سرعت نور چیست و چقدر است؟ – نحوه محاسبه به زبان ساده

انواع امواج الکترومغناطیسی مانند امواج رادیویی یا ریزموج‌ها کاربرد گسترده‌ای در زندگی انسان دارند. یکی از مهم‌ترین خواص این امواج، نحوه انتشار آن‌ها است که با کمیتی به نام سرعت اندازه‌گیری می‌شود. طبق پیش‌بینی‌‌های «جیمز کلرک ماکسول» (James Clerk Maxwell) و مشاهدات «هاینریش هرتز» (Heinrich Hertz)، سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی با سرعتی به نام سرعت نور که با $$c$$ نشان داده می‌شود، برابر است. سرعت نور یکی از مهم‌ترین ثابت‌های جهانی است که در خلاء با رابطه $$c=\frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}}$$ محاسبه می‌شود و تقریبا برابر است با $$3\times10^{8} \ \frac{m}{s}$$. در بخش اول از این نوشته مجله فرادرس توضیح می‌دهیم که در خلاء، سرعت نور چیست و چگونه محاسبه می‌شود.

همچنین به بررسی مفهوم نور، معرفی چهار معادله ماکسول و توضیح آزمایش هرتز می‌پردازیم تا با نحوه دست‌یابی به فرمول سرعت نور در خلاء و مقدار عددی $$3\times10^{8} \ \frac{m}{s}$$ بیشتر آشنا شوید. سپس سرعت نور در سایر محیط‌ها بررسی می‌شود و همان‌طور که در ادامه خواهید دید، برای اینکه ببینیم فرمول دقیق سرعت نور چیست، باید ابتدا پدیده «شکست نور» (Refraction of Light) را مطالعه کنیم.

سرعت نور چیست و چقدر است؟

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های نور به‌عنوان تابش الکترومغناطیس، سرعت آن است. انتشار نور با سرعتی به نام سرعت نور یا $$c$$ انجام می‌شود. این سرعت در خلاء دقیقا برابر است با $$c=299,792,458 \ \frac{m}{s}$$ و به‌طور تقریبی معادل می‌شود با $$3\times10^{8} \ \frac{m}{s}$$. سرعت نور در سایر محیط‌ها از این مقدار کمتر است و با فرمول $$v=\frac{c}{n}$$ محاسبه می‌شود که در آن $$n$$ ضریب شکست محیط نام دارد.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

رنگ‌های مختلف نور در خلاء با سرعت یکسانی به نام سرعت نور حرکت کرده و منتشر می‌شوند. به همین دلیل سرعت نور در خلاء یکی از مهم‌ترین ثابت‌‌های جهانی است که برای هر رنگ از نور، مقدار ثابتی است. با اینکه انواع نور با سرعت یکسانی حرکت می‌کنند، اما طول موج و فرکانس آن‌ها با هم فرق دارد.

در جدول زیر مشاهده می‌کنید که سرعت نور در محیط‌های مختلف چگونه تغییر می‌کند. در بخش‌های بعد پس از اینکه مفهوم و فرمول‌های شکست نور را توضیح دادیم، متوجه خواهید شد که چرا سرعت نور در محیط‌های دیگر نسبت به خلاء مقدار کمتری دارد.

نکته مهم این است که منظور ما از نور، فقط نور مرئی به‌عنوان بخشی از طیف الکترومغناطیس نیست، بلکه منظور ما تمام انواع نور در این طیف است. برای اینکه بهتر متوجه شوید سرعت نور چیست و چقدر است، لازم است با معادلات ماکسول، به‌ويژه معادله چهارم آشنا باشید. موضوع آخرین یا چهارمین معادله ماکسول این است که میدان‌های الکتریکی در حال تغییر با زمان، می‌توانند میدان مغناطیسی تولید کنند و برعکس. اما میدان مغناطیسی‌ که به این روش ایجاد می‌شود، میدان ضعیفی است، در حدی که قابل آشکارسازی نیست. ماکسول متوجه شد که بارهای الکتریکی در حال نوسان مانند الکترون‌ها و پروتون‌ها یا بارهایی که در مدارهای جریان متناوب یا AC وجود دارند، می‌توانند میدان‌های الکتریکی در حال تغییر ایجاد کنند.

او پیش‌بینی کرد که این میدا‌ن‌های در حال تغییر از منبع تولید خود منتشر می‌شوند و انتشار آن‌ها را به انتشار امواج آب داخل حوض تشیبه کرد. به این ترتیب امواجی که توسط ماکسول پیش‌بینی شدند، از میدان‌‌های الکتریکی و مغناطیسی ساخته می‌شوند. این میدان‌ها در حال نوسان و عمود‌ بر هم هستند. به همین علت آن‌ها را امواج الکترومغناطیس یا امواج em می‌نامند. امواج الکترومغناطیس می‌توانند به بارهایی که در فاصله بسیار زیادی از منبع تولید خود قرار گرفته‌اند نیز نیرو وارد کنند. به همین دلیل، قابلیت آشکارسازی برای این امواج وجود دارد.

در واقع زمانی که این امواج منتشر می‌شوند، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در حال نوسان آن‌ها نوعی از انرژی به نام انرژی الکترومغناطیسی یا تابش الکترومغناطیس یا نور را منتقل می‌کنند. پس علت اینکه نور تابش الکترومغناطیس در نظر گرفته می‌شود این است که از میدا‌ن‌های الکتریکی و مغناطیسی در حال نوسان و عمود بر هم ساخته شده است. ماکسول در محاسبات خود نشان داد امواج الکترومغناطیسی با سرعتی به نام سرعت نور منتشر می‌شوند.

