1.Физические основы измерений времени. Единица времени.
В теории время представляет собой непрерывно изменяющуюся независимую переменную. Во всех процессах, связанных с движением, время играет роль определяющего параметра, так как записанное в виде выражения х=х(t) – означает, что процесс известен исследователю полностью во все моменты времени. Любое измерение времени означает установление равномерно следующих одна за другой меток, поддающихся счету. Расстояние между двумя такими метками во времени может быть выбрано в качестве единицы времени.
Введение равномерной шкалы времени основывалось на равномерной смене и неизменно вращении звезд и планет, периодической смене дня и ночи, циклической смене времен года и тд.
Точное значение единицы времени требовалось в физических исследованиях атомного ядра и элементарных частиц. Официально принятая единица времени установлена на базе методов атомной физики.
Исторически сложилось деление одной части (часа) на 60 минут, а затем уже в 15 веке, астрономы определяли секунду как 1/60 мин.
Время как физ. величина, измеряемая в процессах контроля или диагностирования, выступает либо в виде фиксируемого момента, соответствующего некоторому событию, либо в виде интервала времени между событиями.
Количественной оценкой в первом случае служит дата времени, а во втором – интервал времени. Естественной системой для измерения времени первоначально служил вращающийся Земной шар. В этой системе секунда определялась как 1/86400 части периода обращения Земли вокруг своей оси (среднесолнечных суток). Однако период вращения Земли вокруг своей оси изменяется по трем причинам:
1. За счет векового постепенного замедления (получено на основании данных по солнечным затмениям). Это привело к увеличению суток на 0,0023 с за каждые 100 лет.
2. За счет периодического (сезонного) изменения продолжительности суток (получено на основании данных по астрономическим измерениям, сопоставленных с астрономическими часами). Что приводит к неточности равной ∼ 0,001 с за год.
3. За счет непериодического (скачкообразного) изменения скорости вращения Земли (получено на основании данных о нерегулярности движения Луны, планет и Солнца). В этом случае ошибка составляет ∼ 0,0034 с.
Поэтому в 1956 г. был сделан переход от секунды, основанной на часах «Вращающаяся вокруг своей оси Земля» к секунде, основанной на часах «Земля, вращающаяся вокруг Солнца». В этой системе значение секунды равно 1/31556925,9747 тропического года.
Тропическим годом называют интервал времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Но в этом случае единица времени утрачивает воспроизводимость. В связи с чем, эталонную секунду привязали к продолжительности 1900 г.
Погрешность секунды в последнем случае стала меньше, т.к. она была привязана к году, величине более стабильной, чем сутки. Однако при практической реализации и в этом случае погрешности остаются значительными. Учитывая, что молекулы и атомы некоторых веществ в переменном электрическом поле возбуждаются и изменяют свое энергетическое состояние на резонансной частоте, свойственной только молекулам (атомам) данного вещества, в 1967 г. была принята новая единица измерения времени – атомная секунда. Атомная секунда это интервал времени, в течение которого совершается 1420405751,8 энергетических переходов в атоме водорода. Таким образом, в настоящее время параллельно существуют две системы измерения времени: астрономическая система измерения времени, и атомная система измерения времени, которые дополняют друг друга.
Под шкалой времени понимают непрерывную последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемую от начального момента. Шкалу времени можно воспроизвести, наблюдая за периодическим (хронометрическим) процессом протекающим непрерывно.
Мера времени это средство измерения времени, предназначенное для воспроизведения интервалов времени заданной длительности или заданных моментов времени.
К типичным временным величинам относятся период вращения, длительность периода колебания, период полураспада радиоактивного вещества, длительность импульса и др.
Секунда — единственная единица времени, с которой используются приставки СИ для образования дольных и (редко) кратных единиц. В настоящее время секунда определяется следующим образом: секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями (f = 4 и f = 3) основного состояния атома цезия-133 (1967 г.).
Для измерения более длинных интервалов времени используются единицы измерения год, месяц и неделя, состоящие из целого числа солнечных суток. Год приблизительно равен периоду обращения Земли вокруг Солнца (примерно 365,25 суток), месяц — периоду полной смены фаз Луны (называемому синодическим месяцем, равным 29,53 суток).
Ещё более крупные единицы времени — век (100 лет) и тысячелетие (1000 лет). Век иногда делят на десятилетия. В таких науках как астрономия и геология, которые изучают очень продолжительные периоды времени (миллионы и миллиарды лет), иногда применяют и ещё большие единицы измерения времени, например гигагод (миллиард лет).
Приборы и устройства времени по функциональным свойствам разделяются на следующие группы:
а) измерители текущего времени, которые позволяют устанавливать час, минуту, сек;
б) измерители интервалов времени (секундомеры, реле времени и т.д.);
в) измерители временных физических характеристик (тахометры, счетчики оборотов);
с) программно-временные датчики интервалов времени (таймеры);
д) датчики равномерной скорости (стабилизаторы частоты вращения двигателей, часовые механизмы самопишущих приборов идр.).
При измерении времени, как правило, используются два основных принципа: принцип периодической хронометрии и принцип апериодической хронометрии.
Основные элементы любого измерителя времени это источник энергии, колебательная система (осциллятор), счетчик, выходное устройство. Процедура измерения времени сводится к счету строго периодической последовательности импульсов, формируемых с помощью колебаний осциллятора.