Цель:
- объяснить обучаемым причину возникновения международной системы единиц СИ;
- показать, что представляют собой эталоны метра, килограмма, звука, давления, силы, времени;
- познакомить с историей измерения времени;
- развитие познавательных интересов обучаемых.
Метод: объяснительно-иллюстративный.
Демонстрация: Презентация "Эталоны" (Приложение 1).
1. Немного истории. (Слайд 2. Приложение 1).
На момент введения метрической системы в Европе XVIII века насчитывалось не менее четырехсот различных по величине единиц измерения, имевших одинаковое название и применявшихся в разных странах. До сих пор в США и Великобритании используются разные тонны - короткая (примерно 907 кг) и длинная (примерно 1016 кг). Для облегчения торговых операций каждое государство стремилось стандартизовать меры и таким образом облегчить торговые операции с соседями. Всего же в XI-XVIII веках по подсчетам историков в мире применялось не менее 250 тысяч единиц измерения.
У нас в России можно было насчитать не менее десятка мер веса: фунт, пуд, золотник, куна, берковец, безмен, гривна и гривенка, почка и капь, контарь и терези. При этом от случая к случаю могли менять не только абсолютные значения каждой из них, но и соотношения.
Отсюда нам с детства знакомы русские пословицы и поговорки, в которых использованы разные меры единиц. Сейчас мы с вами попытаемся объяснить несколько из них.
Например:
Борода с аршин, а сам с кувшин
От горшка - три вершка
Борода с локоть, а сам с ноготь
К милому семь вёрст не околица
Плечи - косая сажень.
Семи пядей во лбу
Мал золотник да дорог.
Чему же равны аршин, вершок, косая сажень, пядь и золотник? (Слайды 3, 4. Приложение 1).
Вопрос к обучаемым: Какие вы можете привести подручные средства измерений?
(Спичечный коробок, карандаш).
(Можно предложить обучаемым измерить свою пядь и локоть).
2. Немного истории о возникновении системы единиц СИ.
Точность весов и соответствие гирь определенным "государственным стандартам" начали регулярно проверять как по требованию таможенного ведомства, так и по просьбам и жалобам торговых людей уже с конца XVI века. Так, в архивах сохранилась жалоба таможенного головы Никиты Быкова от 1645 года с просьбой заменить весы и меры веса в Устюжне Железопольской. Иногда жалобы на неточность гирь и весов на различных таможнях поступали от иностранцев и, учитывая важность торговли с другими странами, удовлетворялись немедленно. Единой государственной организации по поверке мер и весов (то есть сличению их с эталоном) в России не существовало. Попытки систематизировать и стандартизировать системы мер и весов на государственном уровне были приняты в 1736 году Комиссией весов и мер во главе с главным директором Монетного правления графом Михаилом Головкиным. Она проработала до 1742 года и итогом её работы стала единая научно-обоснованная система основных российских мер и прототипов русских мер, узаконенная указом "О системе Российских мер и весов" от 11 октября 1835 года, которая просуществовала в России до 1927 года фактически в неизменном виде. В 1842 году было создано "Депо образцовых мер и весов". В 1892 году хранителем "Депо" стал Дмитрий Менделеев. В 1893 году Депо было переименовано в "Главную палату мер и весов". Итогом работы Палаты стал Закон 1899 года об утверждении Положения о мерах и весах, который устанавливал порядок хранения эталонов мер, расширял функции Палаты по поверке мер и вносил крупные нововведения в организацию поверочного дела в стране. Закон 1899 года помимо российских мер с 1 января 1900 года вводил в обращение и традиционные сегодня метрические меры - килограмм и метр.
Идея создания единой системы мер возникла во Франции еще в XVII-XVIII веках, однако была воплощена в жизнь лишь благодаря буржуазной революции 1789 года. В мае 1790 года Национальное собрание поручило Парижской академии наук подготовить новую систему мер. Физики Лавуазье ( 1743-1794) и Рене-Жюст Гаюи ( 1743-1822) подготовили материалы для определения веса воды - основу для измерения тяжести. За единицу веса приняли вес кубического дециметра дистиллированной воды, взятой при наибольшей плотности (+ 4 °С). Взвешивание проводилось в вакууме и в месте, находящемся на уровне моря и на широте 45°. Полученная величина была названа килограммом и составляла 1000 грамм (от греческого "грамма" - надпись, обозначение).
Дальше надо было убедить и другие страны провести у себя похожую реформу. В мае-июне 1799 года был созван Международный конгресс, но в нем приняли участие лишь несколько стран - Европу раздирала война. Тем не менее на нем удалось связать новые фундаментальные единицы с определенными природными явлениями. Метр составил сорокамиллионную долю земного меридиана, секунда - часть солнечных суток, килограмм - вес кубического дециметра воды при 4 °С, взвешенного при определенных условиях. Прототипы в виде линейки и гири из платины были представлены членам Французского парламента и участникам конгресса, а после сданы в Национальный Архив республики. Также были изготовлены железные копии эталонов метра и килограмма, их использовали как образцы при промышленном производстве гирь, линеек и мерных лент. Юридически метрическая система была введена во Франции в декабре 1799 года, однако практически стала обязательной в стране и её колониях только с 1 января 1840 года.
В 1872 году в Париже была созвана Международная комиссия по изготовлению образцов метрической системы для всех народов, в ней участвовали представители тридцати государств. Комиссия признала за основы метрической системы архивные метр и килограмм, изготовленные в 1799 году. В 1875 году семнадцатью странами была подписана Метрическая конвенция "для обеспечения международного единства и усовершенствования метрической системы" и учреждено Международное бюро мер и весов - постоянное учреждение, находящееся в предместье Парижа.
После революции 1917 года к соглашениям присоединилась и новая республика, РСФСР. По постановлению СНК (Совет Народных Комиссаров - аналог кабинета министров) следовало "положить в основание всех измерений международную метрическую систему мер и весов с десятичными подразделениями и производными. Принять за основу единицу длины - метр, а за основу единицы веса - килограмм. За образцы основных единиц метрической системы принять копию международного метра, носящую знак № 28, и копию международного килограмма, носящую знак № 12, изготовленные из иридиевой платины, переданные России I Международной Конференцией Мер и Весов в Париже в 1889 году и хранимые ныне в Главной Палате Мер и Весов в Петрограде".
В СССР пользоваться старыми единицами мер и весов запрещалось с 1 января 1927 года.
3. Эталон килограмма.
Национальные эталоны килограмма и метра есть у всех стран. Их международные прототипы вместе с двумя контрольными к каждому прототипу образцами ещё в 1889 году были помещены на хранение в специальное здание - Бретейльский павильон парка Сен-Клу в окрестностях Парижа. Прототип килограмма представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой равны по 39 мм. Сверка прототипа килограмма и метра с контрольными образцами проводится раз в 25 лет. За 108 лет килограмм потерял около 3·10-8 части своей части массы. (Слайд 5, 6, 7. Приложение 1).
Килограмм чахнет. Об этом ясно говорят сравнения с другими обитателями сейфа. Природа болезни загадочна, но все симптомы налицо: за сто лет килограмм теряет около 0,00000003-й части своей драгоценной массы.
Вопрос к обучаемым: Как вы думаете, к чему это может привести?
Похудение всего на 50 микрограмм (меньше веса соляной крупинки) может серьёзно исказить результаты сложных научных вычислений. (Слайд 8. Приложение 1).
2003 год. Международная команда исследователей из Германии, Австралии, Италии и Японии под эгидой Немецкой лаборатории стандартов), ведёт переопределение килограмм, как массы определённого числа атомов изотопа кремния-28. В лаборатории сделан совершенно круглый килограммовый шар из чистого кристаллического кремния. ( Слайд 9. Приложение 1).
Если точно известно, какие атомы составляют кристалл, и на каком расстоянии они находятся друг от друга, то, измерив, размер шара, можно вычислить число атомов кремния, его составляющих. Это число и будет определением килограмма.
Для производства шара необходимо было получить изотоп кремния очень высокой степени очистки. Помощь в этом начинании оказала Россия - на старых, ещё советских ядерных оружейных фабриках имеются центрифуги, использовавшиеся для выработки высокообогащённого урана.
Полученный шар потребовалось измерить на "круглость". Кристалл был педантично замерен в полумиллионе точек. Вывод: шар - самое круглое творение рук человеческих. Если увеличить шар до размеров Земли, высота Эвереста составит всего четыре метра.
Интригующая особенность шара: совершенно невозможно на глаз определить, покоится он или вращается. Только если на поверхность упадёт пылинка, взгляду будет за что зацепиться.
