Головна > Стародавній Схід > Рахунок часу. Визначення географічної довготи. Календар. Розділ шостий. Зберігання та передача точного часу Зберігання та передача точного часу

Рахунок часу. Визначення географічної довготи. Календар. Розділ шостий. Зберігання та передача точного часу Зберігання та передача точного часу

Отриманням моментів часу вирішується лише перше завдання служби часу. Наступним завданням є збереження точного часу у проміжках між астрономічними його визначеннями. Це завдання вирішується за допомогою астрономічного годинника.

Для отримання великої точності відліку часу при виготовленні астрономічного годинника по можливості враховуються та усуваються всі джерела похибки, а для їх роботи створюються найбільш сприятливі умови.

У годиннику найістотнішою їх частиною є маятник. Пружини і коліщатка служать передавальним механізмом, стрілки - вказівним, а відмірює час маятник. Тому в астрономічному годиннику намагаються створити можливо кращі умови для його роботи: зробити постійною температуру приміщення, усунути поштовхи, послабити опір повітря і, нарешті, зробити можливо меншим механічне навантаження.

Для забезпечення високої точності астрономічний годинник поміщається в глибокий підвал, захищений від струсів, У приміщенні цілий рік підтримується постійна температура. Для зменшення опору повітря та усунення впливу змін атмосферного тиску маятник годинника міститься в кожух, у якому дещо знижений тиск повітря (рис. 20).

Дуже високою точністю володіє астрономічний годинник з двома маятниками (годинник Шорта), з яких один - невільний, або "рабський", - пов'язаний з передавальними і вказівними механізмами, а сам управляється іншим - вільним маятником, не пов'язаним з якими колесами і пружинами ( 21).

Вільний маятник міститься в глибокому підвалі в металевому футлярі. У цьому футлярі створюється знижений тиск. Зв'язок вільного маятника з невільним здійснюється через два невеликі електромагніти, поблизу яких він хитається. Вільний маятник керує "рабським" маятником, змушуючи його гойдатися в такт із собою.

Можна досягти дуже малої похибки показань годинника, але не можна її усунути повністю. Втім, якщо годинник йде невірно, але заздалегідь відомо, що він поспішає або відстає на певну кількість секунд на добу, то не представляє великої праці за таким неправильним годинником обчислити точний час. Для цього достатньо знати, який хід годинника, тобто на скільки секунд на добу вони поспішають або відстають. Протягом місяців і років для даного екземпляра астрономічного годинника складаються поправочні таблиці. Стрілки астрономічного годинника майже ніколи не показують час точно, але за допомогою поправочних таблиць цілком вдається отримувати позначки часу з точністю в тисячні частки секунди.

На жаль, перебіг годинника не залишається постійним. При зміні зовнішніх умов - температури приміщення і тиску повітря, - внаслідок завжди наявної неточності виготовлення деталей і спрацьовування окремих частин одні й самі годинник з часом можуть змінювати свій хід. Зміна, або варіація, ходу годинника є головним показником якості їх роботи. Чим менша варіація ходу годинника, тим годинник кращий.

Таким чином, добрий астрономічний годинник може бути занадто квапливим і надмірно повільним, може тікати вперед або відставати навіть на Десяті частки секунди на добу, і все ж з їх допомогою можна надійно зберігати час і отримувати досить точні показання, якщо тільки характер їх поведінки постійний, тобто мала добова варіація ходу.

У маятниковому астрономічному годиннику Шорта добова варіація ходу становить 0,001-0,003 сек. Довгий час така висока точність залишалася неперевершеною. У п'ятдесятих роках нашого століття інженер Ф. М. Федченко вдосконалив підвіс маятника та покращив його термокомпенсацію. Це дозволило йому сконструювати годинник, у якого добова варіація ходу була знижена до 0,0002-0,0003 сек.

В Останніми рокамиконструюванням астрономічного годинника зайнялися вже не механіки, а електрики та радіотехніки. Ними були виготовлені годинники, в яких для відліку часу замість коливань маятника використовувалися пружні коливання кристала кварцу.

Пластинка, вирізана відповідним чином із кристала кварцу, має цікаві властивості. Якщо таку пластинку, звану п'єзокварцем, стиснути або вигнути, то на її протилежних поверхнях з'являються електричні заряди різного знака. Якщо до протилежних поверхонь п'єзокварцевої пластинки підвести змінний електричний струм, то п'єзокварц робить коливання. Чим менше загасання коливального пристрою, тим постійніша частота коливань. П'єзокварц має в цьому відношенні винятково хороші властивості, тому що загасання його коливань дуже мало. Цим широко користуються в радіотехніці для підтримки сталості частоти радіопередавачів. Це ж властивість п'єзокварцу - висока сталість частоти коливань - дозволило побудувати дуже точний астрономічний кварцовий годинник.

Кварцовий годинник (рис. 22) складається з радіотехнічного генератора, стабілізованого п'єзокварцем, каскадів поділу частоти, синхронного електромотора та циферблату зі стрілками-покажчиками.

Радіотехнічний генератор виробляє змінний струм високої частоти, а п'єзокварц з великою точністю підтримує сталість частоти його коливань. У каскадах розподілу частоти виробляється зниження частоти змінного струму від кількох сотень тисяч за кілька сотень коливань на секунду. Синхронний електромотор, що працює на змінному струмі зниженої частоти, обертає стрілки-покажчики, замикає реле, що подають сигнали часу, і т.д.

Швидкість обертання синхронного електродвигуна залежить від частоти змінного струму, яким він живиться. Таким чином, у кварцовому годиннику швидкість обертання стрілок-покажчиків в кінцевому рахунку визначається частотою коливань п'єзокварцу. Велика сталість частоти коливань кварцової пластинки забезпечує рівномірність ходу та високу точність показань кварцового астрономічного годинника.

В даний час виготовляється кварцовий годинник різного типуі призначення із добовою варіацією ходу, що не перевищує сотих і навіть тисячних часток секунди.

Перші конструкції кварцового годинника були досить громіздкими. Адже власна частота коливань кварцової пластинки відносно висока і для відліку секунд і хвилин потрібно знижувати її за допомогою низки каскадів поділу частоти. Тим часом лампові радіотехнічні пристрої, що застосовувалися для цього, займають багато місця. В останні десятиліття бурхливо розвинулася напівпровідникова радіотехніка і на її основі розроблена мініатюрна та мікромініатюрна радіоапаратура. Це дозволило побудувати малогабаритний переносний кварцовий годинник для морської та повітряної навігації, а також для різних експедиційних робіт. Ці переносні кварцові хронометри за своїми розмірами та вагою не перевищують звичайні механічні хронометри.

Однак, якщо механічний морський хронометр другого класу має добову похибку ходу не більше ±0,4 сек, а першого класу - не більше ±0,2 сек, то сучасні кварцові переносні хронометри мають нестабільність добового ходу ±0,1; ±0,01 і навіть ±0,001 с.

Наприклад, що випускається у Швейцарії "Хронотом" має розміри 245Х137Х100 мм, а нестабільність його ходу за добу не перевищує ±0,02 сек. Стаціонарний кварцовий хронометр "Изотом" має довготривалу відносну нестабільність трохи більше 10 -8 , т. е. по добовому ходу похибка близько ±0,001 сек.

Однак кварцовий годинник не позбавлений і серйозних недоліків, наявність яких суттєво при астрономічних вимірах високої точності. Головні недоліки кварцового астрономічного годинника - залежність частоти коливань кварцу від температури довкілляі " старіння кварцу " , т. е. зміна частоти його коливань з часом. З першим недоліком вдалося впоратися шляхом ретельного термостатування тієї частини годинника, в якій розташована кварцова пластинка. Старіння кварцу, що призводить до повільного дрейфу ходу годинника, поки усунути не вдалося.

"Молекулярний годинник"

Чи можна створити пристрій для вимірювання інтервалів часу, що має більш високу точність, ніж маятникові та кварцові астрономічні годинники?

У пошуках придатних при цьому методів вчені звернулися до систем, у яких відбуваються молекулярні коливання. Такий вибір, звичайно, був не випадковим, і саме він визначив подальші успіхи. "Молекулярний годинник" дозволив спочатку в тисячі, а позику і в сотні тисяч разів збільшити точність вимірювання часу. Однак шлях від молекули до покажчика часу виявився складним та дуже нелегким.

Чому ж не вдалося підвищити точність маятникового і кварцового астрономічного годинника? Чим щодо вимірювання часу молекули виявилися кращими за маятники і кварцові пластинки? Які принцип дії та влаштування молекулярного годинника?

Нагадаємо, що будь-який годинник складається з блоку, в якому здійснюються періодичні коливання, лічильного механізму для підрахунку їх числа та пристрою, в якому запасена енергія, необхідна для їх підтримки. Проте точність показань годинника в основному залежить від стабільності роботи того їх елемента, що відміряє час.

Для збільшення точності маятникового астрономічного годинника їх маятник робиться зі спеціального сплаву з мінімальним коефіцієнтом теплового розширення, поміщається в термостат, спеціальним чином підвішується, розташовується в посудині, з якої викачано повітря, і т. д. Як відомо, всі ці заходи дозволили знизити варіації ходу астрономічного маятникового годинника до тисячних часток секунди на добу. Однак поступове зношування рухомих і тертьових деталей, повільні та незворотні зміни конструктивних матеріалів, загалом - "старіння" таких годинників не дозволило домогтися подальшого поліпшення їх точності.

В астрономічному кварцовому годиннику час відміряє генератор, стабілізований кварцем, і точність показань цього годинника визначається сталістю частоти коливань кварцової пластинки. З часом у кварцовій пластинці та пов'язаних з нею електричних контактах відбуваються незворотні зміни. Таким чином, цей елемент кварцового годинника "старіє". При цьому дещо змінюється частота коливань кварцової пластинки. Це і є причиною нестабільності такого годинника і кладе межу подальшому збільшенню їх точності.

Молекулярний годинник влаштований так, що його показання, в кінцевому рахунку, визначаються частотою електромагнітних коливань, що поглинаються і випускаються молекулами. Тим часом атоми і молекули поглинають і випускають енергію лише уривчасто, лише певними порціями, які називаються квантами енергії. Ці процеси в даний час видаються так: коли атом знаходиться в нормальному (незбудженому) стані, то його електрони займають нижні рівні енергії і при цьому знаходяться на найближчій відстані від ядра. Якщо атоми поглинають енергію, наприклад світлову, їх електрони перескакують у нові становища і розташовуються трохи далі своїх ядер.

Позначимо енергію атома, що відповідає найнижчому положенню електрона, через Еі а енергію, що відповідає більш далекому його розташування від ядра, - через Е 2 . Коли атоми, випромінюючи електромагнітні коливання (наприклад, світлові), зі збудженого стану з енергією Е 2 переходять у незбуджене з енергією Е 1 то порція електромагнітної енергії, що випускається, дорівнює ε = E 2 -E 1 . Легко бачити, що наведене співвідношення є не що інше, як один із виразів закону збереження енергії.

Тим часом відомо, що енергія кванта світла пропорційна його частоті: ? З цих двох співвідношень неважко знайти частоту світла, що випускається атомом. Вочевидь, що v = (Е 2 - E 1)/h сек -1

Кожен атом даного типу (наприклад, атом водню, кисню тощо) має рівні енергії. Тому кожен збуджений атом при переході в нижні стани випускає електромагнітні коливання з певним набором частот, тобто дає характерне лише для нього світіння. Так само справа в з молекулами, з тією лише різницею, що вони мають ще ряд додаткових рівнів енергії, пов'язаних з різним розташуванням складових частинок і з їх взаємним рухом,

Таким чином, атоми та молекули здатні поглинати та випромінювати електромагнітні коливання лише граничної частоти. Стабільність, з якою атомні системи це роблять, надзвичайно висока. Вона в мільярди разів вища за стабільність будь-яких макроскопічних пристроїв, що сприймають або випромінюють ті чи інші види коливань, наприклад, струн, камертонів, мікрофонів тощо. Пояснюється це тим, що в будь-яких макроскопічних пристроях, наприклад машинах, вимірювальних приладах тощо. ., сили, що забезпечують їх стійкість, здебільшого лише в десятки або сотні разів більші від зовнішніх сил. Тому з часом і при зміні зовнішніх умов властивості таких приладів дещо змінюються. Музикантам саме тому і доводиться так часто підлаштовувати свої скрипки та піаніно. Навпаки, в мікросистемах, наприклад атомах і молекулах, між частинками, їх складовими, діють настільки великі сили, що звичайні зовнішні впливи за величиною набагато менші за них. Тому звичайні зміни зовнішніх умов - температури, тиску тощо - не викликають скільки-небудь помітних змін усередині цих мікросистем.

