Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Воспроизведение эталонной базы СИСодержание книги
Поиск на нашем сайте
Эталон длины Хранению эталона длины во всех странах придавали большое значение. Иногда условия хранения и сам эталон для современного специалиста показались бы весьма оригинальными. Вспомним пояс Святослава Ярославича в XI в. на Руси. Не менее любопытны условия хранения французского эталона длины XVII—XVIII вв. — сажени Шателя (туаза). Этот эталон представлял собой металлический кривоколенный циркуль, вделанный в стену Шателя. Ножки циркуля заканчивались двумя выступами с параллельными гранями, между которыми должны были вмещаться все находившиеся в употреблении торговые сажени. Сажень Шателя прослужила около 100 лет и лишь в 1766 г. была заменена саженью Перу, с помощью которой экспедиция Французской академии наук измеряла часть земной дуги в Перу в 1735— 1739 гг. Перуанский туаз, равный 6 парижским футам или 864 линиям, знаменит в истории метрологии тем, что он, в сущности, явился основой метрической системы, в то время как за метр принимали часть туаза, равную 441,296 линии. Основатели метрической системы, ученые Французской академии наук, установив, что единица длины равна одной четверти земного меридиана, поручили измерить ее астрономам Деламбру и Ме- шэну. Для измерения отрезка меридиана они воспользовались методом триангуляции, применяемым и по сей день в геодезии. Был выбран меридиан, проходящий через Париж (около 2° восточной долготы), а в качестве концов отрезка взяты Дюнкерк и Барселона (расстояние между ними около 1100 км). За базу триангуляции было выбрано расстояние от Льесена до Мелена (около 13 км), величина которого была известна в одних из старых единиц — туазах. В ходе триангуляции были промерены 100 треугольников, в ряде случаев - до 170. В результате стало известно расстояние в туазах между пунктами 1 и 2 (рис. 7.1). Географические широта и долгота этих пунк-
гов были измерены с очень большой точностью. Тогда при наблюдении некоторой неподвижной звезды, зная значения географических широт ф[ и ср2 имеем: ф1-Аф1 =ф2-Дф2, ф = ф2-ф, =Дф2-Дф,, что дает длину одной четвертой окружности меридиана: 90° _ф' ф ' Таким образом, было обнаружено, что длина S= 5 130 740 туа- зов, соответственно, 1 м = 0,513074 туаза. Таким путем удалось прийти к неизменному стандарту меры в 1799 г., и был изготовлен эталон — платиновая концевая мера длины в виде линейки длиной 1 м, шириной 25 мм и толщиной 4 мм. В ходе развития измерительной техники эталон метра оказался недостаточно точным, а как концевая мера длины — часто неэффективным, к тому же нельзя было вполне полагаться на неизменность материала, а значит, на постоянство самого эталона. Исследования в этом направлении привели к успеху французского химика Г. Сент- Клер-Девиля. В 1855—1859 гг., получив материалы и средства на проведение опытов от русского правительства, он впервые сумел расплавить значительное (12—15 кг) количество платины. Для этого более или менее крупные куски платины удавалось получать лишь обжатием и ковкой, поэтому однородность изделий оставляла желать лучшего. Сент-Клер-Девиль получил сплав 90% платины и 10% иридия с поистине замечательными свойствами. Сплав не поддавался действию воды и воздуха, и даже все разрушающая «царская водка» действовала на него меньше, чем на чистую платину. Расплавить иридий можно было только в пламени гремучего газа или в электрической дуге. И при всем том он был тверже и более упруг, чем сама платина. В начале 70-х годов XIX в. по предложению Сснт-Клср-Девиля Международный комитет мер и весов заказал лондонской фирме «Джонсон-Маттеи» 43 платиноиридиевых образца килограмма и 34 образца метра. Из них на долю России достались два образца метра - № 11 и 28 и один килограмма — № 12. Платиновый эталон метра был заменен штриховым масштабом из платиноиридиевого сплава (90% Pt, 10% Ir), неизменность которого можно было считать более гарантированной. Французский инженер А. Треска в 1872 г. разработал для поперечного сечения эталона Х-образный профиль (рис. 7.2) желоба с открытой нейтральной плоскостью, которая при сгибании стержня не удлиняется и не сжимается. Именно на нее и нужно было наносить деления. Все поперечное сечение вписывается в квадрат со стороной 20 мм. По расчетам Треска, стержень Х-образной формы по жесткости в 1,5 раза уступал бронзовому прототипу английского ярда с квадратным поперечным сечением (2,54x2,54 см), зато по массе давал выигрыш в 4 раза, и это при том, что плотность платино-иридиево- го сплава более чем вдвое превышала плотность бронзы. Кроме того, толщина всех частей предложенной Треска меры составляла не более 3 мм, поэтому она, быстро и равномерно прогреваясь, прини Соображения Треска были проверены на практике при драматических обстоятельствах. В 1915 г., когда австрийские войска приблизились к Белграду, сербские эталоны на мулах были эвакуированы в глубь страны. Во время этой эвакуации ни о каком соблюдении постоянных условий их хранения не могло быть и речи. И тем не менее, когда в 1920 г. было проведено сличение эталона метра с прототипом, то оказалось, что его длина изменилась меньше чем на 0,0002 мм. В желобе были вырезаны две группы штрихов, по три штриха в
каждой; расстояние между средними штрихами равнялось 1 м. С тех пор это расстояние стало эталоном метра. При этом фактически отпала ссылка на длину 1 /4 земного меридиана, тем более что уже в 1837 г. Бессель установил, что новая единица была несколько коро Однако и в отношении нового эталона не было уверенности, что его длина не станет очень слабо изменяться в силу перекристаллизации материала. Предполагают даже, что между 1889 и 1957 гг. эталон укоротился на 0,5 мкм. «Метр истинный и окончательный», — записали французские ученые, принявшие за единицу длины одну десятимиллионную часть четверти парижского меридиана и создавшие так называемый платиноиридиевый метр. Но прошло несколько десятков лет, и выяснилось, что этот метр существенно отличается от истинного. Это обусловило поиски другого выражения эталона. Кроме того, значительно возросли требования к точности измерений. В 1800 г. считалась вполне достаточной точность измерения длины, равная 0,25 мм; к 1900 г. предельные требования дошли до 0,01 мм, к 1950 г. — до 0,25 мкм, а сейчас существуют отрасли промышленности, где нужно выдерживать точность 10~9— Ю-10 м. Пределы точности национальных эталонов метра составляют около 10~2 м. Ко времени введения эталона метра (1889) американские ученые Майкельсон и Морли предложили сопоставлять метр с длиной волны светового излучения, т. е. определять, сколько длин волн укладывается в 1 м. Этому предшествовали исследования во Франции. От металлического ученые шли к спектральному эталону длины. В 1829 г. французский физик Ж.Бабине (1794—1872) предложил за единицу длины принять длину определенной световой волны, которая остается абсолютно неизменной даже при космических катаклизмах. Хотя практическое осуществление этой идеи выходило за рамки технических возможностей того времени, она не была забыта. Через несколько десятилетий другой французский физик И.Физо (1819—1896) писал: «Луч света с его рядами поразительно мелких, но вполне регулируемых волнообразных движений может рассматриваться как в высшей степени совершенный микрометр, особенно пригодный для измерения длины...» [18]. Практическое же осуществление этой идеи стало возможным лишь после того, как американский физик А.Майкельсон (1852—1931) существенно повысил точность интерферометра — прибора для измерения длины Майкельсон создал интерферометр для измерения скорости света в 1881 г., а через шесть лет он совместно с американским химиком Э.Морли опубликовал статью «О методах использования длины волны света натрия в качестве естественного и практического эталона длины». Позднее от желтых линий натрия он перешел к зеленым линиям ртути, а потом к ярко-красным линиям кадмия. В 1892 г. Майкельсон сообщил о своих исследованиях астроному Б.Гульду, представлявшему США в Международном бюро мер и весов. По настоянию последнего директор бюро Р.Бенуа пригласил Майкельсона в Париж для проведения совместных работ (рис. 7.3). В экспериментах Майкельсона — Бенуа для измерения расстояний до 20 см использовалась красная линия кадмия, которая обла-
Зеркало на горе Мауит-Видьсон
Линза Наблюдатель
