1.3 Определение скорости света по методу вращающегося зеркала методом Фуко

Французский физик Леон Фуко (1819—1868) применил в 1862 г. очень точный способ определения времени, прохождения света между двумя пунктами А и В, благодаря чему удалось надежно измерить скорость света, не прибегая к чрезмерно большим расстояниям между А и В. Световой сигнал, вышедший по направлению SA рассмотрен в приложении 3 – К определению скорости света по методу вращающегося зеркала методом Фуко, S - источник света; R - быстровращающееся зеркало; С - неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения Я (поэтому свет, отражённый С, всегда попадает обратно на R); М-полупрозрачное зеркало; L - объектив; Е - окуляр; RС - точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RС и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив L, который собирает отражённый пучок в точке S', а не вновь в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале Л. Скорость света устанавливают, измеряя смещение SS'., отражался вращающимся зеркалом А к неподвижному зеркалу В. Это последнее делалось сферическим с очень большим радиусом кривизны R, так что центр его совпадал с зеркалом A.

Благодаря такому устройству свет при любом положении зеркала А распространялся вдоль радиуса зеркала В, падал перпендикулярно на его поверхность и после отражения шел вновь по радиусу зеркала B, т. е. возвращался к зеркалу А. Однако за время т, в течение которого свет проходил путь от A до В и обратно (т. е. путь, равный 2R), зеркало А успевало повернуться на небольшой угол а, и свет отражался по направлению AS', составляющему угол 2a с направлением SA. Измерив угол 2a и зная угловую скорость вращения зеркала, можно определить время t, а следовательно, и скорость света с=2R/t.

В одном из опытов Фуко расстояние АВ=4м, частота вращения зеркала N=800 с-1, угол поворота зеркала a=27,3, следовательно, для этих данных, среднее значение скорости света, полученное Фуко, равнялось 298 000 км/с.

Вводя на пути света АВ трубу с водой, Фуко смог непосредственно измерить скорость распространения света в воде и получил значение, в 4/3 раза меньшее, чем в воздухе, в соответствии с представлениями Гюйгенса.

Введя ряд остроумных усовершенствований в метод вращающегося зеркала, американский физик Альберт Майкельсон (1852—1931) значительно повысил точность определения скорости света. По его определениям (1927 г.) с=299 796 км/с. Полученное А. Майкельсоном в 1926 году значение c = 299796 4 км/с было, тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин.

За последние годы лабораторные методы определения скорости света существенно усовершенствованы. В их основу положены независимые измерения длины световой волны и ее частоты. Это позволило К. Ивенсону с сотрудниками в 1972 г. определить скорость света с точностью 0,2 м/с: с = 299 792 456,2 ± 0,2 м/с. Однако эти результаты требуют дальнейшего подтверждения. В 1973 г. решением Генеральной ассамблеи Международного комитета по численным данным для науки и техники, обобщившим все известные экспериментальные данные, скорость света в вакууме принято считать равной

с = 299 792 458 ±1,2 м/с.

Для всех практических расчетов мы будем принимать скорость света в вакууме равной 300 000 км/с (3•108 м/с).

Колоссальная с точки зрения наших земных масштабов скорость света не так уж велика в масштабах астрономических. Здесь время распространения света измеряется значительными числами. Так, свет идет от Солнца до Земли около 8 мин, а от ближайшей звезды — около 4 лет. За год свет проходит путь примерно в 1013 км. Эта величина оказывается удобной в качестве единицы длины для огромных астрономических расстояний; она называется световым годом.

Наряду с этой единицей астрономы пользуются парсеком. Парсек (т. е. параллакс-секунда) – это расстояние, с которого радиус земной орбиты (150 млн. км) виден под углом 1". Нетрудно подсчитать, что парсек равен примерно 31/4 светового года.

В настоящее время имеется возможность независимо измерять частоту v и длину волны l монохроматического света, поэтому скорость его c=lv может быть найдена и без кинематических измерений, осуществляемых прежними способами.