Исследовательская практическая работа "Способы измерения времени"
проект по физике (8 класс) по теме

Исследовательская работа:

Способы измерения времени

Бухалова Марина   Николаевна, учитель физики                    

Рабочеостровск Кемского района Республики Карелия

 2013 – 2014 учебный год

Оглавление

1. Введение

1.1 Актуальность выбора темы

Время - это самый важный и невосполнимый ресурс любого человека. Более 4 тысяч лет люди пытаются вести учёт времени, создавая различные календарные системы и устройства измерения времени.

Что такое время? Самый простой ответ: время – это то, что показывают часы. Подробное знакомство с историей возникновения часов позволило увидеть удивительные вещи.  Во-первых, понять, что в основе измерения времени во всех часах лежит принцип периодичности. Во-вторых, предположить, что путь, пройденный человечеством с глубокой древности до наших дней, можно рассмотреть не только через великие даты, события, жизнь знаменитых людей, но и через историю великого изобретения – часов. В-третьих, осознать, что часы стали  первым автоматом,  созданным  для  практических  целей  и  получившим  повсеместное распространение. Трудно назвать еще какое - либо устройство, давшее столь богатое  поле  для  работы человеческой мысли. Наконец, мы с научным руководителем взяли на себя смелость попробовать сделать разные часы, используемые в глубокой древности, и посмотреть, как они работают в наши дни.  

1.2 Цели и задачи исследовательской работы

Цель исследования - экспериментальное изучение некоторых видов часов.

Задачи:

1. Изучить особенности солнечных, песочных, огненных и водяных часов.
2. Описать принцип работы и способы изготовления солнечных и водяных часов.
3. Изготовить модели водяных часов и солнечных (экваториальных и  горизонтальных)

Объект исследования - процесс измерения времени.

Предмет - виды часов как инструменты измерения времени.

Гипотезы исследования:

Во-первых, если пользоваться конструкцией часов, связанной с движением солнца, то можно обеспечить точное измерение промежутка времени.

Во-вторых, если связать скорость вытекания жидкости из одного сосуда в другой с объёмом вытекающей жидкости, то можно создать водяные часы.

Методы исследования: теоретические – анализ, синтез, сравнение, обобщение; эмпирические - экспериментальное измерение времени в условиях географической широты         п. Рабочеостровска с помощью солнечных часов; экспериментальное измерение интервалов времени с помощью водяных часов.

2. Теоретический материал для исследовательской работы.

2.1. Виды часов

Как известно, основное применение часов — временная ориентация в течение суток. При помощи часов, возможно, планировать свою деятельность, измерять длительность различных событий, промежутков между ними, определять продолжительность положения во временном процессе от какой-либо точки отсчёта до момента измерения, то есть вести учет количества прошедших эталонных событий и т. д.

Интересен вопрос о классификации часов. В литературе нам удалось найти два подхода к классификации: по размерам и портативности; по механизму измерения [6]. Представим их в таблице.

Таблица 1. Классификация видов часов

В данном исследовании мы выбрали классификацию по механизму измерения. Рассмотрим отдельные виды часов с точки зрения принципа их работы, а также достоинств и недостатков.

Важнейшим и самым распространенным простейшим хронометрическим прибором были солнечные часы. Виды солнечных часов:

1. Экваториальные - это самые простые в изготовлении и установке солнечные   часы. Плоскость их циферблата лежит в плоскости небесного экватора и расположена под углом 90° , географическая широта  для Рабочеостровска   равна 65°. Для их изготовления понадобятся: плоская поверхность (кадран), на которой мы будем размечать циферблат, и вертикальный указатель (гномон), тень которого будет показывать время (приложение 1).
2. Горизонтальные часы рассчитать, сложнее, чем экваториальные, но зато время они могут показывать круглый год. Вся сложность построения - в разметке часовых линий, которые в данном случае будут располагаться на циферблате не равномерно. В этих часах кадран лежит строго горизонтально, а гномон направлен на север и расположен к поверхности кадрана под углом, равным географической широте местности  (Приложение 1).
3. Вертикальные часы много веков украшают стены домов, церквей, общественных зданий. Во многих городах мира они сохранились как прекрасные архитектурные украшения.                                                                                         Другие виды часов

