Метод физо кратко и понятно

Обновлено: 02.07.2024

В начале XX века один из крупнейших современных физиков Альберт Эйнштейн доказал, что всё в природе, в окружающем нас мире относительно, изменчиво. В зависимости от различных факторов изменяются пространства и массы тел, их размеры и скорости. Даже время, считаемое до 1905 года абсолютной, независимой величиной, тоже оказалось относительным.
Время в запущенной с Земли ракете, летящей с огромной скоростью, течёт медленнее, чем на Земле. Например, если бы ракета двигалась со скоростью 260 тыс. км/час, время в ней шло бы в два раза медленнее, чем на нашей планете, т. е. за один и тот же срок земляне постарели бы на два года, а космонавты в ракете — только на год.
Теоретически можно подсчитать, что при ещё большей скорости космического корабля, в течение нескольких часов пребывания в нём, на Земле прошло бы несколько веков или даже тысячелетий. Однако это возможно лишь при скоростях, близких к скорости света, что пока нереально. Ведь скорость огромна - — 300 тыс. км/сек!
Открытия относительности времени и предельной скорости распространения света по праву относят к самым крупным в истории человечества. Наверное, вам интересно будет узнать, как впервые удалось на Земле измерить эту гигантскую скорость?
Впервые скорость света определил французский физик Арман Физо. Вернее, он первый смог измерить скорость света в земных условиях, хотя астрономы уже примерно определили ее, но в масштабах Солнечной системы.

Для своего опыта Физо пользовался довольно простой аппаратурой. Лучи света от сильной лампы направлялись через линзу в измерительное устройство, где система линз собирала их и направляла на большое зубчатое колесо. Луч света проходил через промежуток между зубьями колеса, отражался от зеркала, расположенного на расстоянии 8 км, снова проходил между зубьями и попадал в глаз наблюдателя.
Приступая к измерению, Физо приводил колесо во вращение и постепенно увеличивал число его оборотов. При определенной скорости вращения наступало интересное явление: луч света, пройдя между зубьями, колеса и отразившись от зеркала, попадал не в промежуток между зубьями, а на зуб, который успел повернуться на место предыдущего промежутка. При таком положении колеса луч становился невидимым.
У колеса, использованного Физо в опыте, было 720 зубьев (разумеется, промежутков между ними было столько же). Луч света не попадал в глаз наблюдателя при скорости колеса, равной 12 оборотам в секунду.
Следовательно, время, которое нужно, чтобы центр зуба занял положение центральной части промежутка между зубьями, составляло:

Закруглив результат, получаем

1:17000 сек

Измерительные станции находились на расстоянии 8633 м. Луч света за 1 сек. преодолевал это расстояние два раза, т.е. проходил путь, равный 17 266 м. Зная путь и время, французский физик рассчитал скорость света, которая оказалась близкой к 300 тыс. км/сек.
Аппаратуру для опыта Физо сам спроектировал, а установил её на башнях средневековых замков, каких много сохранилось во Франции. Описанный опыт Физо произвёл в 1849 году. Через год другой французский физик Леон Фуко разработал метод, позволяющий измерять скорость света на очень коротком пути, например, в небольшой лаборатории. Поскольку этот метод оказался более точным и удобным, ученые предпочитали пользоваться им, а оригинальный опыт Физо вошёл в историю открытий. За заслуги в области физики и, прежде - всего, за первое опытное измерение скорости распространения света на Земле Парижская академия наук признала Физо высокую денежную премию — 10 000 франков.
Наиболее точные результаты непосредственного измерения скорости света в воздухе получил в 1926 году американский физик Альберт Майкельсон. Своим опытом он доказал, что вращение Земли вокруг Солнца не влияет на результаты измерений, т. е. скорость света является постоянной величиной.
Согласно последним исследованиям, скорость распространения света в вакууме составляет 299792,8 км/сек.

Первый лабораторный опыт по измерению скорости света с использованием метода вращающегося затвора провел в 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо (23.11.1819 – 18.09.1896). В установке Физо узкий луч света разбивался на импульсы, проходя сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. Импульсы попадали на зеркало, расположенное на расстоянии L = 8,66 км от источника и ориентированное перпендикулярно ходу луча. Экспериментатор, изменяя скорость вращения колеса, добивался, чтобы отраженный свет попадал в промежуток между зубцами. На диске Физо было 720 выступов. Зная величину расстояния между зубцами и скорости вращения колеса, при которой свет попадает в следующий промежуток, можно рассчитать значение скорости света. Полученный Физо результат для скорости света составил 313 247 304 м/с.

На экране модели представлена схема опыта. Интерактивная составляющая позволяет изменять частоту вращения зубчатого колеса, наблюдая в окуляре результат эксперимента. Для наглядности окуляр сделан увеличенного размера и вынесен в отдельную зону экрана. Частота изменяется от 0 до 52 оборотов в секунду с шагом 0,01.

При увеличении частоты ускоряется мерцание света в окуляре. При частоте 12,5 с –1 свет в окуляре пропадает совсем. Затем, при дальнейшем увеличении частоты интенсивность света начинает нарастать, достигая начального значения при частоте 25 с –1 . Затем все повторяется при более высоких частотах.