Юпитеру. ~ Орбита Земли { ( ........... / Солнце ^^............ Орбита Юпитера-^ " і -і Т~Ч ^^....... Диаметр орбиты Земли • х^Д б) Рис. 7.3. Интерферометр Майкельсона (а) и схема измерения (б) дала наибольшей известной тогда длиной когерентности. Но при измерениях больших расстояний интерференционная картина становилась расплывчатой, а счет максимумов и минимумов — невозможным. Для измерения длины, достигающей метра, приходилось устанавливать ряд малых эталонов по 20 см и затем шаг за шагом продвигаться дальше. Ценой многочисленных усилий к 1893 г. было установлено, что на длине платиноиридиевого эталона, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Париже, укладывается 1 553 163,5 длины волны красной линии кадмия. В последующие 47 лет было проведено девять измерений длины волны красной линии кадмия с помощью более совершенных и удобных установок. В результате было установлено, что на 1 м укладывается 1 553 164,13 длины волны красной линии кадмия. Это означало, что ее длина волны равна 643,84696 ± 0,0001 нм. В 1927 г. это значение было допущено в качестве стандарта наряду с эталоном метра. В 1940 г. американский физик Л.Альварец предложил избрать в качестве эталона длину зеленой линии искусственного изотопа 198Hg, дающего более тонкие спектральные линии, чем природная ртуть. В 1950 г. эта идея была осуществлена на практике и в 1954 г. предложена на рассмотрение X Генеральной конференции по мерам и весам наряду с предложениями использовать в качестве эталона длины линии изотопов криптона и кадмия. Конференция постановила опробовать все предложенные методы, с тем чтобы к 1960 г. установить эталон длины через световую волну. После обширных исследований выбор пал на длину волны оранжевой линии 86Кг, и на XI Генеральной конференции в 1960 г. метр был определен как 1 650 763,730 длины волны этого излучения в вакууме. Платиноиридиевые эталоны, принятые в 1889 г., сменил спектральный эталон, позволивший уменьшить неопределенность воспроизведения единицы длины с 1—2 • 10~7 до 2 • 10~8, т. е. на целый порядок. Совершенствование лазерной техники открыло новые возможности для реализации эталона длины. По сравнению с определением метра по длине волны оранжевой линии криптона лазерные технологии обеспечивают два существенных преимущества: > длина когерентности для излучения лазера составляет до 104 м и намного больше, чем для света криптоновой лампы (до 0,8 м). То есть становятся возможными измерения для объектов длиной, превышающей 1 м; > большая интенсивность лазера как источника света делает возможным фотоэлектрический счет интерференционных полос. Использование микропроцессов при определении единиц времени и длины позволило определить с высокой точностью фундаментальную физическую константу — скорость света — и ввести новый эталон единицы длины. В настоящее время расчеты при определении единицы длины основывают на соотношении для электромагнитных волн: с = Xv, где с — скорость света в вакууме; А, — длина электромагнитного излучения; v — частота излучения. В качестве источников излучения выбирают высокостабильные лазеры. Работы по измерению длин волн излучений таких лазеров в метрологических лабораториях ряда стран показали совпадение значения скорости света с относительной неопределенностью, которая находится на уровне 10~9. Эта неопределенность в основном зависит от неопределенности значения единицы длины, так как неопределенность измерения частоты на несколько порядков меньше. В октябре 1983 г. на XVII Генеральной конференции по мерам и весам скорость света отнесли к точным физическим константам. Ее величина составила 299 792 458 м/с, что позволило ввести новое определение единицы длины: метр равен длине пути, проходимого светом за 1/ 299 792 458 часть секунды. Это так называемый световой метр. Здесь скорость света, выраженная в метрах в секунду, является абсолютно точной, не подлежащей дальнейшим измерениям фундаментальной физической константой и представляет собой естественный абсолютный эталон единицы скорости. Введенные таким образом согласованные метрологические определения единиц длины и времени стали естественным эталоном единицы скорости и согласуются с теорией относительности, в рамках которой значение скорости света не зависит от выбора системы отсчета. На основе определения светового метра во ВНИИФТРИ и ВНИИМ им. Д.И. Менделеева создан объединенный эталон единиц времени, частоты и длины. Таким образом, в XX в. метрологи вернулись к идее французских ученых XVTII в. — доверить создание эталона самой природе. Эталон единицы массы Бережное хранение эталона массы осуществляется со Средних веков. Так, образцовый ливр (фунт) Людовика Святого - эталон для монет Французского королевства XIII в. - находился в парижском храме тамплиеров. Это был своеобразный ломбард, куда состоятельные люди сдавали на хранение золото и драгоценности. Лучшего места в те времена невозможно было придумать: резиденция тамплиеров считалась двойной крепостью, которую охраняли как имя Бога, так и мечи рыцарей. До XVIII — начала XIX в. эталоном массы служил фунт, выполненный из позолоченной бронзы или платины. В России, например, за основную единицу в XIX в. был принят фунт, но значение его воспроизводилось уже новым эталоном — платиновой гирей, изготовленной в 1827 г. по бронзовому золоченому фунту 1757 г. Первоначально в 1799 г. килограмм был введен в качестве произвольно выбранной единицы веса. Одна из наиболее употребительных единиц — это фунт весом 409,51241 г, который возник в старину как две новгородские серебряные гривны по 204,7 г каждая. Иногда фунт называли двойной гривной, большой гривной или даже просто гривной. В последнем случае имелась в виду серебряная гривна весом 204,7 г (гривна серебра, гривенка). В XVIII в. монетным ведомством устанавливалось такое соотношение между русским и иностранными фунтами: «...английский фунт = 1 русский фунт 13 золотников 44 доли, лондонский фунт = = 1 русский фунт 9 золотников 51 доля, амстердамский фунт = = 1 русский фунт 19 золотников 33 доли...». Отметим, что русский фунт весом 409,51241 г, ныне признанный основным, отличается как от английского торгового весом 453,592 г, так и от тройского фунта весом 373,242 г. Русский фунт равен 15 унциям, т. е. упоминавшемуся нами фунту Карла Великого, известному с IX в. В XVII в. название «большая гривна» в России было вытеснено названием «фунт». Нередко в те времена применялось и название «ансырь». Надо сказать, что в наше время наиболее распространенным во всем мире является английский торговый фунт. С XVIII в. в аптекарском деле России использовалась английская аптекарская система с английскими фунтом, унцией, граном. Вес аптекарского российского грана составлял 62,0209 мг. Существует еще и метрический фунт весом 0,5 кг. В Венгрии его называют «ванфорт», в Китае — «цзинь». Применяют этот фунт также в Бельгии, Голландии, Германии, Дании. Английская весовая система, имеющая много общего с английской денежной системой, дает наиболее компактный набор гирь для произвольного взвешивания. Объясняется это тем, что если говорить о наиболее рациональных наборах гирь, то ими являются наборы гирь с соотношениями два (тогда любой вес можно воспроизвести гирями на одной чашке весов) и три (тогда для уравновешивания любого веса придется класть гири на обе чашки весов). Десятичная система дает возможность использовать соотношение 1: 2, тогда как с соотношением 1: 3 дело обстоит несколько сложнее. В английской же системе использование гирь с соотношением 1: 3 сохранено. А.Я. Купфер добился того, что разница в весе платинового фунта и фунта 1747 г. составляла в пустоте только 0,0042 доли. Был изготовлен также «второй нормальный фунт» — латунный, золоченый (вторичный эталон), вес которого отличался в пустоте от первичного на 0,001 доли. Этот фунт употребляли для поверки образцовых мер. В 1894—1898 гг. Д.И. Менделеевым был изготовлен новый пла- тиноиридиевый эталон фунта по купферовскому платиновому прототипу, который «не имел возможности изменить свой вес со времени его устройства» (Д.И. Менделеев). Были изготовлены также три копии образца и образцовые разновесы: платиноиридиевый, платиновый и золотой. Первоначально прототип массы должен был совпадать по своей массе с 1 дм3 воды при ее наибольшей плотности при температуре 3,98 °С и давлении 1 физ. атм (101 325 Па = 760 торр). Однако затем было найдено, что максимальная плотность воды равна 0,999972 г • см~3, т. е. прототип массы оказался на 28 мкг больше, чем был задуман. Трудности воспроизведения единицы массы указанным способом привели к использованию килограммовой гири.
Масса — это единственная основная единица, связанная с существованием искусственно созданного материального прототипа, который может быть выбран свободно и который не требует произведения опытов для обеспечения неизменности прототипа. Однако важно также, чтобы этот прототип можно было легко воспроизвести. Прототип 1 кг массы представляет собой находящийся в Международном бюро мер и весов в Севре под Парижем цилиндр из сплава платины (90%) и иридия (10%) диаметром около 39 мм и такой же высоты. Выбор этого сплава обеспечивает стойкость, однородность и высокую полируемость поверхности (так что его легко очищать). В состав государственного эталона килограмма России входят: > копия № 12 международного прототипа, хранящаяся в МБМВ; > равноплечие призменные весы № 1 и 2 на 1 кг для передачи по поверочной схеме размера единицы вторичным эталоном.
Чтобы предотвратить износ эталона, с ним сличают только два эталона-копии один раз в 10 лет. Известно, что масса тела — это довольно сложная физическая величина, которая характеризует реакцию тела на воздействие гравитационных и других внешних сил. Механизм возникновения массы тела остается невыясненным до конца даже в рамках современных теорий фундаментальных взаимодействий. Недавно обнаружены массы нейтрино (нейтральных лептонов), необычайная малость которых, возможно, свидетельствует о существовании принципиально нового механизма образования масс фундаментальных величин. Эталон массы. Задание единицы массы своим искусственно созданным материальным прототипом не соответствует современному уровню науки. Приведем некоторые недостатки использования действующего эталона килограмма. Существует вероятность, что платиноиридиевый прототип килограмма может быть поврежден или даже разрушен. Большая плотность сплава, из которого он сделан, приводит к понижению точности сравнения в воздухе с вторичными, стальными эталонами килограмма, используемыми в практике при многочисленных измерениях масс. Происходит постоянное неконтролируемое старение прототипа килограмма, которое достигает 5 • 10 кг за 100 лет. В настоящее время минимальная относительная неопределенность, которая достигается при практических измерениях массы, находится на уровне 10~7, что в некоторых случаях не отвечает современным требованиям к точности измерений масс. Действительно, в качестве примера приведем значения относительных неопределенностей при измерениях масс электрона, протона, нейтрона и альфа-частицы (табл. 7.1). Для всех представленных в таблице результатов измерений, выраженных в килограммах, относительная стандартная неопределенность равна 1,7 • 10~7. Результаты измерений приведенных величин в атомных единицах массы (а.е.м. — 1/12 часть массы изотопа углерода 12С) имеют относительные неопределенности на несколько порядков меньшие и находятся на уровне Ю-10 (для а-частицы — порядка Ю-11). Таким образом, точность измерений одной и той же физической величины может существенно зависеть от выбора единицы ее измерения. Поскольку входящие в таблицу массы электрона и протона определяют точность измерения ряда других физических постоянных, вы-
бор, например, в качестве единицы измерения атомной единицы массы привел бы к резкому повышению точности измерения масс, т. е. к достижению качественно нового уровня точности измерений. При выборе в качестве единицы массы значения массы какой- либо фундаментальной частицы, например электрона, протона или атома углерода 12С, т. е. при замене платиноиридиевого прототипа килограмма, необходимо определить с относительной неопределенностью Ю-8 число Авогадро или постоянную Планка. Это направление метрологических исследований сейчас интенсивно развивается. Основное требование к новому эталону килограмма заключается в том, чтобы относительная неопределенность передачи единицы массы не превышала Ю-8 при условии долговременной стабильности единицы не менее 5 • 10~9 в течение года. Изложенное особенно важно, поскольку еще три основные единицы СИ — ампер, моль и кандела — косвенным образом находят с помощью килограмма, поэтому несовершенство принятого в настоящее