Чем можно измерять время
Чем можно измерять время
ВРЕМЯ. КАК ЕГО ИЗМЕРИТЬ?
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Нам часто говорят взрослые: «Не тратьте время попусту!», «Береги каждую минутку!». И мы задумалась об этом: «Как время беречь, если его нельзя увидеть и потрогать?». Иногда нам кажется, что время словно летит на крыльях.
Вся наша связана со временем и организованна по часам. Взрослые идут на работу в определенное время, транспорт начинает движение по расписанию, в школе мы садимся на занятия в одно и то же время. В течение дня мы по несколько раз смотрим на часы, чтобы спланировать свой день. Но если сейчас, время можно определить по часам, то, как люди определяли его раньше?
Часто драгоценное время теряется из-за неорганизованности, неумения использовать его правильно. Умение ценить каждую минуту особенно важно в наши дни, когда ускоряются темпы жизни, труда, увеличивается объём информации и знаний. В этом и заключается актуальность выбранной темы.
Цель исследования: знакомство с различными способами измерения времени.
Гипотеза: я думаю, что измерять время человек начал очень давно, разновидностей часов существует много.
Объект исследования: часы, время.
Предмет исследования: исследование способов измерения времени.
Цели и задачи:
выяснить, как измеряли время наши предки;
познакомиться с действием и строением разных видов часов;
научиться ориентироваться в прошлом часов;
доказать, что часы человек создаёт для облегчения своей жизни.
Методы исследования:
изучение литературы по данной теме;
поиск информации в сети Интернет;
Глава 1. Что такое время
В Википедии дается такое толкование этому слову: вре́мя — одно из основных понятий философии и физики, условная сравнительная мера движения материи, а также одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел.
В. И. Даль в своём толковом словаре определяет: время – средняя длительность бытия; пространство в бытии; последовательность существования; продолжение случаев, событий; дни за днями и века за веками; последовательное течение суток за сутками.
Время – это самое ценное, что есть у каждого человека. Потому, что только имея время можно создать что-то ценное и важное. Очень часто счёт времени люди ведут не на годы и даже не на часы, а на минуты, а где-то и на секунды. Умение ценить своё время и время окружающих – очень полезное качество, которое воспитывается в человеке с самого детства. Умение ценить каждую минуту важно именно в наши дни, потому что темп жизни, скорость передачи и усвоения знаний растут с каждым днём.
Глава 2. Единицы измерения
Обычный человек без запинки ответит: время — это длительность, интервал между какими-то событиями, которые происходят в нашей жизни. И ещё скажет, что измерять время принято в часах, минутах, секундах.
Отрезок времени можно измерить тремя способами. Во-первых, можно взять в качестве единицы времени средний солнечный день (промежуток, за который в среднем Земля совершает один оборот вокруг своей оси). Динамический способ измерения времени использует движение Луны и планет. Третий способ измерения времени появился сравнительно недавно и основан на введении атомной шкалы.
Существуют и другие, «менее научные» термины для описания времени.
Полночь — 12 часов ночи; момент, когда один день переходит в другой.
Рассвет — промежуток времени от того момента, когда небо начинает светлеть, до первого луча Солнца.
Полдень — 12 часов дня; в этот момент кончается утро и наступает день.
Заход Солнца — промежуток времени, в течение которого Солнце скрывается за горизонтом.
Сумерки — Солнце за горизонтом; постепенно темнеет; первый мягкий отблеск солнечного света; Солнце еще находится под горизонтом. Также последний отблеск солнечного света.
Вечер — время между заходом Солнца и отходом ко сну.
Ночь — темное время суток после захода Солнца.
Современный отсчет времени: длительности года, месяца, недели и суток основаны на периодических циклах, связанных с вращением Земли и Луны. Современный отсчет времени связан с числом 60. В древней шумерской цивилизации 3000 лет назад, наряду с основанием 60, использовалось для счета времени основание 10. В современной минуте содержится 60 секунд, в часе — 60 минут. Ученые связали продолжительность одной секунды с излучением цезия-133, изотопа металла цезия. Одна секунда — это промежуток времени, в течение которого происходят 9 192 631 770 колебаний атома цезия-133.