نور چیست؟

برای اینکه متوجه شویم منظور ما از سرعت نور چیست، بهتر است ابتدا با مفهوم نور و سایر ویژگی‌های آن آشنا شویم. تقریبا هر چیزی که در مورد جهان می‌دانیم، از این واقعیت ناشی می‌شود که می‌توانیم به کمک نور جهان را مشاهده کرده و ببینیم. البته جهان اطراف ما خیلی فراتر از آن چیزی است که با چشم انسان دیده می‌شود. محدودیت چشم انسان با توسعه ابزارهایی نظیر میکروسکوپ‌ها، تلسکوپ‌ها و آشکارسازها برطرف شده است.

فیلم آموزش فیزیک ۳ – پایه دوازدهم – نکته و حل تست کنکور در فرادرس

کلیک کنید

کلماتی مانند نور، انواع امواج الکترومغناطیس یا طیف الکترومغناطیس یا تابش الکترومغناطیس همگی به یک مفهوم فیزیکی به نام انرژی الکترومغناطیسی دلالت دارند. این انرژی را می‌توانیم توسط پارامترهایی به نام فرکانس و طول موج توصیف کنیم. گستره طیف الکترومغناطیسی یا نور با توجه به مقادیر مختلف طول موج یا فرکانس به چند محدوده تقسیم‌بندی می‌شود که هر بخش نام مشخصی دارد.

در تصویر زیر بخش‌‌های مختلف طیف الکترومغناطیس یا نور را مشاهده می‌کنید. گفتیم مهم‌ترین مشخصه این امواج، انرژی، فرکانس و طول موج آن‌هاست. «امواج رادیویی» (Radio Waves) و «میکروموج‌ها» (Microwaves)‌ اغلب با فرکانس (f) و بر حسب هرتز (Hz) توصیف می‌شوند، در حالی که امواج «مادون قرمز» (infrared) و «نور مرئی» (Visible Light) در قالب طول موج (λ) و بر حسب متر (m) معرفی می‌شوند. همچنین توصیف «اشعه ایکس» (x-ray) و «پرتوهای گاما» (Gamma Rays) عموما توسط انرژی و بر حسب الکترون‌ولت (eV) انجام می‌شود. در ادامه چند مورد از مهم‌ترین ویژگی‌های نور را به‌طور خلاصه بیان می‌کنیم.

بسامد یا فرکانس نور

یکی از مهم‌ترین فاکتورهای تشخیص نوع نور که می‌تواند به ما کمک کند تا ببینیم سرعت نور چیست، فرکانس یا بسامد نور است. فرکانس به معنای تعداد قله‌هایی از یک موج الکترومغناطیسی است که از نقاط مشخصی در مدت زمان یک ثانیه عبور می‌کنند. به عبارت دیگر، یک هرتز برابر است با یک دوره از موج بر ثانیه ($$1 \ Hz = 1 \ \frac{cycle}{s}$$). به این ترتیب اگر موجی شامل دو دوره از یک نقطه‌ مشخص در مدت زمان یک ثانیه عبور کند، فرکانس آن برابر می‌شود با دو هرتز ($$2 \ Hz$$).

فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم – بخش فیزیک در فرادرس

کلیک کنید

طول موج نور

امواج الکترومغناطیسی شکل سینوسی دارند، بنابراین دارای قله و دره هستند. فاصله بین قله‌های یک موج الکترومغناطیس، طول موج نامیده می‌شود. دانستن طول موج نور به ما کمک می‌کند تا بتوانیم محاسبه کنیم اندازه سرعت نور چیست.

فیلم آموزش اپتیک یا نورشناسی Optique در فرادرس

کلیک کنید

در طیف الکترومغناطیس امواجی با طول موج‌های مختلف وجود دارند، برای مثال امواجی با طول موجی به کوچکی ابعاد یک اتم یا امواجی با طول موج‌های بسیار بلند، که در حاضر توسط دانشمندان در حال بررسی و مطالعه هستند. گفته می‌شوند ممکن است ابعاد این طول موج‌ها بیشتر از قطر زمین باشد! یکی از مهم‌ترین فرمول‌هایی که نشان می‌دهد رابطه بین فرکانس و طول موج با سرعت نور چیست، فرمول زیر است:

$$c=f\lambda$$

انرژی نور

مرسوم این است که اگر بخواهیم نور یا موج الکترومغناطیس را بر مبنای انرژی آن مطالعه کنیم، از واحدی به نام الکترون‌ولت (eV) به‌جای ژول استفاده کنیم. یک الکترون‌ولت برابر است با مقدار انرژی جنبشی موردنیاز برای حرکت دادن یک الکترون در اختلاف پتانسیلی برابر با یک ولت. فرادرس، یک دوره جامع با عنوان فیلم آموزشی فیزیک پایه ۳ تهیه کرده است که می‌تواند مسیر یادگیری مباحث مربوط به نور را برای شما هموار کند. لینک مشاهده این فیلم آموزشی در ادامه آورده شده است:

اگر در طیف الکترومغناطیس از سمت طول موج‌های بلند به سمت طول موج‌های کوتاه حرکت کنیم، انرژی زیاد می‌شود. بنابراین رابطه انرژی و طول موج نور عکس یکدیگر است. برای مثال، طبق شکل بالا اگر طنابی را در نظر بگیرید که دارای تعداد موج‌های بیشتری است، برای بالا و پایین کردن این طناب نیاز به مصرف انرژی بیشتری دارید، چون طول موج‌های این طناب کمتر است.

محیط انتشار نور