Z jaką prędkości porusza się foton? Obejrzyj grafikę interaktywną, która wyjaśnia, w jaki sposób Armand Fizeau dokonał pierwszego laboratoryjnego pomiaru prędkości światła. Kliknij w grafikę poniżej.
R1blvAX8GI1HR Grafika przedstawia eksperyment, przy pomocy którego Armand Fizeau w 1849 roku wyznaczył prędkość światła w powietrzu. Fizeau umieścił silne źródło światła za kołem zębatym w taki sposób, żeby zęby obracającego się koła przepuszczały lub przesłaniały wiązkę światła. Za kołem znajdowało się lustro, które odbijało światło i kierowało je z powrotem w kierunku źródła. Jeżeli prędkość obrotu koła zębatego była mała, wówczas wiązka światła mogła przelecieć przez szczelinę między zębami, dolecieć do lustra, odbić się od niego i wrócić z powrotem, przez tę samą szczelinę, do znajdującego się przy emiterze obserwatora. Jednak przy odpowiednio dużej prędkości obrotu koła, po upływie czasu, jaki światłu zajmowało przebycie drogi od koła do lustra i z powrotem, w miejscu szczeliny pojawiał się kolejny ząb koła. Obserwator przy emiterze nie widział wówczas wiązki odbitej od lustra. Na tej podstawie Fizeau był w stanie wyznaczyć prędkość światła.
Grafika przedstawia eksperyment, przy pomocy którego Armand Fizeau w 1849 roku wyznaczył prędkość światła w powietrzu. Fizeau umieścił silne źródło światła za kołem zębatym w taki sposób, żeby zęby obracającego się koła przepuszczały lub przesłaniały wiązkę światła. Za kołem znajdowało się lustro, które odbijało światło i kierowało je z powrotem w kierunku źródła. Jeżeli prędkość obrotu koła zębatego była mała, wówczas wiązka światła mogła przelecieć przez szczelinę między zębami, dolecieć do lustra, odbić się od niego i wrócić z powrotem, przez tę samą szczelinę, do znajdującego się przy emiterze obserwatora. Jednak przy odpowiednio dużej prędkości obrotu koła, po upływie czasu, jaki światłu zajmowało przebycie drogi od koła do lustra i z powrotem, w miejscu szczeliny pojawiał się kolejny ząb koła. Obserwator przy emiterze nie widział wówczas wiązki odbitej od lustra. Na tej podstawie Fizeau był w stanie wyznaczyć prędkość światła.
1
2
3
1. Światło wysłane w kierunku zwierciadła, przechodzi między zębami wirującego kola zębatego. Promień odbity od zwierciadła może być obserwowany przez lunetę.
2. Prędkość wirowania jest niewielka Obserwujemy drogę jednego fotonu, biegnącego w kierunku ekranu. Foton przechodzi przez szczelinę w miejscu zaznaczonym strzałką. Po odbiciu od zwierciadła foton wraca przez tę samą szczelinę.
3. Zwiększamy prędkość wirowania Przy pewnej częstotliwości obrotów koła zębatego, powracający foton trafia na ząb. W lunecie nie widać światła.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
Polecenie 1
R1MlxRnkJilf8 Rysunek przedstawia koło zębate wykorzystane przez Fizeau. Zęby można w przybliżeniu traktować jako przyczepione do brzegu koła prostokąty o szerokości jednego centymetra. Odstęp między zębami również wynosi jeden centymetr.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
Do lunety światło przestało docierać przy częstotliwości obrotów koła f = 10Indeks górny 3 3 Hz. Szerokość zębów koła równa jest szerokości szczelin między zębami i wynosi d = 1 cm. Obwód koła równy jest L = 157 cm. Ile czasu trwa obrót koła, po którym szczelina zostanie zastąpiona przez sąsiedni ząb?
uzupełnij treść
Pokaż odpowiedź Pełen obrót koła trwa
Obrót punktu na obwodzie koła o d = 1 cm (rysunek) trwa d/L razy krócej
t = T · d L = 10 − 3 s · 1 c m 157 c m = 6 , 7 · 10 − 6 s
Polecenie 2
Odległość od koła do zwierciadła wynosi x = 1 km. Oblicz prędkość światła wyznaczoną w tym doświadczeniu.
uzupełnij treść
Pokaż odpowiedź W czasie 𝑡 = 6,7 ∙ 10Indeks górny −6 −6 s foton przebył drogę 2x = 2000 m (do zwierciadła i z powrotem). Jego prędkość wynosi:
c = 2 x t = 2000 m 6 , 7 · 10 − 6 s = 298 507 463 m s ≈ 300 000 000 m s