, а также коснулись нескольких интересных фактов про свет и звук. Если Вам вдруг понадобится решить задачку по оптике или акустике, вспомните о наших авторах, которые помогут Вам справиться с проблемой максимально быстро и качественно. Напоследок, как всегда, предлагаем Вашему вниманию интересное видео. Удачи и до новых встреч!

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Звук управляет светом

Физики из университета Иллинойса смогли управлять скоростью и направлением распространения света с помощью звука.

Прочтя заголовок, легко представить, что физики придумали некое таинственное заклинание, которое может изменить одну из фундаментальных констант вселенной. Нет, никакой мистики здесь нет, в ходе эксперимента ни один физический закон не был нарушен, а постоянная скорости света в вакууме осталась нетронутой. Однако звуковые волны действительно способны воздействовать на свет, и работа исследователей может оказаться очень полезной для развития технологий оптоволоконной передачи данных. Как это работает?

В начале прошлого века советский физик Леонид Мандельштам теоретически показал, что звуковые колебания в прозрачном веществе могут рассеивать проходящий через это вещество свет. Звуковые волны вызывают локальные изменения плотности среды и как следствие, меняют показатель преломления. В результате такого рассеяния теряется часть световой энергии. Независимо от Мандельштама американский физик Леон Бриллюэн пришел к таким же результатам. В итоге взаимодействие звука и света в прозрачных средах назвали эффектом Мандельштама-Бриллюэна.

Однако мы не замечаем, чтобы громкая музыка рассеивала свет от лампочки, как, например, рассеивается свет автомобильных фар в тумане. Эффект станет заметным, только если вместо обычной лампочки взять источник монохроматического излучения – лазер. Дело в том, что луч лазера представляет собой электромагнитное излучение с одной длиной волны, которая и определяет его «цвет». У красного луча одна длина волны, у зеленого – другая.

Теперь возьмем оптоволоконную линию передачи данных. Принцип ее работы в том, что информация передается за счет изменения интенсивности светового луча, распространяющегося вдоль прозрачной стеклянной нити. Одну оптоволоконную нить можно одновременно использовать для передачи данных по сотням каналов, просто используя лучи света разной длины волны. Каждому каналу соответствует определенная длина волны лазера. Довольно похоже с передачей данных по радиоволнам, кроме одного: если мы увеличиваем мощность радиопередатчика, то увеличивается мощность сигнала и дальность его приема. Если же мы увеличиваем мощность лазера для передачи сигнала по оптоволокну, передача ухудшается – все большая часть сигнала начнет теряться из-за рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Поэтому существует пороговая мощность сигнала, превышать которую не имеет смысла, иначе переданный свет просто отразится обратно.

Что же сделали физики из университета Иллинойса? На тонкой оптоволоконной нити они закрепили маленькую стеклянную сферу. Такая конструкция называется кольцевым оптическим резонатором. Луч лазера из оптоволоконной нити попадает в резонатор и за счет многократного внутреннего отражения остается в нем, как в ловушке. Ключевым моментом в эксперименте стал второй лазерный луч, с частотой, отличающейся от первоначальной на определенную величину. Разница в частотах лазерных лучей соответствовала частоте акустических колебаний материала сферы. Это и сделало систему из оптоволокна и резонатора прозрачной для первого луча.

Что самое удивительное, такая система оказалась прозрачна для лучей только с одной стороны. Получилось подобие оптического турникета – свет проходит с одной стороны, и не может пройти с другой. Возникает такое интересное свойство из-за сложного взаимодействия двух световых лучей и акустических волн в материале – эффекте рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Только в данном случае, вместо того чтобы препятствовать прохождению луча по волокну, он, наоборот, обеспечил ему свободный коридор.

Открытие таких свойств позволит создавать миниатюрные оптические изоляторы и циркулярторы, которые нужны для оптоволоконных систем и в перспективе – для квантовых компьютеров. Сейчас действие этих устройств основано на магнитооптическом эффекте Фарадея, и для пропускания света только в одну сторону применяются магнитные поля и материалы. Избавиться от лишних магнитных полей как раз поможет сделанное открытие. Кроме того, его можно использовать для изменения групповой скорости светового луча – физики называют это «быстрым» и «медленным» светом, он нужен для хранения квантовой информации.

Источник

Проект по физике «Звук и свет»

Министерство общего и профессионального образования

Муниципальное автономное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 1

Котова Елена Сергеевна

Лихачева Полина Олеговна

Сходства между световыми и звуковыми волнами…………………. 13

Отличия между световыми и звуковыми волнами…………………… 13

Список литературы и информационных ресурсов…………………………15

Мы привыкли думать, что живем в мире вещества и предметов, которые можем видеть, слышать, осязать, обонять, пробовать на вкус. Но наш мир не только мир вещества, но и мир волн, заполняющих и пронизывающих все пространство.

