DE2455514C2

DE2455514C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit nach Foucault

Info

Publication number: DE2455514C2
Application number: DE19742455514
Authority: DE
Inventors: Albert Dr. 5000 Köln Lindberg
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1974-11-23
Filing date: 1974-11-23
Publication date: 1982-04-01
Also published as: DE2455514A1

Description

Die von Foucault vorgeschlagene Methode zur Messung der Lichtgeschwindigkeit ist im wesentlichen dadurch bestimmt, daß ein von einer Lichtquelle ausgehender Lichtstrahl von einem sich drehenden Planspiegel zunächst abgelenkt und dann an mindestens einem weiteren Spiegel derart reflektiert wird, daß er zum Drehspiegel zurückkehrt. In dieser Zeit hat sich der z.B. mit 30 000 Umdrehungen pro Minute rotierende Drehspiegel um einen kleinen Winkel weitergedreht, so daß der Lichtstrahl nicht mehr in Richtung Lichtquelle sondern unter einem anderen, von der Drehzahl des Spiegels abhängigen Winkel zurückreflektiert wird. Die sich dadurch ergebende Verschiebung kann mit Hilfe einer unter 45° zwischen der Lichtquelle und dem Drehspiegel in den Strahlengang eingesetzten Glasscheibe und z. B. einem Okularmikrometer beobachtet und bestimmt werden.

Ein Nachteil dieser beschriebenen Methode zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit besteht darin, daß infolge der eingesetzten Glasscheibe einerseits die Lichtstärke des Primärstrahls vermindert wird und andererseits die Lichtstärke des Sekundärstrahles für die Beobachtung und Messung nicht voll ausgenutzt werden kann. Für den Primärstrahl wäre eine möglichst große Transparenz der Glasscheibe erwünscht, während für den Sekundärstrahl die Transparenz möglichst klein sein sollte. Zur Vermeidung dieses Nachteiles wurde bereits vorgeschlagen (vergl. Zeitschrift »Mathematisch-naturwissenschaftlicher Unterricht«, Heft 6, Jahrgang 1974), auf einer Seite des Drehspiegels einen Flächenabschnitt mit gegenüber der restlichen Fläche geringfügig geneigter Form vorzusehen und die andere Seite des Drehspiegels mattzuschleifen und damit unwirksam zu machen. Wird bei dieser Anordnung der Strahlengang so gewählt, daß der zurückkehrende Lichtstrahl auf den geneigten Flächenabschnitt fällt, dann kann die bisher vom Primär- und Sekundärstrahl durchsetzte Glasscheibe entfallen. Der dadurch mit größerer Lichtstärke zurückkehrende Lichtstrahl und die Größe seiner Auslenkung bei sich drehendem Spiegel kann jetzt seitlich von der Lichtquelle ohne Behinderung des Primärstrahls beobachtet bzw. gemessen werden.

Dieser vorgeschlagenen Verbesserung haftet jedoch der wesentliche Nachteil an, daß der nunmehr

unsymmetrische Drehspiegelkörper unwuchtig ist, was bei den äußerst hohen Drehzahlen eine Gefahr für Lehrer und Schüler darstellt. Darüber hinaus geht ein Teil der Lichtstärke wieder dadurch verloren, daß eine Seite des Drehspiegels matt und deshalb unwirksam ist. Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrundp, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit nach Foucault mit einem Drehspiegel, welcher Mittel zur Ablenkung des zurückkehrenden Strahles aufweist, zu schaffen, bei der auf die nachteilige und gefahrvolle Verwendung eines unwuchtigen Drehspiegels verzichtet und dennoch eine wesentlich größere Helligkeit des zurückkehrenden Lichtstrahles erzielt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dem Drehspiegel auf etwa der Hälfte seiner Fläche ein ortsfestes Prisma zur Ablenkung des zurückkehrenden Strahles vorzulagern. Wird bei einer Einrichtung dieser Art der Strahlengang so gewählt, daß der zurückkehrende Lichtstrahl vor- und nach der Reflexion am Drehspiegel das Prisma durchquert, dann erfolgt dadurch die gewünschte Ablenkung des Lichtstrahles, die das Weglassen der bisher notwendigen Glasscheibe ermöglicht.

Der Drehspiegel selbst ist als Planspiegel ausgebildet, ist also nicht unwuchtig. Außerdem können beide Seiten des Planspiegels verspiegelt sein, so daß Helligkeitsverluste nicht entstehen. Schließlich liegen die Herstellungskosten für den Planspiegel und für das davor ortsfest angeordnete Prisma wesentlich niedriger als die Herstellungskosten für einen Planspiegel mit zwei zueinander geneigten Flächenabschnitten.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Drehspiegel als um seine Längsachse drehbar gelagerter Vierkanistab mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt ausgebildet, bei dem alle vier Längsseiten verspiegelt sind. Diese Maßnahme hat eine weitere Helligkeilssteigerung des zu beobachtenden Lichtfleckens zur Folge. Die Erfindung soll anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle, vorzugsweise ein Laser, mit 1 bezeichnet. Der Drehspiegel 2 weist die Form eines Vierkantstabes mit quadratischen Querschnitt auf. Zweckmäßig sind alle vier Längsseiten verspiegelt. Um die Drehachse 3 ist der Drehspiegel 2 entsprechend dem Pfeil 4 in nicht näher dargestellter Weise drehbar gelagert.