1. Водяные часы. Как мы отмечали, в Греции такие часы называли клепсидра («воровка воды»). По структуре часы похожи на песочные, только вместо песка используется вода. Выражение «ваше время истекло» пришло к нам благодаря водным часам.
2. Песочные часы широко использовались на кораблях – так называемые «корабельные склянки». Более удобными и не требующими постоянного надзора были огненные часы. Рассмотрим преимущества и недостатки различных видов часов.

          2.2. Сравнительный анализ различных видов часов. Таблица 2

3. Практическая часть

3.1 Изготовление моделей солнечных и водяных часов

Основной задачей практической части исследования явилось изготовление трех видов часов: солнечных горизонтальных, солнечных экваториальных и водяных.                         Принцип работы самодельных водяных часов заключается в перетекании некоторого объёма жидкости из одного сосуда в другой за определённое количество времени.

Опишем принцип работы всех солнечных часов.

 Солнечные часы состоят из предмета, дающего резкую и длинную тень,  и циферблата, на котором нанесены деления, соответствующие часам. Получение отсчета времени с помощью солнечных часов основано на том, что в течение дня тень, отбрасываемая предметами, освещенными Солнцем, все время изменяется. Она перемещается, одновременно меняя свою длину: рано утром тени длинные, затем они укорачиваются, а после полудня снова удлиняются. Утром тени обращены к западу, в полдень в нашем северном полушарии - к северу, а вечером - к востоку. В соответствии с этим отсчитывать время можно по направлению тени.

Рассмотрим особенности экваториальных часов.

Указатель экваториальных солнечных часов выполняется в виде стержня, продетого насквозь через середину наклонной доски так, что часть его торчит сверху, а часть снизу. Это делается потому, что в экваториальных солнечных часах в течение одной части года тень от стержня падает на циферблат сверху, а в течение другой - снизу.

Алгоритм создания солнечных экваториальных  часов представлен в                Приложении № 1.

Горизонтальные солнечные часы состоят из горизонтально расположенной доски с нанесенным на нее циферблатом и указателя в виде треугольника. Острый угол этого треугольника делается равным географической широте данной местности, так что наклонная сторона треугольника получается параллельной земной оси. Треугольник-указатель устанавливается так, чтобы его плоскость была перпендикулярна к циферблату, а линия продолжения основания треугольника шла по направлению север - юг.

В полдень тень от указателя обращена (в нашем северном полушарии) к северу. Таким образом, отметка времени, соответствующая 12 часам, находится на линии продолжения основания треугольника. В горизонтальных солнечных часах в течение дня скорость перемещения тени меняется. Поэтому на их циферблате часовые отметки расположены под разными, неравными углами. В горизонтальных солнечных часах, так же как и в экваториальных, циферблат годен для всех дней года, причем в течение всего года тень от указателя падает на их циферблат сверху. Именно эти часы оказалось трудней всего изготовить, так как надо было постоянно отмечать тень, что я делала каждые 15 минут в течение всего дня! Алгоритм создания данного вида часов также представлен в Приложении № 1.

Самодельные солнечные горизонтальные и экваториальные часы имеют цену деления 1 час, а погрешность 30 минут.

Оказалось, что  для создания часов необходимы знания по самым разным предметам. Знания по физике – сам принцип работы часов. Умение определять географическую широту местности для того, чтобы солнечные часы показывали правильное время, а это уже география. Умение пользоваться компасом, без которого солнечные часы не будут работать правильно. Продумывание самого дизайна часов.   А сколько интересного я узнала из истории часов, изобретение и совершенствование которых являло собой целые эпохи в развитии человечества. Но самым удивительным было, наверно, то, что с помощью всего лишь бумаги, ножниц, карандаша, линейки, циркуля и транспортира, то есть обычных школьных принадлежностей любого ученика, можно сделать самые настоящие солнечные часы, которые работают!                        