Световые волны существуют в природе с тех пор, как зажглись звезды. Звуковые смогли возникнуть лишь после того, как на Земле образовались океаны и атмосфера. Однако мир звуков и особенно мир света были богаты и разнообразны уже и в ту пору, когда мир вещества на Земле был примитивен и скуден и еще некому было глядеть на него и вслушиваться в его звуки. И потому что мир света и звуков был богат, волнам, в особенности световым, с самого начала зарождения живого пришлось сыграть важнейшую роль в великой лаборатории жизни. И нет ничего удивительного в том, что зрение и слух издавна являются важнейшими чувствами животных, населяющих нашу планету.

Однако природа создала только органы, реагирующие на световые и звуковые волны, в отдельности.

Зрение и слух несут информацию об удаленных от нас объектах материального мира. Эту информацию мы получаем в виде волн, которые называем звуком и светом. Поэтому мы должны разобраться в их природе.

Понять природу звуковой волны ;

Рассмотреть ухо как слуховой орган;

Понять природу световой волны ;

Рассмотреть глаз как оптическую систему.

Проблемный вопрос: Почему мы не видим звук и не слышим свет?

Образование звуковых волн в воздухе.

Звук — это упругие волны; чаще всего мы имеем дело с распространением звуковых волн в воздухе. Постараемся разобраться в причинах их возникновения.

При длительных колебаниях какого-либо тела, например ножек камертона или рояльной струны, в воздухе беспрерывно возникают упругие волны. Колеблющееся тело при своем движении вперед сжимает воздух, находящийся перед ним, и это сжатие передается наружным слоям воздуха. При движении тела назад непосредственно за сгущением начинает распространяться разрежение. Затем, когда тело движется опять вперед, снова распространяется сгущение, и т. д. Таким образом, колеблющееся тело непрерывно образует, или, как говорят, излучает, упругие волны, состоящие из последовательных сгущений и разрежений воздуха. Эти упругие волны сжатия и разрежения, возникающие в воздухе при колебаниях тел, и есть звуковые волны или звук (Рис. 1).

Рис. 1 Сгущения и разрежения в звуковых волнах.

Звук возникает и распространяется не только в воздухе и газах, но также в жидкостях и твердых телах.

Звуковая волна в газе характеризуется избыточным давлением, избыточной плотностью, смещением частиц и их скоростью.

Важно то обстоятельство, что вещество не уносится звуковой волной.

Длина волны, частота и скорость звука.

Звуковые волны, характеризуются длиной волны, частотой и скоростью распространения.

Длиной звуковой волны называют расстояние между двумя последовательными сгущениями или разрежениями воздуха, или вообще расстояние вдоль линии распространения волны между двумя соседними точками воздуха, колеблющимися в одной фазе.

Число волн, проходящих в 1 сек через данный участок среды, называется частотой звука.

Упругие волны в воздухе имеют очень большой диапазон частот. К звуковым волнам относят упругие волны тех частот, которые лежат в пределах слышимости человеческого уха, т. е. примерно от 16 до 20000 гц. Упругие колебания с частотой ниже 16 гц называют инфразвуком, выше 20000 гц — ультразвуком, выше 1000 мггц — гиперзвуком (Рис.2)

Рис. 2

Скорость звука.

Звуковые волны распространяются с определенной скоростью, ее называют скоростью звука.

Скорость волны определяется скоростью распространения колебаний от одной точки среды к другой. Она равна:

Так как частота равняется, то

Эти соотношения устанавливают связь между длиной волны, периодом (частотой) и скоростью волнового процесса (т.е. скоростью распространения волны).

От чего зависит скорость звука.

Кроме того, скорость распространения звуковых волн зависит от свойств среды, в которой они распространяются.

Зависимость скорости звука от температуры.

При нормальной температуре скорость звука в воздухе уже составляет 340 м/сек. Зависимость скорости звука от температуры обусловлена изменением плотности воздуха при изменении его температуры. В результате долгих теоретических споров и экспериментальных исследований выяснилось, что именно температура воздуха – единственный параметр, реально влияющий на скорость распространения звука в атмосфере.

Распространение звука.

Все основные законы волнового движения могут быть перенесены и на звуковые волны. При распространении звука также имеют место отражение и преломление, дифракция и интерференция волн и другие явления, характерные для волнового движения.

Отражение звука.

На границе двух сред падающая волна может отражаться или проходить из одной среды в другую.

Если волна в воздухе падает на толстый твердый объект или на поверхность глубокой воды, то звук отражается.

Отражение звуковых волн происходит в соответствии основным законом отражения волн: угол падения равен углу отражения (рис 3).

Преломление.

