Сергей Титов - Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

В своих лекциях по физике известный учёный Р. Фейнман так и говорит:

«Дело не в том, как дать определение понятия «время», а в том, как его измерить».

Механизмы и приборы, используемые для измерения времени, называют часами. По мере того как совершенствовались используемые человеком технические средства и ускорялись темпы жизни, требовалось изобретать всё более и более точные часы. Когда-то время определяли исключительно по движению Солнца и Луны (рис. 38). Использование солнечных часов имело существенный недостаток – ими можно было пользоваться только днём, да и то в солнечную погоду. Поэтому ещё в глубокой древности были изобретены механические устройства, позволявшие измерять отрезки времени вне зависимости от астрономических явлений (рис. 39). Одними из первых таких конструкций были клепсидры – водяные часы, измерявшие время по скорости вытекания воды. Клепсидры появились в Древнем Вавилоне и Египте более 3,5 тыс. лет назад.

Рис. 38. Солнечные часы – одно из первых устройств, позволяющих определять время

В Древней Греции изобретателем клепсидр считали Ктезибия из Александрии. В его устройстве вода равномерно поступала в сосуд, на поверхности которого находился поплавок. На поплавке была установлена фигурка с указкой в руке.

Рис. 39. Различные конструкции часов, позволяющие измерять время независимо от времени суток и погоды: А – водяные часы; Б – маятниковые часы; В – песочные часы; Г – песочно-водяные часы; Д – огневые часы;Е – будильник; Ж – башенные часы

Рядом находилась пластинка, на которую были нанесены деления, соответствующие определённому часу. Фигурка постепенно поднималась вместе с водой, и указка показывала, который час.

Одновременно с клепсидрами использовали песочные часы, но они получили меньшее распространение, потому что песок гораздо тяжелей воды и сыплется не так равномерно, как течёт вода. Клепсидры же, постоянно усовершенствуясь, получили популярность в Византии, а затем проникли в Западную Европу, где служили украшением городских площадей вплоть до XVIII в.

Таблица 4

Точность работы часов

В начале второго тысячелетия в Германии были изобретены маятниковые часы, которые впоследствии стали вытеснять клепсидры из-за большей точности. В XIII в. в Англии в Вестминстере были построены первые башенные часы. Долгое время городские часы не имели минутной стрелки, что вполне устраивало средневековых горожан с их неторопливым образом жизни. Но затем производство часов стало стремительно совершенствоваться. Маятниковые часы имели большой недостаток – они были довольно громоздкими и могли работать только в вертикальном положении. И вот в конце XV в. появляются значительно более компактные и мобильные пружинные часы, где пружиной служила свиная щетина. В XVII в. знаменитый физик Х. Гюйгенс запатентовал карманные часы, а почти через двести лет появились и наручные, которые вначале служили исключительно дамским украшением.

Со временем появились часы, отмеряющие время по числу электрических импульсов, а затем – кварцевые часы, использующие кристалл кварца, генерирующий колебания определённой частоты. Последним достижением в этой области стало измерение времени с использованием квантовых процессов (водородный мазер). Соответственно увеличивалась точность часов (табл. 4).

Вместе с прогрессом в измерении менялось и значение эталонной секунды, становясь всё более точным. Когда-то секунду отсчитывали от продолжительности года, т. е. периода обращения Земли вокруг Солнца. Получалось, что обычный (не високосный) год состоит из 31 536 000 секунд. А так как бывают и более продолжительные, високосные, годы, то секундой было принято считать приблизительно 1/31 556 926 времени обращения Земли вокруг Солнца. Однако такой эталон для современных измерений оказывается недостаточно точным. Поэтому в 1967 г. был принят новый эталон секунды, основанный на частоте колебания атома цезия. В будущем, возможно, за эталонную единицу примут колебания водородного мазера.

В настоящее время для характеристики отрезков времени больше секунды используют единицы, не входящие в СИ: минуту, час, неделю, сутки, год. Продолжительность суток составляет ровно 84 600 с. Для интервалов времени меньше секунды используют десятичные единицы. Одну тысячную долю секунды называют миллисекундой (мс), миллионную – микросекундой (мкс), а миллиардную – наносекундой (нс). Миллисекунда не такая уж малая величина, как может показаться на первый взгляд. За это время Земля пролетит по своей орбите около 30 м, а свет пройдёт расстояние в десять тысяч раз больше. Продолжительность нервного импульса составляет 1–3 мс. В электронных технических приборах, например в компьютерах, счёт идёт на микросекунды. Квантовая физика, имеющая дело с атомами и излучениями, изучает процессы, продолжительность которых составляет наносекунды и даже меньше.