Итоги работы:

1. Солнечные часы обладают важным достоинством – они привязаны к явлению природы, т.е. полдень абсолютен.
2. В основе измерения времени во всех часах лежит принцип периодичности.
3. Существуют особенности в понимании единицы времени в разных видах часов.
4. Изучение принципов работы солнечных и водяных часов, а также алгоритмов их выполнения, позволило создать три модели часов: солнечные экваториальные, солнечные горизонтальны и водяные.

         Список использованной литературы:

1. Библия, 4 Царств, 20:10, Исайя, 38.
2. Большая иллюстрированная энциклопедия древностей. - Прага, «Артия», 1980.
3. Джеймс П., Торп Н. Древние изобретения. - М., ООО «Попурри», 1997.
4. Послание Федеральному Собранию Российской Федерации 12 ноября 2009 года
5.  Рыжов К.В. 100 великих изобретений. - М., Вече, 1999.

            6. Хренова Л.С.    и  Голуба И.Я.   Время и календарь. – М., 2005.    

            7.  Чернина  А.Д.     Физика  времени. – Челябинск, 2007.

              8. Энциклопедия для детей. Том 14. Техника. - М., ЗАО «Дом Книги «Аванта+»»,1999.

            9. http://vremya.iatp.by/histori.html 

           10. http://timecount.ru/

Приложение №1

Алгоритм создания солнечных экваториальных  часов

Экваториальными эти часы называются потому, что плоскость их циферблата параллельна плоскости земного экватора.                                                                 1. Определить направление на север. Для этого закрепить вертикальный штырь (гномон) на горизонтальной поверхности. За два часа до солнечного полдня отметить точкой положение тени от гномона и провести окружность с центром в месте закрепления гномона и радиусом, равным длине тени от него в начальный момент наблюдения.        2. Последить за тенью: она будет уменьшаться, отходить от нарисованной окружности, но в какой-то момент начнет расти и вновь пересечет ее. Зафиксировать это касание тени второй точкой и соединить ее с первой. Полученный отрезок разделить пополам. Прямая, проходящая через центр окружности и середину отрезка, даст полуденную линию. Эта линия — точное направление север-юг.                                         3. Разметить циферблат. Разделить круг на 24 равные части по 15° и нанести обозначение часов.                                                                                                4. Изготовить корпус. Для этого подойдет плотный картон или кусок фанеры или тонкая дощечка или пенопласт. Перпендикулярно поверхности необходимо закрепить гномон и насадить на него циферблат.                                                                                5. Правильно сориентировать полученную конструкцию. Для этого нужно соблюсти следующие условия: а) линия циферблата «6–18» должна располагаться строго горизонтально; б) линия «12–24» должна совпадать с направлением север-юг; в) плоскость циферблата часов следует наклонить на север так, чтобы угол между гномоном часов и плоскостью горизонта составил величину, равную 900-650=250 (для Рабочеостровска). Часы готовы!

Алгоритм создания солнечных горизонтальных  часов

Горизонтальными эти часы называются потому, что плоскость их циферблата располагается строго горизонтально.                                                                        1. Изготовить гномон, который будет отбрасывать тень.  Для этого из пенопласта вырезать прямоугольный треугольник, основание которого равно географической широте 650.

2. Закрепить гномон из треугольника на листке бумаги размером 30x30 и установить эту конструкцию на южном пластиковом подоконнике квартиры.

3. Для градуировки горизонтальных солнечных часов с утра и до вечера через каждый час отмечать на бумаге длину тени отбрасываемой гномоном.

Результаты экспериментальных измерений:

Самая длинная тень была утром в 9 часов и вечером в 16 часов, а самая короткая тень в истинный полдень это 12 часов 27 минут.

 Полуденная линия «12 часов» должна совпадать с направлением север-юг. А   линия циферблата «6–18» должна располагаться строго горизонтально и должна соответствовать направлению запад-восток.

Часы готовы!