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

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A 回答 (6件)

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。
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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。

この回答への補足

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?

補足日時:2003/10/18 21:30
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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。

この回答への補足

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^^

補足日時:2003/10/17 15:15
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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。
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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。

この回答への補足

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

補足日時:2003/10/17 15:12
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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。
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この回答へのお礼

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

お礼日時:2003/10/17 15:18

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Qフーコーの光速度の問題

回転鏡の回転数を800回転/秒、
光が往復する距離(2枚の鏡の間の距離)を10mとします。
回転鏡によってずれた角度が0.036°のとき,
光の秒速はどれくらいかという問題ですが、
何回計算しても16万kmになってしまいます。

答えは32万kmになっています。

小学生対象に分かりやすくおしえていただけないでしょうか。

よろしくお願いします。

Aベストアンサー

回転鏡によって反射された光が10mの距離を往復する間に
回転鏡が回転しているので光の方向がずれるわけですね。

固定鏡から帰ってきた光がどんな角度で回転鏡に当たり、
どんな角度で反射するか考えます。

もし鏡が回転していなければ、光は回転鏡に45°の角度で
入射し、45°の角度で反射します。このとき入射光と反射光
のなす角度は90°です。

図を書いてみると、回転鏡に対する光の入射角が45°よりも
少し大きくなった場合を考えます。例えば46°になったとすると
入射光と反射光のなす角度は92°になります。このとき、
光の方向のずれは
92-90=2°
です。つまり、回転鏡で反射される光のずれは、回転鏡が回転
した角度の2倍になります。

この問題では光のずれは0.036°なので、回転鏡が回転した
角度は0.018°です。つまり1/20000回転です。鏡は毎秒
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時間は1/16000000秒です。

この間に光は20mすすんでいるので、光の速度は
20*16000000=320000000m/秒
となります。

回転鏡によって反射された光が10mの距離を往復する間に
回転鏡が回転しているので光の方向がずれるわけですね。

固定鏡から帰ってきた光がどんな角度で回転鏡に当たり、
どんな角度で反射するか考えます。

もし鏡が回転していなければ、光は回転鏡に45°の角度で
入射し、45°の角度で反射します。このとき入射光と反射光
のなす角度は90°です。

図を書いてみると、回転鏡に対する光の入射角が45°よりも
少し大きくなった場合を考えます。例えば46°になったとすると
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Qフーコーの振り子の原理について。

フーコーの振り子を科学博物館で見て、
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よく分かりませんでした。

過去の質問にあったので、回答を読んでみましたが、
それでもよくわからないんです。

なぜ振り子が振れつつもどんどん向きが変わっていくのでしょう?
地球って傾いて自転してますよね?
丁寧に教えてもらえませんか?
よろしくおねがいします。

Aベストアンサー

地球の傾きについては無視してもそんなに問題ありません。おおめにみれば傾いていないと思ってください。

慣性ってありますね。動いてるものは、ほかの力が加わらなければそのままの向きで動き続ける。これはもう確認されているとしていいですね。

振り子のおもりも、ふつう同じ向きに行ったりきたりしますね。おもりが静止する位置を0の点とします。おもりを南側に引いて放すと、おもりは0の点を通って北側に振れて、また0の点を通って南へ戻ってきます。(振り子が重力で振動する理屈は省略。)

さて、この振り子がほかの力を受けないで振れ続けると、その向きは変わらないはずですね。いつまでも南北に動く。もし地球が動いていなければ。

でも実際には振り子のゆれる向きがだんだん変わる。(実験なんですから、これは認めてください。)

なにが振り子の向きを変えているのか。目に見えない謎の力が振り子におよんでいるのかな? どんな力だそれは。

そこでこう推論します:「振り子の向きがだんだん変わるのは地球が自転していることと関係がある」。
すると、回っているのは地球のほうで、振り子は実はずっと同じ向きに動いている。私たちも地球と一緒にまわっているから「止まっている」つもりになっているので、逆に振り子のほうが回るように見えるということか。
これなら「目に見えない謎の力」を探さないですみます。回っている地球の上で同じ向きに振れつづける振り子が、地球に乗っかって見ている我々には「向きを変える」ように見える。

あとは緯度によって振り子の向きの変わり方がちがうことを説明できれば完全な証明になるわけです。
(その点については他の解答が参考になるとおもいます。)

地球の傾きについては無視してもそんなに問題ありません。おおめにみれば傾いていないと思ってください。

慣性ってありますね。動いてるものは、ほかの力が加わらなければそのままの向きで動き続ける。これはもう確認されているとしていいですね。

振り子のおもりも、ふつう同じ向きに行ったりきたりしますね。おもりが静止する位置を0の点とします。おもりを南側に引いて放すと、おもりは0の点を通って北側に振れて、また0の点を通って南へ戻ってきます。(振り子が重力で振動する理屈は省略。)

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