время определения эталона единицы массы сказывается и на них. Действительно, ампер связан с силой взаимодействия двух проводников с током. Поскольку единица силы — ньютон — оценивается через единицу массы, то и единица электрического тока оказывается связанной с единицей массы. Единица силы света — кандела — определяется с помощью единицы мощности, которая также косвенно связана с единицей массы. Единицу количества вещества — моль — находят через единицу массы как количество субстанции, содержащее такое же число элементарных единиц этой субстанции, какое содержится в 0,012 кг изотопа углерода 12С. При этом предполагается, что его свободные атомы находятся в покое в основном состоянии. Приоритетным направлением метрологических работ по замене эталона килограмма, вероятнее всего, является использование кристаллов кремния сверхвысокой чистоты. Для этого в Европейском союзе реализуется проект SIMUS (Silicon for Mass Unit and Standard), в рамках которого, в частности, осуществляется выращивание кристаллов кремния в различных условиях. Как правило, после создания идеального кристалла ему придают вид шара и затем используют оптический интерферометр для определения диаметра. Молярную массу кремния определяют с помощью масс-спектрометра, межатомное расстояние — путем комбинированного применения рентгеновской и оптической интерферометрии. Эталон единицы времени Древние философы сравнивали время с медленно текущей рекой. И это соответствовало тогдашнему созерцательному характеру восприятия мира. Нынешние понятия значительно динамичнее. И естественно, что ход времени в энергичном атомном веке отмеряет атом. Человек с глубокой древности пытался научиться хорошо ориентироваться на местности. Эти попытки дали толчок развитию астрономии. И как следствие - прорыв в эпоху Великих географических открытий (XV-XVT вв.). Главная задача, стоявшая перед исследователями прошлых веков, состояла в определении положений на суше и на море. Нужны были координаты. Понятия географической широты и долготы, определяющие месторасположение какого-либо пункта на поверхности Земли, возникли, вероятно, в Древней Греции примерно за 300 лет до н. э. Но трактовались они не так, как мы понимаем их сейчас: сегодня широта — это количество градусов к северу или к югу от экватора, а долгота — количество градусов к востоку или к западу от некоего выбранного меридиана. Древние же эллины эти величины обычно выражали в интервалах времени: так, широту нужного пункта определяли продолжительностью самого длинного светового дня в году, а разницу долгот между двумя пунктами — различием их местного времени. Насколько известно, первым математически точную концепцию географической широты и долготы предложил Клавдий Птолемей (ок. 90—160 г.), который вместо традиционных временных координат привел в своей «Географии» сетку значений, исчисляемых в градусах, где широты измерялись от экватора, а долготы — от самой западной точки известного мира — «островов Фортуны» (Канарские острова). Прошло более тысячелетия, прежде чем удалось сколько-нибудь существенно усовершенствовать метод определения долготы. В Европе XIII в. уже изобрели первые механические часы — это стало одним из самых важных изобретений Средневековья. Само название «часы» (от лат. clocca — колокол) говорит о том, что первые образцы отсчитывали (отбивали) время для религиозных и мирских нужд, и только позднее они стали астрономическими и навигационными инструментами. Эпоха географических открытий настоятельно потребовала решить вопрос об определении долготы не только не суше, но и на море. В 1567 г. испанский король Филипп II назначил вознаграждение за решение проблемы определения долготы в открытом море. Затем в 1598 г. уже Филипп III озадачился той же проблемой: он пообещал награду 6 тыс. дукатов любому, кто сможет «открыть долготу». В полном объеме этого приза не удостоился никто, но для поощрения некоторым изобретателям выплачивались значительные суммы. Старались не отстать друг от друга и Голландия, Португалия, Венеция — там также назначили солидные призы за решение этой