Цим і пояснюється така висока точність спектрального аналізу та багатьох інших методів та приладів, заснованих на використанні атомних та молекулярних коливань. Це і робить настільки привабливим використання цих квантових систем як елемент, що задає, в астрономічному годиннику. Адже такі мікросистеми з часом своїх властивостей не змінюють, тобто не "старіють".

Коли інженери зайнялися конструюванням молекулярного годинника, то методи збудження атомних і молекулярних коливань вже були добре відомі. Один з них полягає в тому, що до посудини, заповненої тим чи іншим газом, підводяться високочастотні електромагнітні коливання. Якщо частота цих коливань відповідає енергії порушення даних частинок, відбувається резонансне поглинання електромагнітної енергії. Через деякий час (менше мільйонної частки секунди) збуджені частинки (атоми та молекули) мимоволі переходять із збудженого в нормальний стан і при цьому самі випромінюють кванти електромагнітної енергії.

Здавалося б, що наступний крок у конструюванні такого годинника має полягати у підрахунку числа цих коливань, адже підраховується ж у маятниковому годиннику кількість хитань маятника. Однак такий прямий, "лобовий" шлях виявився надто важким. Справа в тому, що частота електромагнітних коливань, що випускаються молекулами, дуже висока. Наприклад, у молекулі аміаку для одного з основних переходів вона становить 23 870 129 000 періодів на секунду. Частота електромагнітних коливань, що випускаються різними атомами, буває того ж порядку величини або ще вище. Жоден механічний пристрій для підрахунку числа таких високочастотних коливань не годиться. Більше того, звичайні електронні пристрої теж виявились для цього непридатними.

Вихід із цієї проблеми було знайдено за допомогою оригінального обхідного маневру. У довгу металеву трубку (хвильоводи) було поміщено аміачний газ. Для зручності поводження ця трубка згорнута в спіраль. До одного кінця цієї трубки підводилися від генератора високочастотні електромагнітні коливання, а в іншому кінці був встановлений прилад, що вимірює їх інтенсивність. Генератор дозволяв у деяких межах змінювати частоту електромагнітних коливань, що ним збуджуються.

Для переходу молекул аміаку з незбудженого в збуджений стан потрібна цілком певна енергія і відповідно певна частота електромагнітних коливань (ε = hv, де ε- енергія кванта, v - частота електромагнітних коливань, h - постійна Планка). Доки частота електромагнітних коливань, що виробляються генератором, більша або менша від цієї резонансної частоти, молекули аміаку енергії не поглинають. При збігу цих частот значна кількість молекул аміаку поглинає електромагнітну енергію і перетворюється на збуджений стан. Вочевидь, у своїй (з закону збереження енергії) біля кінця хвилеводу, де встановлено вимірювальний прилад, інтенсивність електромагнітних коливань виявляється менше. Якщо плавно змінювати частоту генератора і записувати показання вимірювального приладу, то при частоті резонансної виявляється провал інтенсивності електромагнітних коливань.

Наступний крок у конструюванні молекулярного годинника якраз і полягає у використанні цього ефекту. Для цього було зібрано спеціальний пристрій (рис. 23). У ньому генератор високої частоти, з блоком живлення, виробляє високочастотні електромагнітні коливання. Для збільшення сталості частоти цих коливань генератор стабілізовано. допомогою п'єзокварцю. У існуючих приладах такого типу частота коливань генератора високої частоти вибирається рівною кільком сотням тисяч періодів на секунду відповідно до власної частоти коливань кварцових пластинок, що використовуються в них.


Рис. 23. Схема "молекулярного годинника"

Так як ця частота занадто висока для того, щоб безпосередньо керувати будь-яким механічним пристроєм, то за допомогою блоку поділу частоти вона знижується до декількох сотень коливань в секунду і лише після цього подається на сигнальні реле і синхронний електромотор, що обертає стрілки-покажчики, розташовані на циферблаті годинника. Таким чином, ця частина молекулярного годинника повторює схему описаного раніше кварцового годинника.

Щоб порушити молекули аміаку, частина електромагнітних коливань, вироблюваних генератором високої частоти, подається на помножувач частоти змінного струму (див. рис. 23). Коефіцієнт множення частоти у ньому обрано те щоб довести її до резонансної. З виходу помножувача частоти електромагнітні коливання надходять на хвилевід з аміачним газом. Прилад, що стоїть на виході хвилеводу, - дискримінатор, - відзначає інтенсивність електромагнітних коливань, що пройшли через хвилевід і впливає на генератор високої частоти, змінюючи частоту збуджуваних ним коливань. Дискримінатор влаштований так, що коли на вхід хвилеводу надходять коливання з частотою нижче резонансної, він підлаштовує генератор, збільшуючи частоту його коливань. Якщо на вхід хвилеводу надходять коливання з частотою вище резонансної, він знижує частоту генератора. При цьому налаштування в резонанс виходить тим більш точним, чим крутіше йде крива поглинання. Таким чином, бажано, щоб провал інтенсивності електромагнітних коливань, зобов'язаний резонансного поглинання їх енергії молекулами, був, можливо, вужчим і глибшим.

Всі ці пов'язані між собою прилади - генератор, помножувач, хвилевід з аміачним газом і дискримінатор - є ланцюгом зворотнього зв'язку, В якій молекули аміаку збуджуються генератором і в той же час керують ним, змушуючи його виробляти коливання необхідної частоти. Таким чином, в кінцевому рахунку в молекулярному годиннику в якості стандарту частоти і часу використовуються молекули аміаку. У першому молекулярному аміачному годиннику, розробленому за цим принципом Г. Ліонсом в 1953 р., нестабільність ходу становила близько 10 -7 , тобто зміна частоти не перевищувала десятимільйонної частки. Надалі нестабільність була знижена до 10-8, що відповідає помилці у вимірі інтервалів часу на 1 сік за кілька років.

Загалом, це, звісно, ​​чудова точність. Однак виявилося, що в побудованому приладі крива поглинання електромагнітної енергії вийшла далеко не такою різкою, як передбачалося, а дещо "розмазаною". Відповідно до цього і точність всього пристрою вийшла значно нижчою за очікувану. Проведені в наступні роки ретельні дослідження цих молекулярних годин дозволили з'ясувати, що їх показання певною мірою залежать від конструкції хвилеводу, а також від температури і тиску газу, що в ньому знаходиться. Було встановлено, що саме ці ефекти є джерелами нестабільності роботи такого годинника і обмежують їх точність.

Надалі ці дефекти молекулярного годинника повністю усунути так і не вдалося. Проте вдалося вигадати інші, більш досконалі типи квантових вимірювачів часу.

Атомний цезієвий годинник

Подальшого вдосконалення стандартів частоти та часу вдалося досягти на основі ясного розуміння причин недоліків аміачного молекулярного годинника. Нагадаємо, що основними недоліками аміачного молекулярного годинника є деяка "розмазаність" резонансної кривої поглинання і залежність надання цього годинника від температури і тиску газу в хвилеводі.

Які ж причини цих дефектів? Чи можна їх усунути? Виявилося, що розмазування резонансу відбувається внаслідок теплового руху частинок газу, що заповнюють хвилевід. Адже деякі з газових частинок рухаються назустріч електромагнітній хвилі і тому для них частота коливань дещо вища за ту, яку дає генератор. Інші газові частинки, навпаки, рухаються від електромагнітної хвилі, що приходить, як би тікають від неї; для них частота електромагнітних коливань дещо нижча за номінальну. Тільки відносно невеликого числа нерухомих газових частинок сприймається ними частота електромагнітних коливань дорівнює номінальною, тобто. що дається генератором.

Описане явище є добре відомим поздовжнім ефектом Допплера. Саме він і призводить до того, що резонансна крива ущільнюється і розмазується та виявляється залежність сили струму на виході хвилеводу від швидкості руху газових частинок, тобто. від температури газу.

Групі вчених з Американського бюро стандартів вдалося впоратися із цими труднощами. Однак те, що вони зробили, загалом виявилося новим і значно точнішим стандартом частоти та часу, хоча при цьому були використані деякі вже відомі речі.

У цьому вся приладі використовуються не молекули, а атоми. Ці атоми не просто наповнюють судину, а рухаються пучком. Причому, що напрямок їх руху перпендикулярно до напряму поширення електромагнітної хвилі. Легко зрозуміти, що у цьому випадку поздовжній ефект Доплера відсутня. У приладі використані атоми цезію, збудження яких відбувається при частоті електромагнітних коливань, що дорівнює 9192631831 періодів в секунду.

Відповідний прилад змонтований в трубці, в одному кінці розташована електрична піч 1, що розігріває металевий цезій аж до випаровування, а в іншому - детектор 6, що зраховує число атомів цезію, що долетіли до нього (рис. 24). Між ними знаходяться: перший магніт 2, хвилевід 3, що підводить високочастотні електромагнітні коливання, коліматор 4 і другий магніт 5. Коли піч включена, пари металу через щілину вриваються в трубку і вузький пучок атомів цезію летить уздовж її осі, піддаючись по шляху впливу магнітних полів, створених постійними магнітами, та високочастотного електромагнітного поля, підведеного за допомогою хвилеводу від генератора до трубки так, що напрямок поширення хвиль перпендикулярно напрямку прольоту частинок.

Такий пристрій дозволяє вирішити першу частину завдання: збудити атоми, тобто перевести їх з одного стану в інший, і в той же час уникнути поздовжнього ефекту Допплера. Якби дослідники обмежилися лише цим удосконаленням, то точність приладу хоч і збільшилася б, але не набагато. Адже в пучку атомів, що вилітають із розжареного джерела, завжди є збуджені і збуджені атоми. Таким чином, коли атоми, що вилетіли з джерела, пролітають крізь електромагнітне поле і збуджуються, то до вже наявних збуджених атомів додається ще деяка кількість збуджених. Тому зміна числа збуджених атомів виходить відносно невеликим і, отже, ефект від дії електромагнітних хвиль на пучок часток виявляється не дуже різким. Зрозуміло, що якби спочатку збуджених атомів не було зовсім, а потім вони з'явилися, то загальний ефект був би більш контрастним.

Отже, виникає додаткове завдання: на ділянці від джерела до електромагнітного поля пропустити атоми, що перебувають у нормальному стані, та вилучити збуджені. Для її вирішення нічого нового винаходити не довелося, тому що ще в сорокові роки нашого століття Раббі, а потім відповідні методи Рамзеєм були розроблені для спектроскопічних досліджень. Ці методи засновані на тому, що всі атоми та молекули мають певні електричні та магнітні властивості і ці властивості виявляються різними у збуджених та незбуджених частинок. Тому в електричному та магнітному полях збуджені та незбуджені атоми та молекули відхиляються по-різному.

В описуваному атомному цезієвому годиннику на шляху пучка частинок між джерелом і високочастотним електромагнітним полем постійний магніт 2 (див. рис. 24) був встановлений так, що збуджені частинки фокусувалися на щілину коліматора, а збуджені виводилися з пучка. Другий магніт 5, що стоїть між високочастотним електромагнітним полем і детектором, навпаки, був встановлений так, що з пучка виводилися збуджені частинки, а на детекторі фокусувалися тільки збуджені. Така подвійна сепарація призводить до того, що детектори досягають ті частки, які до входження в електромагнітне поле були збудженими, а потім в цьому полі перейшли в збуджений стан. При цьому залежність показань детектора від частоти електромагнітних коливань виявляється дуже різкою і резонансна крива поглинання електромагнітної енергії виходить дуже вузькою і крутою.

В результаті описаних заходів задає блок атомного цезієвого годинника виявився здатним реагувати навіть на дуже мале розлад генератора високої частоти, і таким чином була досягнута дуже висока точність стабілізації.

Інша частина приладу, загалом, повторює принципову схему молекулярного годинника: генератор високої частоти управляє електричним годинником і одночасно через ланцюги множення частоти збуджує частки. Дискримінатор, пов'язаний з цезієвою трубкою і високочастотним генератором, реагує на роботу трубки і підлаштовує генератор так, щоб частота коливань, що виробляються, збігалася з частотою, при якій відбувається збудження частинок.

Все це пристрій в цілому носить назву атомного цезієвого годинника.

У перших моделях цезієвого годинника (наприклад, цезієвого годинника Національної фізичної лабораторії Англії) нестабільність становила лише 1 -9 . У приладах такого типу, розроблених та побудованих останніми роками, нестабільність вдалося знизити до 10 -12 -10 -13 .

Раніше вже говорилося про те, що навіть кращий механічний астрономічний годинник внаслідок зносу їх деталей з часом дещо змінює свій хід. Навіть кварцовий астрономічний годинник не позбавлений цього недоліку, тому що через старіння кварцу має місце повільний дрейф їх показань. У цезієвому атомному годиннику дрейф частоти не виявлений.

При порівнянні різних екземплярів цього годинника між собою спостерігалося збіг частоти їх коливань у межах ±3*10 -12 , що відповідає помилці лише в 1 секунду за 10 000 років.

Однак і цей пристрій не позбавлений недоліків: спотворення форми електромагнітного поля та відносна короткочасність його впливу на атоми пучка обмежують подальше збільшення точності вимірювання інтервалів часу за допомогою таких систем.

Астрономічний годинник з квантовим генератором

Ще один крок щодо збільшення точності вимірювання інтервалів часу було зроблено за допомогою молекулярних генераторів- приладів, у яких використовується випромінювання молекулами електромагнітних хвиль.

Це відкриття було несподіваним та закономірним. Несподіваним тому, що здавалося, що можливості старих методів вичерпані, а інших немає. Закономірним - оскільки ряд відомих ефектів вже становив майже всі частини нового методу і залишалося лише належним чином ці частини скомбінувати. Втім, нова комбінація відомих речей становить суть багатьох відкриттів. Завжди потрібна велика сміливість мислення, щоб її придумати. Досить часто, після того, як це зроблено, все здається дуже простим.

Прилади, в яких для отримання стандарту частоти використовується випромінювання молекул, отримали назву мазерів; це слово утворене з початкових букв виразу: microwave amplification by stimulated emission of radiation, тобто посилення радіохвиль сантиметрового діапазону з допомогою індукованого випромінювання. В даний час прилади такого типу найчастіше називають квантовими підсилювачами або квантовими генераторами.

Що підготувало відкриття квантового генератора? Які його принцип дії та пристрій?

Дослідникам було відомо, що коли збуджені молекули, наприклад молекули аміаку, переходять на нижчі рівні енергії та випускають електромагнітне випромінювання, то природна ширина цих ліній випромінювання надзвичайно мала, принаймні у багато разів менше ширини лінії поглинання, що використовується в молекулярному годиннику. Тим часом при порівнянні частоти двох коливань від ширини спектральних ліній залежить гострота резонансної кривої, а від гостроти резонансної кривої - точність стабілізації.

Зрозуміло, що дослідників надзвичайно зацікавила можливість домогтися вищої точності вимірювання інтервалів часу при використанні не тільки поглинання, а й випромінювання молекулами електромагнітних хвиль. Здавалося б, що для цього вже все є. Адже в хвилеводі молекулярного годинника збуджені молекули аміаку мимовільно висвічуються, тобто переходять на нижчі рівні енергії і при цьому випромінюють електромагнітне випромінювання з частотою 23 870 129 000 періодів на секунду. Ширина цієї спектральної лінії випромінювання справді дуже мала. Крім того, так як хвилевід молекулярного годинника заповнений електромагнітними коливаннями, що підводяться від генератора, і частота цих коливань дорівнює частоті квантів енергії, що випускаються молекулами аміаку, то у хвилеводі відбувається індукованевипромінювання збуджених молекул аміаку, ймовірність якого набагато більша, ніж мимовільного. Таким чином, цей процес збільшує загальну кількість актів випромінювання.

Проте для спостереження та використання молекулярного випромінювання система типу хвилеводу молекулярного годинника виявилася повністю непридатною. Адже в такому хвилеводі незбуджених часток аміаку набагато більше, ніж збуджених, і навіть з урахуванням індукованого випромінювання акти поглинання електромагнітної енергії відбуваються значно частіше, ніж акти випромінювання. До того ж неясно, як у такому хвилеводі виділити кванти енергії, випромінювані молекулами, коли той же обсяг заповнений електромагнітним випромінюванням від генератора, причому це випромінювання має ту саму частоту і значно більшу інтенсивність.

Чи не правда, всі процеси виявляються настільки перемішаними, що на перший погляд виділити з них потрібний є неможливим? Однак, це не так. Адже відомо, що за своїми електричними та магнітними властивостями збуджені молекули відрізняються від незбуджених, а це дає можливість їх поділу.

У 1954-1955 рр. це завдання було блискуче вирішено Н. Г. Басовим і А. М. Прохоровим у СРСР і Гордоном, Цайгером та Таунсом у США*. Ці автори користувалися тим, що стан порушених і незбуджених молекул аміаку дещо по-різному і, пролітаючи через неоднорідне електричне полі, вони відхиляються по-різному.

* (Дж. Зінгер, Мазер, ІЛ, М., 1961; Басов Н. Г., Лєтохов Ст С, Оптичні стандарти частоти, УФН, т. 96, вип. 4, 1968.)

Нагадаємо, що між двома електрично зарядженими паралельними пластинками, наприклад, обкладками конденсатора, створюється однорідне електричне поле; між зарядженими платівкою та вістрям або двома зарядженими вістрями – неоднорідне. Якщо зображають електричні поляза допомогою силових ліній, то однорідні поля представляються лініями однакової густоти, а неоднорідні - лініями густоти неоднаковою, наприклад, меншою у площині та більшою у вістря, де лінії сходяться. Способи одержання неоднорідних електричних полів тієї чи іншої форми давно відомі.

Молекулярний генератор є комбінацією з джерела молекул, електричного сепаратора і резонатора, зібраних у трубці, з якої викачай повітря. Для глибокого охолодження ця трубка вміщена в рідкий азот. Цим досягається висока стабільність роботи всього пристрою. Джерелом частинок у молекулярному генераторі служить балон із вузьким отвором, заповнений аміачним газом. Через цей отвір вузький пучок частинок з певною швидкістю надходить у трубку (рис. 25 а).

У пучку завжди є збуджені та збуджені молекули аміаку. Проте зазвичай не збуджених набагато більше, ніж збуджених. У трубці по дорозі цих частинок розташований заряджений електрикою конденсатор, що з чотирьох стрижнів,- так званий квадрупольний конденсатор. У ньому електричне поле неоднорідне, причому має таку форму (мал. 25 б), що, проходячи через нього, незбуджені молекули аміаку розсіюються в сторони, а збуджені відхиляються до осі трубки і таким чином фокусуються. Тому в такому конденсаторі відбувається сепарація частинок та іншого кінця трубки досягають лише збуджених молекул аміаку.

У цьому іншому кінці трубки розташована посудина певних розмірів і форми так званий резонатор. Потрапивши в нього, збуджені молекули аміаку через деякий короткий проміжок часу мимоволі переходять із збудженого стану в збуджений і при цьому випромінюють електромагнітні хвилі певної частоти. Про цей процес говорять, що молекули висвічуються. Отже вдається як отримати молекулярне випромінювання, а й виділити його.

Розглянемо розвиток цих ідей. Електромагнітне випромінювання резонансної частоти, взаємодіючи з незбудженими молекулами, переводить їх з збуджений стан. Те ж випромінювання, взаємодіючи з збудженими молекулами, переводить в незбуджений стан, стимулюючи в такий спосіб їх випромінювання. Залежно від того, яких молекул більше, незбуджених чи збуджених, переважає процес поглинання чи індукованого випромінювання електромагнітної енергії.

Створивши в певному обсязі, наприклад, резонаторі, істотне переважання збуджених молекул аміаку і підводячи до нього електромагнітні коливання резонансної частоти, можна здійснити посилення надвисокої частоти. Зрозуміло, що це посилення відбувається за рахунок безперервного підкачування резонатор збуджених молекул аміаку.

Роль резонатора не обмежується лише тим, що він є судиною, де відбувається висвічування збуджених молекул. Оскільки електромагнітне випромінювання резонансної частоти стимулює випромінювання збуджених молекул, чим більше щільність цього випромінювання, тим активніше йде цей процес індукованого випромінювання.

Вибравши розміри резонатора відповідно до довжини хвилі даних електромагнітних коливань, можна таким чином створити в ньому умови для виникнення стоячих хвиль (аналогічно вибору розмірів органних труб для виникнення в них стоячих хвиль відповідних пружних звукових коливань). Виготовивши стінки резонатора з відповідного матеріалу, можна досягти того, щоб вони відображали електромагнітні коливання з найменшими втратами. Обидва ці заходи дозволяють створити в резонаторі високу щільність електромагнітної енергії і, таким чином, збільшити коефіцієнт корисної дії всього пристрою в цілому.

За інших рівних умов посилення у цьому пристрої виявляється тим більше, що стоїть щільність потоку збуджених молекул. Чудово, що при деякій досить високій щільності потоку збуджених молекул і відповідних параметрах резонатора інтенсивність випромінювання молекул стає досить великою для того, щоб перекрити різні втрати енергії, і підсилювач перетворюється на молекулярний генератор надвисокочастотних коливань - так званий квантовий генератор. При цьому підводити до резонатора електромагнітну енергію високої частоти вже не потрібно. Процес індукованого випромінювання одних збуджених частинок підтримується за рахунок випромінювання інших. Понад те, за відповідних умов процес генерації електромагнітної енергії не обривається у тому разі, коли деяка її частина відводиться убік.

Квантовий генератор з дуже великою стабільністю Дає високочастотні електромагнітні коливання строго певної частоти і може бути використаний для вимірювання інтервалів часу. При цьому немає необхідності у тому, щоб він працював безперервно. Досить Періодично через певні проміжки часу порівнювати частоту електричного генератора астрономічного годинника з цим молекулярним стандартом частоти і в разі необхідності вводити корекцію.

Астрономічний годинник з корекцією по молекулярному аміачному генератору був побудований наприкінці п'ятдесятих років. Їх короткочасна нестабільність не перевищувала 10-12 за 1 хвилину, а нестабільність довготривала була близько 10-10, що відповідає спотворенням у відліку інтервалів часу лише на 1 сік за кілька сотень років.

Подальше поліпшення стандартів частоти і часу було досягнуто на основі цих ідей і використання в якості робочого тіла деяких інших частинок, наприклад талію і водню. При цьому особливо перспективним виявився квантовий генератор, який працює на пучку атомів водню, розроблений та побудований на початку шістдесятих років Гольденбергом, Клепнером та Рамзеєм. Цей генератор також складається з джерела частинок, сепаратора та резонатора, змонтованих у трубці (мал. 26), зануреної у відповідний хладагент. Джерело випромінює пучок атомів водню. У цьому пучку є збуджені і збуджені атоми водню, причому не збуджених значно більше, ніж збуджених.

Оскільки збуджені атоми водню від незбуджених своїм магнітним станом (магнітним моментом), то їх сепарації використовується не електричне, а магнітне полі, створюване парою магнітів. Істотними особливостями має і резонатор водневого генератора. Він виконаний у вигляді колби із плавленого кварцу, внутрішні стінки якої покриті парафіном. Завдяки багаторазовим (близько 10 000) пружним відбиттям атомів водню від шару парафіну довжина прольоту частинок і відповідно їх перебування в резонаторі, порівняно з молекулярним генератором, збільшується в тисячі разів. Таким чином, вдається отримати дуже вузькі спектральні лінії випромінювання атомів водню і в порівнянні з молекулярним генератором знизити нестабільність всього пристрою в тисячі разів.

Сучасні конструкції астрономічного годинника з водневим квантовим генератором за своїми показниками перевершили цезієвий атомно-променевий стандарт. Систематичного дрейфу у них не виявлено. Їхня короткочасна нестабільність становить лише 6*10 -14 за хвилину, а довготривала - 2*10 -14 за добу, що у десять разів менше, ніж у цезієвого стандарту. Відтворюваність показань годинника з водневим квантовим генератором дорівнює ±5*10 -13 , тоді як у цезієвого стандарту відтворюваність дорівнює ±3*10 -12 . Отже, і за цим показником водневий генератор приблизно в десять разів кращий. Таким чином, за допомогою водневого астрономічного годинника можна забезпечити точність вимірювання часу порядку 1 сек за інтервал близько сотні тисяч років.

Тим часом, ряд досліджень останніх років показали, що ця настільки висока точність вимірювання інтервалів часу, досягнута на основі атомно-променевих генераторів, ще не є граничною і може бути підвищена.

Передача точного часу

Отриманням та зберіганням точного часу завдання служби часу не обмежується. Не менш важливою її частиною є така організація передачі точного часу, за якої ця точність була б втрачена.

За старих часів передача сигналів часу проводилася за допомогою механічних, звукових або світлових пристроїв. У Петербурзі опівдні стріляла гармата; можна було також звірити свій годинник по баштовому годиннику Інституту метрології, що нині носить ім'я Д. І. Менделєєва. У морських портах як сигнал часу використовувалася падаюча куля. З кораблів, що стояли в порту, можна було бачити, як рівно опівдні куля зривалася з вершини спеціальної щогли і падала до її підніжжя.

Для нормального ходу сучасного інтенсивного життя дуже важливе завданняпредставляє забезпечення точним часом залізниць, пошти, телеграфу та великих міст. Тут не потрібна така висока точність, як при астрономічних та географічних роботах, але необхідно, щоб з точністю до хвилини у всіх частинах міста, у всіх кінцях нашої величезної країни весь годинник показував час однаково. Це завдання зазвичай вирішується за допомогою електричного годинника.

У годинниковому господарстві залізниць та установ зв'язку, у годинниковому господарстві сучасного міста електричний годинник відіграє велику роль. Пристрій їх дуже простий, проте з точністю до однієї хвилини у всіх пунктах міста вони показують однаковий час.

Електричний годинник буває первинним і вторичним. Первинний електричний годинник має маятник, колеса, спуск і є справжніми вимірниками часу. Вторинні електричні годинники є лише покажчиками: годинного механізму в них немає, а є лише порівняно простий пристрій, що пересуває стрілки раз на хвилину (рис. 27). При кожному розмиканні струму електромагніт відпускає якір і прикріплена до якоря "собачка", упираючись у храпове колесо, повертає його на один зуб. Сигнали електричного струму подаються на вторинне годинник або від центральної установки, або від первинного електричного годинника. В останні роки з'явився годинник, що розмовляє, сконструйований за принципом звукового кіно, який не тільки показує, а й повідомляє час.

Для передачі точного часунині служать головним чином електричні сигнали, що надсилаються за допомогою телефону, телеграфу і радіо. Протягом останніх десятиліть техніка їхньої передачі удосконалювалася, а точність відповідно зростала. У 1904 р. Бігурдан передав ритмічні сигнали часу з Паризької обсерваторії, прийняті обсерваторією Монсурі з точністю 0,02-0,03 сек. У 1905 р. регулярну передачу сигналів часу започаткувала Вашингтонська морська обсерваторія, з 1908 р. стали передавати ритмічні сигнали часу з Ейфелевої вежі, а з 1912 р. і з Грінвічської обсерваторії.

В даний час передача сигналів точного часу ведеться у багатьох країнах. У СРСР такі передачі веде Державний астрономічний інститут ім. П. К. Штернберга, і навіть ряд інших організацій. При цьому для передачі радіо показань середнього сонячного часу використовується цілий ряд різних програм. Наприклад, широкомовна програма сигналів часу передається наприкінці кожної години і складається із шести коротких імпульсів. Початок останнього з них відповідає часу тієї чи іншої години та 00 хв 00 сек. У морській та повітряній навігації застосовується програма з п'яти серій по 60 імпульсів та трьох серій по шість коротких сигналів, розділених більш довгими сигналами. Крім того, є ще низка спеціальних програм сигналів часу. Відомості про різні спеціальні програми сигналів точного часу публікуються у спеціальних виданнях.

Похибка передачі сигналів часу за широкомовними програмами становить близько ±0,01 - 0,001 сек, а за деякими спеціальними ±10 -4 і навіть ±10 -5 сек. Таким чином, в даний час розроблені методи та прилади, які дозволяють отримувати, зберігати та передавати час з дуже високим ступенем точності.

Останнім часом в області зберігання та передачі точного часу було реалізовано суттєво нові ідеї. Припустимо, що потрібно, щоб у ряді пунктів будь-якої території точність показань годин, що стояли там, була не гірше ±30 с, за умови безперервної роботи всіх цих годин протягом року. Такі вимоги пред'являються, наприклад, до міських та залізничних годин. Вимоги не дуже жорсткі, однак для того, щоб їх виконати за допомогою автономного годинника, потрібно, щоб добовий хід кожного екземпляра годинника був кращим ±0,1 с, а для цього потрібні прецизійні кварцові хронометри.

Тим часом, якщо для вирішення цього завдання використовується система єдиного часу, Що складається з первинного годинника і великої кількості пов'язаних з ними вторинного годинника, то високою точністю повинні мати лише первинні. Отже, навіть при підвищених витратах на первинний годинник і відповідно малих на вторинні можна у всій системі забезпечити хорошу точність за відносно невеликої загальної вартості.

Звичайно, при цьому потрібно зробити так, щоб вторинні години самі не вносили помилки. Описані раніше вторинні годинники з храповим колесом і собачкою, в яких за сигналом раз на хвилину пересувається стрілка, іноді дають збої. Причому з часом помилка їх показань накопичується. У сучасному вторинному годиннику застосовується різного роду перевірка і корекція показань. Ще більшу точність забезпечує вторинне годинник, в якому використовується змінний струм промислової частоти (50 гц), частота якого суворо стабілізована. Основною частиною цього годинника є синхронний електродвигун, що приводиться в рух змінним струмом. Таким чином, у цьому годиннику сам змінний струм є безперервним сигналом часу з періодом повторення 0,02 сек.

В даний час створено Всесвітню систему єдиного часу ВОЗАК (WOSAC; назва складена з перших літер слів: World-wide Sinchronisation of Atomic Clocks). Головний первинний годинник цієї системи розташований у р. Римі, штат Нью-Йорк, США, і складається з трьох атоміхронів (атомного цезієвого годинника), показання яких усереднюються. Таким чином забезпечується точність відліку часу, що дорівнює (1-3)*10 -11 . Цей первинний годинник пов'язаний із всесвітньою мережею вторинного годинника.

Перевірка показала, що з передачі сигналів точного часу по ВОЗАК від штату Нью-Йорк (США) до острова Оаху (Гавайські острови), т. е. приблизно 30 000 км, узгодження показань часу забезпечувалося з точністю до 3 мікросекунд.

Висока точність зберігання та передачі міток часу, досягнута в наші дні, дозволяє вирішувати складні та нові питання далекої космічної навігації, а також хоч і старі, але, як і раніше, важливі та цікаві питання про рух земної кори.

Куди пливуть материки?

Тепер ми можемо повернутися до завдання про рух материків, описаного в попередньому розділі. Це тим паче цікаво, що з півстоліття, минулі з часу появи робіт Вегенера до нашого часу, наукові суперечки навколо цих ідей ще стихли. Наприклад, У. Манк і Р. Макдональд в 1960 р. писали: "Деякі дані Вегенера незаперечні, проте більшість його аргументів цілком заснована на довільних припущеннях". І далі: "Великі зрушення континентів мали місце до винаходу телеграфу, середні зрушення - до винаходу радіо, а потім ніяких зрушень не спостерігалося".

Ці уїдливі зауваження не позбавлені підстав принаймні у першій своїй частині. Дійсно, довготривалі вимірювання, що проводилися свого часу Вегепером та його співробітниками в їх експедиціях по Гренландії (в одній з яких Вегенер трагічно загинув), були виконані з точністю, недостатньою для суворого вирішення поставленого завдання. Це зазначали ще його сучасники.

Одним із найбільш переконаних прихильників теорії руху материків у сучасному її варіанті є П. Н. Кропоткін. У 1962 р. він писав: "Палеомагнітні та геологічні дані свідчать про те, що протягом мезозою та кайнозою лейтмотивом руху земної кори було роздроблення двох стародавніх материків - Лавразії та Гондвани та розповзання їх частин у бік Тихого океануі до геосинклінального поясу "Тетіс". Нагадаємо, що Лавразія охоплювала Північну Америку, Гренландію, Європу і всю північну половину Азії, Гондвана - південні материки та Індію. Океан Тетіс простягався із Середземномор'я через Альпи, Кавказ і Гімалаї до Індонезії.

Той самий автор далі писав: "Єдність Гондвани простежено тепер з докембрія до середини крейди, а її роздроблення виглядає тепер як тривалий процес, що почався в палеозої і досяг особливого розмаху з середини крейдового періоду. З цього часу пройшло 80 мільйонів років. Отже, відстань. між Африкою та Південною Америкою зростало зі швидкістю 6 см на рік. Така сама швидкість виходить за палеомагнітними даними для переміщення Індостану з південної півкулі у північну". Проробивши за палеомагнітними даними реконструкцію розташування материків у минулому, П. М. Кропоткіна дійшов висновку, що "- в цей час континенти дійсно були збиті разом у таку брилу, яка нагадувала контури вегенерівської первинної материкової платформи".

Отже, сума даних, отриманих різними методами, показує, що сучасне розташування материків та його обриси сформувалися у минулому результаті низки розломів і значного переміщення материкових брил.

Питання сучасному русі материків вирішується виходячи з результатів довготних досліджень, проведених з достатньою точністю. Що в даному випадку означає достатню точність, можна побачити з того, що, наприклад, на широті Вашингтона зміні довготи на одну десятитисячну секунду відповідає зсув на 0,3 см. Оскільки передбачувана швидкість руху становить близько 1 м на рік, а сучасним службам часу вже доступне визначення моментів часу, зберігання та передача точного часу з точністю до тисячних та десятитисячних часток секунди, то для отримання переконливих результатів достатньо провести відповідні вимірювання з інтервалом у кілька років або кілька десятків років.

З цією метою у 1926 р. було створено мережу з 32 пунктів спостереження та проведено астрономічні довготривалі дослідження. У 1933 р. було проведено повторні астрономічні довготні дослідження, причому у роботу включилася вже 71 обсерваторія. Ці виміри, проведені на хорошому сучасному рівні, хоч і за не дуже довгий інтервал часу (7 років), показали, зокрема, що Америка не віддаляється від Європи на 1 м на рік, як думав Вегенер, а наближається до неї приблизно зі швидкістю 60 див на рік.