Опыты Физо

Рис. 1. Схема опыта Физо

Жидкость течет в изогнутой трубке со скоростью v. Луч света от источника попадает на полупрозрачное зеркало 1 и расщепляется на два луча: один луч отклоняется вправо и, попадая в трубку с жидкостью, движется против ее течения, отражается от системы зеркал и, выйдя из трубки и пройдя через полупрозрачное зеркало, попадает на экран.

Второй луч (изображен сплошной линией) отражается от зеркала 2 и движется в том же направлении, что и жидкость в трубке. Отражаясь затем от системы зеркал, этот луч света также попадает на экран. В результате на экране возникает интерференционная картина из чередующихся светлых и темных полос. Измерив их ширину, можно определить скорость движения лучей света в движущейся жидкости, тем самым – и степень увлечения эфира движущейся жидкостью. Ширина интерференционных полос зависит от разности времен хода каждого из лучей света в движущейся жидкости. Согласно Физо, время движения одного из лучей света равно:

время движения другого луча равно:

где L – путь, который проходит луч света в движущейся жидкости; n – коэффициент преломления жидкости; k – Френелевский коэффициент увлечения эфира движущейся жидкостью; v – скорость движения жидкости в трубке.

Тогда разность времен хода лучей будет равна:

Пренебрегая величиной k 2 v 2 n 2 /c 2 вследствие ее малости, получим:

Физо полагал, что в данном случае k = 1 – 1/n 2 . Так как для воды n = 1,33, численное значение k оказывается равным 0,44. Физо получил из опыта величину k = 0,46, как будто подтвердив тем самым гипотезу Френеля. В действительности, это не так.

Предположим, что некоторый наблюдатель, находящийся внутри жидкости, движется вместе с жидкостью в трубке и с той же скоростью v. При полностью неувлекаемом эфире скорость эфира внутри жидкости относительно этого наблюдателя будет, очевидно, равна v; при полностью увлекаемом движущейся жидкостью эфире скорость эфира относительно того же наблюдателя будет равна нулю. Вследствие частичного, по Френелю, увлечения, часть эфира увлекается движением жидкости и движется в том же направлении, что и жидкость. Скорость этой увлекаемой части равна v/n 2 . Следовательно, скорость движения эфира внутри жидкости относительно наблюдателя, также находящегося внутри жидкости и движущегося с той же скоростью, что и жидкость, будет равна v_э = v – v/n 2 = v(1 – 1/n 2 ).

С точки зрения неподвижного наблюдателя, находящегося вне движущейся жидкости, при полностью неувлекаемом эфире скорость эфира равна нулю и внутри движущейся жидкости, и вне ее. При полностью увлекаемом эфире скорость его движения в трубке относительно внешнего наблюдателя будет равна v. При частичном увлечении эфира скорость его движения в направлении движения жидкости равна v/n 2 . Следовательно, относительно внешнего неподвижного наблюдателя эфир в трубке движется со скоростью v/n 2 . Коэффициент увлечения эфира с точки зрения неподвижного наблюдателя равен 1/n 2 .

В опыте Физо наблюдатель – экран, на котором появляются интерференционные полосы – находится вне жидкости, движущейся в трубке. Следовательно, скорость движения эфира в трубке, обусловленная движением жидкости, относительно этого экрана равна v/n 2 . Тогда коэффициент увлечения эфира равен 1/n 2 , а не 1 – 1/n 2 , как полагал Физо. При n = 1,33 получим k = 0,56, тогда как Физо получил k = 0,46. Учитывая ошибку, допущенную Физо при постановке его опыта, результаты этого опыта следует признать недостоверными.

В опытах Физо скорость движения эфира относительно экрана или, что то же самое, скорость движения экрана относительно эфира внутри движущейся жидкости составляла величину порядка нескольких метров в минуту, при этом изменение интерференционной картины оказывалось вполне наблюдаемым, хотя точность измерения этого изменения оказалась недостаточно высокой.

Метод Физо

В 1849 г. А. Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света (см рис.). Свет от источника 5 проходил через прерыватель К (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала 3, возвращался опять к зубчатому колесу. Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно t=2L/c окажется равным времени поворота зубчатого колеса на половину прорези t2=T/(2N)=1/(2Nv). Здесь L- расстояние от зубчатого колеса до зеркала; Т—период вращения зубчатого-колеса; N—число зубцов; v=1/T—частота вращения. Из равенства t1=t2 следует расчетная формула для определения скорости света данным методом:
c=4LNv Используя метод вращающегося затвора, Физо в 1849 г. по- лучил значение скорости света с = 3,13-10**5 км/с, что было совсем неплохо по тем временам. В дальнейшем использование раз- личных затворов позволило существенно уточнить значение ско- рости света. Так, в 1950 г. получено значение скорости света (в вакууме), равное
с= (299 793,1 ±0,25) км/с.

Один из трех незабываемых экспериментов, предназначенных для измерения скорости света , называется экспериментом Физо . Без дополнительных пояснений он обозначает первое, выполненное в 1849 году французским физиком Ипполитом Физо и дающее первое наземное измерение скорости света. Для этого он использует свое устройство, названное устройством Физо, и так называемый метод зубчатого колеса.

Резюме

Принцип

Принцип эксперимента заключается в следующем: зубчатое колесо Z (Zahnrad) вращается, источник света L (Licht) отражается первым полупрозрачным зеркалом S1 (Spiegel 1), пересекает выемку в колесе, перемещается по расстояние d (Δs на диаграмме), отражается на дальнем зеркале S2, снова проходит расстояние d и снова попадает на зубчатое колесо. Но этот, тем временем, немного изменился: отраженный свет может падать на зуб и, таким образом, блокироваться, или проходить через следующую выемку. Измеряя время t, которое потребовалось для того, чтобы колесо заблокировалось, исходя из его скорости вращения (измеряемой устройством) и пройденного расстояния (также известного: 2d ), мы вычисляем скорость света c :

против знак равно 2 d / т

Описание

Физо провел свой эксперимент в 1849 году между Монмартром и шпилем загородного дома его отца в Сюрене , на нижних склонах горы Валериен , причем эти две точки находились на расстоянии 8633 м друг от друга .

Свет от лампы проходит через первую лицевую панель и отражается на полупрозрачном зеркале, наклоненном под углом 45 °. Затем он проходит через зубчатое колесо, через одну из выемок, затем выходит на ось второго телескопа, расположенного на расстоянии 8633 м , на холме Монмартр. Этот 2- й телескоп оснащен зеркалом, позволяющим отражать свет там, где он исходит, в Сюрене. Затем свет улавливается первым телескопом, снова проходит через зубчатое колесо, через одну из выемок, проходит через полупрозрачное зеркало, а затем наблюдается Физо с помощью телескопа.

Когда мы очень медленно поворачиваем колесо, глядя в окуляр, мы наблюдаем яркость света, который попеременно появляется и исчезает, зубцы вращающегося колеса препятствуют прохождению светового луча. Когда колесо ускоряется, чередование светлых и темных периодов ускоряется, и мигание исчезает, оставляя только непрерывное световое пятно, остаточное влияние света на сетчатке больше не позволяет различать фазы. дольше проходит.

Если мы ускоряем колесо дальше и превысим 12 оборотов в секунду, наступит момент, точно со скоростью 12,6 оборотов в секунду, когда свету потребуется время, чтобы преодолеть расстояние Сюрен-Монмартр-Сюрен (т.е. немногим более 17 км). соответствует точной продолжительности прохождения светового луча от выемки на колесе до следующего за ней зуба. Таким образом, свет, проходящий через колесо во время движения наружу через выемку, блокируется при возвращении следующим зубом. Таким образом, луч закрывается и больше не достигает наблюдателя.

Физо может определить, благодаря счетчикам, скорость вращения колеса, которая позволяет свету впервые проходить сквозь колесо, но затемняется при его возвращении.

Связав скорость колеса с расстояниями, пройденными светом, Физо может определить время, за которое свет проходит. Зная это время, он может вычислить скорость света, разделив расстояние на время.

Основная трудность эксперимента - как можно точнее измерить скорость вращения зубчатого колеса. Это измерение проводилось с помощью счетчиков, установленных на ведущих шестернях колеса.

В 1850 году Физо и Фуко возобновили эксперимент с водой. На следующий год Фуко измеряет скорость c ' света в воде при поступательном движении со скоростью u и находит, где n - показатель преломления воды. Специальная теория относительности 1905 г. даст полное объяснение этому результату. против ′ знак равно против нет + ты ( 1 - 1 нет 2 ) > + u (1 - >>)>

Расчеты

где t - время, чтобы пройти и вернуть свет, чтобы пройти путь туда и обратно на расстояние d с неизвестной скоростью c .

Зубчатое колесо имеет 720 зубьев и 720 впадин одинакового размера, или 1440 одинаковых угловых секторов. Когда устройство блокирует обратный свет, это означает, что колесо продвинулось на один сектор (таким образом, переходя от выемки к следующему зубцу) за время движения, то есть на 1/1440 оборота.

Для частоты вращения f в оборотах в секунду требуется 1 / f секунды на оборот, а время t ', затрачиваемое на продвижение на 1/1440 оборота, равно

t ' = (1/1440) × (1 / f ) = 1/1440 f (уравнение 2)

Если мы заметим, что t = t ' , и зная, что d = 8633 и скорость вращения 12,6 оборотов в секунду, тогда скорость c будет

c = 2 d / t ' = 2 d × 1440 f = 2 × 8633 × 1440 × 12,6 = 313000 км / с (сравните с точным значением c = 299 792 458 м / с ).

Точность измерения зависит от точности скорости вращения, а также от точного определения блокировки света.

Опыт в 1851 г.

это опыт по интерферометрии выполняется 1851 г. по Физо ( 1819 г. - 1896 г. ), чтобы измерить скорость распространения света в движущейся прозрачной среде и, таким образом, проверить гипотезу частичного увлечения эфира , предложенную Огюстином Френелем ( 1788 - 1827 г. ).

Читайте также: