Licht in bewegend glas

Jan van de Velde

Ik zet een laser in een holle glazen cilinder.

Ik laat de glazen cilinder met hoge snelheid ronddraaien.

Wijkt de laserstraal af?

: licht.png (6.68 KiB) 1145 keer bekeken

Raspoetin

Ik ben me bewust van het feit dat er hier WSF-ers zijn met veel meer kennis van deze materie, maar ik zou zeggen dat de laserstraal afwijkt.

Een laserstraal heeft tijd nodig (hoe weinig ook) om door de glazen cilinder heen te reizen. Als de cilinder draait terwijl de fotonen door de cilinder reizen, komen ze wel op het tegenoverliggende punt uit de cilinder (t.o.v. waar ze in de cilinder zijn gegaan), maar omdat dit tegenoverliggende punt inmiddels verplaatst is, zal de laserstraal afwijken.

Let wel: dit is geen gevolg van brekingsindex omdat er loodrecht op de cilinder wordt geschenen zodat in- en uitvalshoeken 90° zijn (en dus een sin=1 hebben).

De cilinder zal echter met zeer hoge snelheid moeten draaien om dit te kunnen waarnemen (gok ik).

Jan van de Velde

Ik ben me bewust van het feit dat er hier WSF-ers zijn met veel meer kennis van deze materie,

Ik ook, vandaar dat ik de vraag hier stel.

Mijn gedachten zijn nl identiek aan de jouwe. Een atoom ontvangt het foton en zendt het weer uit. Tussen ontvangen en uitzenden verstrijkt een korte tijd. In die korte tijd verplaatsen we het atoom. Mijn intuïtie zegt dan ook, net als de jouwe, dat de laserstraal mee opschuift. Maar ja, mijn intuïtie heeft me al zo vaak in de steek gelaten......

Ik kan me tegelijkertijd voorstellen dat er allerlei "gekke" dingen gebeuren als dat er helemaal niets gebeurt

.

Bijvoorbeeld, áls de laserstraal inderdaad mee opschuift, zie ik de straal zelfs krommen, omdat de atomen aan de buitenzijde van de cilinder sneller draaien dan die aan de binnenzijde.

Maar de hamvraag blijft in eerste instantie: verschuift die laserstraal? Hoe precies, dat zien we mogelijk dan wel weer.....

Geen idee eigenlijk......

Raspoetin

Oké, een leuke brainstormsessie dus.

Bijvoorbeeld, áls de laserstraal inderdaad mee opschuift, zie ik de straal zelfs krommen, omdat de atomen aan de buitenzijde van de cilinder sneller draaien dan die aan de binnenzijde.

Daar had ik nog niet aan gedacht, maar wat bedoel je precies met het krommen van de straal? De lichtbundel die de cilinder verlaat, zal uiteraard recht zijn. De fotonen in de cilinder zullen toch ook in een rechte lijn bewegen?

Dat de atomen in de cilinder aan de buitenkant een hogere snelheid hebben dan in het begin ben ik met je eens. Echter, wanneer je dit bekijkt vanuit de "ogen" van een foton, is dit niet zo. Ik heb ook nog wat gezocht op middelpuntzoekende en vliedende krachten, maar die hebben alleen betrekking op dingen met massa. En een foton heeft geen (rust)massa(*/R. maakt wederom slag om de arm*).

En ik heb altijd geleerd dat lichtsnelheid constant is (in een bepaald medium). De fotonen aan het begin van de binnenkant zullen toch niet sneller bewegen dan die aan het eind van de binnenkant (*/R. maakt wederom slag om de arm*).

Jan van de Velde

wat bedoel je precies met het krommen van de straal?

Tja, een kromme gedachte misschien. Laten we eens veronderstellen dat in mijn plaatje de horizontale snelheidscomponent gelijk blijft. Er komt echter een verticale snelheidscomponent bij. De atomen aan de buitenzijde van de cilinder hebben ter plaatse van de lichtstraal een grotere verticale snelheid (in het assenstelsel waarin de cilinder draait allemaal)

(allemaal ongetwijfeld buiten verhouding getekend)

Krijg je zoiets:

: licht2.png (7.76 KiB) 1147 keer bekeken

weird...?...

