Чем измеряют время в физике прибор
Физика для чайников: что такое время
Попробуйте сходу дать точное определение: что такое время? Мысль вертится вокруг этого понятия, пытается ухватиться, но вот сформулировать однозначное определение сложно. Есть разные концепции и трактовки времени в философии, физике, метрологии.
В классической механике и теории относительности используются совершенно разные концепции времени. В первом случае время характеризует последовательность событий, происходящих в трехмерном пространстве. Во втором рассматривается еще и как четвертая координата.
Что такое время?
Течение времени – совершенно естественное явление. Время идет, все вокруг меняется, происходят разные события. Именно поэтому о времени с точки зрения физики, в первую очередь, стоит говорить в контексте событий.
Если бы вокруг ничего не происходило, понятие времени не имело бы традиционного смысла. Другими словами, без событий времени не существует. Итак:
Время – мера того, как меняется окружающий мир. Время определяет длительность существования объектов, изменение их состояний и процессы, протекающие в них.
В системе СИ время измеряется в секундах и обозначается буквой t.
Как люди измеряли время?
Синодический месяц – время от одного новолуния до другого. За синодический месяц Луна совершает оборот вокруг Земли.
Древним людям ничего не оставалось, как привязать отсчет времени к движению небесных тел и событиям, связанным с ним. А именно – к смене дней, ночей и сезонов года.
В году 4 сезона и 12 месяцев. Именно столько раз за весну, лето, осень и зиму Луна меняет свои фазы.
По мере развития прогресса методы измерения времени совершенствовались, появились солнечные, водяные, песочные, огненные, механические, электронные и, наконец, молекулярные часы.
Часы FOCS 1 Часы FOCS 1 в Швейцарии измеряют время с погрешностью хода около одной секунды за 30 миллионов лет. Это очень точные часы, но через 30 миллионов лет их все же придется «подвести».
Почему в часе 60 минут, в минуте – 60 секунд, а в сутках – 24 часа?
Сразу оговоримся, что изложенное ниже во многом является личными предположениями автора, сделанными на основе исторических сведений. Если у наших читателей появятся уточнения или вопросы, мы будем рады видеть их в обсуждениях.
Древним народам нужна была какая-то основа, чтобы строить свои системы счисления. В Вавилоне за такую основу было взято число 60.
Именно благодаря шестидесятеричной системе счисления, придуманной шумерами и позже распространившейся в Древнем Вавилоне, окружность содержит 360 градусов, градус – 60 минут, а минута – 60 секунд.
Год можно представить в виде окружности, содержащей 360 градусов. Возможно, число 360 в данном контексте взялось оттого, что в году 365 дней, и эту цифру просто округлили до 360.
Когда-то самой короткой единицей измерения времени был час. Древние вавилоняне были сильными математиками и решили ввести меньшие единицы времени, используя свое любимое число 60. Поэтому, в часе 60 минут, а в минуте 60 секунд.
Но почему день делится на 12 часов? За это нужно сказать спасибо древним египтянам и их двенадцатиричной системе. День и ночь делились на 12 раных частей, считаясь разными царствами бытия. Скорее всего, первоначально использование числа 12 связано с количеством оборотов Луны вокруг Земли за год.
Самая большая единица измерения времени
Самая большая единица измерения времени – кальпа. Кальпа является понятием из индуизма и буддизма. Она равняется примерно 4,32 миллиардам лет, что совпадает с возрастом Земли с точностью до 5%.
Как в голову древним индуистам пришли такие цифры? Ответа на этот вопрос мы не знаем, но вся система как будто говорит нам, что тогда люди знали о Вселенной немного больше, чем мы.
Представление о времени
Кальпу в индуизме еще называют «днем Брахмы». День сменяется ночью, равной ему по продолжительности. 30 дней и ночей составляют месяц, а год состоит из 12 месяцев. Вся жизнь Брахмы – 100 лет, по прошествии которых мир погибает вместе с ним.
Если перевести сто лет Брахмы в наши традиционные годы, получится 311 триллионов и 40 миллиардов лет! Нынешнему Брахме 51 год.
Кальпа – самая большая единица измерения времени согласно книге рекордов Гиннеса.
Первые часы
Сначала было достаточно палочки, на которой каменным топором можно делать зарубки и тем самым отсчитывать прошедшие дни. Но это скорее был календарь, а не часы.