Таким чином, за допомогою дуже точних довготних вимірів, наявність сучасного переміщення великих материкових брил було підтверджено. Більше того, вдалося з'ясувати, що окремі частини цих материкових брил мають дещо різний рух.

Кожне астрономічне спостереження має супроводжуватися даними про час його виконання. Точність моменту часу може бути різною, залежно від вимог і властивостей явища, що спостерігається. Так, наприклад, при звичайних спостереженнях метеорів та змінних зірок цілком достатньо знати момент із точністю до хвилини. Спостереження сонячних затемнень, покриттів зірок Місяцем і особливо спостереження за рухом штучних супутників Землі вимагають позначки моментів з точністю не меншою, ніж до десятої частки секунди. Точні ж астрометричні спостереження добового обертання небесної сфери змушують використовувати спеціальні методи реєстрації моментів часу з точністю до 0,01 і навіть 0,005 секунди!

Тому одне з основних завдань практичної астрономії полягає в отриманні зі спостережень точного часу, зберіганні його та повідомленні даних про час споживачам.

Для зберігання часу астрономи мають дуже точний годинник, який регулярно перевіряють, визначаючи моменти кульмінацій зірок за допомогою спеціальних інструментів. Передача сигналів точного часу по радіо дозволила їм організувати всесвітню Службу часу, тобто зв'язати всі обсерваторії, що займаються спостереженнями такого роду, в одну систему.

До обов'язків Служб часу, крім подачі в ефір сигналів точного часу, також входить передача спрощених сигналів, які всім радіослухачам добре відомі. Це шість коротких сигналів, точок, які подаються перед початком нової години. Момент останньої точки, з точністю до сотої частки секунди, збігається з початком нової години. Любителю астрономії рекомендується користуватися цими сигналами для перевірки свого годинника. Перевіряючи годинник, ми не повинні їх перекладати, тому що при цьому механізм псуєте я, а астроном повинен берегти свій годинник, так як це один з основних його інструментів. Він повинен визначати «поправку годинника» - різницю між точним часом та їх показаннями. Ці поправки повинні систематично визначатися та записуватися у щоденник спостерігача; їх подальше вивчення дозволить визначити хід годинника і добре його дослідити.

Звичайно, бажано мати у своєму розпорядженні можливо кращий годинник. Що ж треба розуміти під терміном «добрий годинник»?

Необхідно, щоб вони якомога точніше зберігали свій хід. Порівняємо між собою два екземпляри звичайного кишенькового годинника:

Позитивний знак поправки означає, що для отримання точного часу треба до показання годинника додати поправку.

У двох половинах таблички наведено записи поправок годинника. Віднімаючи з нижньої поправки верхню і ділячи на кількість минулих між визначеннями доби, ми отримуємо добовий перебіг годин. Дані про хід наведені у тій же таблиці.

Чому ми назвали один годинник поганим, а інший хорошим? У перших годин поправка близька до нуля, але їх перебіг змінюється нерегулярно. У других – поправка велика, але хід рівномірний. Перший годинник придатний для таких спостережень, які не вимагають позначки часу точніше, ніж до хвилини. Інтерполювати їх показання не можна, а перевіряти їх треба кілька разів на ніч.

Другий, «хороший годинник», придатний для виконання складніших спостережень. Звичайно, корисно їх перевіряти частіше, але можна інтерполювати їх показання для проміжних моментів. Покажемо на прикладі. Припустимо, що спостереження зроблено 5 листопада о 23 год. 32 м. 46 с. по наших годинах. Перевірка годинника, проведена о 17 годині 4 листопада, дала поправку +2 м. 15 с. Добова хода, як видно з таблиці, +5,7 с. З 17 години 4 листопада до моменту спостереження пройшли 1 добу та 6,5 години або 1,27 доби. Помножуючи це число на добовий перебіг, отримуємо +7,2 с. Тому поправка годинника в момент спостереження дорівнювала не 2 м. 15 с., а +2 м. 22 с. Її ми додаємо до моменту спостереження. Отже, спостереження здійснено 5 листопада о 23 год. 35 м. 8 с.

Визначення точного часу, його зберігання та передача по радіо всьому населенню становлять завдання служби точного часу, що існує у багатьох країнах.

Сигнали точного часу по радіо приймають штурмани морського і повітряного флоту, багато наукових і виробничих організацій, які потребують знання точного часу. Знати точний час потрібно, зокрема, і для визначення географічн

їх довгота різних пунктів земної поверхні.

Рахунок часу. Визначення географічної довготи. Календар

З курсу фізичної географії СРСР вам відомі поняття місцевого, поясного та декретного рахунку часу, а також, що різниця географічних довгот двох пунктів визначають за різницею місцевого часу цих пунктів. Це завдання вирішується астрономічними методами, які використовують спостереження зірок. З визначення точних координат окремих пунктів проводиться картографування земної поверхні.

Для рахунку великих проміжків часу люди з давніх-давен використовували тривалість або місячного місяця, або сонячного року, тобто. тривалість обороту Сонця з екліптики. Рік визначає періодичність сезонних змін. Сонячний рік триває 365 сонячних днів 5 годин 48 хвилин 46 секунд. Він практично несумірний з добою та з довжиною місячного місяця – періодом зміни місячних фаз (близько 29,5 діб). Це і становить труднощі створення простого та зручного календаря. За багатовікову історію людства створювалося та використовувалося багато різних систем календарів. Але всі їх можна розділити на три типи: сонячні, місячні та місячно-сонячні. Південні скотарські народи користувалися зазвичай місячними місяцями. Рік, що складається з 12 місяців, містив 355 сонячних діб. Для узгодження рахунку часу по Місяцю та Сонцю доводилося встановлювати в році то 12, то 13 місяців і вставляти на рік додаткові дні. Простішим і зручнішим був сонячний календар, який застосовувався ще в Стародавньому Єгипті. В даний час у більшості країн світу прийнято також сонячний календар, але більш досконалого пристрою, званий григоріанським, про який йдеться далі.

При складанні календаря необхідно враховувати, що тривалість календарного року має бути якомога ближчою до тривалості обороту Сонця за екліптикою і що календарний рік повинен містити цілу кількість сонячної доби, тому що незручно починати рік у різний час доби.

Цим умовам задовольняв календар, розроблений олександрійським астрономом Созігеном та запроваджений у 46 р. до н.е. у Римі Юлієм Цезарем. Згодом, як вам відомо, з курсу фізичної географії він отримав назву юліанського або старого стилю. У цьому календарі роки вважаються тричі поспіль по 365 діб і називаються простими, наступний за ними рік – 366 діб. Він називається високосним. Високосними роками в юліанському календарі є роки, номери яких без залишку діляться на 4.

Середня тривалість року з цього календаря становить 365 діб 6 год, тобто. вона приблизно на 11 хв довша за істинну. Внаслідок цього старий стиль відставав від дійсного перебігу часу приблизно на 3 доби за кожні 400 років.

У григоріанському календарі (новому стилі), запровадженому СРСР 1918 р. і ще раніше прийнятому більшості країн, роки, закінчуються на два нулі, крім 1600, 2000, 2400 тощо. (тобто тих, у яких число сотень ділиться на 4 без залишку), не вважаються високосними. Цим і виправляють помилку в 3 доби, що накопичується за 400 років. Таким чином, середня тривалість року в новому стилі виявляється дуже близькою до періоду навернення Землі навколо Сонця.

До XX ст. різниця між новим стилем та старим (юліанським) досягла 13 діб. Оскільки нашій країні новий стиль було запроваджено лише 1918 р., то Жовтнева революція, скоєна 1917 р. 25 жовтня (за старим стилем), відзначається 7 листопада (за новим стилем).

Різниця між старим та новим стилями у 13 діб збережеться і у XXI ст., а у XXII ст. зросте до 14 діб.

Новий стиль, звичайно, не є абсолютно точним, але помилка в 1 добу накопичиться за ним лише через 3300 років.

Методика проведення 5 уроку
"Час та календар"

Мета уроку: формування системи понять практичної астрометрії про методи та інструменти вимірювання, рахунки та зберігання часу.

Завдання навчання:
Загальноосвітні: формування понять:

Практичної астрометрії про: 1) астрономічні способи, інструменти та одиниці виміру, рахунки та зберігання часу, календарі та літочислення; 2) визначення географічних координат (довготи) місцевості за даними астрометричних спостережень;

Про космічні явища: звернення Землі навколо Сонця, звернення Місяця навколо Землі та обертання Землі навколо своєї осі та про їх наслідки - небесні явища: схід, захід, добовий і річний видимий рух і кульмінації світил (Сонця, Місяця та зірок), зміну фаз Місяця .

Виховні: формування наукового світогляду та атеїстичне виховання під час знайомства з історією людського пізнання, з основними типами календарів та системами літочислення; розвінчання забобонів, пов'язаних з поняттями "високосний рік" та перекладом дат юліанського та григоріанського календарів; політехнічне та трудове виховання при викладі матеріалу про прилади для вимірювання та зберігання часу (годинник), календарі та системи літочислення та про практичні способи застосування астрометричних знань.

Розвиваючі: формування умінь: вирішувати завдання на розрахунок часу та дат літочислення та переведення часу з однієї системи зберігання та рахунки в іншу; виконувати вправи застосування основних формул практичної астрометрії; застосовувати рухому карту зоряного неба, довідники та астрономічний календар для визначення положення та умов видимості небесних світил та протікання небесних явищ; визначати географічні координати (довготу) місцевості за даними астрономічних спостережень.

Учні повинні знати:

1) причини повсякденних небесних явищ, породжених зверненням Місяця навколо Землі (зміна фаз Місяця, видимий рух Місяця по небесній сфері);
2) зв'язок тривалості окремих космічних та небесних явищ з одиницями та способами вимірювання, рахунку та зберігання часу та календарями;
3) одиниці виміру часу: ефемеридна секунда; добу (зоряні, справжні та середні сонячні); тиждень; місяць (синодичний та сидеричний); рік (зоряний та тропічний);
4) формули, що виражають зв'язок часів: всесвітнього, декретного, місцевого, літнього;
5) інструменти та способи вимірювання часу: основні типи годинників (сонячні, водяні, вогняні, механічні, кварцові, електронні) та правила їх використання для вимірювання та зберігання часу;
6) основні типи календарів: місячний, місячно-сонячний, сонячний (юліанський та григоріанський) та основи літочислення;
7) основні поняття практичної астрометрії: принципи визначення часу та географічних координат місцевості за даними астрономічних спостережень.
8) астрономічні величини: географічні координати рідного міста; одиниці виміру часу: ефемероїдну секунду; добу (зоряні та середні сонячні); місяць (синодичний та сидеричний); рік (тропічний) та тривалість року в основних типах календарів (місячному, місячно-сонячному, сонячному юліанському та григоріанському); номери часового поясу Москви та рідного міста.

Учні повинні вміти:

1) Використовувати узагальнений план вивчення космічних і небесних явищ.
2) Орієнтуватися біля Луні.
3) Вирішувати задачі, пов'язані з переведенням одиниць виміру часу з однієї системи рахунку в іншу за формулами, що виражають зв'язок: а) між зоряним та середнім сонячним часом; б) Всесвітнього, декретного, місцевого, літнього часу та використовуючи карту часових поясів; в) між різними системами літочислення.
4) Вирішувати задачі на визначення географічних координат місця та часу спостереження.

Наочні посібники та демонстрації:

Фрагменти фільму "Практичні застосування астрономії".

Фрагменти діафільмів "Очевидний рух небесних світил"; "Розвиток уявлень про Всесвіт"; "Як астрономія спростувала релігійні уявлення про Всесвіт".

Прилади та інструменти: географічний глобус; картка часових поясів; гномон та екваторіальний сонячний годинник, пісочний годинник, водяний годинник (з рівномірною та нерівномірною шкалою); свічка з поділами як модель вогняного годинника, механічний, кварцовий та електронний годинник.

