Способы измерения физического времени

Работа № 1. Измерение времени . Обработка результатов многократных, прямых измерений времени

Цель: Ознакомление с методами измерения времени и оценки результатов измерений и расчета погрешностей.

Приборы: Автоматизированный лабораторный комплекс «Механика».

Материал для изучения:

Прямые и косвенные измерения.
Определение погрешностей.
Приближенные вычисления.
Время и его измерение.

Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М,. !970.
Руководство к лабораторным занятиям по физике. Под ред. Л.Л.Гольдина , М.,1973.
Каленков С.Г., Соломахо Г.И. Практикум по физике. Механика М.,1990.

Теоретическое введение. Под временем в физике понимается свойство материальных процессов иметь определенную длительность, следовать друг за другом в определенной последовательности и развиваться по этапам и стадиям. Представление о течении времени вне связи с материальными процессами является бессодержательным. Лишь изучение этих процессов и их взаимосвязей и соотношений наполняет понятие времени физическим содержанием.

Например, все системы отсчета можно разделить на два класса. К одному из них относятся те, в которых существует единое время и геометрия евклидова , к другому – те, в которых нет единого времени и геометрия неевклидова. Закон сохранения энергии изолированной системы материальных точек обусловлен фундаментальным свойством времени в инерциальных системах отсчета – его однородностью .

За единицу времени в физике была принята солнечная секунда. Одна секунда равнялась 1/86400 средних, солнечных суток . Солнечными сутками называется промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через меридиональную плоскость точки наблюдения. Звездными сутками называется промежуток времени между двумя последовательными прохождениями неподвижной звезды через меридиан.

Однако к началу 60-х стало ясно, что для определения эталона времени лучше подходят атомные процессы. В 1967 г. Международный комитет мер и весов принял новый эталон времени:

Секунда равна продолжительности 9.192631770 10 9 колебаний излучения соответствующего квантовому переходу между уровнями F=4, m F =0 и F=3 и m F =0 сверхтонкой структуры основного состояния 2 S 1/2 атома 133 Cs.

Для измерения промежутка времени в зависимости от его величины применяются различные методы: 1) механические , 2) стробоскопические и 3) электрические .

Механические методы применяются для измерения достаточно продолжительных промежутков времени. В них используют такие приборы, как часы, метроном, секундомер, хронограф.

Часы применяются для определения весьма продолжительных отрезков времени. На циферблате часов имеется часовая, минутная и секундная стрелки. Точность измерения времени при помощи часов может достигать 0.5 с. в сутки.

Метроном применяется для отсчета на слух равных промежутков времени от 2 с. до десятых долей секунды. Отсчеты метронома не являются достаточно точными.

Секундомер применяется для измерения промежутков времени от десятых долей секунды до нескольких минут. Точность измерения времени при помощи секундомеров порядка 0.2 с. и выше.

Хронограф — это секундомер с автоматической регистрацией определенных моментов, промежутки времени между которыми измеряются. Точность измерений на хронографе может быть доведена до 10 -5 с. Конструкции хронографов разнообразны.

В основу стробоскопического метода измерения времени положено стробоскопическое освещение, т.е. освещение отдельными короткими вспышками, следующими через равные промежутки времени. Если световые вспышки следуют через промежутки времени, точно совпадающими с периодом движения тела и кратные ему, то оно будет видно всегда в одном и том же положении, т.е. будет казаться остановившимся. Если же период световых вспышек несколько отличается от периода движения тела, то оно будет казаться медленно движущимся с некоторой частотой, определяемой уравнением

где ν 1 — частота движения тела, ν 2 — частота вспышек. При Δν >0 кажущееся движение тела происходит в сторону истинного его движения, а когда Δν

В электрических методах измерения времени используются сложные электрические приборы, например баллистический гальванометр, который определяет промежутки времени до 10 -3 сек., или электронный осциллограф (им измеряют очень быстрые периодические процессы), или таймер компьютера, который в соединении с фотодатчиками может измерять промежутки времени до 10 -9 сек.

