ID: 00010771
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
Скорость света рассчитывается через расстояние и время:
$$c = \dfrac{L}{\Delta t}$$
Расстояние между двумя точками на Земле Галилей мог измерить очень точно (геодезические методы того времени уже давали хорошую погрешность). А вот время фиксировалось «на глаз» по сигналу фонаря, погрешность реакции человека $\Delta t \sim 0{,}1$ с.
Оценим, какое расстояние свет проходит за такую погрешность:
$$\Delta L = c \cdot \Delta t = 3 \cdot 10^8 \cdot 0{,}1 = 3 \cdot 10^7 \text{ м} = 30\,000 \text{ км}$$
Это сопоставимо с длиной экватора Земли. То есть погрешность только по времени уже на порядки превышает любое реально измеримое расстояние между наблюдателями. Поэтому опыты Галилея были обречены — нужна точность по времени порядка $10^{-9}$ с, недоступная в его время.
-