L'esperimento di Fizeau

Uno dei tre esperimenti memorabili progettati per misurare la velocità della luce è indicato come esperimento di Fizeau . Senza ulteriori chiarimenti, designa il primo, eseguito nel 1849 dal fisico francese Hippolyte Fizeau , e che fornisce la prima misurazione terrestre della velocità della luce. Per questo utilizza il suo dispositivo, chiamato dispositivo Fizeau e il cosiddetto metodo della ruota dentata.

Principio

Il principio dell'esperimento è il seguente: la ruota dentata Z (Zahnrad) viene ruotata, la sorgente luminosa L (Licht) viene riflessa da un primo specchio semitrasparente S1 (Spiegel 1), attraversa una tacca nella ruota, percorre la distanza d (Δs nel diagramma), si riflette su uno specchio lontano S2, percorre nuovamente la distanza d, e arriva nuovamente sulla ruota dentata. Ma questo, nel frattempo, è leggermente ruotato: la luce riflessa può cadere su un dente e quindi essere bloccata, oppure passare attraverso una tacca successiva. Misurando il tempo t impiegato dalla ruota per bloccarsi, dalla sua velocità di rotazione (misurata dal dispositivo), e dalla distanza percorsa (nota anche: 2d ), calcoliamo la velocità della luce c :

{\ displaystyle c = 2d / t}

Descrizione

Fizeau eseguì il suo esperimento nel 1849, tra Montmartre e il campanile della casa di villeggiatura di suo padre a Suresnes , sulle pendici inferiori del Mont Valérien , questi due punti distanti esattamente 8.633 m .

La luce della lampada passa attraverso la prima cornice e si riflette su uno specchio semitrasparente inclinato a 45 °. Passa quindi attraverso la ruota dentata, attraverso una delle tacche, quindi esce nell'asse del secondo telescopio situato a 8.633 m di distanza, sulla Butte Montmartre. Questo 2 ° telescopio è dotato di uno specchio che gli permette di riflettere la luce da dove proviene, a Suresnes. La luce viene quindi raccolta dal primo telescopio, passa nuovamente attraverso la ruota dentata, attraverso una delle tacche, passa attraverso lo specchio semitrasparente, quindi viene osservata da Fizeau per mezzo di un telescopio.

Quando giriamo la ruota molto lentamente, guardando nell'oculare, osserviamo la luminosità della luce che appare e scompare alternativamente, i denti della ruota rotante ostruiscono il passaggio del fascio luminoso. Quando la ruota viene accelerata, l'alternanza tra i periodi di luce e di buio accelera e il lampeggiamento scompare per lasciare solo un punto luminoso continuo, la rimanenza della luce sulla retina non consente più di distinguere le fasi. passaggi più lunghi.

Se acceleriamo ulteriormente la ruota, e superiamo i 12 giri al secondo, arriva un istante, esattamente a 12,6 giri al secondo, dove il tempo che la luce impiega per coprire la distanza Suresnes-Montmartre-Suresnes (cioè poco più di 17 km) corrisponde alla durata esatta del passaggio del fascio luminoso da una tacca della ruota al dente che la segue. Così, la luce che attraversa la ruota durante il viaggio di andata di una tacca, viene bloccata al suo ritorno dal dente successivo. Il raggio è quindi oscurato e non raggiunge più l'osservatore.

Fizeau può determinare, grazie ai contatori, la velocità di rotazione della ruota che permette alla luce di passare per la prima volta attraverso la ruota ma di essere oscurata al suo ritorno.

Mettendo in relazione la velocità di rotazione della ruota con le distanze percorse dalla luce, Fizeau può determinare il tempo impiegato dalla luce per viaggiare. Conoscendo questo tempo, può calcolare la velocità della luce, dividendo la distanza per il tempo.

Ha accumulato il risultato di 28 osservazioni e ha ottenuto una media di "70.948 leghe di 25 per grado", ovvero 315.300 chilometri al secondo. Questo rappresenta solo il 5% di errore, la velocità è di poco inferiore a 300.000 km / s .

La principale difficoltà dell'esperimento è misurare la velocità di rotazione della ruota dentata nel modo più preciso possibile. Questa misurazione è stata effettuata utilizzando contatori installati sugli ingranaggi di trasmissione della ruota.

Nel 1850 Fizeau e Foucault ripresero l'esperimento in acqua. L'anno successivo Foucault misura la celerità $c '$ della luce nell'acqua in traslazione alla velocità $ue$ trova dove $n$ è l' indice di rifrazione dell'acqua. La relatività speciale fornirà nel 1905 una spiegazione completa di questo risultato. ${\ displaystyle c '= {\ frac {c} {n}} + u (1 - {\ frac {1} {n ^ {2}}})}$

Calcoli

c = 2 d / t

, (equazione 1)

dove $t$ è il tempo di andare e restituire la luce per percorrere il viaggio di andata e ritorno sulla distanza $d$ alla velocità sconosciuta $c$ .

La ruota dentata ha 720 denti e 720 incavi della stessa dimensione, o 1440 settori angolari identici. Quando il dispositivo blocca la luce di ritorno, significa che la ruota ha avanzato di un settore (passando quindi da una cavità al dente successivo) durante il tempo di percorrenza, cioè 1/1440 di giro.

Per una frequenza di rotazione $f$ , in giri al secondo, ci vuole $1 / f$ secondi per giro, e il tempo $t '$ impiegato per avanzare di 1/1440 di giro è

t ' = (1/1440) \times (1 / f ) = 1/1440 f

(equazione 2)

Se osserviamo che $t = t '$ , e sapendo che $d = 8633$ e la velocità di rotazione di 12,6 giri al secondo, allora la velocità $c$ è

c = 2 d / t ' = 2 d \times 1440 f = 2 \times 8633 \times 1440 \times 12,6

= 313.000 km / s

(confrontare con il valore esatto di

c = 299.792.458 m / s

L'accuratezza della misurazione è una funzione dell'accuratezza della velocità di rotazione, nonché della determinazione precisa del blocco della luce.

Esperienza di 1851

L' esperienza di Fizeau1851è un'esperienza di interferometria eseguita1851di Hippolyte Fizeau (1819-1896) per misurare la velocità di propagazione della luce in un mezzo trasparente in movimento e quindi per testare l' ipotesi del parziale trascinamento dell'etere , proposta da Augustin Fresnel (1788-1827).

Note e riferimenti

Il patrimonio dei comuni degli Hauts-de-Seine , Flohic éditions, 1994, p. 383.
Matthieu Frachon, con l'assistenza della Suresnes Historical Society, " Sia la luce ... ", Suresnes Mag n ° 311 ,ottobre 2019, p. 40-41 ( leggi in linea ).
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Mathevet, Labastie e Lahaye 2021 , p. 27, col. 1 .
Semay e Silveste-Brac 2016 , cap. 5 , § 5.3 , p. 84.
Taillet, Il cattivo e Febvre 2018 , sv Fizeau (esperienza) [2], pag. 303.

Vedi anche

Bibliografia

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[Fizeau 1849b] Hippolyte Fizeau , “ Su un esperimento relativo alla velocità di propagazione della luce ”, la scienza e la revisione industriali , 3 rd serie, t. 5,1849, p. 393-397 ( leggi in linea ).
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link esterno

L'esperienza di Fizeau , sul sito dell'Osservatorio di Parigi
[video] Universcience VOD , film educativo online sulla misurazione di Fizeau presentato da Jamy Gourmaud (7 min)
Realizzazione moderna dell'esperimento Fizeau , a cura dell'Institut d'Optique Graduate School (testo e video).