Работа таймера любого компьютера основана на подсчете уменьшенного в заданное число раз числа импульсов, вырабатываемых его кварцевым генератором тактовой частоты (100

200 МГц). Точность измерения времени при этом равна обратной величине от частоты, т.е. (0.005

Описание экспериментальной установки. Для многократного измерения промежутка времени t i , в течение которого груз (Г) на нити, раскручивающий маховик (М) проходит из одного и того же начального положения один и тот же путь, используется таймер компьютера. Запуск таймера производится автоматически при помощи геркона – датчика, замыкающего и размыкающего входную электроцепь таймера при прохождении рядом с ним керамического магнита укрепленного на валу маховика. В данной работе таймер останавливается при нажатии клавиши “пробел” компьютера. Это увеличивает разброс значений t i, необходимый для увеличения наглядности изучения погрешностей измерения времени.

Точность отсчета интервала времени t i движения груза на нити определяется в основном точностью запуска и остановки таймера при прохождении грузом реперных (опорных) точек.

Перед измерениями маятник Обербека необходимо настроить на безразличное равновесие. Для этого установите крестовину колеса так, чтобы 2 груза на одной из спиц были в горизонтальной плоскости, а два других – в вертикальной. Передвигая один из грузиков необходимо уравновесить их. То же самое проделайте с двумя другими грузиками, повернув колесо на 90 ° .

Измерения: На линейке, закрепленной на стене возле установки, выбрать репер (точку, при прохождении мимо которой нужно остановить секундомер) ближе к концу размотанной нити. Намотать нить с грузиком на шкив маховика установки и удерживать его на отметке 70 ° угловой шкалы прибора. Отпустить маховик — он начнет раскручиваться под действием силы тяжести на грузик и запустит секундомер. При прохождении грузиком реперной точки остановить секундомер нажатием клавиши «пробел» компьютера. Результат измерения времени движения груза t i при корректном измерении можно записать в таблицу.

Выполните 20 измерений времени t i .
Расчеты значений среднеарифметического, среднеквадратичного, дисперсии, стандартного отклонения, доверительного интервала сделает компьютер. Данные необходимо записать.
По полученным данным постройте гистограмму.

Время и методы его измерения.
Классификация погрешностей.
Методы определения абсолютной погрешности.
Зависят ли абсолютная и относительная погрешность от величины результата измерения?
Что характеризует дисперсия и среднеквадратичное отклонение?

Источник

Что такое время и можно ли изменить его скорость?

Время — оно как воздух. Мы живем в нем и даже не задумываемся над тем, что это такое и как им пользоваться. Тем не менее, это очень сложная вещь, которая лежит в основе всего. Не зря же есть словосочетание ”пространство и время”. С пространством все понятно — вот оно. До работы 10 километров на машине, а до магазина 300 метров пешком. Вот только время в этом пути будет очень относительным. Но что это вообще такое и справедливо ли говорить о том, что время бесконечно и оно было всегда? Можно ли потрогать время? Может быть его можно остановить или повернуть вспять? Все эти вопросы люди часто задают друг другу и сами себе. Давайте попробуем ответить хоть на какие-то из них.

Время есть у всех. Но только что такое время?

Что такое время?

Обычно под временем мы понимаем то, что отсчитывается стрелками часов и чего нам всегда не хватает. При этом, считается, что время делится на прошлое, настоящее и будущее. С первым и последним понятно, но существует ли настоящее?

Любая микроскопическая доля времени, про которую мы постараемся сказать, как про настоящее, уже будет прошлым. Получается, что настоящего, как такового, не существует. Оно является только тем, что мы привыкли так называть, то есть очень широкое понятие в духе ”наши дни”. Оно может включать периоды от нескольких месяцев до нескольких лет и даже тысяч лет, если мы говорим, к примеру, о существовании Вселенной или формировании нашей планеты.

Одно из определений времени гласит, что это то, заставляет все события происходить неодновременно.

При этом многие ученые все же воспринимают время, как прогрессию, в которой будущее становится настоящим, а настоящее — прошлым, и этот процесс непрерывен. Даже если взорвется наше Солнце, время все равно не остановится и продолжит существовать. Просто уже не для нас.

Почему во время карантина время идет быстрее?

Что дает понимание времени

А еще время является основной для понимания того, что такое динамика. Только имея представления о времени, можно говорить о событиях, которые развиваются с определенной скоростью. Ведь совершенно нормальным считается спросить, когда что-то произошло и сколько продлилось то или иное явление. Получается, что время похоже на пространство — это координаты, но не точки на карте того, когда это было. Отличие только одно. По карте можно ходить куда угодно, а по времени — только в одну сторону. Именно это свойство времени является главной загадкой, над которой бьются ученые и строят свои гипотезы фантасты.

Фантасты часто поднимают тему времени, так как полет фантазии в этом направлении невозможно остановить.

Люди воспринимают время более менее одинаково, так как привычные нам часы тикают с одной скорость. Однако, это справедливо только для классической физики. Квантовая же физика утверждает обратное и говорит о том, что система становится активной только в тот момент, когда за ней наблюдают. То есть, в некотором роде именно квантовая физика не исключает возможности движения времени вспять.

Немного юмора от физики, который кое-что объясняет.

Теория относительности Альберта Эйнштейна

В свое время Альберт Эйнштейн явил миру теорию относительности, о которой вы наверняка слышали. Она полностью меняет типичное представление о времени и взгляд на него. Согласно этой теории, прогрессия времени не универсальна. Если говорить совсем просто, то по этой теории часы идут с разной скоростью в зависимости от того, на чьей руке они надеты.

Если обладатель часов окажется в непривычной для него ситуации, например, будет перемещаться со скоростью света или окажется рядом с сильным источником гравитационных волн — например, рядом с черной дырой — время для него пойдет иначе. В некоторых ситуациях оно может даже остановиться или и вовсе повернутся вспять.

Теория относительности предполагает, что любые события могут влиять только на те события, которые происходят после них. Но это не противоречит движению времени, как вектора физической величины, в обратном направлении. В этом случае уже события будущего будут находится в прошлом относительно ”того, кто носит часы”.

Проще говоря, в такой ситуации восприятие привычных физических процессов меняется и человек оказавшийся в таком месте может не только наблюдать время, но и двигаться по нему как в обычном пространстве — влево, вправо, вперед, назад и так далее. То есть, относительность уравнивает время и пространство, наделяя их одними и теми же свойствами.

Читайте также: Способы защиты от смога

Величайшие умы мира бьются над разгадкой тайны времени, но они ничего пока так и не добились.

Возможно ли путешествие во времени

Есть еще понятие T-симметрии, когда явления и величины, коими они представлены, не зависят от шкалы координат, и при изменении положительного значения на отрицательное кривая на графике становится зеркальной. В теории относительности, несмотря на такие отличие от привычного мира, это правило тоже сохраняется.

Интересно, что в споры о возможности путешествия во времени в обратном направлении вмешивается термодинамика, которая говорит, что все процессы в мире стремятся из упорядоченной системы к хаосу, то есть увеличению энтропии. Этот процесс нельзя повернуться вспять. То есть, взорвавшиеся звезды нельзя ”склеить” обратно, а сгнивший лист железа превратить в новый. Проще говоря, ”фарш невозможно провернуть назад и мяса из него не восстановишь”.

Если они смогли, может и мы когда-то сможем?

В итоге, грубо можно сказать, что время для нас это то время, которое есть на Земле. Если мы начнем путешествовать в пространстве дальше ближайших планет, нам придется понимать, что такое время и как оно меняется. Хотя, формально, на незначительные доли секунд отклонения есть и на Земле. Это даже учитывается при создании некоторых сверхточных систем и атомных часов.

Понимаем ли мы время

Вообще, человечество пока плохо понимает, что такое время на самом деле и все сказанное является только теориями и гипотезами. Мы пока так и не смогли достичь источников гравитационных волн, хотя смогли зафиксировать их.

Как только люди научатся путешествовать во времени, очень не хотелось бы это пропустить. Поверьте, прежде чем бежать покупать билеты, мы напишем об этом в нашем новостном канале в Telegram. Присоединяйтесь, чтобы ничего не пропустить.

Пока о времени мы знам только то, что это геометрический параметр, характеризующий длительность процессов. Он является частью пространственно-временного континуума и четвертой осью привычного нам трехмерного мира. Ах да… Еще то, что это чертовски интересная и непонятная штука. Как у нас говорят — ничего непонятно, но очень интересно.

Источник

Проектная работа «Способы измерение времени»

Муниципальное образовательное бюджетное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 90»

Творческий проект по физике

«Способы измерения времени»

Проектант: Ученица 9 «А» класса

Руководитель проекта: Фролова Н.М

2. Основная часть .

2.1 Понятие «время» . 4

2.2 История происхождения часов и их виды . 4-5

2.3 Единицы измерения времени …. 6

3. Практическая часть …. 7-8

6. Список используемой литературы . 10

Ответить на вопрос «что такое время» нелегко. В самом общем виде можно сказать, что время – это непрерывная череда сменяющих друг друга явлений. Пространство можно оградить, но время остановить невозможно. Главное свойство времени состоит в том, что оно длится, течет непрестанно. Оно безостановочно. И с этой проблемой времени человек сталкивается ежедневно, срывая листок календаря или глядя на часы. Т. е. время – это особая величина. Время идет само, независимо от того, хотим мы этого или не хотим. Значит, проблема определения времени была актуальна и остаётся актуальной для человечества на протяжении существования бытия.

Цель работы: Исследование и изучение информации о понятии «время» и его измерениях.

1. Прочитать и проанализировать естественнонаучную литературу, которая описывает понятие «время» и его измерения;

2. Познакомиться с видами часов;

3.Узнать способы измерения времени;

Объект исследования – часы

Методы исследования – изучение литературы, интернет источников, знакомство с предметом исследования, его историей и свойствами.

Гипотеза: Время- это особая величина, обладающая такими свойствами, как неповторимость, длительность, необратимость.

2.1 Понятие «время».

Время — форма протекания физических и психических процессов, условие возможности изменения. Одно из основных понятий философии и физики, мера длительности существования всех объектов.

В философии — это необратимое течение (протекающее лишь в одном направлении — из прошлого, через настоящее в будущее)

Например, для Платона время -это божественная вечность, разделённая небесными телами на дни, месяцы, годы. Аристотель называл время «числом движения». Лейбниц писал, что «время есть абстракция всех отношений последовательности». А Эйнштейн говорил о времени как о физической реальности, меняющей свой бег вследствие движения тел.

2.2. История происхождения часов.

За свою многовековую историю часы неоднократно меняли не только свою форму и вид, но и сам принцип работы. Само слово «часы» появилось в средневековье – в 14 веке, что в переводе с латинского означало «звонок».

Но задолго до того, как состоялось изобретение часов механических, ещё в античные времена люди научились ориентироваться по перемещению на небе светил. Хотя данный способ не позволял установить точного времени. Можно было лишь выяснить по положению Солнца на небосклоне примерно утренние, дневные и вечерние часы, а по положению Луны можно было судить примерно о времени ночи. Затем появились самые первые часы – солнечные, первые сведения о которых появились ещё примерно 3,5 тысячи лет до нашей эры. Их принцип работы был простейший: в углу размеченного сектора ставился прутик, а тень от него падала на отметки на этом секторе, указывающие, который сейчас час – это первые часы, сделанные своими руками человеком. Две тысячи лет спустя (примерно в 1400 году до н.э.) древние египтяне изобрели водяные часы, которые назывались «клепсирда». Они состояли из двух сосудов, наполненных водой, но установленных на разных уровнях. Сосуды соединялись трубой, по которой вода из верхнего сосуда медленно перетекала в нижний. На стенках сосудов были метки, по которым можно было определить время, когда уровень воды их достигал. Но кто изобрел часы данного типа, история умалчивает. Особенно популярны водяные часы были в древней Греции, где и были усовершенствованы. Позже люди изобрели огненные часы. Огненными часами пользовались около 3000 лет тому назад в Китае, во времена первого императора этой страны по имени Фо-хи. Распространены огневые часы были в Японии и Персии. Определенные сорта дерева истирали в порошок, смешивали с благовониями. Из полученной смеси готовили палочки, на которые наносили отметки, по которым отмеряли промежутки времени. Такие палочки могли гореть довольно долго. Иногда к отметкам на палочке подвешивали на нитях металлические шарики, которые со звоном падали в вазу, как только нить перегорала.

Около 2000 лет назад был изобретен еще один вид часов – песочные часы. Создание песочных часов датируется приблизительно около III века до нашей эры во времена ученого Архимеда. Местом их изобретения долгое время считалась Древняя Греция, однако некоторые археологические находки позволяют предполагать, что первые песочные часы были созданы жителями Ближнего Востока.

Первые механические часы были придуманы где-то около 1350 года. Первые часы появлялись в средневековых монастырях, чтобы сзывать монахов на службы. И вот уже более шестисот лет они исправно отсчитывают время. К середине XVI века в большинстве городов Европы появились общедоступные часы на городских ратушах, башнях и соборах.

