Fizeaus eksperiment

Et av de tre minneverdige eksperimentene designet for å måle lysets hastighet blir referert til som Fizeau- eksperimentet . Uten ytterligere avklaring betegner den den første, utført i 1849 av den franske fysikeren Hippolyte Fizeau , og som gir den første bakken måling av lysets hastighet. For dette bruker han enheten sin, kalt Fizeau-enheten og den såkalte tannhjulsmetoden.

Prinsipp

Prinsippet for eksperimentet er som følger: tannhjulet Z (Zahnrad) roteres, lyskilden L (Licht) reflekteres av et første semi-gjennomsiktige speil S1 (Spiegel 1), krysser et hakk i hjulet, beveger avstand d (Δs på diagrammet), reflekteres på et fjernt speil S2, beveger seg igjen avstanden d, og ankommer igjen på tannhjulet. Men denne har i mellomtiden snudd litt: det reflekterte lyset kan falle på en tann og dermed bli blokkert, eller passere gjennom et følgende hakk. Ved å måle tiden t det tok før hjulet ble blokkerende, fra rotasjonshastigheten (målt av enheten), og den tilbakelagte avstanden (også kjent: 2d ), beregner vi lysets hastighet c  :

Beskrivelse

Fizeau utførte eksperimentet sitt i 1849, mellom Montmartre og tårnet til farens feriehus i Suresnes , i de nedre skråningene av Mont Valérien , og disse to punktene var nøyaktig 8,633 m fra hverandre  .

Lyset fra lampen passerer gjennom den første rammen og reflekteres på et halvt gjennomsiktig speil skrått på 45 °. Deretter går den gjennom tannhjulet, gjennom et av hakkene, og går deretter i aksen til det andre teleskopet som ligger 8.633  m unna, på Butte Montmartre. Denne 2 nd  teleskop er utstyrt med et speil slik at det å reflektere lyset hvor den kommer fra, i Suresnes. Lyset blir deretter gjenopprettet av det første teleskopet, passerer igjen gjennom tannhjulet, gjennom et av hakkene, passerer gjennom det halvgjennomsiktige speilet, og observeres deretter av Fizeau ved hjelp av et teleskop.

Når vi snur hjulet veldig sakte mens vi ser inn i okularet, observerer vi lysstyrken til lyset som dukker opp og forsvinner vekselvis, og tennene på det roterende hjulet hindrer lysstrålens passasje. Når hjulet akselereres, akselererer vekslingen mellom lys og mørke perioder, og blinkingen forsvinner for kun å etterlate et kontinuerlig lyspunkt, mens restene av lyset på netthinnen ikke lenger gjør det mulig å skille fasene. Der lyset ikke lengre passerer.

Hvis vi akselererer hjulet ytterligere, og overskrider 12 omdreininger per sekund, kommer det øyeblikkelig, med 12,6 omdreininger per sekund nøyaktig, hvor tiden det tar for å dekke avstanden Suresnes-Montmartre-Suresnes (dvs. litt over 17 km) tilsvarer den nøyaktige varigheten av passering i lysstrålen fra et hakk i hjulet til tannen som følger den. Dermed blir lyset som passerer gjennom hjulet på den utgående ferden med et hakk, blokkert ved retur av den følgende tannen. Bjelken er derfor tilslørt og når ikke lenger observatøren.

Fizeau kan, takket være tellere, bestemme rotasjonshastigheten til hjulet som gjør at lyset kan passere gjennom hjulet for første gang, men å bli skjult når det kommer tilbake.

Ved å knytte hjulets rotasjonshastighet til avstandene med lys, kan Fizeau bestemme tiden det tar for lys å reise. Å vite denne tiden, kan han beregne lysets hastighet, dele avstanden etter tiden.

Han akkumulerte resultatet av 28 observasjoner og oppnådde et gjennomsnitt på "70 948 ligaer på 25 per grad", eller 315 300 kilometer i sekundet. Dette representerer bare 5% av feilen, hastigheten er litt under 300.000  km / s .

Hovedproblemet med eksperimentet er å måle rotasjonshastigheten til tannhjulet så presist som mulig. Denne målingen ble utført ved hjelp av teller montert på drivhjulene på hjulet.

I 1850 gjenopptok Fizeau og Foucault eksperimentet i vann. Året etter måler Foucault lysets hastighet c ' i vann i translasjon med hastigheten u og finner hvor n er vannets brytningsindeks . Spesiell relativitetsteori vil i 1905 gi en fullstendig forklaring på dette resultatet.

Beregninger

c  = 2 d / t ,   (ligning 1)

der t er på tide å gå og returnere lyset for å reise tur-retur over distansen d med den ukjente hastigheten c .

Tannhjulet har 720 tenner og 720 hull i samme størrelse, eller 1440 identiske vinkelsektorer. Når enheten blokkerer returlyset, betyr det at hjulet har avansert en sektor (og dermed gått fra en hul til neste tann) i løpet av reisetiden, dvs. 1/1440 av en revolusjon.

For en rotasjonsfrekvens f , i omdreininger per sekund, tar det 1 / f sekunder per omdreining, og tiden t ' brukt til å gå videre med 1/1440 av en revolusjon er

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

Hvis vi ser at t  =  t ' , og vel vitende om at d  = 8,633 og rotasjonshastighet på 12,6 omdreininger per sekund, da hastigheten c er

c  = 2 d / t '  = 2 d  × 1440 f  = 2 × 8633 × 1440 × 12,6   = 313 000 km / s (sammenlign med den nøyaktige verdien av c  = 299 792 458 m / s ).

Målingens nøyaktighet er en funksjon av nøyaktigheten til rotasjonshastigheten, samt den nøyaktige bestemmelsen av lysblokkering.

Erfaring av 1851

Den opplevelsen av Fizeau1851er en opplevelse av utført interferometri1851av Hippolyte Fizeau (1819-1896) For å måle hastigheten for forplantning av lys i en i bevegelse gjennomsiktig medium og således for å teste den hypotese for den partielle medrivning av eter , foreslått av Augustin Fresnel (1788-1827).

Merknader og referanser

  1. Arven til kommunene Hauts-de-Seine , Flohic éditions, 1994, s. 383.
  2. Matthieu Frachon, med hjelp av Suresnes Historical Society, "  Let there be light ...  ", Suresnes Mag n ° 311 ,oktober 2019, s.  40-41 ( les online ).
  3. Eisenstaedt 2005 , s.  227.
  4. Mathevet, Labastie og Lahaye 2021 , s.  27, kol.  1 .
  5. Semay and Silveste-Brac 2016 , kap.  5 , §  5.3 , s.  84.
  6. Taillet, Villain and Febvre 2018 , sv Fizeau (erfaring fra) [2], s.  303.

Se også

Bibliografi

Relaterte artikler

Eksterne linker

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">