Глава 3. 11 способов измерить время
На протяжении веков люди придумывали различные творческие методы хронометража, от самых простых солнечных часов до атомных часов. Ниже представлены различные способы измерения времени, некоторые из них новейшие, а некоторые также стары, как само время.
1.Солнце. В 3500 году до н.э. египтяне соорудили обелиски и расположили их в стратегически важных местах, где в определенное время «приборы» отбрасывали тени. На первый взгляд, эти обелиски могли отметить только время прихода полдня, но затем они стали делать более глубокие подразделения.
Две тысячи лет спустя, египтяне разработали первые солнечные часы, «циферблат» которых был разделен на 10 частей. Солнечные часы работали, отслеживая движение солнца. Когда часы показывали полдень, необходимо было передвинуть стрелку часов на 180 градусов для того, чтобы измерить послеобеденное время. Конечно, древние солнечные часы не могли определить точное время в пасмурный день или в ночной период времени. Кроме того, время, показываемое солнечными часами, было неточным, поскольку в разные времена года часы были короче или длиннее в зависимости от сезона. Тем не менее, солнечные часы были лучше, чем ничего, а к 30 году до н.э. более 30 различных видов часов использовались в Греции, Италии и Малой Азии.
2.Звезды. Древние египтяне, как полагается, разработали первый способ определения времени ночью, изобретя первый астрономический инструмент «меркхет» в приблизительно 600 году до н.э. Инструмент представляет собой натянутую нить с весом, которая работает также, как плотник сегодня использует отвес. Египетские астрономы использовали два меркхета, ориентированных на Полярную звезду для того, чтобы выявить небесный меридиан в ночном небе. Время же отсчитывалось по принципу пересечения звездами этого меридиана. Звезды использовались не только для того, чтобы отметить прохождение часов, но и прохождение дней. Это измерение вращения Земли называется звездным временем. Когда определенная воображаемая точка среди звезд пересекает небесный меридиан, то этот момент обозначается как звездный полдень. Время, которое прошло от одного звездного полдня к другому, называется звездными сутками.
3.Песочные часы. Происхождение песочных часов уходит далеко вглубь веков. Они состоят из двух стеклянных колб, одна поверх другой с узким отверстием между ними. Песок постепенно попадает из верхней части в нижнюю при переворачивании часов. Когда весь песок из верхней части перешел в нижнюю, то это означает, что время вышло, однако, это не всегда означает, что прошел час. Песочные часы могут быть сделаны таким образом, чтобы измерить практически любой короткий промежуток времени, для этого нужно всего лишь регулировать количество содержащегося песка в нем, или же отверстие между колбами.
4. Водяные часы, известные как «клепсидра», были одним из первых устройств, которое для измерения времени не использовало солнце или звезды, то есть ими можно было пользоваться в любое время суток. Водяные часы работают путем измерения количества воды, которое капает из одного контейнера в другой. Они были изобретены в Египте, но распространились по всему древнему миру, а в некоторых странах люди даже в 20 веке пользовались водяными часами. Древние греки и римляне строили большие водяные часы в виде башен, а в Китае такие часы назывались «Лу» и зачастую были сделаны из бронзы. Однако, несмотря на то, что водяные часы были очень распространены, они были не совсем точны.
5.Механические часы. В Европе в 1300-х годах изобретатели начали делать механические часы, которые работали при помощи системы весов и пружин. У этих первых часов не было лицевой части и стрелок, а о прохождении часа свидетельствовал звонок. На самом деле, слово часы происходит от французского «колокольчик». Эти огромные первые часы, как правило, устанавливались в церквях и монастырях, для того, чтобы объявлять о времени прихода необходимости помолиться. Вскоре появились часы с двумя стрелками, минутной и часовой. Позднее стали появляться настольные и каминные часы. Несмотря на то, что часы были усовершенствованными, они, все же, были неточными. В 1714 году британский парламент предложил хорошее вознаграждение тому, кто сможет разработать точные часы, которые помогали бы работе морской навигации. В итоге такие часы были изобретены, их погрешность составляла всего пять секунд. С приходом промышленной революции, началось массовое производство часов, благодаря чему эту устройство попало в дом каждому человеку.