Первые и самые древние часы – солнечные. Их действие основано на изменении длины тени предметов по мере того, как солнце движется по небосводу. Такие часы представляли собой гномон – длинный шест, воткнутый в землю. Солнечные часы применялись в Древнем Египте и Китае. О них было доподлинно известно уже в 1200 году до нашей эры.
Солнечные часы в Китае
Затем появились водяные, песочные и огненные часы. Работа этих механизмов не была привязана к движению небесных светил. Долгое время водяные часы были главным инструментом для измерения времени.
Первые механические часы были изготовлены китайскими мастерами в 725 году нашей эры. Однако широкое распространение они получили относительно недавно.
В средневековой Европе механические часы устанавливались в башнях соборов и имели только одну стрелку – часовую. Карманные часы появились только в 1675 году (изобретение запатентовал Гюйгенс), а наручные – намного позже.
Первые наручные часы были исключительно женским аксессуаром. Они представляли собой богато украшенные изделия, точность хода которых отличалась огромными погрешностями. У уважающего себя мужчины не могло быть и мысли о том, чтобы носить наручные часы.
Современные часы
Сейчас механические или электронные часы есть у каждого. Они измеряют время с относительно небольшими погрешностями. Однако самыми точными часами в мире являются атомные часы. Их еще называют молекулярными или квантовыми.
Как мы помним, для определения единицы времени необходим какой-то периодический процесс. Когда-то самой короткой единицей был день. То есть единица измерения время была привязана к периодичности восхода и заката солнца. Потом минимальной единицей стал час, и так далее.
С 1967 года, согласно международной системе СИ, определение одной секунды привязано к периоду электромагнитного излучения, возникающего при переходе между сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия-133. А именно: одна секунда равна 9 192 631 770 таким периодам.
Время в физике
На данный момент не существует определенной и единой концепции определения времени в физике.
В классической механике время считается непрерывной, априорной и ничем не определяемой характеристикой мира.
Для измерения времени используется какая-либо периодическая последовательность событий. В классической физике время инвариантно относительно любой системы отсчета. То есть во всех системах события происходят одновременно.
Как найти время в физике? Простейшая формула, определяющая связь между пройденным путем, скоростью и временем, известна каждому школьнику и имеет вид:
Более подробно об основах классической механики читайте в нашей отдельной статье.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Термодинамика говорит, что время необратимо. Необратимо по причине возрастания энтропии замкнутой системы. Кстати, в нашем тематическом материале читайте о том, что такое энтропия.
Но самое интересное начинается в релятивистской физике. Приведем цитату Стивена Хокинга, физика, написавшего краткую историю времени.
Нам приходится принять, что время не отделено полностью от пространства и не независимо от него, но вместе с ним образует единый объект, который называется пространством-временем
Также в релятивистской физике время перестает быть инвариантом и можно говорить об относительности времени. Другими словами, ход времени зависит от движения системы отсчета.
Это так называемое релятивистское замедление времени. Если часы находятся в неподвижной системе отсчета, то в движущемся теле все процессы происходят медленнее, чем в неподвижном. Именно поэтому космонавт, путешествующий в космосе на супер скоростном корабле, практически не постареет по сравнению со своим братом близнецом, оставшимся на Земле.
Релятивистское замедление времени
Помимо релятивистского существует гравитационное замедление времени. Что это такое? Гравитационное замедление времени – изменение хода часов в гравитационном поле. Чем сильнее поле гравитации, тем сильнее замедление.
Вспомним о том, что секунда – это время, за которое атом изотопа цезия совершает 9 192 631 770 квантовых переходов. В зависимости от того, где находится атом (на земле, в космосе, вдали от любого объекта или у черной дыры) секунда будет иметь разные значения.
Поэтому и время процессов, связанных с данной системой отсчета, будет отличаться. Так, для наблюдателя у горизонта событий Шварцшильдовской черной дыры время практически остановится, а для наблюдателя на Земле все произойдет почти мгновенно.
Людей всегда волновала тема путешествий во времени. Предлагаем вам посмотреть научно-популярный фильм на эту тему и напоминаем, что если у вас совершенно нет времени на учебные дела, наш студенческий сервис всегда поможет справится с актуальными задачами и проблемами.