проблемы. Очевидно, самой известной личностью, причастной к испанской премии, был Галилео Галилей (1564—1642). Исследуя колебания маятника как механизма, позволяющего регулировать ход часов, Галилей внес весомый вклад в развитие науки измерения времени и долготы. Однако до конца данную задачу Галилей так и не решил. Ее решил голландский математик Христиан Гюйгенс в 1657 г. Он отказался от маятника и заменил его пружиной. Правда, первый приемлемый морской хронометр с балансирной пружиной изготовили лишь через столетие. Для обеспечения мореплавателей необходимыми астрономическими данными английский король Карл II Стюарт в 1674 г. поручил организовать обсерваторию. Для этого выбрали Гринвичский замок, расположенный на высоком холме с прекрасным видом на Темзу в центре королевского парка, находящего вдали от дымного Лондона. Через два года Гринвичская обсерватория заработала. Основная ее цель на тот период состояла в решении проблемы определения долготы так называемым методом лунных расстояний. Для этого необходимы были точный каталог положения звезд и не менее точные таблицы движения Луны. Но в то время настоящего прорыва в области определения долготы не произошло. Английские корабли по-прежнему тонули, гибли тысячи людей. Причем причинами трагедий были не только неизведанные течения, туман, плохие компасы — в гораздо большей степени этому способствовали слабое знание географических координат злополучных рифов, плохие карты, некачественные лоции. Снова были назначены огромные награды «за долготу». Многие астрономы с неиссякаемым энтузиазмом принялись измерять лунные расстояния, составлять каталоги положения звезд. В конце концов нашелся астроном, который создал лунные таблицы требуемой точности. Это был Тобиас Майер (1723—1762) из Геттингема. Используя уравнения Эйлера и основываясь как на собственных наблюдениях, так и на наблюдениях астрономов Гринвича, он составил таблицы движения Солнца и Луны. Эти данные позднее опубликовали в 1767 г. в «Морском альманахе» Маскелайна. Расчеты в альманахе Маскелайна основывались на гринвичском меридиане. Теперь штурманы, используя «Морской альманах», прокладывали курсы, ориентируясь именно по нему. Получив долготу, отсчитываемую от Гринвича, они фиксировали свое положение на морской карте, где долготная сетка отмечалась по меридиану Гринвича. Поначалу в каждом государстве время отсчитывалось по-своему и никакой координации в этом вопросе между странами не су- шествовало. Так продолжалось до тех пор, пока в 1884 г. на Международной конференции в Вашингтоне, в которой участвовали представители 26 государств, не было принято предложение канадца Флеминга о введении поясного времени в 24 зонах с разницей в один час. Там же и тогда же пришли к выводу, что необходимо установить единый нулевой меридиан. Причем отсчет времени и долготы стал вестись с местечка Гринвич: так были отмечены заслуги Гринвичской обсерватории, где работали великие астрономы. Именно Гринвич дал свое имя нулевому меридиану. Ныне сигналы времени в Англии уже не рождаются в самом Гринвиче. Эталонное время теперь координируется Парижем (и называется оно всемирным). Сегодняшнее время поистине всемирно, так как оно основывается на показании часов, имеющихся в распоряжении двадцати четырех стран. Современная единица массы поддается овеществлению, можно многократно сравнивать свой объект с эталоном, находящимся в надежном хранилище. В отношении времени все обстоит совершенно иначе: > время не поддается хранению, оно бежит безостановочно; > при измерениях времени «сейчас» проводится качественное сравнение с прошедшими отрезками времени; > диапазон измерений времени чрезвычайно высок — от астрономических параметров в несколько миллионов световых лет до регистрации естественно-научных процессов длительностью в доли наносекунды (10~9 с). Все старые определения шкалы времени основывались на визуальном наблюдении движения звезд по небу, смене дня и ночи. За свою историю эталон времени неоднократно менялся. До 1957 г. секунда определялась по вращению Земли вокруг своей оси. С 1957 по 1967 г. — по движению