Когда плоская звуковая волна падает под углом на границу раздела сред, угол ее отражения равен углу падения. Прошедшая же волна отклоняется от направления падающей волны, если угол падения отличен от 90°. Такое изменение направления движения волны называется рефракцией. Геометрия рефракции на плоской границе показана на рис.4. Углы между направлением волн и нормалью к поверхности обозначены θ ₁ для падающей волны и θ ₂ – для преломленной прошедшей. В соотношение между этими двумя углами входит только отношение скоростей звука для двух сред. Как и в случае световых волн, эти углы связаны между собой законом Снеллиуса (Снелля).

Рефракция звука.

Изменение направления звуковой волны, падающей на границу раздела (под углом q1) с переходом в другую среду, называется рефракцией. Чем больше скорость звуковой волны во второй среде, тем больше угол преломления q2.

Таким образом, если скорость звука во второй среде меньше, чем в первой, то угол преломления будет меньше угла падения, если же скорость во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения.

Дифракция. Принцип Гюйгенса.

В общем случае явление дифракции волны состоит в проникновении волны в область геометрической тени.

Это явление объясняется принципом Гюйгенса , который гласит: каждая точка среды, до которой доходит волновое движение, служит центром вторичных волн; огибающая этих волн есть положение волнового фронта распространяющейся волны.

По принципу Гюйгенса каждая точка отверстия, до которой дошла волна, служит источником вторичных круговых волн; колебания всех этих источников будут происходить в одной и той же фазе. Так как отверстие мало по сравнению с длиной волны, то разность ходов от разных источников до какой-нибудь точки за отверстием будет очень мала, так что все эти источники можно, не делая большой ошибки, заменить одним-единственным источником. Этот источник даст круговые расходящиеся волны, которые мы и видим на рис. 5.

Если же отверстие по своим размерам сравнимо с длиной волны, то мы не можем заменить его одним источником. От разных точек отверстия в точку за отверстием, в особенности сбоку от него, будут приходить отдельные волны. При этом фронт волны будет лишь слегка искривляться, заходя в область тени.

Итак, для возникновения дифракционных явлений необходимо, чтобы размеры препятствий были сравнимы с длиной волны или меньше ее, иначе загибания волн не происходит, и область тени образуется по чисто геометрическим законам.

Явление дифракции, или загибание волн около препятствий, величина которых мала или сравнима с длиной звуковой волны, приводит к отклонению от прямолинейности при распространении звука. Мы слышим голос «из-за угла», тогда как не видим говорящего; открыв в комнате форточку, мы слышим шум улицы. Это происходит потому, что звуковые волны огибают препятствия — дифрагируют на них, и звук доходит до нас. Длины волн в звуковом диапазоне имеют один порядок с размерами обычных излучателей и приемников звука (или больше их) и с размерами тел, обычными в нашем обиходе. Поэтому дифракция при распространении звуковых волн играет очень важную роль. Если длина звуковой волны становится малой по сравнению с размерами препятствий, загибание менее заметно. Мы можем говорить тогда о звуковых лучах и считать распространение звука прямолинейным. В этом случае за препятствием имеется резко очерченная область звуковой тени, и можно считать, что звук распространяется по чисто геометрическим законам. В акустике с таким случаем особенно часто приходится встречаться, когда длины звуковых волн малы, т. е. на высоких ультразвуковых частотах.

Интерференция. Наложение звуковых волн.

Интерференция характерна для всяких волн независимо от их природы: для волн на поверхности жидкости, упругих (например, звуковых) волн, электромагнитных (например, радиоволн или световых) волн.

Интерференция возникает (возможна) в результате независимого распространение волн от различных источников, что представляет собой чрезвычайно важное свойство волнового движения вообще. При этом результирующее колебание в любой точке среды оказывается равным простой сумме колебаний, дошедших сюда от разных источников . Это свойство называют принципом суперпозиции, или наложения волн.

Интерференционная картина- это постоянная во времени волновая картина, обусловленная сложением в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.

Такая интерференционная картина возможна, только в том случае, если источники создают волны одинаковой частоты, или, точнее и если сдвиг фаз колебаний этих источников постоянен, т.е. если источники когерентны. Когерентность — это согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания называются когерентными, если разность их фаз остаётся постоянной во времени и при сложении колебаний определяет амплитуду суммарного колебания. Два гармонических (синусоидальных) колебания одной частоты всегда когерентны.

Рис.6 Два источника слева от линзы формируют интерференционную картину справа от неё.

Сила звука.

Когда в воздухе распространяется звуковая волна, в нем образуются сгущения и разрежения. Таким образом, звуковая волна создает добавочные изменения давления по отношению к среднему внешнему давлению воздуха. Это добавочное давление называется звуковым или акустическим давлением. Звуковое давление, которое мы обозначим через р, измеряется в абсолютных единицах давления — барах.

