Doświadczenie Fizeau

informacje wstępne
Duński astronom Ole Reamer jako pierwszy dokonał poważnych obliczeń prędkości światła w 1676 roku.Wnioski Reomera opierały się na jego obserwacjach zaćmień Io, pierwszego księżyca Jupitera. Jednakże dopiero w roku 1849 Fizeau, ściśle współpracując z Foulcaultem, bezpośrednio zmierzył prędkość światła na Ziemii.

opis doświadczenia
W 1849 roku Fizeau jako pierwszy zmierzył prędkość światła metodami nieastonomicznymi, otrzymując wielkość 3,13*10^8m/s. Na rysunku pokazany jest schemat aparatury używanej przez Fizeau.
Nie zwracajmy na razie uwagi na koło zębate. Światło ze źródła S skupione jest przez soczewkę L1, odbija się do zierciadła Z1 które jest zwierciadłem półprzezroczystym; jego warstwa odbijająca jest tak cieńka, że jedynie połowa światła oadającego odbija się, a pozostała część przechodzi przez zwierciadło. Światło z obrazu w punkcie F pada na soczewkę L2 i wychodzi jako wiązka równoległa. Po przejściu przez soczewkę L3 odbija się od zwierciadła Z2. W doświadczeniu Fizeau odległośćl miedzy Z2 i F wynosiła 8630m. Światło padające ponownie na zwierciadło Z1częściowo przejdzie przez nie i wpadnie do oka obserwatora poprzez soczewskę L4 Obserwator zobaczy obraz źródła utworzony przez światło, które przebiegło odległość 2l między kołem a zwierciadłem Z2 i wróciło. Aby określić czas przelotu wiązki świetlnej, trzeba klzaznaczyć na niej jakieś punkty. Osiąga się to przez "pocięcie" (przerywanie) wiązki szybko obracającym się kołem zębatym. Załóżmy, że w czasie przelotu wiązki światła tam i z powrotem, równym 2l/c, koło obróciło siętak, by światło z danego "impulsu" wiązki wróciło do koła w momencie, gdy punkt F został zasłonięty przez ząb koła. Światło padnie wówczas na powierzchnię koła i nie trafi do oka obserwatora. Jeżeli prędkość obrotu koła jest odpowiednio dobrana, to obserwator nie zobaczy żadnego "impulsu" z wiązki, gdyż każdy zostanie zasłonięty przez któryś ząb. Obserwator może zmierzyć prędkość c przez zwiększanie prędkości kątowej koła od zera do wartości, przy której zniknie obraz źródła ś. Niech będzie odległością kątową między środkiem przerwy a środkiem zęba. Czas potrzebny na to, by koło obróciło się o kąt, ma być równy czasowi przelotu 2l/c. W ten sposób otrzymujemy: , czyli Technika "przerywania wiązki", odpowiednio zmodyfikowana jest obecnie stosowana do pomiarów prędkości neutronów i innych cząstek.

Po raz pierwszy metodą laboratoryjną prędkość światła wyznaczona została w 1849 roku przez francuskiego fizyka A. Fizeau. W metodzie Fizeau promienie świetlne przechodzą przez szczeliny między zębami obracającego się koła zębatego. Następnie padają na zwierciadło umieszczone w odległości kilku kilometrów od koła. Po odbiciu się od zwierciadła światło powinno ponownie trafić na szczelinę między zębami koła. Jeśli koło obraca się powoli, promienie odbite od zwierciadła można zobaczyć. Przy zwiększaniu prędkości obrotowej światło powoli zanika. W jaki sposób można to wytłumaczyć? W tym samym czasie, w którym promień po przejściu przez szczelinę biegnie do zwierciadła i z powrotem, koło zdąży już obrócić się tak, że na miejscu szczeliny znajduje się teraz ząb i dlatego światła nie widzimy. Przy dalszym zwiększaniu prędkości obrotowej światło zaczynamy widzieć ponownie. Teraz, w tym samym czasie, w którym promienie biegną do zwierciadła i z powrotem, koło obraca się tak szybko, że na miejscu poprzedniej szczeliny pojawia się następna. Znając ten czas oraz odległość między kołem, a zwierciadłem, można wyznaczyć prędkość światła. W doświadczeniu Fizeau odległość wynosiła 8,6 kilometrów. Wyznaczona w tych warunkach wartość prędkości światła była równa c = 315 300 km/s.