Raspoetin

Volgens mij heb je gelijk.

Het foton legt per seconde dezelfde afstand af in de glazen cilinder. Omdat de cilinder zelf draait met x rpm, zal na één seconde een streepje op de binnenkant van de cilinder niet zoveel afstand hebben afgelegd dan een streepje op de buitenkant.

De fotonen zullen naar mate dat ze naar de buitenkant van de cilinder bewegen een grotere afstand afleggen (die haaks op hun eigen richting staat (voor de waarnemer van buitenaf).

stoker

Interessant vraagje.

Ik ben er nog niet van overtuigd dat het licht zal afbuigen. Maar als dat het geval is, zal je moeten werken met de relatviteitstheorie denk ik. Je cillinder draait 'snel' en je rekent gevaarlijk met die snelheden van het licht.

jkien

Ik zou liever eerst de simpele situatie bekijken van een cd in een cd-speler. Laat een laserbundel loodrecht schijnen op een cd-schijfje dat met hoge snelheid ronddraait. Krijgt de laserbundel in het polycarbonaat een laterale afwijking?

De laserbundel valt als een vlakke golf loodrecht op het oppervlak, en het polycarbonaat heeft een laterale snelheid. Beoordeel de golfvoortplanting schetsmatig met het principe van Huygens. Binnen het polycarbonaat blijven de golffronten parallel aan de golffronten daarbuiten. De richting van de laserbundel verandert dus niet. (De bundelrand zal wel lateraal verschuiven, maar dat heeft geen invloed op de voortplantingsrichting van het centrale deel van de bundel. De hoek waaronder de bundelrand binnen het polycarbonaat verschuift is v.n/c).

Dan de situatie van de laser die door een holle glazen cilinder naar buiten schijnt. Als de bundel smal is t.o.v. de cilinderdiameter dan is het een vlakke golf die loodrecht invalt op een vlak oppervlak, dus de bundel vertoont buiten het glas geen hoekdeviatie (weer volgens principe van Huygens). Als de bundel niet smal is vergeleken met de cilinderdiameter dan kun je de centrale straal en de randstralen van de bundel apart bekijken. De centrale straal van de bundel vertoont buiten het glas nog steeds geen deviatie, maar randstralen van de bundel vermoedelijk wel. Die randstralen vertonen buiten het glas vermoedelijk een hoekdeviatie in de richting van de snelheid van het glas (maar dat kan ik met Huygens nog niet zo gauw rechtvaardigen).

Benm

Als het effect al bestaat, heb ik het idee dat de paarse lijn in het plaatje de correcte situatie zou zijn. De rode stippellijn in ieder geval niet, want daar breekt de straal al op het contactpunt waar hij het glas binnen gaat, terwijl daar m.i. geen reden voor is, of dat glas nou draait of niet.

Maar ik ben er niet geheel van overtuigd dat het effect wel bestaat. Gevoelsmatig lijkt het in eerste instantie heel logisch (vergelijkbaar met een kogel door een bak draaiend water oid). De situatie met licht is echter fundamenteel anders: Als de straal moet afwijken, dan zou de beweging van het medium (glas) een kracht (als in wrijving) moeten uitoefenen op de fotonen erin. Ik zou niet weten hoe dat zou moeten werken, en daarom ben ik geneigd te kiezen voor 'gewoon rechtdoor'.

stoker

Ik moest ook denken aan de Ether-theorie (die verworpen is)

eendavid

Ik zou het graag wiskundig afleiden, dat gaat wat tijd vragen denk ik. Echter, om bij te dragen aan de intuïtie: dat wrijvingseffect bestaat wel degelijk. Zie bijvoorbeeld het Fizeau experiment. Misschien dat een analoge berekening als deze horend bij het Fizeau experiment een kwantitatief resultaat kan geven.

edit: Het Huygens-argument is voor mij niet meteen duidelijk. Wat we ons afvragen is hoe het licht binnen de roterende cilinder propageert. We kunnen niet zomaar onderstellen dat binnen deze propagatie die golffronten niet vervormen.