основных единиц СИ. Второй проект, под названием "Электронный килограмм" начат в 2005 г. в Национальном институте стандартов и технологии США (NIST). Руководитель данного проекта Ричард Стайнер утверждает, что над созданием "электронного килограмма" он работает более десяти лет. Учёные под руководством доктора Стайнера создали прибор, который измеряет мощность, необходимую для генерации электромагнитного поля, с помощью которого можно поднять один килограмм массы. С его помощью учёным удалось определить массу в один килограмм с точностью до 99,999995 %.
4. Эталон метра.
Метр был впервые введён во Франции в XVIII веке и имел первоначально два конкурирующих определения: как длина маятника с полупериодом качания на широте 45°, равным 1 c (в современных единицах эта длина равна примерно 0,981 м).как одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана (то есть одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа).
Первоначально за основу было принято первое определение (8 мая 1790, Французское Национальное собрание). Однако, поскольку ускорение свободного падения зависит от широты и, следовательно, маятниковый эталон недостаточно воспроизводим, Французская Академия наук в 1791 предложила Национальному собранию определить метр через длину меридиана. Первый прототип эталона метра был изготовлен из латуни в 1795 году. Следует отметить, что единица массы (килограмм, определение которого было основано на массе 1 дм? воды), тоже была привязана к определению метра.В 1799 из сплава 90 % платины и 10 % иридия был изготовлен эталон метра, длина которого соответствовала одной сорокамиллионной части Парижского меридиана. В 1889 был изготовлен более точный международный эталон метра. Этот эталон тоже изготовлен из сплава платины и иридия и имеет поперечное сечение в виде буквы "X". Его копии были переданы на хранение в страны, в которых метр был признан в качестве стандартной единицы длины. Этот эталон всё ещё хранится в Международном бюро мер и весов, хотя больше по своему первоначальному назначению не используется. (Слайды 10, 11, 12. Приложение 1).
Хотя международный и национальный эталоны метра были изготовлены из сплава иридия и платины, отличающегося значительной твердостью и большим сопротивлением окислению, однако не было полной уверенности в том, что длина эталона с течением времени не изменится. Это объясняется тем, что металлические стержни, подвергшиеся ранее термической и механической обработке, получают внутренние упругие напряжения, которые вызывают медленные микрокристаллические изменения их структуры. При периодических сравнениях эталонов метра различных стран с международным прототипом нельзя обнаружить малых изменений их длины, так как все эталоны изготовлены из одного и того же сплава, и, следовательно, претерпевают одинаковые изменения. Погрешности сличения между собой платино- иридиевых штриховых метров находятся в пределах плюс/минус 1,1 * 10 -7 мм (плюс/минус 0,11 мкм).
Так как штрихи имеют значительную ширину, существенно повысить точность этого сличения нельзя. В 1895 году II-я Генеральная конференция по мерам и весам признала, естественным свидетелем размера метра является длина световой волны монохроматического света. После изучения спектральных линий ряда элементов было найдено, что наибольшую точность воспроизведения единицы длины обеспечивает оранжевая линия изотопа криптона-86. XI Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 году приняла выражение размера метра в длинах этих волн как наиболее точное его значение. На основе этого решения утверждено следующее определение: метр- длина, равная 1650763,73 длины между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона-86.
Значит ли это, что эталон- стержень потерял свое значение, или изменил свой размер? Нет, его размер не изменился, и точность измерений он обеспечивает ту же, но потерял свое первенство. Теперь первичным эталоном стала длина волны оранжевой линии спектра криптона, точнее, длина 1650763,73 этих волн. Кроме повышения точности измерения (там, где это необходимо), новый первичный эталон дает возможность следить за постоянством платино- иридиевого эталона, ставшего теперь вторичным эталоном.
5. История измерения времени.
Призрачно все в этом мире бушующем.
Есть только миг, - за него и держись.
Есть только миг между прошлым и будущим,
Именно он называется жизнь.
Леонид Дербенев
Пространство и время - это философские категории
Время наряду с пространством составляет сущность нашего мира, образует арену деятельности людей, является основным предметом их познания. С осознанием понятия времени связаны осознание безвозвратности прошлого, мимолетности настоящего, непознаваемости будущего.
