Diseño y construcción de un sistema emisor/receptor compacto para experimentos de medición de la velocidad de la luz

Abstract

Uno de los experimentos más populares en Óptica y Electromagnetismo es el de la medición de la velocidad de la luz, ya que reafirma la teoría electromagnética de Maxwell. Realizar este experimento en un salón de clases es bastante complejo debido a la dificultad para acceder a material adecuado y económico, así como por la falta de información en lo referente a la electrónica necesaria. En este trabajo describimos cómo implementar un sistema electrónico de láser pulsado y receptor rápido para realizar experimentos de medición de velocidad de la luz basados en el método de tiempo de vuelo, utilizando componentes de fácil acceso. El sistema es capaz de generar y detectar pulsos eléctricos y ópticos de $4.5\pm0.1$ns a frecuencias de repetición de decenas KHz, con lo cual fue posible medir una velocidad de la luz en el aire de $v=(2.99\pm0.05)\times10^8$m/s con una desviación menor al $1\%$ respecto del valor oficial, y el cual fue posible montarlo dentro de una longitud de 5m. Este sistema también es capaz de medir la velocidad de la luz en materiales translucidos como el acrílico y agua. Para usuarios sin acceso a herramientas, y/o experiencia, para la construcción de circuitos electrónicos, presentamos una alternativa basada en la plataforma Arduino, la cual permite realizar mediciones comparativas de la velocidad de la luz en materiales, aunque con una precisión limitada.

One of the most popular experiments in Optics and Electromagnetism is the measurement of the speed of light, because it reaffirms Maxwell's electromagnetic theory. Conducting this experiment in a classroom is quite complex due to the difficulty in accessing suitable and affordable materials, as well as the lack of information regarding the necessary electronics. In this work we describe how to implement a pulsed laser and fast receiver electronic system to perform light speed measurement experiments based on the time-of-flight method, using available components. The system is capable of generating and detecting electrical and optical pulses of $4.5\pm0.1$ns at repetition frequencies of tens of KHz, with which it was possible to measure a speed of light in air of $v=(2.99\pm0.05)\times10^8$m/s with a deviation of less than $1\%$ from the official value, and which was possible to implement within a length of 5m. This system is also capable of measuring the speed of light in translucent materials such as acrylic and in water. For users without access to the tools for building electronic circuits, we present an alternative based on the Arduino platform, which allows for comparative measurements of the speed of light in materials, albeit with limited accuracy.