Земли по орбите вокруг Солнца. В 1967 г. произошла замена самих астрономических эталонов времени (частоты) квантовым. На протяжении веков понятие времени человечество связывало со сменой дня и ночи, что и стало первыми временными метками. Но сама продолжительность дня (светлого времени суток) зависела от времени года, поэтому являлась периодической функцией времени года. Деление суток на 24 ч, часа — на 60 мин, минуты — на 60 с скорее всего пошло от шумеров или от древних вавилонян и египтян с их шестидесятеричной системой счета. Уже в XV в. время стало определяться по движению небесных светил. Астрономическая шкала времени в основном определялась двумя движениями — вращением Земли вокруг своей оси (север—юг) и обращением Земли вокруг Солнца по почти эллиптической орбите. Интервал между двумя последовательными прохождениями Солнца через Гринвичский меридиан назван продолжительностью истинного солнечного дня. В силу наклона земной оси и эллиптичности Земли продолжительность истинных солнечных суток непостоянна. Это обусловлено и законом всемирного тяготения, по которому Земля в перигелии движется быстрее, чем в офелии. Экспериментальные наблюдения (рис. 7.5) показывают, что разница в длительности суток в июне и декабре составляет около 16 с, а между весной и летом, осенью и зимой достигает 20 с. Если бы скорость вращения Земли была строго постоянна и находилась в целочисленном отношении к ее скорости обращения по орбите около Солнца, то определение средних солнечных суток приводило бы одновременно к определению единицы времени — секунды. Это, однако, не так. Необходимо принимать во внимание, что при установлении количества дней в году должны учитываться времена года. При этом снова можно было опираться на наблюдения Солнца или звезд, что привело к введению нового понятия — тропический год.
Из наблюдения продолжительности суток или высоты Солнца над горизонтом видно, что на протяжении года продолжительность суток изменяется. Число средних солнечных суток, прошедших от одного весеннего равноденствия до другого, т. е. между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия, равно продолжительности тропического года. Продолжительность среднего тропического года (1 троп. = 365,24220 среднего солнечного дня) превышает 365 дней примерно на 1/4 дня. Поэтому каждые 4 года прибавляется один день (високосный год). Чтобы правильно учитывались следующие десятичные знаки, первый год столетия не считается високосным, а 1972 г. был специально удлинен — кроме добавочного (високосного) дня, в него включили две дополнительные секунды (по 1 с добавили также 1 января 1973 г. и 1 января 1974 г.). Необходимость введения среднего тропического года основывается на том, что нужно учитывать малые колебания его продолжительности. Земля не является совершенно жесткой, и к тому же она не шарообразна, а сплюснута к экватору. Были обнаружены существование широтных колебаний и явления нутации. И то и другое приводит к малым колебаниям положения экватора Земли. Но так как пересечения эклиптики и небесного экватора определяют точки весеннего и осеннего равноденствия, то и эти точки также совершают малые колебательные движения. Вообще, в развитии единицы времени можно выделить несколько этапов повышения точности определения (воспроизведения) этой единицы. Исходя из длительности солнечных суток, единицу времени приняли как 1 с = 1/86400 часть этих суток. Но эта единица связана с вращением Земли вокруг своей оси. Обнаружив, что это вращение неравномерно, в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца — тропический год. Но тропический год тоже изменяется, правда, всего лишь на 5 с за 1000 лет. Поэтому договорились за основу взять 12 ч эфемерид - ного времени (равномерно текущего времени, определяемого астрономическим путем) 0 января 1900 г., что соответствует 12 ч 31 декабря 1899 г. Другими словами, в основу легла годовая орбита Земли на 1900 г. Точные данные
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-12-28; просмотров: 615; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.191.171.43 (0.013 с.) |