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Время и его измерение
Крайне рекомендую к просмотру или прослушиванию видеоролик (ниже). Уверен, многого Вы не знаете :), некоторые студенты пятого курса, к примеру, не знают о причине смены времён года.
Что было до появления маятниковых часов?
Песочные часы
Песочные часы – это два полукруглых сосуда, соединенных тонкой перемычкой с отверстием внутри. Устройство расположено вертикально, закреплено в прочном корпусе. По внешнему виду напоминают «восьмерку».
Первые песочные часы появились более 1000 лет назад. Исторически не установлено кто именно их создал. Известно, что древнегреческий ученый Архимед предложил отмерять промежутки времени, пересыпая равномерно песок из одного непрозрачного стеклянного сосуда в другой.
Недостатки:
Можно было измерять малые промежутки времени от 15 до 30 минут.
Необходимо постоянное присутствие человека, который ведет подсчет временных интервалов и переворачивает часы, когда верхняя колба опустошается.
На точность измерения времени влияла форма колбы, наличие изъянов внутри стеклянной чаши, однородность откалиброванных песчинок.
Суточная погрешность песочных часов составляла 15 – 20 минут.
Огневые часы
Право первооткрывателей огневых часов принадлежит Древнему Востоку. Во время правления первого китайского императора 3000 лет назад уже существовали такие примитивные устройства.
Существуют раные варианты огневых часов:
Свечные
Фитильные
В процессе горения достигались специальные метки, отсчитывающие определённые периоды. К меткам прикрепляли шарики на тонких нитях. Огонь поочередно пережигал крепление элементов, а звон от падения отмерял время.
Лампадные
Недостатки огневых часов:
Невозможность повторного использования некоторых элементов часов.
Длительное изготовление «деталей», тщательная разметка шкалы отсчета «сгораемого» времени.
Эти необычные часы стали причиной возникновения выражения «время истекло», а их название в переводе с древнегреческого означает «крадущая воду». Клепсидра — это прибор для измерения времени, известный со времен Древнего Египта и используемый вплоть до XVII века.
Каков же был принцип действия этих часов? В Древнем Египте, Вавилоне и в Древней Греции вода по капельке вытекала из отверстия в сосуде. И количеством вылившейся воды измерялись временные промежутки. В Китае и Индии, напротив, жидкость постепенно набиралась в пустой полусферический сосуд. Существует поэма, героине которой нужно было замедлить отсчет времени и она бросила в чашу жемчужину, чтобы вода не текла так быстро.
Главный недостаток:
Неравномерность истечения жидкости.
Солнечные часы
Самым распространенным хронометрическим прибором были солнечные часы, основанные на кажущемся суточном, а иногда и годовом движении Солнца.
Недостаток:
Недостаток:
Маятниковые часы
Интересно, как был откыт закон о периоде колебания маятника.
В 1583 г., имея около двадцати лет от роду, Галилей находился в Пизе, где, следуя совету отца, изучал философию и медицину. Однажды, находясь в соборе этого города, он, со свойственной ему любознательностью и смекалкой, решил наблюдать за движением люстры, подвешенной к самому верху, — не окажется ли продолжительность ее размахов, как вдоль больших дуг, так и вдоль средних и малых, одинаковой; ибо ему казалось, что продолжительность прохождения большой дуги может сократиться за счет большей скорости, с которой, как он видел, движется люстра на более высоких и наклонных участках. И пока люстра размеренно двигалась, он сделал грубую прикидку — его обычное выражение — того, как происходит движение взад и вперед, с помощью биения собственного пульса, а также темпа музыки, в которой он тогда уже был искушен с немалою от того для себя пользой.
И ему на основании таких подсчетов показалось, что он не заблуждается, подсчитав, что времена одинаковы, но не удовлетворенный этим, вернувшись домой, он, чтобы надежнее в этом удостовериться, решил сделать следующее.
Сверх того он сделал два сходных маятника, только достаточно разной длины. Он наблюдал, что, пока малый маятник делал какое-то число колебаний, например 300, по большим дугам, большой за то же время делал всегда одно и то же число колебаний, скажем 40, как по своим большим дугам, так и по совсем маленьким, и повторив это несколько раз, он заключил отсюда, что вполне одинакова продолжительность размахов одного и того же маятника, будут ли они весьма велики или весьма малы, и что почти нет при этом заметных различий, каковые надо приписать помехе со стороны воздуха, который больше противится быстрее движущемуся тяжелому телу, чем медленнее движущемуся.