Raspoetin

Als de straal moet afwijken, dan zou de beweging van het medium (glas) een kracht (als in wrijving) moeten uitoefenen op de fotonen erin. Ik zou niet weten hoe dat zou moeten werken, en daarom ben ik geneigd te kiezen voor 'gewoon rechtdoor'.

Daar heb je ook een punt. Ik wacht vooralsnog op verdere bijdragen. Het is in ieder geval lastiger dan het lijkt.

Jajaja

Het lijkt mij dat de straal gewoon rechtdoorgaat omdat fotonen geen massa/afmeting hebben. en ook geen tijdsbesef. dus ik denk ook niet dat ze zich door het medium zullen laten beinvloeden. niet in deze zin.

Waarschijnlijk (bijna zeker) is dat nog anders wanneer je de straal niet loodrecht op de cirkel richt, maar het lijkt me dat wanneer die loodrecht erop valt, dat die dan ook lood-recht-door gaat. dus de dikke rode lijn.

net zoals het me waarschijnlijk lijkt dat als je een lichtbundel door harde wind laat gaan, dat die dan recht blijft.

Benm

Ik zou het graag wiskundig afleiden, dat gaat wat tijd vragen denk ik. Echter, om bij te dragen aan de intuïtie: dat wrijvingseffect bestaat wel degelijk. Zie bijvoorbeeld het Fizeau experiment.

Maar dat toonde (achteraf bezien) toch juist aan dat het wrijvigns-effect niet bestaat, maar dat de afwijking gevolg was van doppler shifts bij het in- en uittreden van het medium?

Overigens is dit experiment wel interessant omdat de beweging van het medium haaks staat op die van de lichtbundel.

net zoals het me waarschijnlijk lijkt dat als je een lichtbundel door harde wind laat gaan, dat die dan recht blijft.

Dat is op zich wel een valide waarneming, alleen is de optische dichtheid van lucht zo laag (300 ppm meer dan vacuum) dat het me sterk lijkt een waarneembaar effect te krijgen.

Ergens is dit best een experiment dat uitvoerbaar is, althans, met bijv stromend water in een cuvet waarbij een laser daar haaks doorheen schijnt.

eendavid

Maar dat toonde (achteraf bezien) toch juist aan dat het wrijvigns-effect niet bestaat, maar dat de afwijking gevolg was van doppler shifts bij het in- en uittreden van het medium?

Wel ja, je moet transformeren naar het ruststelsel om de juist propagatie te krijgen, maar wat ik natuurlijk bedoel is dat dit resulteert in 'wrijving'.

Meer ik heb de indruk dat mensen al gelukkig zouden zijn als we kunnen aantonen dat licht afbuigt als we gewoon een bewegend glas nemen. De situatie is de volgende: een lichtstraal valt in langs links, en rechts is het halfvlak gevuld met glas, evenwel bewegend met een snelheid v in de y-richting. De lichtstraal valt loodrecht in op dit glas. Welnu, het licht zal afbuigen aan het oppervlak.

Dit zien we in als volgt: bekijk de situatie vanuit het stelsel meebewegend met het glas. De lichtstraal valt in dit stelsel in op het stilstaand glas onder een hoek

\(\theta_{in}\)

(de straal gaat naar rechts beneden) en gaat er uit onder een hoek

\(\theta_{uit}<\theta_{in}\)

. Transformeren we terug naar het stelsel waarin het glas met snelheid v, dan gaat het licht in dit stelsel onder een hoek

\(\theta>0\)

door het glas (de straal gaat naar rechts boven). De kwantitatieve berekening van de hoek is een oefeningetje in speciale relativiteit, maar bovenstaande toont reeds aan dat hij verschillend is van 0.

Het geval van de roterende cilinder is veel ingewikkelder. Alleszins is de verwerping van de rode stippelijn die Benm gaf dus niet correct. Als ik mag raden, denk ik dat er iets als het paarse effect ontstaat, en dat alles precies zo gaat dat het toch nog lijkt alsof de straal vanuit het middelpunt van de cilinder komt.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Licht in bewegend glas

Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas

Re: Licht in bewegend glas