При этом звуковая волна несет с собой определенную энергию источника звука в направлении своего движения. Мы слышим звук за счет энергии источника звуковых колебаний, переносимой звуковыми волнами; доходящие до нас изменения давления воздуха приводят в колебания барабанную перепонку уха

Количество энергии, переносимой звуковой волной за 1 сек через площадку в 1 см 2 , перпендикулярную направлению движения волны, называется интенсивностью, или силой звука.

Децибелы.

Рис. 7

Обычной разновидностью звука является звук малой длительности: хлопок в ладоши, стук в дверь, звук падающего на пол предмета, кукованье кукушки. Такие звуки не являются ни периодическими, ни музыкальными. Но их тоже можно разлагать в частотный спектр. В этом случае спектр будет непрерывным: для описания звука необходимы все частоты в пределах некоторой полосы, которая может быть весьма широкой. При этом, чем короче импульс, тем больше частот он содержит.

В отличие от звуков, шум, вообще не имеют какой-либо устойчивой формы колебаний и представляют собой типично непериодические процессы. Шум, следовательно, имеет сплошной спектр колебаний, в нем присутствуют все частоты. Часто поэтому употребляют выражение «белый шум», аналогичное выражению «белый свет». Под шумом понимается любой звук, создаваемый многочисленными, не согласованными между собой источниками. Примером может служить шум листвы деревьев, колеблемой ветром, или шум реактивного двигателя обусловлен турбулентностью высокоскоростного выхлопного потока.

Однако характер одного шума может отличаться от; характера другого. Например, шум улицы отличен от шума мотора самолета. В каждом шуме имеются свои характерные, особенности, и в сплошном спектре, соответствующем данному шуму, подчеркнуты или ослаблены те или иные звуковые частоты.

Слух, способность воспринимать звуки.

У человека и высших животных звуки улавливаются наружным ухом и через барабанную перепонку и слуховые косточки (среднее ухо) передаются в улитку лабиринта (внутреннее ухо), где колебания т. н. основной перепонки вызывают возбуждение в чувствительных нервных окончаниях кортиева органа, которое передается в головной мозг. Человек воспринимает колебания частотой от 10-20 Гц до 20 кГц.

Строения слухового анализатора (рис 8):

слухового нерва, передающего полученные от уха сигналы;

определенных отделов головного мозга (слуховых центров), в которых импульсы, переданные слуховыми нервами, вызывают осознание исходных звуковых сигналов.

2) Световые волны

Свет как электромагнитное излучение.

Итак, мы уже говорили о том, что в отличие от звука свет представляет собой электромагнитное излучение. Каковы же его свойства, характеристики и особенности?

Волновые свойства света.

Поскольку свет имеет волновую природу, при его распространении отмечаются все явления и закономерности характерные для волновых процессов, такие, как преломление, отражение, интерференция, дифракция.

Закон отражения света: Луч падающий, отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения (рис. 10).

Закон преломления света: Отношение синуса угла падения луча к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред.

Луч падающий, преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (рис.11).

Интерференция (Рис. 12)

Далее, основное внимание мы уделим отличиям световых волн от акустических.

Скорость света.

В отличие от скорости звука, как величины имеющий смысл для конкретных состояний среды, скорость света в вакууме с — фундаментальная физическая константа, имеющая огромное значение для физики в целом, астрономии и астрофизики. Скорость света в вакууме является универсальной и фундаментальной физической константой и согласно последним, наиболее точным измерениям, составляет C =299792456,2 м/сек.

Дисперсия света.

«Белый свет» представляет собой сложную «смесь» электромагнитных колебаний с разной частотой колебаний. При этом, что особенно важно для нас с вами, световые волны различной частоты (длины волны) воспринимаются человеческим глазом как различные цвета. Именно поэтому, источники света, испускающие световые волны строго определенной длины называют монохроматическими – то есть, «одноцветными». Этот феномен впервые был продемонстрирован в эксперименте Ньютона, схема которого представлена на рис. 14.

Рис. 14 Дисперсия солнечного света.

Сам феномен состоит в различной степени преломления входящих в состав солнечного света световых волн различной длины. Несмотря на то, что в природе такое явление люди наблюдают многие века в виде радуги, результаты этого эксперимента удалось объяснить далеко не сразу. Согласно современным представлениям, солнечный свет состоит из электромагнитных волн различной частоты. При этом, волны различной частоты, проходя через прозрачные среды, преломляются с различной силой. То есть, получается, что чем больше частота волны, тем больше переносимая этой волной энергия, тем сильнее ее взаимодействие со средой распространения и выше коэффициент преломления.

Глаз человека как оптическая система.

Через отверстие в радужной оболочке (зрачок) лучи света входят в глаз и, преломляясь на поверхности глазного яблока, в роговице, хрусталике и стекловидном теле, сходятся на сетчатке, давая на ней изображение видимого предмета (Рис. 15).

Сходства между световыми и звуковыми волнами

Источник