P 5: Messungen der Lichtgeschwindigkeit

 1.2 Messungen der Lichtgeschwindigkeit
Im Prinzip muss man die Wegstrecke s kennen, die ein Lichtstrahl durchläuft und die dafür benötigte Zeit t.
Dann ist c=s/t.
Ganz häufig liegt das Problem in der Zeitmessung. Licht ist extrem schnell und deshalb sind extrem kurze Zeitintervalle zu bestimmen.
Die Strecke Erde-Mond (384 000 km) legt ein Lichtstrahl in etwas mehr als einer Sekunde zurück.

1.2.1 Historischer Überblick
Bis 1676 wurde nur spekuliert. Es war unklar, ob Licht unendlich schnell oder nur sehr sehr schnell ist.
1676 konnte Ole Römer c mit Hilfe der Jupitermonde bestimmen (s.u.).
Einen ersten guten Wert erhielt 1728 Bradley:
Das Sternenlicht kommt wegen der Bewegung der Erde leicht von vorne. Aus dieser geringen Winkelverschiebung der Sterne kann man c bestimmen, wenn die Erdgeschwindigkeit bekannt ist.
1849: Zahnradmethode von Fizeau (lange Wegstrecken)
1850: Drehspiegelmethode von Foucault (kurze Wegstrecken, damit c in Glas messbar).
1983: Festlegung als Grundgröße, wird nicht mehr gemessen, gilt nur als Bezug

1.2.2 Das Laternenexperiment von Galilei um 1601
Der erste, der an der Zeitmessung gescheitert ist, war Galileo Galilei (1564 - 1642) mit seinem Laternenexperiment.

Informiere Dich in dem Leifi-Artikel über das Grundprinzip und notiere einige wenige Sätze dazu!
Leifi: Laternenexperiment
Hilfe:
Um die Laufzeit eines Lichtstrahls zu messen, hat Galilei....Das Verfahren konnte nicht gelingen, da: ....

web40art

1.2.3 Beobachtung der Jupitermonde
Schon Galilei konnte mit seinem Fernrohr die vier hellsten Monde des Jupiters sehen:

Io, der Vulkanmond

Europa, der Mond mit einem vielleicht belebten warmen Ozean unter dem Eis
Ganymed und Callisto, die Eismonde.
Der 3600 km große Io kreist in 1,8 Tagen um Jupiter. Da Jupiter 12 Jahre für einen Sonnenumlauf braucht, verändert er seine Position nur langsam.
 

 

 

 

 

 

 

Astropraxis online

Römer hat genau bestimmt, wann Io von der Erde aus gesehen, hinter  Jupiter verschwinden muss, zum Beispiel, wenn die Erde bei A auf ihrer Bahn steht.
Beobachtet man Io aber, wenn die Erde z.B. bei B steht, dann verzögert sich die Zeit, zu der Io hinter Jupiter tritt.
Römer hat erkannt, dass das daran liegt, dass das Licht von Io nun einen längeren Weg zur Erde zurücklegen muss.
Aus der bekannten Entfernung Erde-Sonne und der gemessenen Verzögerung konnte Römer die Lichtgeschwindigkeit gut abschätzen (Fehler 29%).
In Leifi ist eine sehr gute Animation. Die solltet ihr unbedingt ansehen, die weiteren Infos sind nicht so wichtig für uns.

Jupitermondmethode von Römer

1.2.4 Zahnradmethode
1848 gelang Fizeau die erste Messung der Lichtgeschwindigkeit auf der Erde. Er erzeugte  kurze Lichtblitze durch ein sich drehendes Zahnrad mit 720 Zähnen. Anschließend lies er jeden Lichtblitz auf einer 9 km langen Strecke zu einem Spiegel hin- und wieder in sich zurücklaufen.
So lange sich das Zahnrad nur langsam dreht, können hin- und rücklaufender Strahl durch die gleiche Lücke gehen. Ab einer bestimmten Drehgeschwindigkeit trifft der rücklaufende Strahl auf einen Zahn und ist nicht mehr beobachtbar.

Aus Drehgeschwindigkeit  (dient als Zeitmesser) und Laufstrecke kann man c berechnen.

Aufgabe: Vergleiche die Idee mit der Idee Galileis beim Laternenexperiment. Warum funktionierte Fizeaus Messung und was ist sein prinzipieller Vorteil?


 Weitere Infos zur Zahnradmethode

aus Leifiphysik, Link siehe oben

 Ein sehr schönes Video dazu (unter 4 Minuten), da sieht man das Prinzip des Verschwindens vom rücklaufenden Strahl, unabhängig von der Zeitmessung (Zahnrad, Drehspiegel).

 1.2.5 Drehspiegelmethode
 Nur 3 Jahre später hat Foucault (das ist der Typ mit dem Pendel und der Erddrehung...) die bis dahin genaueste Methode zur Messung von c entwickelt.
Er hat einen sich drehenden Spiegel zur Laufzeitmessung eines Lichtstrahles verwendet.
Damit konnte er kürzere Zeiten messen und kam somit auch mit kürzeren Laufstrecken aus (siehe nächster Post).
Als wir noch kein Zentralabi hatten, habe ich diesnenVersuch mit meinen LKs durchgeführt. Der Drehspiegel war auf einer modernen Bohrmaschine befestigt und der Laufweg ging durch zwei Klassenräume hindurch (beide Physikräume mit dazwischen liegendem Sammlungsraum).
Heute verwende ich die Zeit lieber um Beamen und Teleportation zu behandeln (wenn auch nicht experimentell....).
Der Genauigkeitsgewinn entsteht durch das aus der Mittelstufe bekannte Reflexionsgesetz:
Hat sich der Drehspiegel um den Winkel α während der Laufzeit des Lichtstrahles gedreht, dann wird der zurückkommende Strahl um den doppelten Winkel abgelenkt.
Die Zeichnungen sprechen für sich:

Physikalische Schulexperimente

 

Spektrum der Wissenschaft online

Michelson hat 1883 mit der Drehspiegelmethode einen Wert für c erhalten, der ganz dicht am heutigen festgelegten Wert liegt.
Heute kann man Laufzeiten direkt mit Photodetektor und Oszilloskop bestimmen.










 
1.2.5 Drehspiegelmethode