sciencetalk

Stel dat er om de aarde 4 manen zouden staan met op elke maan een spiegel. Ik kijk vanaf de aarde en richt een laser naar de maan die het licht rond stuurt naar de de andere manen. Die stuurt het licht naar de eerste maan. Lichtsnelheid voor het gemak. 300.000kms. Vraag: zie ik mijzelf dan de knop van de laser indrukken.

Ja. Maar dat is net als naar een grote berg roepen, en even later jezelf te horen (=echo). Op zich is dat dus niet zo bijzonder, behalve dat het met licht is i.p.v. met geluid en dat je dus over een veel grotere afstand moet werken.

Waarom zo ingewikkeld? Een spiegel op de maan die het licht terugkaatst is voldoende, dan zit er ruwweg 2,5 seconde tussen jouw actie en het terugontvangen van het beeld. Dat kan je met de badkamerspiegel ook doen, alleen is het tijdverschil dan zo kort dat je het niet merkt.

Wat heet merkt. Dat licht geen onbeperkte snelheid heeft is op vrij eenvoudige methode aangetoond. Uit astronomische observaties was al lang bekend dat licht geen oneindige snelheid heeft, maar een daadwerkelijk experiment om de snelheid op aarde vast te stellen werd halverwege de 19e eeuw gedaan... middels een draaiend wiel met gaatjes erin, en een spiegel 8 kilometer verderop. Fizeau bepaalde de lichtsnelheid met dit relatief eenvoudige, en zelf reproduceerdbare, experiment tot een waarde minder dan 5% boven de nu bekende waarde.

Overigens kun je nu de lichtsnelheid met gemak binneshuis vaststellen met wat electronica (functiegenerator, scope, een led, en een fotodiode) en een (badkamer)spiegel. De benodigde apparatuur zou nieuw mogelijk een euro of 1000 kosten, maar tweedehands kun je het voor minder dan 100 euro doen.

Helaas wordt dit experiment eigenlijk nauwelijks vertoond, terwijl het een uitstekende demonstratie van lichtsnelheid is voor bijvoorbeeld middelbare scholen. Door de afstand tot de spiegel te varieren kun je eenvoudig demonstreren dat het een meetbare hoeveelheid tijd kost voor licht om van de ene naar de andere kant van een klaslokaal te geraken.

Leerlingen zouden dit evt kunnen uitbouwen tot een practicum met een diodelaser en retroreflector (het ding achteraan een fiets is mogelijk goed genoeg) tot een afstand die een voetbalveld oid overbrugt.

Hoe steekt dat experiment precies in elkaar? Met de functiegenerator breng je een periodieke spanning op de led, licht gaat via de spiegel naar de fotodiode. Die lees je uit (samen met de functiegenerator) en vervolgens zie je dat het faseverschil tussen beide afhangt van de afstand tot de spiegel?

Inderdaad, zo simpel is het. In de praktijk kun je ook werken met 2 fotodiodes, eentje vlakbij de led die het signaal direct meet, en eentje die het reflecterende signaal meet. Je kunt dat heel simpel triggeren op het signaal van de nabije fotodiode, en daar het signaal van de reflectie mee vergelijken.

Triggeren op de functiegenerator kan ook, maar dan zul je merken dat zowel leds als fotodiodes niet oneindig snel zijn en je wat kunstmatige vertraging krijgt, zelfs als ze pal tegenover elkaar staan.