Номер 4, страница 109 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

4. Каким способом экспериментаторы определяли время распространения света от источника до наблюдателя в лабораторных методах?

Из-за огромной скорости света время его распространения на лабораторных расстояниях (даже в несколько километров) чрезвычайно мало — порядка микросекунд или наносекунд. В XIX веке, когда проводились первые точные лабораторные измерения, не существовало приборов, способных напрямую измерять такие короткие промежутки времени. Поэтому экспериментаторы использовали косвенные методы, в которых искомое время распространения света определялось через измерение других, более доступных для наблюдения физических величин.

Основная идея заключалась в том, чтобы заставить световой луч пройти большое расстояние, часто с помощью многократных отражений, и использовать механический прерыватель света, работающий с известной и контролируемой скоростью. Время распространения света $\text{t}$, за которое он проходил известное расстояние $\text{L}$ до отражателя и обратно, связывалось с параметрами этого прерывателя.

Одним из первых успешных лабораторных способов был метод вращающегося зубчатого колеса (метод Физо, 1849 г.). В этом методе свет от источника проходил через зазор между зубьями быстро вращающегося колеса, отражался от удаленного зеркала и возвращался обратно к колесу. Время $\text{t}$, за которое свет проходил путь туда и обратно ($\text{2L}$), определялось по скорости вращения колеса. Экспериментатор подбирал такую скорость вращения, при которой вернувшийся световой импульс попадал не в зазор, а на следующий за ним зуб и полностью перекрывался. Это означало, что за время путешествия света $\text{t}$ колесо успевало повернуться на угол, соответствующий переходу от середины зазора к середине следующего зуба. Если у колеса $\text{N}$ зубьев, а частота вращения равна $\nu$, то время такого поворота, а следовательно и время распространения света, вычислялось как $t = \frac{1}{2N\nu}$. Таким образом, измерение времени сводилось к измерению частоты вращения колеса.

Дальнейшим развитием стал метод вращающегося зеркала (метод Фуко, 1862 г.). Здесь вместо зубчатого колеса использовалось небольшое, но очень быстро вращающееся зеркало. Свет отражался от него, летел к неподвижному зеркалу на расстоянии $\text{L}$, отражался и возвращался на вращающееся зеркало. За время $t = \frac{2L}{c}$, пока свет был в пути, вращающееся зеркало успевало повернуться на небольшой угол $\Delta\alpha = \omega t$, где $\omega$ — его угловая скорость. Из-за этого поворота луч, отразившись второй раз, отклонялся от своего первоначального направления. Это приводило к смещению светового пятна на экране, которое можно было измерить. Зная угловую скорость вращения зеркала $\omega$ и измерив смещение, можно было вычислить угол поворота зеркала $\Delta\alpha$, а следовательно, и время распространения света $t = \frac{\Delta\alpha}{\omega}$. Таким образом, измерение очень малого промежутка времени сводилось к измерению небольшого, но вполне заметного смещения светового пятна.

В обоих случаях время распространения света не измерялось напрямую с помощью часов, а вычислялось на основе других измеряемых величин: скорости вращения, числа зубьев, расстояний и углового или линейного смещения.

Ответ: Экспериментаторы в лабораторных методах определяли время распространения света не прямым измерением, а косвенно. Они использовали установки (например, с вращающимся зубчатым колесом или вращающимся зеркалом), в которых время распространения света $\text{t}$ было связано с другой, легко измеряемой физической величиной — скоростью вращения (метод Физо) или угловым смещением светового луча (метод Фуко). Зная параметры установки (расстояния, скорость вращения и т. д.), они вычисляли искомое время распространения света.