Человек не может двигаться по шкале времени - от прошлого к будущему, и от будущего к прошлому. Он только живет в своем времени. Стрела времени направлена только от прошлого к будущему. Машины времени не существует. Человек не может освободиться от времени или управлять им. Он только научился "останавливать мгновенье" с помощью книг, граммофонных и магнитных записей звука, фотографии, кино и видеозаписей. Но он не может жить, действовать, развиваться без ориентации во времени, без синхронизации своего поведения с изменениями окружающей среды, с поведением других людей и иных объектов.
Природа, создавшая человека, снабдила его и другие живые организмы специальным биологическим механизмом для ориентировочной интуитивной оценки времени - биологическими часами - способностью животного и человека ориентироваться во времени. Она основана на строгой периодичности физико-химических и физиологических процессов в клетках - биологических ритмах, циклических колебаниях интенсивности и характера биологических процессов и явлений.
Понятие о течении времени подсказала древнему человеку периодическая смена дня и ночи, времен года. События текущей жизни потребовали измерять время.
Летосчисление (или календарь) - это система исчисления больших промежутков времени. Во многих системах летосчисления счет велся от какого-либо исторического или легендарного события.
Каждый народ использовал свои способы датировки исторических событий. Одни вели отсчет лет от предполагаемого сотворения мира: так евреи датировали его 3761 до н. э., александрийская хронология считала этой датой 25 мая 5493 до н. э. Римляне начинали отсчет от легендарного основания Рима (753 до н. э.). Парфяне вели отсчет лет от вступления на трон первого царя,
египтяне - с начала правления каждой следующей династии. Каждая мировая религия основывала свой календарь.
Христианская церковь приурочила начало летосчисления к рождению Иисуса Христа. Эта система летосчисления (новая эра) принята в настоящее время в большинстве стран. У народов, исповедующих ислам, летосчисление ведется от 622 н. э. (от даты переселения Мухаммеда - основателя ислама - в Медину).
Никто точно не знает, почему год делится на 12 месяцев (такое деление не соответствует ни лунному, ни солнечному календарю). Считается, что деление часа на 60 минут связано с вавилонской системой счисления, в основе которой было не 10, а 60.
Деление месяца на семидневные недели, возникшее на Древнем Востоке, в I веке до н. э. стало употребляться в Риме, откуда позднее распространилось по всей Европе.
В заимствованной римлянами семидневной неделе только один день имел особое название - "суббота" (др. евр. sabbath - отдых, покой), остальные дни назывались порядковыми номерами в неделе: первый, второй и т.д.; ср. в русском понедельник, вторник и т. д., где "неделя" означала первоначально нерабочий день (от "не делать"). Римляне назвали дни недели по семи светилам, носившим имена богов. Названия следующие: суббота - день Сатурна, дальше - день Солнца, Луны, Марса, Меркурия, Юпитера, Венеры.
Несовершенство естественных биологических часов заставило человека придумывать и создавать искусственные устройства, более эффективно выполняющие функции измерения времени в течение суток, дней, недель, месяцев, лет - часы.
Часы являются сегодня самым массовым измерительным прибором.
Важнейшим и самым распространенным простейшим прибором измерения времени были солнечные часы. В солнечных часах использовался постоянный периодический процесс вращения Земли. Но солнечные часы работали только днем и только в ясную погоду, когда светит солнце, да и то недостаточно точно. (Слайд 13. Приложение 1).
Водяные часы, огненные часы - свечи с нанесенными на них делениями, и песочные часы могли работать в любое время суток и в любую погоду. Они обеспечивали точность измерения времени уже плюс/минус 15-20 мин. Клепсидра - древнейшие часы. (Слайды 14, 15, 16. Приложение 1)
В качестве так называемых "огненных" часов использовались свечи, на которые равномерно наносились метки. Расстояние между метками служило единицей времени.
Надежные часы были необходимы прежде всего церкви - для уточнения времени богослужения. Сначала с этой задачей более или менее успешно справлялись солнечные часы, со временем их заменили башенные часы с боем.
Следующий этап в измерении времени - изобретение механических - башенных колесных часов. В середине XIV в городах Европы строили городские колокольни с часами. Ее колокола отбивали церковные часы, время коммерческих сделок и работы ремесленников. Время необходимо было знать и в мануфактурах, где результат работы зависел от точного соблюдения продолжительности отдельных технологических процессов. (Слайд 17. Приложение 1)
Механические колесные часы надежно работали только на суше, для морских путешествий они не были приспособлены.
В 1657 году голландский ученый Христиан Гюйгенс изготовил механические часы с маятником. Точность часов значительно возросла, но перевозить такие часы все равно было нельзя. В 1670 году был изобретен анкерный спуск, обеспечивавший равномерный ход часового механизма.