Für den weiteren Weg des Lichtes sind in an sich bekannter Weise die Sammellinse 5 und die beiden Planspiegel 6 und 7 vorgesehen. Der Planspiegel 6 ist dann entbehrlich, wenn genügend Platz zur Durchführung des Versuchs zur Verfügung steht. Im übrigen sind die Abstände so gewählt, daß der Drehspiegel im Brennpunkt der Sammellinse 5 steht und daß der optische Weg zwischen Linse 5 und Planspiegel 7 gleich der doppelten Brennweite der Linse 5 ist.

Zusätzlich ist zwischen dem Drehspiegel 2 und der Sammellinse 5 ein Prisma 8 angeordnet. Die Größe des Prismas 8 entspricht etwa der Hälfte einer spiegelnden Seitenfläche des Drehspiegels 2. Das Prisma 8 ist ortsfest derart angeordnet, daß alle den oberen Teil des Drehspiegels 2 treffenden Lichtstrahlen das Prisma durchsetzen. Die Kante des Prismas ist nach unten gerichtet. Der brechende Winkel ε des Prismas ist so gewählt, daß die gewünschte Ablenkung erzielt wird.

Der bei der Durchführung der Messung der Lichtgeschwindigkeit mit der erfindungsgemäßen Ein-

richtung zweckmäßige Strahlengang ist dargestellt. Der Primärstrahl ist mit 9 bezeichnet, während der zurückkehrende Strahl das Bezugszeichen 10 trägt.

Der Primärstrahl 9 geht von der Lichtquelle 1 aus und trifft den Drehspiegel 2 in dem vom Prisma 8 freien Bereich. Von dort wird er in Richtung Linse 5 und Planspiegel 6 abgelenkt. Vom Planspiegel 6 erfolgt die Reflexion in Richtung des Planspiegels 7, der im Brennpunkt der Sammellinse 5 angeordnet ist. Der Planspiegel 7 ist derart justiert, daß der Lichtstrahl in Richtung Planspiegel 6 und von dort aus in Richtung Sammellinse 5 zurückreflektiert wird. Zwischen Sammellinse 5 und Drehspiegel 2 sind der Primärstrahl 9 und der Sekundärstrahl tO parallel zueinander. Der Sekundärstrahl bzw. zurückkehrende Strahl 10 trifft den Drehspiegel 2 derart, daß er das Prisma 8 durchsetzen muß. Auch der vom Drehspiegel 2 reflektierte Sekundärstrahl durchsetzt das Prisma 8, so daß insgesamt eine Ablenkung des Sekundärstrahles 10 staltfindet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Prisma 8 derart angeordnet, daß der Sekundärstrahl

10 mit Hilfe der Mattglasscheibe 11 oberhalb der Laserlichtquelle 1 sichtoar gemacht werden kann. Bei einer anderen Anordnung des Prismas 8 kann der zurückkehrende Strahl 10 natürlich auch neben oder unterhalb der Lichtquelle 1 sichtbar gemacht werden.

Die Messung der Lichtgeschwindigkeit erfolgt bei dieser Vorrichtung in an sich bekannter Weise. Bei nicht rotierendem Drehspiegel 2 trifft der Sekundärstrahl 10 die Mattscheibe 11 an einer bestimmten Stelle. Bei um

κι die vertikale Achse 3 mit entsprechend hoher Drehzahl rotierendem Drehspiegel 2 macht sich eine Auslenkung des vom Drehspiegel 3 in Richtung auf die Mattscheibe

11 reflektierten Lichtstrahles 10 bemerkbar, da sich der Drehspiegel in der Zeit, in der das Licht den Weg vom

ι --. Drehspiegel 2 zum Planspiegel 7 und wieder zurück zum Drehspiegel 2 zurückgelegt hat, un; einen bestimmten Winkel gedreht hat. Zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit ist die Messung dieser Auslenkung und die Kentnnis der Drehzahl des Drehspiegcls erforder-

ji.i lieh.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit nach Foucault mit einem Drehspiegel, welcher Mittel zur Ablenkung des zurückkehrenden Strahles aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ablenkung des zurückkehrenden Strahles aus einem ortsfesten, dem Drehspiegel (2) vorgelagerten Prisma (8) bestehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Prismas (8) etwa der Hälfte einer spiegelnden Fläche des Drehspiegels (2) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel (2) als um seine Längsachse (3) drehbar gelagerter Vierkantstab mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt ausgebildet ist, bei dem alle vier Längsseiten verspiegelt sind.