Он видел также, что ни различие в абсолютном весе, ни разный удельный вес шаров не вызывали заметного изменения — все шары, лишь бы они были на нитях равной длины от их центров до точек подвеса, сохраняли достаточно постоянно равенство (времени) прохождения по всяким дугам; лишь бы не был взят легчайший материал, движению которого в воздухе легче препятствовать, так что оно быстрее сводится к покою.
При фиксированной длине период колебаний маятника не зависит от их амплитуды.
Поучительно, как Галилей следил за временем: при помощи музыки и пульса (кажется, на этот способ первым указал Кардано). Нам, людям XX века, привыкшим к ручным часам, не следует забывать об этих трудностях.
Достаточно точные часы были сконструированы как раз на основе открытого Галилеем свойства маятника. Кстати, в своих лабораторных экспериментах Галилей пользовался для измерения времени одним из вариантов водяных часов.
Упругий маятник позволил уменьшить конструкцию часов сразу до наручных.
Приинцип маятника лёг в основу создания одних из самых точных приборов по измерению времени.
Точный хронометр позволил правильно определять долготы, поэтому в отличие от карты 1492 года
. карты наконец стали похожи на тепершние.
Кварцевый механизм
С середины 20 века был изобретён кварцевый механизм электронных часов.
Теперь такие часы есть везде, как от платы на компьютере, так и в любом сотовом телефоне.
С появлением электронных часов было выяснено, что Земля вращается неравномерно, к примеру, на неё влияет даже одномоментный сброс листвы деревьев лиственных пород осенью!
С 1967 года время создают физики:
К чему такая точность?
Такая точность нужна, к примеру, для навигаторов GPS и Глонасс:
Часы (прибор)
Часы́ — инструмент для определения текущего времени суток и измерения продолжительности временных интервалов, в единицах, меньших чем одни сутки.
Основное применение часов — временная ориентация в течение суток. При помощи часов возможно планировать свою деятельность, измерять длительность различных событий, промежутков между ними, определять продолжительность положения во временном процессе от какой-либо точки отсчёта до момента измерения, то есть вести учет количества прошедших эталонных событий и т. д.
Содержание
Классификация
По размерам и портативности:
По механизму измерения:
Солнечные часы
Эти часы основаны на том, что солнце отбрасывает тень от предметов, и его путь по небу одинаков в одинаковые дни разных лет. Используя расчерченный круг и поправки на широту местности можно оценить который сейчас час.
Водяные часы
Водяные часы или клепсидра. Основа механизма как у песочных часов.
Примечание: водяные, песочные и огненные часы не являются часами в обычном понимании, так как они не показывают текущее время и не предназначены для точного измерения произвольно взятых интервалов времени, строго говоря, они являются таймерами, т. е. воспроизводят заданные временные отрезки.
Песочные часы
Эти часы основаны на том, что точно откалиброванный речной песок проходит через узкое отверстие, в 1 песчинку, в одинаковые промежутки времени. При этом люди быстро догадались использовать 2 полости, соединённые узким перешейком с отверстием для пересыпания песка. Половинки стеклянного сосуда имели форму чаши и предназначались для измерения небольших промежутков времени, но имели недостаток: после пересыпания песка из верхней полости в нижнюю их приходилось переворачивать.
На флоте песочные часы назывались склянками.
Огненные часы
Огненные часы впервые появились в Китае. Они состояли из спирали или палочки из горючего материала с подвешенными металлическими шариками. При сгорании материала шарики падали в фарфоровую вазу, производя звон.
Впоследствии разновидность огненных часов появилась и в Европе. Здесь использовались свечи, на которые равномерно наносились метки. Расстояние между метками служило единицей времени.
Механические часы
У всяких механических часов нужно различать четыре существенных части:
Измерителем времени в тесном смысле слова служит регулятор. Зубчатые колёса, скреплённые с ними стрелки циферблата — счётчики отмеренных регулятором единиц времени. Признавая суточное вращение земли вокруг её оси строго равномерным, мы в нём имеем единственный масштаб для сравнения промежутков или единиц времени. Обыкновенно за единицу времени принимается секунда, 1/86400 часть суток. О различном счёте времени, о звёздных, средних, истинных сутках — см. Время.
