El experimento de Fizeau

Uno de los tres experimentos memorables diseñados para medir la velocidad de la luz se conoce como el experimento de Fizeau . Sin más aclaraciones, designa la primera, realizada en 1849 por el físico francés Hippolyte Fizeau , y que da la primera medida terrestre de la velocidad de la luz. Para ello utiliza su dispositivo, llamado dispositivo Fizeau y el llamado método de rueda dentada.

Principio

El principio del experimento es el siguiente: la rueda dentada Z (Zahnrad) se gira, la fuente de luz L (Licht) se refleja en un primer espejo semitransparente S1 (Spiegel 1), cruza una muesca en la rueda, recorre distancia d (Δs en el diagrama), se refleja en un espejo distante S2, recorre nuevamente la distancia d, y llega nuevamente a la rueda dentada. Pero éste, mientras tanto, ha girado levemente: la luz reflejada puede caer sobre un diente y así bloquearse, o pasar por una muesca siguiente. Midiendo el tiempo t que tardó la rueda en bloquearse, a partir de su velocidad de rotación (medida por el dispositivo) y la distancia recorrida (también conocida: 2d ), calculamos la velocidad de la luz c :

{\ Displaystyle c = 2d / t}

Descripción

Fizeau llevó a cabo su experimento en 1849, entre Montmartre y el campanario de la casa de vacaciones de su padre en Suresnes , en las laderas inferiores del Mont Valérien , estos dos puntos están separados exactamente por 8.633 m .

La luz de la lámpara pasa a través del primer bisel y se refleja en un espejo semitransparente inclinado a 45 °. Luego pasa por la rueda dentada, por una de las muescas, luego sale en el eje del segundo telescopio ubicado a 8.633 m de distancia, en la Butte Montmartre. Este 2 nd telescopio está equipado con un espejo que le permite reflejar la luz de dónde viene, en Suresnes. Luego, la luz es recuperada por el primer telescopio, pasa nuevamente a través de la rueda dentada, a través de una de las muescas, pasa a través del espejo semitransparente, luego es observada por Fizeau mediante un telescopio.

Cuando giramos la rueda muy lentamente, mirando por el ocular, observamos el brillo de la luz que aparece y desaparece alternativamente, los dientes de la rueda giratoria obstruyen el paso del haz de luz. Cuando se acelera la rueda, la alternancia entre los períodos de luz y oscuridad se acelera, y el parpadeo desaparece para dejar solo un punto de luz continuo, la remanencia de la luz en la retina ya no permite distinguir las fases. pases más largos.

Si aceleramos más la rueda, y superamos las 12 revoluciones por segundo, llega un instante, a 12,6 revoluciones por segundo exactamente, en el que el tiempo que tarda la luz en cubrir la distancia Suresnes-Montmartre-Suresnes (es decir, un poco más de 17 km) corresponde a la duración exacta del paso del haz de luz desde una muesca en la rueda hasta el diente que la sigue. Así, la luz que atraviesa la rueda en el viaje de ida y vuelta por una muesca, es bloqueada en su retorno por el diente siguiente. Por lo tanto, el rayo se oscurece y ya no llega al observador.

Fizeau puede determinar, gracias a los contadores, la velocidad de rotación de la rueda que permite que la luz pase a través de la rueda por primera vez pero que se oscurezca a su regreso.

Al relacionar la velocidad de la rueda con las distancias recorridas por la luz, Fizeau puede determinar el tiempo que tarda la luz en viajar. Sabiendo este tiempo, puede calcular la velocidad de la luz, dividiendo la distancia por el tiempo.

Acumuló el resultado de 28 observaciones y obtuvo una media de "70.948 leguas de 25 por grado", o 315.300 kilómetros por segundo. Esto representa solo el 5% de error, siendo la velocidad un poco menos de 300.000 km / s .

La principal dificultad del experimento es medir la velocidad de rotación de la rueda dentada con la mayor precisión posible. Esta medición se llevó a cabo utilizando contadores instalados en los engranajes impulsores de la rueda.

En 1850, Fizeau y Foucault reanudaron el experimento en agua. Al año siguiente, Foucault mide la celeridad $c '$ de la luz en el agua en traslación a la velocidad $u$ y encuentra donde $n$ es el índice de refracción del agua. La relatividad especial dará en 1905 una explicación completa de este resultado. ${\ Displaystyle c '= {\ frac {c} {n}} + u (1 - {\ frac {1} {n ^ {2}}})}$

Cálculos

c = 2 d / t

, (ecuación 1)

donde $t$ es el tiempo para ir y devolver la luz para realizar el viaje de ida y vuelta sobre la distancia $d$ a la velocidad desconocida $c$ .

La rueda dentada tiene 720 dientes y 720 huecos del mismo tamaño, o 1440 sectores angulares idénticos. Cuando el dispositivo bloquea la luz de retorno, significa que la rueda ha avanzado un sector (pasando así de un hueco al siguiente diente) durante el tiempo de recorrido, es decir, 1/1440 de revolución.

Para una frecuencia de rotación $f$ , en revoluciones por segundo, se necesitan $1 / f$ segundos por revolución, y el tiempo $t '$ empleado en avanzar 1/1440 de revolución es

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

(ecuación 2)

Si observamos que $t = t '$ , y sabiendo que $d = 8633$ y la velocidad de rotación de 12,6 revoluciones por segundo, entonces la velocidad $c$ es

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

= 313.000 km / s

(compárese con el valor exacto de

c = 299.792.458 m / s

La precisión de la medición depende de la precisión de la velocidad de rotación, así como de la determinación precisa del bloqueo de la luz.

Experiencia de 1851

La experiencia de Fizeau1851es una experiencia de interferometría realizada1851por Hippolyte Fizeau (1819-1896) para medir la velocidad de propagación de la luz en un medio transparente en movimiento y así probar la hipótesis del arrastre parcial del éter , propuesta por Augustin Fresnel (1788-1827).

Notas y referencias

El patrimonio de los municipios de Hauts-de-Seine , Flohic éditions, 1994, p. 383.
Matthieu Frachon, con la ayuda de la Sociedad Histórica de Suresnes, " Hágase la luz ... ", Suresnes Mag n ° 311 ,octubre de 2019, p. 40-41 ( leer en línea ).
Eisenstaedt 2005 , p. 227.
Mathevet, Labastie y Lahaye 2021 , p. 27, col. 1 .
Semay y Silveste-Brac 2016 , cap. 5 , § 5.3 , pág. 84.
Taillet, Villain y Febvre 2018 , sv Fizeau (experiencia de) [2], p. 303.

Ver también

Bibliografía

[Fizeau 1849a] Hippolyte Fizeau , “ Sobre un experimento relacionado con la velocidad de propagación de la luz ”, Informes semanales de las sesiones de la Académie des sciences , t. XXIX , n o 4,1849, p. 90-92 y 132 ( leer en línea ).
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[Fizeau 1851] Hippolyte Fizeau , " Sobre las hipótesis relativas al éter luminoso, y sobre un experimento que parece demostrar que el movimiento de los cuerpos cambia la velocidad con la que la luz se propaga en su interior ", Informes semanales de las sesiones de la Academia. de Ciencias , t. XXXIII , n o 13,1851, p. 349-355 ( leer en línea ) - extraer.
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enlaces externos

La experiencia de Fizeau , en el sitio web del Observatorio de París
[video] Universcience VOD , película educativa en línea sobre la medición de Fizeau presentada por Jamy Gourmaud (7 min)
Realización moderna del experimento Fizeau , por el Institut d'Optique Graduate School (texto y video).