Ответьте на вопросы, страница 107 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему ширину зубцов и прорезей на вращающемся диске делали одинаковыми?

2. Почему зеркала устанавливали на возвышенностях?

3. Что общего в постановке опыта И. Физо и Г. Галилея?

1. Почему ширину зубцов и прорезей на вращающемся диске делали одинаковыми?

В опыте Ипполита Физо по измерению скорости света, луч проходил через прорезь в быстро вращающемся диске с зубцами, отражался от удаленного на несколько километров зеркала и возвращался к диску. Наблюдатель смотрел на отраженный свет через ту же прорезь. При постепенном увеличении скорости вращения диска наступал момент, когда возвращающийся пучок света полностью перекрывался следующим за прорезью зубцом, и наблюдатель видел темноту.
Если сделать ширину зубцов и прорезей одинаковой, то время, в течение которого свет может пройти через прорезь, будет равно времени, в течение которого следующий зубец будет перекрывать путь свету (при постоянной скорости вращения). Это создает наиболее четкое и симметричное условие для наблюдения. Первое полное исчезновение света происходит тогда, когда время путешествия света до зеркала и обратно ($t = 2L/c$) становится в точности равно времени, за которое диск поворачивается от центра прорези до центра следующего зубца. Такая симметрия позволяет наиболее точно зафиксировать скорость вращения, при которой наступает затемнение, и, как следствие, с большей точностью вычислить скорость света. Если бы ширина зубцов и прорезей была разной, момент затемнения был бы размытым, что снизило бы точность эксперимента.

Ответ: Одинаковая ширина зубцов и прорезей обеспечивает наиболее четкий и симметричный момент, когда возвращающийся свет полностью перекрывается следующим зубцом. Это позволяет максимально точно измерить угловую скорость вращения диска, соответствующую этому моменту, и, следовательно, точнее вычислить скорость света.

2. Почему зеркала устанавливали на возвышенностях?

Скорость света чрезвычайно велика (примерно 300 000 км/с). Чтобы измерить время, которое свет затрачивает на прохождение определенного расстояния, это расстояние должно быть как можно большим. Только в этом случае время полета света станет достаточно большим для его регистрации имеющимися средствами.
Установка зеркал (а также источников света и наблюдателей) на возвышенностях, таких как холмы или горы, преследовала две основные цели:
1. Обеспечение прямой видимости. На больших расстояниях (в опыте Физо — более 8 км) такие препятствия, как неровности рельефа, строения, леса и даже кривизна земной поверхности, могут заблокировать световой луч. Размещение на возвышенностях гарантирует, что между начальной и конечной точками будет беспрепятственный прямой путь.
2. Уменьшение влияния атмосферы. У поверхности Земли воздух наиболее плотный, запыленный и подвержен турбулентным потокам. Это приводит к ослаблению, рассеянию и искажению (мерцанию) светового луча. Пропуская луч на значительной высоте над землей, экспериментаторы минимизировали его прохождение через эти плотные и нестабильные слои атмосферы, что повышало качество изображения и точность измерений.

Ответ: Зеркала устанавливали на возвышенностях для того, чтобы обеспечить прямую видимость между источником света и зеркалом на максимально большом расстоянии и уменьшить искажения светового луча, вносимые плотными и неспокойными слоями атмосферы у поверхности Земли.

3. Что общего в постановке опыта И. Физо и Г. Галилея?

Несмотря на то, что опыт Галилея не увенчался успехом, а опыт Физо дал первый в истории точный результат, в их основе лежала общая методология и схожие принципы постановки.
Общими чертами являются:
1. Основной принцип измерения. Оба опыта были основаны на методе "время-пролёт". Идея заключалась в том, чтобы измерить промежуток времени $ \Delta t $, за который свет проходит большое, точно известное расстояние $\text{L}$ до удаленной точки и обратно (общий путь $ 2L $). Зная расстояние и время, можно вычислить скорость по формуле $ c = 2L / \Delta t $.
2. Использование большой базы (расстояния). Чтобы увеличить измеряемое время $ \Delta t $, оба экспериментатора стремились сделать расстояние $\text{L}$ как можно большим. Для этого они располагали свои установки на вершинах холмов, находящихся на значительном удалении друг от друга.
3. Наличие схемы "посылка-возврат". В обоих случаях световой сигнал посылался к удаленной точке, и измерялось время до его возвращения. У Галилея "возвратом" сигнала служил ответный световой сигнал от помощника, а у Физо — пассивное отражение луча от зеркала.
Ключевое различие опытов заключалось в способе измерения времени $ \Delta t $. Галилей полагался на время реакции человека, которое оказалось на много порядков больше, чем время полета света. Физо же использовал быстрое и точное механическое устройство (вращающийся зубчатый диск), которое выполняло роль прерывателя и "хронометра" одновременно, что и позволило ему добиться успеха.

Ответ: Общим в постановке опытов Галилея и Физо является использование одного и того же принципа измерения скорости света — метода "время-пролёт". Этот метод включал отправку светового сигнала на большое расстояние (между возвышенностями) и фиксацию времени его возвращения для последующего расчета скорости.