С открытием электричества берет свое начало история электрических часов, изобретенных в середине XIX века. Создание и дальнейшее развитие электрических часов положило конец неудобству по синхронизации времени в разных частях света.

В 1955 году история развития часов совершила крутой поворот. Британец Луи Эссен заявил о создании первых атомных часов на цезии-133. Они обладали небывалой точностью. Погрешность составляла одну секунду на миллион лет. Устройство стали считать цезиевым эталоном частоты. Всемирным стандартом времени стал эталон атомных часов.

Часы становятся предметом роскоши. Некоторые часы украшались золотом, драгоценными камнями, эмалью, жемчугами и представляли собой скорее произведения искусства, нежели механизм для измерения времени.

На протяжении многих столетий менялись внешний вид часов, усовершенствовались технологии времяисчисления, полностью изменились материалы для их изготовления, однако предназначение часов осталось все тем же. Люди используют часы для отсчета периода времени.

Единицы измерения времени

Аттосекунда (одна миллиардная миллиардной доли секунды)

Самые быстротекущие процессы, которые способны захронометрировать ученые, измеряют в аттосекундах.

Фемтосекунда (одна миллионная миллиардной доли секунды)

Атом в молекуле совершает одно колебание за время от 10 до 100 фемтосекунд. Даже самая быстротекущая химическая реакция протекает за период, исчисляемый несколькими сотнями фемтосекунд. Взаимодействие света с пигментами сетчатой оболочки глаза, а именно этот процесс и позволяет нам видеть окружающее, длится около 200 фемтосекунд.

Пикосекунда (одна тысячная миллиардной доли секунды)

Самые быстродействующие транзисторы функционируют во временных рамках измеряемых в пикосекундах. Время существования кварков, редких субатомных частиц, получаемых в мощных ускорителях, составляет всего одну пикосекунду. Средняя продолжительность гидрогенной связи между молекулами воды при комнатной температуре равняется трем пикосекундам.

Наносекунда (миллиардная доля секунды)

Эта единица времени обычно встречается в области телекоммуникаций, импульсных лазеров и некоторых разделах электроники.

Микросекунда (миллионная доля секунды)

Миллисекунда (тысячная доля секунды)

Глазом моргнуть. Именно это мы успеем сделать за указанный промежуток. Человеческому уху требуется как раз такое время, чтобы отличить эхо от первоначального звука. За десятую долю секунды колибри успевает семь раз взмахнуть своими крылышками.

«Изготовление водяных часов в домашних условиях»

2) Бутылка 0,5 с водой

3) Дрель со сверлом

4) Две трубочки для коктейля

6) Двухсторонний скотч

Берём двухсторонний скотч и наклеиваем его на крышку бутылки.

Отрезаем ненужные уголки

Далее проделываем в склеенных между собой крышках две дырочки дрелью.

Берём коктейльные трубочки и просовываем их в отверстия, с одной и с другой стороны оставляя небольшой конец трубочки.

После чего закручиваем бутылки к готовым крышкам.

Добавляем в воду краситель.

Вот, что у нас получилось.

Наши водяные часы готовы!

А теперь берём секундомер и засекаем время перетекания воды из одной бутылки в другую.

Время есть не что иное, как исскуственно — придуманная человеком мера измерения расстояния между двумя событиями. Сначала человек для удобства придумал время и часы, а потом, намного позже, попытался найти эталон измерения времени.

При работе над данной темой я узнала много нового о времени и его измерении.

Уверенно дать определение времени на данном этапе развития человечества еще нельзя. Ученые естествознания и философии дают разные определения времени.

История развития человечества повлияло на формирование единиц измерения времени, хотя основные из них взяты у самой природы. Многие народы, в процессе своего развития, совершенствовали единицы измерения времени, но основные остались такими же, как и много лет назад.

В настоящий момент для определения текущего времени суток изобретён такой прибор как часы. Существует множество видов часов, которые можно классифицировать и по механизму действия, и по размерам. История развития цивилизации повлияла не только на точность измерения времени часами, но и на их портативность. Потребность измерять время возникло у людей уже в глубокой древности, и определенные методы счета времени, и первые календари возникли много тысяч лет назад.

Источник