ID: 00004239
Исторические опыты
В 1607 году Галилео Галилей впервые в истории физики предпринял попытку определить скорость света с помощью следующего опыта: два наблюдателя (А и В), снабжённые закрывающимися фонарями, расходились на большое расстояние D друг от друга (рис. 1). Наблюдатель А открывал свой фонарь, и свет через некоторый промежуток времени доходил до наблюдателя В, который в тот же момент открывал свой фонарь. Когда второй сигнал доходил обратно до наблюдателя А, тот отмечал время τ, протекшее от момента подачи им сигнала до момента его возвращения. Тогда скорость света с можно было бы рассчитать по формуле: c = 2D/τ.
Однако опыты Галилея оказались неудачными и не позволили определить скорость света. Похожая схема опыта была применена в 1630 году французским учёным М. Марсенном для определения скорости звука в воздухе. Марсенн поставил на определённом расстоянии D двух человек. Один выс·rрелил из мушкета (огнестрельного оружия), а другой отметил время т, прошедшее между вспышкой от выстрела и долетевшим до него звуком. Поделив расстояние на время, Марсенн нашёл, что скорость звука V и равна 230 туазам в секунду, что соответствует 448 метрам в секунду (м/с). Опыты Марсенна оказались неточными (скорость звука в воздухе на самом деле составляет примерно 330 м/с), но впервые позволили оценить порядок величины для скорости звука. В 1738 году французская Академия наук повторила опыт по измерению скорости звука. Опыт был поставлен на холме Монмартр, близ Парижа. Было установлено, что скорость звука равна 171 туазу в секунду.
В 1826 году швейцарские физики Ж. Колладон и Ш. Штурм на Женевском озере провели опыт по измерению скорости звука в воде. Экспериментаторы разъехались на лодках на расстояние D = 14 км друг от друга. На одной лодке производилась вспышка пороха и одновременно молоток ударял по колоколу, опущенному в воду. На другой лодке измерялось время между вспышкой от пороха и появлением звука в слуховом рупоре, также опущенном в воду (рис. 2). Для скорости звука в воде было получено значение, равное 1440 м/с.
Измерения какой физической величины (расстояния или времени) обрекли опыты Галилея на неудачу? Ответ поясните.
Источник: ФИПИ
Оценим время, за которое свет преодолевает расстояние $D = 10$ км в одну сторону:
$$\tau_\text{свет} = \frac{D}{c} = \frac{10\,000}{3 \cdot 10^8} \approx 33 \text{ мкс}$$
Время реакции человека составляет порядка $0{,}1$–$0{,}3$ с $= 100$–$300$ мс, что в $\sim 10^4$ раз больше $\tau_\text{свет}$.
Таким образом, при измерении $\tau$ доминировала не время пробега света, а время реакции наблюдателя Б. Даже при расстоянии $D = 10$ км время пробега света ($33$ мкс) пренебрежимо мало по сравнению со временем реакции человека ($\sim 10^5$ мкс).
Для корректного измерения нужна была электронная аппаратура, фиксирующая промежутки времени порядка микросекунд.
Опыты Марсена были успешны, потому что скорость звука ($\sim 340$ м/с) примерно в $10^6$ раз меньше скорости света, и время пробега ($\sim 30$ с на 10 км) значительно превышает время реакции человека.
$$c \approx 3 \cdot 10^8 \text{ м/с}, \quad \tau_\text{реакц} \sim 10^{-1} \text{ с} \gg \tau_\text{свет} \sim 10^{-5} \text{ с}$$
1. Измерения времени.
2. В ответе присутствует явное или косвенное указание на то, что скорость света очень велика:
• Скорость света очень большая.
• Расстояния в пределах видимости малы, чтобы можно было измерить скорость света.
• Время выдвигания заглушки фонаря велико по сравнению со временем распространения света. / Открыть фонарь мгновенно невозможно.