Компактные переносные механические хронометры стало возможным изготовлять после изобретения Гюйгенсом в 1675 году вращательного балансира и использования пружины вместо гирь. Сочетание крутильного маятника, спиральной пружины и анкерного спуска открыло дорогу созданию массовых малогабаритных часов, морских хронометров и значительно повысило точность астрономических наблюдений.
Точные часы - хронометры были необходимы для морской навигации. Их изготовил в 1735 году англичанин Джон Харрисон. Их точность была плюс/минус 5 секунд в сутки, и они уже были вполне пригодны для морских путешествий.
В начале XIX века с проблемой хранения времени столкнулись почтовые службы, пытавшиеся обеспечить движение почтовых экипажей по расписанию. В результате они обзавелись часами, которые можно было возить с собой. А с появлением железных дорог часы получили и кондукторы поездов. Чем активнее развивалось трансатлантическое сообщение, тем важнее требовалось обеспечить единство отсчета времени по разные стороны океана. В этой ситуации механические часы уже не годились. И тут на помощь пришло электричество. Электрические часы решили проблему синхронизации на больших расстояниях - сначала на материках, а потом и между ними. В 1851 году кабель был проложен по дну Ла-Манша, в 1860-м - Средиземного моря, а в 1865-м - Атлантического океана. А с 1899 года началась передача сигналов точного времени по радио.
Электрические часы изобрел в 1847 году англичанин Александр Бэйн.
В 1918 году были впервые построены первые кварцевые часы.
В 1972 году появились первые в мире электронные часы с жидкокристаллическим дисплеем.
В 1949-м были построены первые атомные часы, где в качестве источника колебаний выступил не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Эта электромагнитная волна, то есть фотон радиоизлучения, характеризуется очень высокой стабильностью энергии и частоты колебаний. В 1955-м появились первые атомные часы на основе атомов цезия, используются атомы водорода и рубидия.
Со времени изобретения атомных часов их точность повышалась в среднем вдвое каждые 2 года. Этот процесс продолжается и сегодня.
В 1967 году перешли на атомный эталон времени.
Многие люди отмечают, что с возрастом время течет быстрее. Но, то же самое, говорят и достаточно молодые люди.
Вопрос к обучаемым: "Как вы это можете объяснить?"
Конечно, это можно объяснить постоянно ускоряющимся темпом жизни. Поезда и самолеты все быстрее доставляют нас в другие города, страны и континенты. Средства массовой информации обрушивают на наши бедные головы все возрастающий поток информации. Благодаря радио, телевидению и Интернету мы узнаем о событии практически сразу, после того как оно произошло. Но швейцарские ученые находят кажущемуся ускорению времени и другое объяснение. Они считают, что с возрастом биологические часы человека начинают "отставать". И поэтому ему кажется, что события вокруг него бегут быстрее. По аналогии, постарайтесь идти по подземному переходу в метро медленнее темпа движения толпы вокруг вас. И вы сразу заметите, что вас со всех сторон обгоняют люди. Так и время обгоняет нас.
6. Система СИ.
В 1960 XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла единую Международную систему единиц (СИ), дала определение основных единиц этой системы и предписала употребление некоторых производных единиц, "не предрешая вопроса о других, которые могут быть добавлены в будущем". Тем самым впервые в истории международным соглашением была принята международная когерентная система единиц. В настоящее время она принята в качестве законной системы единиц измерения большинством стран мира.
Международная система единиц (СИ) представляет собой согласованную систему, в которой для любой физической величины, такой, как длина, время или сила, предусматривается одна и только одна единица измерения. Некоторым из единиц даны особые названия, примером может служить единица давления паскаль, тогда как названия других образуются из названий тех единиц, от которых они произведены, например единица скорости - метр в секунду. Из всех производных механических единиц наиболее важное значение имеют единица силы ньютон, единица энергии джоуль и единица мощности ватт. Ньютон определяется как сила, которая придает массе в один килограмм ускорение, равное одному метру за секунду в квадрате. Джоуль равен работе, которая совершается, когда точка приложения силы, равной одному ньютону, перемещается на расстояние один метр в направлении действия силы. Ватт - это мощность, при которой работа в один джоуль совершается за одну секунду. (Слайды 18-22. Приложение 1).
7. Заключительное слово учителя.