Регуляторы часовых механизмов устраиваются так, чтобы отмеряемые ими промежутки времени равнялись или целой секунде, или половине, четверти или одной пятой секунды. Если регулятор начнёт почему-либо отмеривать меньшие промежутки времени, счётчик укажет большее их число в данном периоде времени. Часы, как говорят, уходят вперёд; обратно — при отставании. Условившись о начальном моменте суток, иначе говоря, о моменте, когда счётчик часов должен показывать нуль протёкших единиц времени, приходим к понятию о поправке часов. Она положительна, если часы отстали, отрицательна — если ушли вперёд. Изменение поправки часов за определённый промежуток времени называется ходом часов (например, суточный, недельный, часовой ход). Ход положителен, если часы отстают, отрицателен, если часы уходят вперёд. Ход выражает собой именно уклонение отмеряемых регулятором промежутков времени от принятой единицы. Поправка часов есть величина условная и, кроме того, в любой момент простым передвижением минутной стрелки счётчика поправка часов может быть сделана меньше одной минуты.
Достоинство же часов заключается в малости, а главное — в постоянстве хода. Ход хороших астрономических часов и хронометров должен по возможности не зависеть от изменений температуры, давления, влажности воздуха, случайных толчков, стирания осей механизма, сгущения смазывающего масла, молекулярных изменений в различных частях механизма и т. д. Астрономические часы делятся на два главных типа:
Часовые механизмы первого типа называются в астрономии «часами» в тесном смысле слова или «маятниками». Они находятся на обсерваториях при постоянных астрономических инструментах (см. Практическая астрономия), укреплены на каменных столбах или в стене; часто помещают часы в подвале обсерватории, чтобы предохранить по возможности от перемен температуры («нормальные» часы). Подвал посещают только для заводки часов, так как даже теплота тела может повлиять на их ход. Показания же часов, то есть «удары» маятника (всегда секундного), сравнивают с другими часами с помощью микрофона, установленного в подвале и соединённого с телефоном (это выражение, хотя и общепринято, но совершенно неверно. Удары «тиканье» производит не маятник (регулятор), а механизм спуска). При надлежащей установке и уходе «постоянные» астрономические часы должны иметь суточный ход не более 0,3 с, а его суточные изменения не должны превосходить одной сотой секунды.
Часовые механизмы второго типа называются хронометрами. Различают «столовые», или бокс-хронометры (размеры их примерно 1½—2 децим. диаметром, 1 децим, высотой; одно простое колебание баланса длится ½ секунды), и карманные хронометры (размер общеизвестный; обыкновенно так наз. четыредесятники, то есть полное двойное колебание баланса длится 0,4 секунды, простое колебание — 1 /5 секунды). Качества карманных хронометров в среднем чувствительно ниже качеств столовых. Хронометры служат при определении географических положений мест, при работах переносными астрономическими инструментами (см. Практическая астрономия), при определении времени и долготы в море и т. д. Столовые хронометры на кораблях помещаются на привесе Кардана. Постоянные часы («маятники») почти исключительно, а хронометры в большинстве случаев регулируются на секунды звёздного времени — т. н. «звёздные» часы и хронометры. Реже употребляются «средние» хронометры (то есть идущие по среднему времени). Выбор обусловлен удобством наблюдений или их обработки для тех или других задач астрономов.
В часах и хронометрах астрономами ценятся ещё определённые, но не резкие и без лишних шумов удары («тиканье»). Как лучших мастеров астрономических часов или хронометров нужно назвать Кессельса, Пиля, Дента, Тиде, Ховю (Howüh), Кноблиха, Фродшэма, Нардэна. Творцы «высшего» часового искусства и часовых механизмов XX века: Пётр Леруа, Гаррисон, Грахам, Дютертр, Арнольд, Берту, Юргенсен.
Кварцевые часы
Разновидность электронно-механических часов. Принцип действия основан на пьезоэлектрическом эффекте, свойстве кристаллов кварца, например, деформироваться под воздействием внешнего электрического поля, а также поляризоваться при механической деформации. При этом кристалл кварца, обладая маленькими размерами, может в значительно большей мере стабильно генерировать колебания, имеющие высокую временную и температурную стабильность. Механизм кварцевых часов состоит из элемента питания, электронного генератора, счетчика делителя и выходного каскада усилителя, нагруженного на катушку синхронного электромотора, который через систему зубчатых колес приводит в движение стрелки часов.