6.Необычные часы. Когда мы думаем о часах, мы, как правило, представляем себе знакомый циферблат с двумя, а, возможно, с тремя стрелками. На протяжении многих веков люди создавали всевозможные конструкции для того, чтобы определить время. Китайцы в период между 960 и 1279 годами изобрели ладановые часы, а затем они распространились во всей Восточной Азии. В одном из видов ладановых часов, металлические шарики были прикреплены к благовонию при помощи проволоки. Когда ладан догорал, металлический шарик падал и звучал гонг, что свидетельствовало о прохождении часа.
Другие часы использовали в своей работе цвет, а некоторые – различные ароматы для обозначения разных периодов времени. Существовали также часы, сделанные из маркированной свечи, когда свеча догорала до определенной отметки, то проходил заданный период времени.
7.Наручные часы. Открытие в 1400-х годах того, что спиральные источники могут быть уменьшены в размерах, привело к тому, что были созданы наручные часы. В то время и на протяжении многих веков после этого, карманные часы были приоритетом мужчин, женщины же носили наручные часы. Все эти правила моды изменились во время Второй Мировой войны, и в итоге с тех пор, наручные часы начали носить и мужчины. Дарение часов символизировало переход к зрелости. Однако, по мере развития 21 века, вездесущие наручные часы, могут постепенно кануть в лету, поскольку сейчас мы чаще всего проверяем время, глядя на монитор компьютера, мобильного телефона или дисплея МР3-плеера. Однако, все же неформальный опрос нескольких тысяч людей показал, что большинство из них не собираются отказываться от своих наручных часов.
8. Кварцевые часы. Минеральный кварц, как правило, с помощью аккумулятора, является основной движущей силой кварцевых часов. Кварц является пьезоэлектрическим материалом, а это означает, что когда кристалл кварца сжат, он генерирует небольшой силы электрический ток, который способствует вибрации кристалла. Все кристаллы кварца вибрируют на одной и той же частоте. Кварцевые часы используют батарейку для создания кристальной вибрации и для подсчета колебаний. Таким образом, система работает так, что создается один импульс в секунду. Кварцевые часы по-прежнему доминируют на рынке из-за своей точности и низкой стоимости производства.
9.Атомные часы. Хотя название звучит достаточно устрашающе, на самом деле, атомные часы не представляют собой никакой опасности. Они измеряют время, отслеживая как долго один атом переходит с положительного на отрицательное энергетическое состояние и обратно.
Официальный временной стандарт для Соединенных Штатов устанавливается NIST F-1, атомные часы Национального института науки и технологии в городе Боулдер (штат Колорадо). NIST F-1 являются фонтанными часами, названными в честь атомного движения. Ученые вводят газ цезий в вакуумный центр часов, а затем добавляют прямые инфракрасные лазерные лучи под углом в 90 градусов. Сила лазера собирает все атомы в одном месте, на которое в большой силой воздействует заполненная микроволнами область. Ученые измеряют количество атомов, которые оказываются в измененном состоянии, а также управляют микроволнами, задавая им разные частоты до тех пор, пока большая часть атомов не изменит свое состояние. В итоге, последняя частота, при которой меняются атомы, и есть частота колебаний атомов цезия, равняющаяся секунде. Это звучит довольно сложно, однако, данная технология является мировым стандартом измерения времени. Атомные часы отслеживают самые незначительные изменения времени.
10.Цветочные часы. Так как у различных растений цветки открываются и закрываются в различную пору дня, то можно так подобрать растения, что по их цветению можно приблизительно узнавать время дня. Для каждой местности могут быть составлены свои цветочные часы, так как время цветения, то есть открытие и закрытие цветков, в разных местностях происходят не в один и тот же час; оно либо запаздывает, либо наступает раньше.