Малюнки, схеми, фотографії: зміни фаз Місяця, внутрішнього пристрою та принципу дії механічного (маятникового та пружинного), кварцового та електронного годинника, атомного стандарту часу.

Завдання додому:

1. Вивчити матеріал підручників:
Б.А. Воронцов-Вельяминова: §§ 6 (1), 7.
Є.П. Левітана: § 6; завдання 1, 4, 7
А.В. Засова, Е.В. Кононовича: §§ 4(1); 6; вправа 6.6 (2,3)

2. Виконати завдання зі збірки завдань Воронцова-Вельямінова Б.А. : 113; 115; 124; 125.

План уроку

Етапи уроку

Методи викладу

Час, хв

Перевірка знань та актуалізація

Фронтальне опитування, бесіда

Формування понять про час, одиниці виміру та рахунки часу, заснованих на тривалості космічних явищ, зв'язку між різними "часами" та часовими поясами

Лекція

7-10

Знайомство учнів з методами визначення географічної довготи місцевості за даними астрономічних спостережень

Розмова, лекція

10-12

Формування понять про інструменти для вимірювання, рахунку та зберігання часу – години та про атомний зразок часу

Лекція

7-10

Формування понять про основні типи календарів та систем літочислення

Лекція, бесіда

7-10

Розв'язання задач

Робота біля дошки, самостійне вирішення завдань у зошиті

Узагальнення пройденого матеріалу, підбиття підсумків уроку, домашнє завдання

Методика викладу матеріалу

На початку уроку слід провести перевірку знань, придбаних на трьох попередніх уроках, актуалізуючи призначений до вивчення матеріал питаннями та завданнями під час фронтального опитування та бесіди з учнями. Частина учнів виконує програмовані завдання, вирішуючи завдання, пов'язані із застосуванням рухомої карти зоряного неба (аналогічні завданням завдань 1-3).

Ряд питань про причини небесних явищ, основні лінії та точки небесної сфери, сузір'я, умови видимості світил тощо. збігається з питаннями, що ставилися на початку минулих уроків. Вони доповнюються питаннями:

1. Визначте поняття "блиск світила" та "зоряна величина". Що знаєте про шкалу зоряних величин? Від чого залежить блиск зірок? Запишіть формулу Погсона на дошці.

2. Що ви знаєте про систему горизонтальних небесних координат? Навіщо вона застосовуються? Які площини та лінії є основними у цій системі? Що таке: висота світила? Зенітна відстань світила? Азімут світила? У чому переваги та недоліки цієї системи небесних координат?

3. Що ви знаєте про I екваторіальну систему небесних координат? Навіщо вона застосовуються? Які площини та лінії є основними у цій системі? Що таке: відмінювання світила? Полярна відстань? Часовий кут світила? У чому переваги та недоліки цієї системи небесних координат?

4. Що ви знаєте про II екваторіальну систему небесних координат? Навіщо вона застосовуються? Які площини та лінії є основними у цій системі? Що таке пряме сходження світила? У чому переваги та недоліки цієї системи небесних координат?

1) Як орієнтуватися біля Сонцю? По Полярній зірці?
2) Як визначити географічну широту місцевості із астрономічних спостережень?

Відповідні програмовані завдання:

1) Збірник задач Г.П. Суботина, завдання NN 46-47; 54-56; 71-72.
2) Збірник завдань Є.П. Розбитної, завдання NN 4-1; 5-1; 5-6; 5-7.
3) Страут Є.К. : перевірочні роботи NN 1-2 теми "Практичні основи астрономії" (перетворюються на програмовані в результаті роботи вчителя).

На першому етапі уроку у формі лекції здійснюється формування понять про час, одиниці виміру та рахунки часу, заснованих на тривалості космічних явищ (обертанні Землі навколо своєї осі, обігу Місяця навколо Землі та обігу Місяця навколо Сонця), зв'язку між різними "часами" та часовими поясах. Ми вважаємо за необхідне дати учням загальне поняттяпро зоряний час.

Потрібно звернути увагу учнів:

1. Тривалість доби та року залежить від того, в якій системі відліку розглядається рух Землі (чи пов'язана вона з нерухомими зірками, Сонцем тощо). Вибір системи відліку відбивається у назві одиниці рахунку часу.

2. Тривалість одиниць часу пов'язана з умовами видимості (кульмінаціями) небесних світил.

3. Введення атомного стандарту часу у науці було зумовлено нерівномірністю обертання Землі, виявленої у разі підвищення точності годин.

4. Введення поясного часу зумовлено необхідністю узгодження господарських заходів на території, що визначається межами часових поясів. Широко поширеною побутовою помилкою є ототожнення місцевого часу з декретним часом.

1. Час. Одиниці вимірювання та рахунки часу

Час - основна фізична величина, що характеризує послідовну зміну явищ станів матерії, тривалість їх буття.

Історично всі основні та похідні одиниці виміру часу визначаються на основі астрономічних спостережень за перебігом небесних явищ, обумовлених: обертанням Землі навколо своєї осі, обертанням Місяця навколо Землі та обертанням Землі навколо Сонця. Для виміру та рахунки часу в астрометрії користуються різними системами відліку, пов'язаними з тими чи іншими небесними світилами чи певними точками небесної сфери. Найбільшого поширення набули:

1. "Зорянечас, пов'язаний з переміщенням зірок на небесній сфері. Вимірюється годинниковим кутом точки весняного рівнодення: S = t ^; t = S - a

2. "Сонячнечас, пов'язаний: з видимим рухом центру диска Сонця з екліптики (справжнє сонячне час) або рухом "середнього Сонця" - уявної точки, що рівномірно переміщається по небесному екватору за той же проміжок часу, що і справжнє Сонце (середній сонячний час).

З введенням у 1967 році атомного стандарту часу та Міжнародної системи СІ у фізиці використовується атомна секунда.

Секунда – фізична величина, чисельно рівна 9192631770 періодам випромінювання, що відповідає переходу між надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.

Усі вищеописані "часи" узгоджуються між собою шляхом спеціальних розрахунків. У повсякденному житті використовується середній сонячний час.

Визначення точного часу, його зберігання та передача по радіо становлять роботу Служби Часу, яка існує у всіх розвинених країнах світу, у тому числі й у Росії.

Основною одиницею зоряного, істинного та середнього сонячного часу є доба. Зоряні, середні сонячні та інші секунди ми отримуємо поділом відповідної доби на 86400 (24 h 60 m 60 s).

Доба стала першою одиницею вимірювання часу понад 50 000 років тому.

Доба – проміжок часу, протягом якого Земля робить один повний оборот навколо своєї осі щодо якогось орієнтиру.

Зоряна доба – період обертання Землі навколо своєї осі щодо нерухомих зірок, визначається як проміжок часу між двома послідовними верхніми кульмінаціями точки весняного рівнодення.

Справжня сонячна доба – період обертання Землі навколо своєї осі щодо центру диска Сонця, який визначається як проміжок часу між двома послідовними однойменними кульмінаціями центру диска Сонця.

Зважаючи на те, що екліптика нахилена до небесного екватора під кутом 23њ 26¢ , а Земля обертається навколо Сонця по еліптичній (злегка витягнутій) орбіті, швидкість видимого руху Сонця по небесній сфері і, отже, тривалість істинної сонячної доби буде постійно. найшвидше поблизу точок рівнодень (березень, вересень), найповільніше поблизу точок сонцестоянь (червень, січень).

Для спрощення розрахунків часу в астрономії запроваджено поняття середньої сонячної доби – періоду обертання Землі навколо своєї осі щодо "середнього Сонця".

Середня сонячна доба визначається як проміжок часу між двома послідовними однойменними кульмінаціями "середнього Сонця".

Середня сонячна доба на 3 м 55,009 s коротша за зіркову добу.

24 h 00 m 00 s зоряний час дорівнює 23 h 56 m 4,09 s середнього сонячного часу.

Для визначеності теоретичних розрахунків прийнято ефемеридна (таблична)секунда, що дорівнює середньої сонячної секунди 0 січня 1900 року о 12 годині рівнопоточного часу, не пов'язаного з обертанням Землі. Близько 35000 років тому люди звернули увагу на періодичну зміну виду Місяця – зміну місячних фаз. Фаза Фнебесного світила (місяця, планети і т.д.) визначається ставленням найбільшої ширини освітленої частини диска d¢до його діаметру D: . Лінія термінаторарозділяє темну та світлу частину диска світила.

Рис. 32. Зміна фаз Місяця

Місяць рухається навколо Землі у той самий бік, в яку Земля обертається навколо своєї осі: із заходу на схід. Відображення цього руху є видиме переміщення Місяця на тлі зірок назустріч обертанню неба. Щодобово Місяць зміщується на схід на 13њ щодо зірок і за 27,3 діб здійснює повне коло. Так було встановлено другий після доби міра часу - місяць(Рис. 32).

Сидеричний (зоряний) місячний місяць- Період часу, протягом якого Місяць здійснює один повний оборот навколо Землі щодо нерухомих зірок. дорівнює 27 d 07 h 43 m 11,47 s.

Синодичний (календарний) місячний місяць - проміжок часу між двома однойменними послідовними фазами (зазвичай новолуннями) Місяця. дорівнює 29 d 12 h 44 m 2,78 s.

Рис. 33. Способи орієнтації на
місцевості по Місяцю

Сукупність явищ видимого руху Місяця і натомість зірок і зміни фаз Місяця дозволяє орієнтуватися Місяцем біля (рис. 33). Місяць утворюється вузьким серпіком на заході і зникає в променях ранкової зорі таким же вузьким серпом на сході. Подумки приставимо зліва до місячного серпа пряму лінію. Ми можемо прочитати на небі або літеру "Р" - "зростає", "роги" місяця повернені вліво - місяць видно на заході; або літеру "С" - "старіє", "роги" місяця повернені праворуч - місяць видно на сході. У місяць Місяць опівночі видно на півдні.

В результаті спостережень за зміною положення Сонця над горизонтом протягом багатьох місяців виник третій захід - рік.

Рік – проміжок часу, протягом якого Земля робить один повний оборот навколо Сонця щодо якогось орієнтиру (точки).

Зірковий рік - сидеричний (зоряний) період звернення Землі навколо Сонця, рівний 365,256320... середньої сонячної доби.

Аномалістичний рік - проміжок часу між двома послідовними проходженнями середнього Сонця через точку своєї орбіти (зазвичай, перигелій), дорівнює 365,259641... середньої сонячної доби.

Тропічний рік - проміжок часу між двома послідовними проходженнями середнього Сонця через точку весняного рівнодення, що дорівнює 365,2422... середньої сонячної доби або 365 d 05 h 48 m 46,1 s .

Всесвітній час визначається як місцевий середній сонячний час на нульовому (Грінвічському) меридіані.

Поверхня Землі розбита на 24 ділянки, обмежені меридіанами. часові пояси. Нульовий часовий пояс розташований симетрично щодо нульового (грінвічського) меридіана. Нумерація поясів дається від 0 до 23 із заходу на схід. Реальні межі поясів поєднані з адміністративними межами районів, областей чи держав. Центральні меридіани часових поясів відстоять один від одного рівно на 15њ (1 година), тому при переході з одного часового поясу в інший час змінюється на ціле число годин, а кількість хвилин і секунд не змінюється. Нова календарна доба (і Новий рік) починається на лінії зміни дати(демаркаційної лінії), що проходить в основному по меридіану 180? східної довготи поблизу північно-східного кордону Російської Федерації. На захід від лінії зміни дат число місяця завжди на одиницю більше, ніж на схід від неї. При перетині цієї лінії із заходу на схід календарне число зменшується на одиницю, а при перетині лінії зі сходу на захід календарне число збільшується на одиницю, що виключає помилку в рахунку при кругосвітніх подорожах і переміщеннях людей зі Східної в Західну півкулі Землі.