1. Опишите устройство клепсидры.

2. Кто и когда изобрёл карманные часы?

3. Чем отличались средневековые башенные часы от современных?

1. Попробуйте сконструировать водяные часы. Для этого возьмите стакан с нанесёнными на него делениями и поставьте его под кран, пустив тонкую струйку воды. Отмечайте по секундомеру, за какое время вода поднимется на одно деление. Затем вылейте воду, поставьте пустой стакан под ту же струйку и подождите, пока вода не достигнет последнего деления. Определите, сколько времени на это понадобилось. Проверьте точность часов, сравнив результаты первого и второго измерений.

2. Выставьте ваши часы (наручные, настенные или др.) в соответствии с сигналом точного времени, переданным по радио. Спустя сутки оцените точность хода ваших часов.

Как мы уже говорили, считается, что современная физика, а следовательно, и всё современное естествознание, началась с опытов Галилея (рис. 40).

Рис. 40. Опыт Галилея

Он начал свои исследования с того, что пускал шар по наклонной плоскости и определял путь, который тот прошёл, и время, за которое он был пройден. В том чтобы измерять путь, большой проблемы не было, а вот точного измерения коротких интервалов времени, как мы знаем, в то время не существовало. Поэтому Галилей в качестве эталона времени сначала использовал собственный пульс, а впоследствии сам изобрёл достаточно совершенные для своего времени часы. Результаты Галилей изображал таким образом: чертил две линии, на одной откладывал число ударов пульса, а на другой – пройденные шаром пути. Наблюдения показали, что если последовательно считать удары пульса: 1, 2, 3, 4 и т. д., то проходимые шаром пути пропорциональны числам 1, 4, 9, 16 и т. д., т. е., выражаясь современным языком, пройденный путь пропорционален квадрату времени. Сейчас, когда мы уже знакомы с прямоугольными координатами, мы можем поступить по– другому: построить график, где по оси абсцисс отложить время, а по оси ординат – пройденный путь. У нас получится кривая линия, соответствующая уравнению S ~ t 2 и называемая параболой. Такая зависимость между пройденным путём и временем наблюдается при равноускоренном движении, т. е. когда скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется одинаково. Примером такого движения является движение тела под действием силы притяжения Земли.

Как можно охарактеризовать движение? Можно нарисовать таблицу, где в один столбец заносить интервалы времени (например, секунды), а в другой – пройденный путь. Более наглядным будет изображение на графике, о котором мы только что говорили. Предположим, что мы имеем дело с таким движением, в котором тело за равные промежутки времени проходит одинаковые пути. Легко убедиться в том, что график в этом случае будет прямой линией. Такое движение называется равномерным, т. е. тело движется с постоянной скоростью.

Что же такое скорость? В случае равномерного движения объяснить это просто. Скоростью называется отношение пройденного пути ко времени, за которое он был пройден. На графике равномерного движения скорость равна тангенсу угла, образованного осью абсцисс и прямой линией – графиком зависимости пути от времени. Но как быть в тех случаях, когда движение не является равномерным, например при равноускоренном движении, график которого, как мы знаем, имеет вид параболы? Глядя на график, легко убедиться в том, что угол наклона параболы, а следовательно, и его тангенс постоянно меняются. Что же в этом случае считать скоростью? Попробуем рассуждать так. Пусть в нашем опыте (точнее, в опыте Галилея) шар за 4 с прокатился 16 м. Можно ли считать, что его скорость равна 16 м / 4 с = = 4 м/с? Это можно сделать приблизительно, сказав, что средняя скорость за всё время пути была 4 м/с. Но такой ответ не будет точным, так как скорость постоянно менялась. Давайте разделим процесс движения на две равные части и подсчитаем скорость отдельно за первые две и за вторые две секунды. У нас получится, что в начале шар катился со скоростью 5 м / 3 с = 1,67 м/с, а в конце его скорость составила 25 / 7 = 3,57 м/с. Мы определили скорость для начального и для конечного этапа движения и увидели, что она увеличивалась. Но на протяжении этих этапов она ведь тоже менялась. Разделим период движения на четыре интервала и получим 1, 2, 3 и 4 м/с. Но ведь шар катился не рывками: внутри этих интервалов его скорость тоже менялась. Если мы используем вместо пульса очень точные часы, мы можем делить время на сколь угодно малые интервалы и получать всё более точные значения скорости в данный момент времени. В идеале эти интервалы можно сделать бесконечно малыми, и тогда мы определим значение мгновенной скорости.