11.Календари. Как мы видели, фактический подсчет минут и секунд требует проведения достаточно сложных процедур, но подсчет дней и месяцев основан на положении солнца и луны. Различные культуры, однако, используют разные методы. Христианский, или григорианский календарь, один из наиболее популярных сегодня, опирается на солнце. Исламский календарь использует фазы луны, еврейские и китайские календари полагаются на сочетание обоих этих методов. В григорианском календаре, день – это время, прошедшее от одного восхода солнца до следующего, или же один полный оборот Земли вокруг своей оси. Месяц, по григорианскому календарю, это приблизительно 29,5 дней, что является одним полным циклом фаз Луны, а год – это 364,24 дня, или время, необходимое для того, чтобы Земля сделала полный круг по орбите Солнца.
Глава 4. Создание моделей часов
Узнав о таком многообразии часов, особенно старинных, мне захотелось проверить на практике, как они действовали, и я решил изготовить некоторые модели старинных часов.
4.1. Модель огневых часов
Для создания огневых часов нам понадобилась 1 обычная бытовая свеча,на которой с помощью плоски из тёмной цветной бумаги я отмерил расстояние в 1 сантиметр. Потом зажёг свечу и с помощью электронных часов засек время, за которое свеча сгорает на 1 сантиметр. В ходе эксперимента установлено, что свеча сгорает на 1 сантиметр за 10 минут. Теперь, зная время горения одного сантиметра свечи, я могу узнать, сколько времени необходимо, что бы сгорела вся свеча. А для того, что бы отмерять отрезки времени в 10 минут, надо просто нанести на свечу полоски через 1 сантиметр.
Вывод: часы не удобны в употреблении. Свеча сгорает – её не восстановишь. Метод не подходит для определения отрезков времени от нескольких секунд до нескольких минут. Данный метод подходит для того, что бы определять время от десятков минут до нескольких часов в зависимости от длины свечи.
Создание модели водных часов
Для создания водяных часов нам необходима пластиковая бутылка. На бутылку наклеиваем полоску из светлой бумаги. В бутылку наливаем воду и подвешиваем ее вертикально. На бумажной полоске отмечаем маркером начальный уровень воды в бутылке, прокалываем крышку бутылки так, что бы вода через пробку начала капать в сосуд для воды, поставленный под бутылку. Включаем секундомер и отмечаем на бумажной полоске уровень воды после того, как пройдёт одна минута. Замеряем линейкой расстояние между двумя полученными полосками уровня воды и размечаем всю бумажную полоску отметками с промежутками, равными полученному результату в начале опыта.
Вывод: часы не удобны в употреблении. Вода вытекает – её необходимо доливать и куда-то отводить. Метод не подходит для определения больших отрезков времени, так как требует очень большого количества воды и, соответственно, большого сосуда, который будет очень тяжёлым. Данный метод подходит для того, что бы определять время до нескольких минут в зависимости от объёма бутылки.
Недостатки данных моделей часов
Итак, мы рассмотрели модели водяных и огневых часов. По ним действительно можно измерить некоторый отрезок времени, но точность измерения прошедшего времени оставляет желать лучшего. Они показывают только примерное время, не отвечая на вопрос: сколько точно прошло времени с определённого момента? А если нам необходимо сделать какую-то работу за 5, 10 минут. Как измерить более мелкие промежутки времени с использованием таких часов? Это или невозможно, или очень затруднительно.
Заключение
В ходе проведённой исследовательской работ я убедился, как важно точное измерение времени. За всё время существования людей придумано огромное количество способов измерения времени. Многие из этих способов неудобны, но для своего времени они были важны.
Кроме того, я убедился, что современные способы измерения времени точны, приборы, которыми мы измеряем время небольшие и очень удобны. Современные часы используются во многих бытовых приборах, которые помогают нам в жизни.
Раньше я думал, что минута и секунда – это очень маленькие промежутки времени, теперь моё представление о минутах и секундах изменилось – я постараюсь не терять времени зря.
Теперь я понимаю, почему при занятии любимым делом время пролетает незаметно, а при выполнении работы, которая не очень нравится или при «безделии», время тянется медленно.
Список использованных источников и литературы
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:
