Опыт Физо

Компьютерная программа моделирует классический опыт Физо по определению скорости света.

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.

Эксперимент с моделью можно проводить в двух вариантах, добиваясь либо исчезновения света в окуляре, либо его максимальной светимости.

Пример расчетной операции для варианта, при котором экспериментатор добивается исчезновения света в окуляре прибора (здесь и далее считается, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину).

За время движения импульса света до зеркала и обратно место прорези на колесе занимает соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно окажется равным времени поворота зубчатого колеса на ширину прорези Здесь L – расстояние от зубчатого колеса до зеркала, T1 – период вращения зубчатого колеса, ν1 = 1/T – частота вращения, при которой первый раз исчезает световой поток в окуляре, N – число зубцов. Так как t = t1, получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом: c = 4LNν1.

Пример расчетной операции для варианта, при котором экспериментатор добивается появления света после исчезновения в окуляре прибора.

За время движения импульса света до зеркала и обратно место первой прорези на колесе заняла следующая за ней прорезь. Тогда свет сможет вновь пройти до окуляра и в окуляре вновь станет светло. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно окажется равным времени поворота зубчатого колеса на суммарную ширину зубца и прорези (шаг зубчатого колеса): Получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом: c = 2LNν2, где ν2 = 1/T2 – частота вращения, при которой в окуляре вновь появляется свет после первого исчезновения.