Опыт Физо по определению скорости света

В 1849 году французский физик Арман Ипполит Луи Физо (23.11.1819 – 18.09.1896) первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы) с использованием метода вращающегося затвора. Так как показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают величину, весьма близкую к скорости света c. В опыте Физо пучок света от источника S, отраженный полупрозрачным зеркалом N, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском W (имеющим k=720 зубцов; ширина зубцов и прорезей одинаковые), проходил базу MN (L=8,66 км) и, отразившись от зеркала М, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр Е. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил значение с = 313300 км/с.

Рассмотрим, что видит наблюдатель в окуляре Е в зависимости от частоты f вращения зубчатого диска W. При малой частоте, свет успевает пройти через прорезь, преодолеть расстояние L, отразиться от зеркала М и вернуться пройдя через ту же прорезь. Наблюдатель видит в окуляре изменение интенсивности с частотой f. С увеличением частоты, часть света не будет успевать вернуться через ту же прорезь и интенсивность света будет уменьшаться. Для определения скорости света необходимо найти такую частоту вращения диска, при которой весь прошедший через прорезь свет будет остановлен ближайшим зубцом. В этом случае интенсивность света в окуляре будет равна нулю. При дальнейшем увеличении частоты, интенсивность света будет увеличиваться, т.к. свет будет возвращаться уже через следующую прорезь.

Определим скорость света в эксперименте с полным исчезновением света в окуляре. Время за которое свет проходит до зеркала и обратно равно τ = 2L / c. Прорезь диска при вращении заменяется зубцом за время равное t = T₁ / (2k), где T₁ период вращения зубчатого диска. Если частота, при которой первый раз исчезает свет в окуляре равна f₁, то T₁ = 1 / f₁ и время поворота диска равна t = 1/(2kf₁).

Поскольку, по условию эксперимента, исчезновение света достигается при t₁ = τ, найдем скорость света c = 4Lkf₁.

Вторая версия эксперимента заключается в том, что с дальнейшим увеличением частоты интенсивность света увеличивается и достигает максимума при возвращении света через следующую прорезь. Поскольку поворот диска в этом случае вдвое больше, чем в первом опыте, то частота будет равна f₂ = 2 f₁ и формула определения скорости света будет равна c = 2Lkf₂.

Основная погрешность определения скорости света в данных опытах связана с тем, что в то время не было точных инструментов измерения интенсивности света — затемнение определялось визуально, что приводило в завышенной на 5% оценке.

В настоящее время разработаны методы измерения, позволяющие достаточно точно определить скорость света. Современное значение скорости света принято считать равным 299792458±1,2 м/с.