Поясне час визначається за такою формулою:
T n = T 0 + n , де Т 0 - Всесвітній час; n- Номер часового поясу.

Декретний час - поясний час, змінене ціле число годин урядовим розпорядженням. Для Росії дорівнює поясному, плюс 1 год.

Московський час - декретний час другого часового поясу (плюс 1:00):
Tм = T0 + 3 (години).

Літній час - декретний час, що змінюється додатково на плюс 1 годину за урядовим розпорядженням на період літнього часу з метою економії енергоресурсів.

Внаслідок обертання Землі різниця між моментами настання півдня або кульмінацій зірок з відомими екваторіальними координатами у 2 пунктах дорівнює різниці географічних довгот пунктів, що дає можливість визначення довготи даного пункту з астрономічних спостережень Сонця та інших світил та, навпаки, місцевого часу у будь-якому пункті з відомою довготою. .

Географічна довгота місцевості відраховується на схід від "нульового" (грінвічського) меридіана і чисельно дорівнює проміжку часу між однойменними кульмінаціями одного і того ж світила на мерідіані Грінвіч і в пункті спостереження: , де S- зоряний час у точці з даною географічною широтою, S 0 - Зірковий час на нульовому меридіані. Виражається в градусах або годинах, хвилинах та секундах.

Щоб визначити географічну довготу місцевості, необхідно визначити момент кульмінації будь-якого світила (зазвичай Сонця) із відомими екваторіальними координатами. Перевівши за допомогою спеціальних таблиць або калькулятора час спостережень із середнього сонячного в зоряне і знаючи за довідником час кульмінації цього світила на меридіані Грінвічі, ми без труднощів визначимо довготу місцевості. Єдину складність обчислень становить точне переведення одиниць часу з однієї системи до іншої. Момент кульмінації можна не "вартувати": досить визначити висоту (зенітну відстань) світила у будь-який точно зафіксований момент часу, але обчислення будуть досить складними.

На другому етапі уроку учні знайомляться з приладами для вимірювання, зберігання та лічби часу – годинами. Показання годинника служать еталоном, з яким можна порівнювати проміжки часу. Слід зазначити учнів те що, що у точному визначенні моментів і проміжків часу стимулювала розвиток астрономії і фізики: до середини ХХ століття астрономічні методи виміру, зберігання часу і зразки часу лежали основу світової Служби Часу. Точність ходу годинника контролювалася астрономічними спостереженнями. В даний час розвиток фізики призвело до створення більш точних способів визначення та еталонів часу, які стали використовуватися астрономами для досліджень явищ, що лежали в основі колишніх способів вимірювання часу.

Матеріал викладається у вигляді лекції, що супроводжується демонстраціями принципу дії та внутрішнього устрою годинника різного типу.

2. Прилади для вимірювання та зберігання часу

Ще в Стародавньому Вавилоні сонячна доба була розділена на 24 години (360?: 24 = 15?). Пізніше кожна година була розділена на 60 хвилин, а кожна хвилина на 60 секунд.

Першими приладами для вимірювання часу був сонячний годинник. Найпростіший сонячний годинник - гномон- являють собою вертикальну жердину в центрі горизонтального майданчика з розподілами (рис. 34). Тінь від гномона описує складну криву, що залежить від висоти Сонця і змінюється з кожним днем ​​залежно від положення Сонця на екліптиці, швидкість руху тіні теж змінюється. Сонячний годинник не вимагає заводу, не зупиняється і завжди йде правильно. нахиливши майданчик так, щоб жердина від гномона була націлена на полюс світу, ми отримаємо екваторіальний сонячний годинник, в якому швидкість руху тіні рівномірна (рис. 35).

Рис. 34. Горизонтальний сонячний годинник. Кути, що відповідають кожній годині, мають різну величину і розраховуються за формулою: , де a - кут між полуденною лінією (проекцією небесного меридіана на горизонтальну поверхню) та напрямком на числа 6, 8, 10..., що вказують годинник; j – широта місця; h - годинний кут Сонця (15њ, 30њ, 45њ)

Рис. 35. Екваторіальний сонячний годинник. Кожної години на циферблаті відповідає кут 15њ

Для вимірювання часу в нічний час і в негоді винайдено пісочний, вогняний і водяний годинник.

Пісочний годинник відрізняється простотою конструкції і точністю, але громіздкі і "заводяться" лише на короткий час.

Вогняний годинник є спіраль або паличку з пального речовини з нанесеними поділами. У Стародавньому Китаї створювалися суміші, що горять місяцями без постійного нагляду. Недоліки цього годинника: низька точність ходу (залежність швидкості горіння від складу речовини та погоди) та складність виготовлення (рис. 36).

Водяний годинник (клепсидри) застосовувався у всіх країнах Стародавнього світу (рис. 37 а, б).

Механічні годинникиз гирями та колесами було винайдено у Х-XI століттях. У Росії перший баштовий механічний годинник був встановлений в московському Кремлі в 1404 ченцем Лазарем Сорбіним. Маятниковий годинниквинайшов у 1657 році голландський фізик та астроном Х. Гюйгенс. Механічний годинник із пружиною винайшли у XVIII столітті. У 30-ті роки нашого століття винайшли кварцовий годинник. 1954 року в СРСР виникла ідея створення атомного годинника- "Державного первинного зразка часу та частоти". Вони були встановлені в науково-дослідному інституті під Москвою і давали випадкову помилку в 1 секунду раз на 500000 років.

Ще більш точний атомний (оптичний) стандарт часу було створено СРСР 1978 року. Помилка в 1 секунду відбувається раз на 10000000 років!

За допомогою цих та багатьох інших сучасних фізичних приладів вдалося з дуже високою точністю визначити значення основних та похідних одиниць виміру часу. Було уточнено багато характеристик видимого і істинного руху космічних тіл, відкрито нові космічні явища, у тому числі зміни швидкості обертання Землі навколо своєї осі на 0,01-1 секунду протягом року.

3. Календарі. Літочислення

Календар - безперервна система числення великих проміжків часу, заснована на періодичності явищ природи, що особливо виразно виявляється в небесних явищах (руху небесних світил). З календарем нерозривно пов'язана вся багатовікова історія людської культури.

Потреба в календарях виникла в такій глибокій старовині, коли людина ще не вміла читати і писати. Календарі визначали настання весни, літа, осені та зими, періоди цвітіння рослин, дозрівання плодів, збору лікарських трав, змін у поведінці та житті тварин, зміни погоди, час землеробських робіт та багато іншого. Календарі відповідають на запитання: "Яке сьогодні число?", "Який день тижня?", "Коли сталася та чи інша подія?" і дозволяють регулювати та планувати життя та господарську діяльність людей.

Виділяють три основні типи календарів:

1. Місячний календар, В основі якого лежить синодичний місячний місяць тривалістю 29,5 середньої сонячної доби. Виникло понад 30000 років тому. Місячний рік календаря містить 354 (355) діб (на 11,25 діб коротші за сонячний) і ділиться на 12 місяців по 30 (непарні) та 29 (парні) діб у кожному (у мусульманському календарі вони називаються: мухаррам, сафар, рабі аль- авваль, рабі ас-сані, джумада аль-уля, джумада аль-ахіра, раджаб, шаабан, рамадан, шавваль, зуль-каада, зуль-хіджра). Оскільки календарний місяць на 0,0306 діб коротший за синодичний і за 30 років різниця між ними досягає 11 діб, арабськоюмісячному календарі в кожному 30-річному циклі налічується 19 "простих" років по 354 доби та 11 "високосних" по 355 діб (2-а, 5-а, 7-а, 10-а, 13-а, 16-а, 18-й, 21-й, 24-й, 26-й, 29-й роки кожного циклу). Турецькамісячний календар менш точний: у його 8-річному циклі 5 "простих" та 3 "високосних" роки. Новорічна дата не фіксується (повільно переміщається рік у рік): так, 1421 рік хіджри розпочався 6 квітня 2000 р. і закінчиться 25 березня 2001 року. Місячний календар прийнятий як релігійний і державний у мусульманських державах Афганістані, Іраку, Ірані, Пакистані, ОАР та інших. Для планування та регулювання господарської діяльності паралельно застосовуються сонячний та місячно-сонячний календарі.

2.Сонячний календар, основою якого покладено тропічний рік. Виникло понад 6000 років тому. В даний час прийнятий як світовий календар.

Юліанський сонячний календар "старого стилю" містить 365,25 діб. Розроблений олександрійським астрономом Созігеном, запроваджений імператором Юлієм Цезарем у Стародавньому Римі у 46 р. до н.е. і поширився потім у всьому світі. На Русі було прийнято 988 р. н.е. У юліанському календарі тривалість року визначається 365,25 діб; три "прості" роки налічують по 365 діб, один високосний - 366 діб. У році 12 місяців по 30 та 31 день кожен (крім лютого). Юліанський рік відстає від тропічного на 11 хвилин 13,9 секунд на рік. За 1500 років його застосування накопичилася помилка у 10 діб.

В григоріанськоюсонячному календарі "нового стилю" тривалість року становить 365, 242 500 діб. У 1582 році юліанський календар за указом Папи Римського Григорія XIII був реформований у відповідність до проекту італійського математика Луїджі Ліліо Гараллі (1520-1576 рр.). Рахунок днів пересунули на 10 діб уперед і домовилися кожне століття, яке не ділиться на 4 без залишку: 1700, 1800, 1900, 2100 і т. д. не вважати високосним. Тим самим виправляється помилка на 3 доби за кожні 400 років. Помилка на 1 добу "набігає" за 2735 років. Нові століття та тисячоліття починаються з 1 січня "першого" року цього століття і тисячоліття: так, XXI століття та III тисячоліття нашої ери (н.е.) розпочнеться 1 січня 2001 року за григоріанським календарем.

У нашій країні до революції застосовувався юліанський календар "старого стилю", помилка якого до 1917 становила 13 діб. У 1918 році в країні було введено прийнятий у всьому світі григоріанський календар "нового стилю" і всі дати зрушили на 13 діб уперед.

Переклад дат юліанського календаря на григоріанський календар здійснюється за формулою: , де Т Гі Т Ю– дати за григоріанським та юліанським календарем; n - ціле число днів, З- Число повних минулих століть, З 1 - найближче число століть, кратне чотирьом.

Іншими різновидами сонячних календарів є:

Перський календар, який визначав тривалість тропічного року 365,24242 діб; 33-річний цикл включає 25 "простих" і 8 "високосних" років. Значно точніше григоріанського: помилка на 1 рік "набігає" за 4500 років. Розроблено Омаром Хайямом у 1079 році; застосовувався біля Персії та інших держав до середини ХІХ століття.

Коптський календар схожий на юліанський: року налічується 12 місяців по 30 діб; після 12 місяців у "простому" році додається 5, у "високосному" - 6 додаткових днів. Використовується в Ефіопії та деяких інших державах (Єгипет, Судан, Туреччина тощо) на території проживання коптів.

3.Місячно-сонячний календар, У якому рух Місяця узгоджується з річним рухом Сонця. Рік складається з 12 місячних місяців по 29 і по 30 діб у кожному, до яких для обліку руху Сонця періодично додаються "високосні" роки, що містять додатковий 13-й місяць. В результаті "прості" роки продовжуються 353, 354, 355 діб, а "високосні" - 383, 384 або 385 діб. Виник на початку I тисячоліття до н.е., застосовувався у Стародавньому Китаї, Індії, Вавилоні, Юдеї, Греції, Римі. В даний час прийнятий в Ізраїлі (початок року припадає на різні дні між 6 вересня та 5 жовтня) та застосовується, поряд з державним, у країнах Південно-Східної Азії (В'єтнамі, Китаї тощо).

