Проблема измерения скорости света резко размежевывала сторонников корпускулярной и волновой теории света. Из корпускулярной теории следовало, что свет имеет большую скорость в более плотных средах, тогда как волновая теория предписывала большую скорость распространения излучения в менее плотных средах. В рамках корпускулярной теории показатель преломления среды, определенный как отношение угла падения / к углу преломления а равен v, sin i и = —= Vj sin а Следствием волновой теории было равенство v, sin/ л = — v2 sin а где v,— скорость света в первой среде, v2— скорость света во второй среде (свет переходит из первой среды во вторую). 202 4. Оптика Арман Ипполит Физо Был необходим experimentum crucis («решающий эксперимент»), который мог бы однозначно ответить на вопрос о соотношении скоростей света в различных средах. Впервые измерить скорость света в наземных условиях удалось Арману Ипполиту Физо (1819—1896). Физо родился в Париже в семье профессора медицины. Намерением Ипполита Физо было идти по стопам отца, и он поступил на медицинский факультет университета. Однако учеба вследствие болезни Физо была прервана, а после выздоровления он отказался от медицинской карьеры и решил посвятить себя физике. Он посещал лекции по физике в Коллеж де Франс, в Политехнической школе, учился в Парижской обсерватории, где его учителем был Ф. Араго. Интерес к дагерротипии (предшественница фотографии) свел Физо с Фуко, вместе с которым молодой ученый провел ряд исследований по оптике, наиболее известное из которых касается интерференции излучения при больших разностях хода. Сотрудничество длилось недолго, и вскоре они перешли к самостоятельным исследованиям, впрочем, по одной и той же проблеме измерения скорости света. Первым добился успеха Физо. Он сконструировал очень остроумную установку, позволившую впервые достаточно точно измерить скорость света в наземных условиях. Схема установки показана на рис 2.14. Свет от источника 1 фокусируется на модуляторе 3, состоящем из чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов, расположенных по периферии диска (наподобие зубчатого колеса). Модулятор находится в фокальной плоскости объектива 4, дающего параллельный пучок лучей. Этот пучок фокусируется объективом 5 на плоском зеркале 6, находящемся в фокальной плоскости объектива 5. Обратный пучок вновь фокусируется на модуляторе объективом 4. Расстояние между Рис. 2.14. Схема установки Физо для измерения скорости света 203 Раздел II. Основные направления классической науки зеркалом 6 и модулятором 3 в опыте Физо было равно 8633 м. Секторы модулятора наблюдались через полупрозрачное зеркало 7 и окуляр 8. При неподвижном или медленно вращающемся модуляторе его периферия виделась в окуляр светлой, поскольку свет успевал проходить до зеркала 6 и обратно через один и тот же прозрачный сектор. При увеличении скорости вращения модулятора непрозрачный сектор перекрывал путь отраженным от зеркала 6 лучам, и периферия модулятора казалась темной. При еще большем увеличении скорости вращения модулятора отраженный пучок попадал уже в следующий прозрачный сектор, и поле зрения вновь становилось светлым. Зная скорость вращения модулятора (и соответственно время, за которое сектор смещается на угол, равный угловому размеру сектора) и длину пути лучей, можно вычислить скорость света. Физо получил значение этой скорости, равное 313274304 м/с. Опыт Физо был проведен в 1849г. и впоследствии повторен и усовершенствован рядом ученых, в результате чего значение скорости света было уточнено. По современным данным скорость света с = 299792458 м/с. Кроме описанного опыта Физо по определению скорости света, классическими стали его исследования по распространению света в движущихся телах. Несмотря на ошибочность теории Френеля, объяснявшей результаты опытов на основе представлений об эфире, эксперименты Физо по измерению скорости света в движущейся воде рассматриваются сегодня как важное подтверждение релятивистского правила сложения скоростей, на котором мы остановимся в свое время. Исследования Физо получили международное признание. Он был избран членом Академии наук Франции, членом Лондонского Королевского общества. В течение нескольких лет Физо был профессором Политехнической школы в Париже. Если Физо первым определил скорость света в наземных условиях, то первенство в постановке «решающего эксперимента» по сравнению скорости света в различных средах принадлежит Жану Бернарду Леону Фуко (1819—1868). Фуко родился в Париже в семье книгоиздателя. Профессиональная карьера Фуко складывалась довольно сложно. Начальное образование по причине слабого здоровья Фуко было домашним. Затем он пробовал себя в медицине, микрохирургии, в течение нескольких лет занимался журналистикой. Однако склонность к изобретательству, проявляемая Фуко с детства, взяла верх над другими увлечениями. Фуко посвятил себя научным исследованиям. Научные изобретения Фуко получили широкое применение и составили ему славу выдающегося ученого-изобретателя. Фуко изобрел гироскоп, фотометр, усовершенствовал технологию нанесения зеркальных покрытий и многое другое. За доказательство вращения Земли с помощью маятника Фуко был награжден орденом Почетного легиона. Он обнаружил существование в сплошных металлических телах индукционных токов — «токов Фуко», нагревающих эти тела, и предложил способ их устранения. Фуко был избран членом Лондонского Королевского общества, членом-корреспондентом Петербургской Академии наук и незадолго до смерти членом Французской Академии наук. 204 4. Оптика Метод измерения скорости света, разработанный Фуко, не требовал больших расстояний и, кроме того, позволял сравнивать скорости распространения света в различных средах. Идея метода Фуко заключается в следующем (рис 2.15). В центре кривизны С сферического зеркала устанавливалось плоское вращающееся зеркало с осью вращения в точке С. Благодаря такому расположению зеркал луч света от источника излучения S всегда распространялся вдоль радиуса Л С зеркала, то есть возвращался после отражения от сферического зеркала к плоскому зеркалу. Однако за время т прохождения света от точки С до точки А туда и обратно (путь равен 2R, R — радиус сферического зеркала), зеркало успевало повернуться на угол а, в результате чего свет отражался по направлению CS', составляющему 2а с направлением SC. Измерив угол 2а и зная угловую скорость вращения зеркала, можно рассчитать т, а следовательно и скорость света Жан Фуко = 2Д т Введя на пути СА трубу с водой, Фуко определил, что скорость света в воде в 4/3 раза меньше, чем в воздухе. Фуко получил значение скорости света в воздухе равной 298000 км/с. За опыты по измерению скоростей света в воздухе и воде Фуко в 1853 г. был удостоен докторской степени. Таким образом, опыты Физо и Фуко стали еще одним триумфом волновой теории. сферическое вода шкало плоское вращающееся зеркало Рис. 2.15. Схема установки Фуко для измерения и сравнения скорости света в различных средах
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Скорость света. Физо. Фуко» з дисципліни «Історія науки»
