Аппарат Физо – Фуко - Fizeau–Foucault apparatus

Аппарат Физо – Фуко - это один из двух типов инструментов, которые исторически использовались для измерения скорости света . Слияние двух типов инструментов происходит отчасти потому, что Ипполит Физо и Леон Фуко изначально были друзьями и соавторами. Они работали вместе над такими проектами, как использование процесса дагерротипа для получения изображений Солнца между 1843 и 1845 годами и определение полос поглощения в инфракрасном спектре солнечного света в 1847 году.

В 1834 году Чарльз Уитстон разработал метод использования быстро вращающегося зеркала для изучения переходных процессов и применил этот метод для измерения скорости электрического тока в проводе и продолжительности электрической искры. Он сообщил Франсуа Араго идею о том, что его метод может быть адаптирован для изучения скорости света. Араго расширил концепцию Уитстона в публикации 1838 года, подчеркнув возможность того, что проверка относительной скорости света в воздухе по сравнению с водой может быть использована для различения теории света частиц и волн.

В 1845 году Араго предложил Физо и Фуко попытаться измерить скорость света. Однако где-то в 1849 году, похоже, эти двое поссорились, и их пути разошлись, преследуя разные способы проведения этого эксперимента. В 1848–1849 годах Физо использовал не вращающееся зеркало, а прибор с зубчатым колесом, чтобы произвести абсолютное измерение скорости света в воздухе. В 1850 году Физо и Фуко использовали устройства с вращающимися зеркалами для измерения относительной скорости света в воздухе по сравнению с водой. Фуко использовал увеличенную версию вращающегося зеркала для проведения абсолютного измерения скорости света в 1862 году. В последующих экспериментах, проведенных Мари Альфредом Корню в 1872–76 годах и Альбертом А. Михельсоном в 1877–1931 годах, использовались улучшенные версии прибора. эксперименты с зубчатым колесом и вращающимся зеркалом, чтобы делать более точные оценки скорости света.

Определение Физо скорости света

Рисунок 1: Схема аппарата Физо. Свет проходит с одной стороны зуба на выходе, а с другой - на обратном пути, при условии, что шестеренка вращает один зуб во время прохождения света.

В 1848–1849 годах Ипполит Физо определил скорость света между мощным источником света и зеркалом, находящимся на расстоянии около 8 км. Источник света прерывался вращающимся зубчатым колесом с 720 зубцами, которое можно было вращать с переменной скоростью до сотен раз в секунду. (Рисунок 1) Физо регулировал скорость вращения зубчатого колеса до тех пор, пока свет, проходящий через одну выемку зубчатого колеса, полностью не затмевался соседним зубом. Вращение зубчатого колеса в 3, 5 и 7 раз от этой базовой скорости также приводило к затмению отраженного света зубьями зубчатого колеса, следующими по очереди. Учитывая скорость вращения колеса и расстояние между колесом и зеркалом, Физо смог вычислить значение 315000 км / с для скорости света. Физо было трудно визуально оценить минимум интенсивности света, блокируемого соседними зубами, и его значение скорости света было примерно на 5% выше. Статья Физо появилась в Comptes Rendus: Hebdomadaires de scéances de l'Academie de Sciences (Париж, том 29 [июль – декабрь 1849 г.], стр. 90–92).

С начала до середины 1800-х годов велись интенсивные дискуссии о природе света, состоящей из частиц и волн. Хотя может показаться, что наблюдение пятна Араго в 1819 году окончательно решило вопрос в пользу волновой теории света Френеля , различные проблемы продолжали более удовлетворительно решаться корпускулярной теорией Ньютона. В 1838 году Араго предположил, что дифференциальное сравнение скорости света в воздухе и в воде послужит доказательством или опровержением волновой природы света. В 1850 году, соревнуясь с Фуко, чтобы установить эту точку зрения, Физо нанял LFC Breguet для создания устройства с вращающимся зеркалом, в котором он разделил луч света на два луча, проходя один через воду, а другой - по воздуху. Побежденный Фуко всего на семь недель, он подтвердил, что скорость света была больше, когда он двигался по воздуху, подтверждая волновую теорию света.

