フーコーの原理について教えてください

質問

フーコーの原理を学校の教科書でみて、実際に試してみたいのですが、教科書になるべく近いように実験をしたいんです。
そこで、800回/sの回転鏡を用意したいのですが、それはなんと言う実験道具でしょうか？実際に家庭のものでも作れたりしますか？
あと、光源にはどのようなものを用いればいいでしょうか？
最後に、回転鏡と固定鏡の距離を20ｍにしたいのですが、この場合、回転鏡と光源の距離はどのくらい離せばいいと思われますか？
質問ばかりですいませんが、教えていただきたいです。お願いします

回答No.6

noname#11476 · ベストアンサー

はい。

光源と回転ミラーの間にハーフミラーを入れて戻ってくる光を望遠鏡で観察します。
このとき、望遠鏡でみて光点が見えている時間というのは光が向こうの鏡に到達して、また回転ミラーで反射されて戻ることが出来る時間のみです。
実際には動く光点が右又は左から現れ、中央部で強度はつよくなり左又は右に消えていくわけです。
（望遠鏡の角度がずれていると視野内に見えなかったり強度の強いところが中央部とはかぎません）
つまり横に流れる軌跡が見えるわけです。

で、回転速度が速くなると光が戻ったときには回転ミラーの角度がずれているため、今度は軌跡が横方向にずれて見えます。
つまり強度が一番強いところや、光が見え始めるところ、光が消える位置がずれるわけです。

そのずれを測定すれば光の速度がわかるという仕組みです。

デジカメで撮影して、回転が十分遅いときと早いときの軌跡をスローシャッターで撮影して、パソコンで処理して軌跡のずれを計算するという方法も取れるかもしれません。
（画像の軌跡のずれを抽出するのにプログラムを書いたほうが正確な数値になると思いますが。これはｂｍｐファイルを扱うプログラムを書けばよいだけなので簡単でしょう。）

実際にやるには、お金はあまりかからずに出来ると思いますが（なにせ家庭で手に入るようなものだけで作れるので）、その分試行錯誤と、工夫と、地道な調整・試験が必要と思います。

まぁ、面白い題材だとは思いますね。
自分も子供が大きくなって光の速度に興味があったら実験して見せてあげるかもしれません。
ではご検討お祈りします。

回答No.5

noname#11476

はい。補足にお答えします。

動きを観察するほうの望遠鏡の口径と同サイズにするのが一番よいです。
それより大きいと光は無駄になります。逆にそれより小さくなっていくとだんだん観察できるスポットサイズが大きくなってきます。

大雑把には、
スポットサイズ＝120秒／Ｄ[mm]
（Ｄは直径）
ですから、いま５秒のスポットの動きを見たいとするとせめてスポットサイズは５秒以下にしたいですよね。すると、Ｄ＝２５ｍｍ以上には広げないといけません。

では。

補足

もう少し、質問いいですか？
よく考えたんですが、望遠鏡を使うことによって、動きを観察するというのは主にどのように観察すればいいでしょうか？

回答No.4

noname#11476

ひとつ書き忘れました。
レーザーポインタの光は拡大してください。
そうしないとスポットが大きすぎて動きがよくわかりません。
一番簡単なのはもうひとつ望遠鏡を用意することです。
あるいは焦点距離５ｍｍくらいの望遠鏡用の接眼レンズ＋２００ｍｍ位のカメラの望遠レンズを組み合わせても出来ます。

では。

補足

お返事ありがとうございます＾＾
質問なのですが、レザーポインタの光を拡大というのはどのくらいでしょうか？
まだ、そういうのを使ったことがないもので・・・。
よろしければ教えてください＾＾

回答No.3

noname#11476

フーコーの光速度測定試験のことですね？この方法はフーコーが初めに試みた方法ですね。光の波動説を裏付ける有力な証拠の一つになりました。
（フーコーの原理とは普通は言いませんが、、）

さて、用意する物は、
　・洗濯機のモータ（１０００ｒｐｍ程度の回転数が得られるもの）
　　（もし軽く作れるのであればラジコン用のモータが１００００ｒｐｍ以上出ます）
　・レーザーポインタ
　・回転させるミラー
　・２０ｍ先におくミラー
　・回転ミラーとレーザポインタの間に置くハーフミラー（無ければガラス）
　・望遠鏡
　・ＮＤフィルタ（一眼レフ用）数種類（光量を下げるため）
　・望遠鏡に取り付けるＣＣＤカメラ
　・ＣＣＤカメラからの画像を処理するもの
こんな所です。

１０００ｒｐｍ、２０ｍの条件だと戻ってくる光は０．０２８ｍｒａｄ（５．７６秒）ほど角度が変わるので、その分ずれて見えるはずです。
ちょっとまともな望遠鏡であれば１秒以下の分解能はありますので、一応わかるわけですね。

ＣＣＤを用意したのは、直接目でレーザ光を見るのは危険だからです。気を付けて下さい。

では。

回答No.2

abyssinian

こんにちは。800回/sの回転鏡や固定鏡から連想されるのは、普通、光のスピードを測る実験ですが？それを言うなら、最初に回転歯車で成功したフィゾーとか、回転鏡ならマイケルソンの実験と呼ぶのが普通です。フーコーはフィゾーの後追い実験で水中では空気中より遅い事を発見したようですが、フーコーの原理って何でしょうね？
後学のため、よろしければ教科書名と、前後の文章を紹介して戴けませんか。
教科書でフーコーと言えば普通は地球の自転と振り子の話ですよね。

参考までに「回転鏡と固定鏡の距離を20ｍ」を光が往復する時間は４０ｍ／２９９７９２４５８ｍ＝１３３ナノ秒です。この逆数が周波数で約７．５ＭＨｚです。この通り鏡を回すと毎秒７５０万回転（苦笑）。なおマイケルソンの初期の実験は山頂と山頂約７０ｋｍとあるので往復４６７マイクロ秒、約２．１ｋＨｚ。１回転で２回測れる鏡（ハーフミラー）なら毎秒１０００回転ほどなので、「８００回／Ｓの回転鏡」はこれの可能性がありますが。後に８面鏡（ポリゴンミラー）を使って距離を１／４にしたが面の角度の精度は０．０１秒近い超高精度とあります。

「家庭のもので」うーーん・・・
ＣＤＲＯＭの最外周って確か、一周１Ｍビット近いデコボコがあるのでは？毎秒１０回転で約１０ＭＨｚになるからフィゾーの歯車のような方法を考えられないでしょうか。

補足

すいません。
原理じゃなかったです＾＾；
普通に光の速さを求める実験としか書いてませんでした＾＾；
返信ありがとうございます。
ハーフミラーなどを使ってまわすとき、そのまわす機械の名前というのは一般的になんというのでしょうか？
普通に回転鏡で通じますか？
よろしければ再度お返事ください

回答No.1

Pesuko

フーコーの原理
ジャイロと振り子しか知らないのでどのような実験かわかりませんが、制御屋の視点から一言

８００回／Ｓが、８００回転／ｓｅｃの事なら、超高速回転です４８０００ｒｐｍになります。
鏡を載せて４８０００ｒｐｍを実現するには生半可な機械系では不可能になります。

読み違っていたらごめんなさい。

お礼

どうもありがとうです＾＾
そんなに回転数が必要なんて・・・。
結構辛いです；；
でも、なんとか頑張ってみます＾＾
お返事ありがとうございました