Крім вищеописаних основних типів календарів було створено й у деяких регіонах Землі досі застосовуються календарі, які враховують видимий рух планет на небесній сфері.

Східний місячно-сонячно-планетний 60-річний календарзаснований на періодичності руху Сонця, Місяця та планет Юпітера та Сатурна. Виник на початку II тисячоліття до н. у Східній та Південно-Східній Азії. В даний час використовується в Китаї, Кореї, Монголії, Японії та деяких інших країнах регіону.

У 60-річному циклі сучасного східного календаря налічується 21912 діб (у перших 12-ти роках міститься 4371 доби; у другій та четвертій – 4400 та 4401 діб; у третій та у п'ятій – 4370 діб). У цей проміжок часу укладається два 30-річні цикли Сатурна (рівних сидеричним періодам його звернення ТСатурна = 29,46 » 30 років), приблизно три 19-річні місячно-сонячні цикли, п'ять 12-річних циклів Юпітера (рівних сидеричним періодам його обігу ТЮпітера= 11,86» 12 років) і п'ять 12-річних місячних циклів. Кількість днів на рік непостійна і може становити у "прості" роки 353, 354, 355 діб, високосні 383, 384, 385 діб. Початок року у різних державах припадає на різні дати з 13 січня до 24 лютого. Поточний 60-річний цикл розпочався у 1984 році. Дані про поєднання символів східного календаря наведено у Додатку.

Центральноамериканський календар культур індіанців майя та ацтеків застосовувався у період близько 300–1530 рр. н.е. Заснований на періодичності руху Сонця, Місяця та синодичних періодів обігу планет Венери (584 d) та Марса (780 d). "Довгий" рік тривалістю 360 (365) діб складався з 18 місяців по 20 діб у кожному та 5 святкових днів. Паралельно в культурно-релігійних цілях використовувався "короткий рік" із 260 діб (1/3 синодичного періоду звернення Марса) ділився на 13 місяців по 20 діб у кожному; "номерні" тижні складалися з 13 днів, що мали свій номер та назву. Тривалість тропічного року була визначена з високою точністю в 365,2420 d (помилка в 1 добу накопичується за 5000 років!); місячного синодичного місяця - 29,53059 d.

До початку ХХ століття зростання міжнародних наукових, технічних та культурно-економічних зв'язків зумовило необхідність створення єдиного, простого та точного Світового календаря. Існуючі календарі мають численні недоліки у вигляді: недостатньої відповідності тривалості тропічного року та дат астрономічних явищ, пов'язаних з рухом Сонця по небесній сфері, нерівної та непостійної тривалості місяців, неузгодженості чисел місяця та днів тижня, невідповідності їх назв положенню в календарі тощо. Неточності сучасного календаря виявляються

Ідеальний вічнийкалендар має незмінну структуру, що дозволяє швидко і однозначно визначати дні тижня за будь-якою календарною датою літочислення. Одним із найкращих проектів вічних календарів був рекомендований до розгляду Генеральною Асамблеєю ООН у 1954 році: при схожості з григоріанським календарем він був простішим та зручнішим. Тропічний рік ділиться на 4 квартали по 91 добу (13 тижнів). Щокварталу починається з воскресіння і закінчується суботою; складається з 3 місяців, у першому місяці 31 добу, у другому та третьому – 30 діб. Кожного місяця 26 робочих днів. Перший день року завжди воскресіння. Дані щодо цього проекту наведено у Додатку. Він не реалізований з релігійних міркувань. Введення єдиного Всесвітнього вічного календаря залишається однією із проблем сучасності.

Початкова дата та наступна система літочислення називаються ерою. Початкову точку відліку ери називають її епохою.

З давніх часів початок певної ери (відомо понад 1000 ер у різних державах різних регіонів Землі, у тому числі 350 – у Китаї та 250 у Японії) і весь хід літочислення пов'язувався з важливими легендарними, релігійними або (рідше) реальними подіями: часом царювання певних династій та окремих імператорів, війнами, революціями, олімпіадами, заснуванням міст і держав, "народженням" бога (пророка) або "створенням світу".

За початок китайської 60-річної циклової ери прийнято дату 1-го року царювання імператора Хуанді - 2697 р. до н.е.

У Римській імперії рахунок вівся від "підстави Риму" з 21 квітня 753 до н.е. і з дня царювання імператора Діоклетіана 29 серпня 284 р. н.е.

В Візантійська імперіяі пізніше, за традицією, на Русі – від прийняття християнства князем Володимиром Святославовичем (988 р. н.е.) до указу Петра I (1700 р. н.е.) рахунок років вівся "від створення світу": за початок відліку була прийнята дата 1 вересня 5508 до н.е. (перший рік "візантійської ери"). У Стародавньому Ізраїлі (Палестині) " створення світу " відбулося пізніше: 7 жовтня 3761 р. е. (перший рік " єврейської ери " ). Існували й інші, відмінні від найпоширеніших вищевказаних епох " від створення світу " .

Зростання культурно-економічних зв'язків та широке поширення християнської релігії на території Західної та Східної Європи породили необхідність в уніфікації систем літочислення, одиниць виміру та рахунки часу.

Сучасне літочислення - " Наша ера", "Нова ера(н.е.), "ера від Різдва Христового" ( Р.Х.), Anno Domeni ( A.D.- "Рок Господа") - ведеться від довільно обраної дати народження Ісуса Христа. Оскільки в жодному історичному документі вона не вказана, а Євангелія суперечать один одному, вчений монах Діонісій Малий у 278 р. ери Діоклетіана вирішив "науково", на основі астрономічних даних вирахувати дату епохи. В основу розрахунком було покладено: 28-річне "сонячне коло" – проміжок часу, за який числа місяців припадають точно на ті ж дні тижня, та 19-річне "місячне коло" – проміжок часу, за який однакові фази Місяця припадають на одні і ті самі дні місяця. Твір циклів "сонячного" та "місячного" кола з поправкою на 30-річний час життя Христа (28 ´ 19S + 30 = 572) дало початкову дату сучасного літочислення. Рахунок років згідно з ерою "від Різдва Христового" "приживався" дуже повільно: аж до XV століття н.е. (Тобто навіть 1000 років по тому) в офіційних документах Західної Європи вказувалося 2 дати: від створення світу і від Різдва Христового (AD).

У мусульманському світі за початок літочислення прийнято 16 липня 622 року нашої ери - день "Хіджжер" (переселення пророка Мохаммеда з Мекки в Медину).

Переклад дат із "мусульманської" системи літочислення Т Мв "християнську" (григоріанську) Т Гможна здійснити за формулою: (Рік).

Для зручності астрономічних та хронологічних розрахунків з кінця XVI століття застосовується запропоноване Ж. Скалігером літочислення юліанського періоду(J. D.). Безперервний рахунок днів ведеться з 1 січня 4713 до н.е.

Як у попередніх уроках, слід доручити учням самостійно доповнити табл. 6 відомостями про вивчені на уроці космічні та небесні явища. На це приділяється не більше 3 хвилин, потім вчитель перевіряє та коригує роботу школярів. Таблиця 6 доповнюється відомостями:

Матеріал закріплюється під час вирішення завдань:

Вправа 4:

1. 1 січня сонячний годинник показує 10 годин ранку. Який час показує в цей момент ваш годинник?

2. Визначте різницю у показаннях точного годинника та хронометра, що йде за зоряним часом, через 1 рік після їх одночасного пуску.

3. Визначте моменти початку повної фази місячного затемнення 4 квітня 1996 року в Челябінську та Новосибірську, якщо за всесвітнім часом явище відбулося в 23 h 36 m .

4. Визначте, чи можна спостерігати у Владивостоці затемнення (покриття) Місяцем Юпітера, якщо воно відбудеться в 1 h 50 m за всесвітнім часом, а Місяць зайде у Владивостоці в 0 h 30 m за місцевим літнім часом.

5. Скільки діб містив 1918 в РРФСР?

6. Яка найбільша кількість воскресень може бути у лютому?

7. Скільки разів на рік піднімається Сонце?

8. Чому Місяць завжди повернений до Землі однією і тією самою стороною?

9. Капітан корабля виміряв опівдні 22 грудня зенітну відстань Сонця і знайшов його рівним 66њ 33". Хронометр, що йде за грінвічським часом, показав у момент спостереження 11 h 54 m ранку. Визначте координати корабля і його положення на карті світу.

10. Якими є географічні координати місця, де висота Полярної зірки 64њ 12", а кульмінація зірки a Ліри відбувається на 4 h 18 m пізніше, ніж в обсерваторії Грінвіча?

11. Визначте географічні координати місця, де верхня кульмінація зірки a - - дидактика - контрольні роботи - завдання

Див. також:Всі публікації на ту саму тему >>

На обсерваторіях є інструменти, за допомогою яких найточніше визначають час - перевіряють годинник. Час встановлюють за положенням, яке займає світила над горизонтом. Для того щоб годинник обсерваторії йшов якомога точніше і рівномірніше в проміжку між вечорами, коли його перевіряють за положенням зірок, годинник поміщають у глибокі підвали. У таких підвалах цілий рік зберігається постійна температура. Це дуже важливо, оскільки зміни температури впливають на перебіг годинника.

Для передачі сигналів точного часу по радіо на обсерваторії є спеціальна складна годинна, електрична та радіоапаратура. Передані з Москви сигнали точного часу - одні з найточніших у світі. Визначення точного часу за зірками, збереження часу за допомогою точних годин та передача його по радіо - все це складає Службу часу.

ДЕ ПРАЦЮЮТЬ АСТРОНОМИ

Наукову роботу астрономи ведуть на обсерваторіях та в астрономічних інститутах.

Останні займаються головним чином теоретичними дослідженнями.

Після Великої Жовтневої соціалістичної революціїу нашій країні було створено Інститут теоретичної астрономії в Ленінграді, Астрономічний інститут ім. П. К. Штернберга у Москві, астрофізичні обсерваторії у Вірменії, Грузії та низку інших астрономічних установ.

Підготовка та навчання астрономів відбувається в університетах на механіко-математичних або фізико-математичних факультетах.

Головна обсерваторія у нашій країні – Пулковська. Вона була побудована в 1839 поблизу Петербурга під керівництвом найбільшого російського вченого. У багатьох країнах її справедливо називають астрономічною столицею світу.

Сімеїзька обсерваторія у Криму після Великої Вітчизняної війнибула повністю відновлена, а недалеко від неї збудовано нову обсерваторію в селі Партизанському під Бахчисараєм, де тепер встановлено найбільший в СРСР телескоп-рефлектор із дзеркалом діаметром 1? м, а незабаром буде встановлено рефлектор із дзеркалом діаметром 2,6 м - третій по. величині у світі. Обидві обсерваторії тепер складають одну установу – Кримську астрофізичну обсерваторію Академії наук СРСР. Астрономічні обсерваторії є у ​​Казані, Ташкенті, Києві, Харкові та інших місцях.

На всіх обсерваторіях у нас ведеться наукова роботаза узгодженим планом. Досягнення астрономічної науки в нашій країні допомагають широким верствам трудящих виробити правильне, наукове уявлення про навколишній світ.

Багато астрономічних обсерваторій існують і в інших країнах. З них найбільш відомі найстаріші з існуючих – Паризька та Грінвічська, від меридіана якої ведеться рахунок географічних довгот на земній кулі (нещодавно ця обсерваторія перенесена на нове місце, далі від Лондона, де багато перешкод для нічних спостережень неба). Найбільші у світі телескопи встановлені у Каліфорнії на обсерваторіях Маунт-Паломар, Маунт-Вільсон та Лікській. Остання з них побудована в наприкінці XIXв., а перші дві - вже у XX ст.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.


Схожі статті

Іван Тургенєв - побачення

Іван Тургенєв - побачення

Снігуронька (Весняна казка) А

Снігуронька (Весняна казка) А

Аналіз п'єси

Аналіз п'єси "Качине полювання" Вампілова А

×
Close