Определение Фуко скорости света

Рисунок 2: В эксперименте Фуко линза L формирует изображение щели S на сферическом зеркале M. Если зеркало R неподвижно, отраженное изображение щели преобразуется в исходное положение щели S независимо от того, как наклонен R, как показано на нижний аннотированный рисунок. Однако, если R вращается быстро, временная задержка из-за конечной скорости света, движущегося от R к M и обратно к R, приводит к смещению отраженного изображения щели в точке S.
Рисунок 3: Схема аппарата Фуко. Левая панель : Зеркало R неподвижно. Линза L (не показана) формирует изображение прорези S на сферическом зеркале M. Отраженное изображение прорези преобразуется в исходное положение прорези S независимо от того, как наклонен R. Правая панель : Зеркало R быстро вращается. Отраженный свет от зеркала M отражается от зеркала R , которое продвинулось на угол θ во время прохождения света. Телескоп обнаруживает отраженное изображение щели под углом 2 & thetas ; по отношению к положению щели S .

В 1850 и 1862 годах Леон Фуко сделал улучшенные определения скорости света, заменив вращающееся зеркало зубчатого колеса Физо. (Рисунок 2) Устройство включает свет из щели S, отражающийся от вращающегося зеркала R , формируя изображение щели на дальнем неподвижном зеркале M , которое затем отражается обратно, чтобы преобразовать изображение исходной щели. Если зеркало R неподвижно, то изображение щели изменится в точке S независимо от наклона зеркала. Однако ситуация иная, если R находится в быстром вращении.

Поскольку вращающееся зеркало R немного сдвинется за время, необходимое для отражения света от R к M и обратно, свет будет отклоняться от исходного источника на небольшой угол.

Если расстояние между зеркалами составляет h , время между первым и вторым отражениями на вращающемся зеркале составляет 2 часа / c ( c = скорость света). Если зеркало вращается с известной постоянной угловой скоростью ω , оно изменяет угол во время кругового обхода света на величину θ, определяемую по формуле :

Скорость света рассчитывается из наблюдаемого угла θ , известной угловой скорости ω и измеренного расстояния h как

Как видно на рисунке 3, смещенное изображение источника (щели) находится под углом 2 θ от направления источника.

Определение Фуко относительной скорости света в воздухе и воде. Свет от более проходящего через щель (не показана), отражается зеркалом м ( по часовой стрелке вокруг вращающегося с ) в направлении вогнутых сферических зеркал M и M» . Линза L формирует изображения щели на поверхностях двух вогнутых зеркал. Путь света от m к M полностью проходит через воздух, тогда как путь света от m к M ' в основном проходит через трубку T, заполненную водой . Объектив L ' компенсирует влияние воды на фокус. Свет отражается обратно от сферических зеркал отклоняются от светоделителя г в стороне окуляра O . Если зеркало m неподвижно, оба изображения щели, отраженные M и M ', изменяются в положении α . Если зеркало m быстро вращается, свет, отраженный от M, формирует изображение щели в α ', тогда как свет, отраженный от M', формирует изображение щели в α " .

Руководствуясь теми же мотивами, что и его бывший партнер, Фуко в 1850 году был больше заинтересован в разрешении спора о соотношении частиц и волн, чем в определении точного абсолютного значения скорости света. Фуко измерил дифференциальную скорость света через воздух и воду, вставив трубку, наполненную водой, между вращающимся зеркалом и дальним зеркалом. Его экспериментальные результаты, объявил незадолго до Физо объявил его результаты по той же теме, рассматривались как «вождения последний гвоздь в гроб» из Ньютона «s корпускулярно теории света , когда он показал , что свет проходит медленнее через воду , чем через воздух. Ньютон объяснил преломление как притяжение среды к свету, подразумевая увеличение скорости света в среде. Корпускулярная теория света отошла на второй план, полностью омраченная волновой теорией. Такое положение дел продолжалось до 1905 года, когда Эйнштейн представил эвристические аргументы, согласно которым при различных обстоятельствах, например при рассмотрении фотоэлектрического эффекта , свет проявляет поведение, указывающее на природу частиц.

В отличие от его измерения 1850 года, измерение Фуко 1862 года было направлено на получение точного абсолютного значения скорости света, поскольку его заботой было вывести улучшенное значение для астрономической единицы . В то время Фуко работал в Парижской обсерватории под руководством Урбена ле Верье . Леверье полагал, основываясь на обширных расчетах небесной механики, что согласованное значение скорости света было, возможно, на 4% завышенным. Технические ограничения не позволили Фуко разделить зеркала R и M более чем на 20 метров. Несмотря на эту ограниченную длину пути, Фуко смог измерить смещение изображения щели (менее 1 мм) со значительной точностью. Кроме того, в отличие от эксперимента Физо (который требовал измерения скорости вращения зубчатого колеса с регулируемой скоростью), он мог вращать зеркало с постоянной, хронометрически определяемой скоростью. Измерение Фуко подтвердило оценку Леверье. Его значение скорости света в 1862 году (298000 км / с) было в пределах 0,6% от современного значения.

Уточнение Корню эксперимента Физо

Рисунок 4. Запись хронографа по определению скорости света Корню, показывающая вращение колеса, временные сигналы, основанные на часах обсерватории, и отметки наблюдателя.

По просьбе Парижской обсерватории под руководством Ле Верье Мари Альфред Корню повторила измерение зубчатого колеса Физо 1848 года в серии экспериментов 1872–1876 годов. Цель состояла в том, чтобы получить значение скорости света с точностью до одной тысячной. Оборудование Корню позволяло ему отслеживать высокие уровни вымирания, вплоть до 21-го порядка. Вместо оценки минимума интенсивности света, блокируемого соседними зубцами, что было относительно неточной процедурой, Корню провел пары наблюдений по обе стороны от минимумов интенсивности, усредняя значения, полученные при вращении колеса по часовой стрелке и против часовой стрелки. Электрическая схема записывала вращение колеса на диаграмму хронографа, что позволяло точно сравнивать скорость с часами обсерватории, а расположение телеграфных клавиш позволяло Корню отмечать на этой же диаграмме точные моменты, когда он считал, что вымирание наступило или закончилось. Его последний эксперимент проводился по пути, почти в три раза длиннее, чем тот, который использовал Физо, и дал значение 300–400 км / с, что находится в пределах 0,2% от современного значения.

Уточнение Майкельсоном эксперимента Фуко

Рис. 5. Повторение определения скорости света Фуко в 1879 г., выполненное Майкельсоном, включает несколько улучшений, позволяющих использовать гораздо более длинный световой путь.

На рисунке 2 видно, что Фуко поместил вращающееся зеркало R как можно ближе к линзе L, чтобы максимально увеличить расстояние между R и прорезью S. зеркало M. Чем больше расстояние RM, тем быстрее изображение проходит через зеркало M и тем меньше света отражается обратно. Фуко не мог увеличить расстояние RM в сложенном оптическом устройстве более чем на 20 метров, если бы изображение щели не стало слишком тусклым для точного измерения.

Между 1877 и 1931 годами Альберт А. Михельсон провел несколько измерений скорости света. Его измерения в 1877–79 годах были выполнены под эгидой Саймона Ньюкомба , который также работал над измерением скорости света. Установка Майкельсона включала в себя несколько усовершенствований оригинальной аранжировки Фуко. Как видно на рис. 5, Майкельсон поместил вращающееся зеркало R рядом с главным фокусом линзы L ( т. Е. Точкой фокусировки при падающих параллельных лучах света). Если бы вращающееся зеркало R было точно в главном фокусе, движущееся изображение щели оставалось бы на дальнем плоском зеркале M (равном диаметру линзы L) до тех пор, пока ось луча света оставалась на линзе, это верно независимо от расстояния RM. Таким образом, Майкельсон смог увеличить расстояние до RM почти до 2000 футов. Чтобы достичь разумного значения расстояния RS, Майкельсон использовал объектив с очень длинным фокусным расстоянием (150 футов) и сделал компромисс в конструкции, поместив R примерно на 15 футов ближе к L, чем главный фокус. Это позволяло расстояние RS от 28,5 до 33,3 футов. Он использовал тщательно откалиброванные камертоны для отслеживания скорости вращения зеркала R с приводом от воздушной турбины и обычно измерял смещения изображения щели порядка 115 мм. Его значение скорости света 1879 года, 299944 ± 51 км / с, было в пределах 0,05% от современного значения. Его повторение эксперимента 1926 года включало в себя дальнейшие усовершенствования, такие как использование вращающихся зеркал в форме многоугольной призмы (обеспечивающих более яркое изображение), имеющих от восьми до шестнадцати граней и базовую линию в 22 мили, исследованную с точностью до долей на миллион. Его цифра 299 796 ± 4 км / с была всего на 4 км / с выше, чем текущее принятое значение. Последняя попытка Майкельсона измерить скорость света в вакууме в 1931 году была прервана его смертью. Хотя его эксперимент был завершен посмертно Ф. Г. Пизом и Ф. Пирсоном, различные факторы препятствовали измерению с высочайшей точностью, включая землетрясение, которое нарушило базовые измерения.

Сноски

использованная литература

внешние ссылки

Измерения относительной скорости света

Измерения абсолютной скорости света

Классные демонстрации