Краткая характеристика методов

Для измерения промежутка времени в зависимости от его величины применяются различные методы: механические, стробоскопические и электрические.

Механические методы применяются для измерения достаточно продолжительных промежутков времени. В них используются такие приборы, как часы, метроном и секундомер, обеспечивающие точность измерения времени до 0, 5 – 0, 1 с.

Метроном служит для отсчета равных промежутков времени небольшой величины. В его состав входит маятник А – подвижный груз Р на металлическом стержне, - который колеблется около горизонтальной оси (в вертикальной плоскости наблюдения) вокруг точки О (рис.). Причем продолжительность одного колебания можно менять, передвигая груз Р по стержню вверх или вниз. На скрытом в корпусе конце стержня закреплен противовес G. Встроенный пружинный механизм поддерживает колебания маятника и громко отбивает каждый его размах.

Секундомер применяется в лабораторной практике для измерения промежутков времени от нескольких секунд до нескольких минут. Он имеет 2 стрелки – минутную и секундную, – для каждой из которых есть свой циферблат. Один оборот секундной стрелки соответствует 1 минуте, а минутной – 10 мин.

Для завода секундомера и для его управления служит верхняя головка: при первом нажатии на нее стрелки приходят в движение, при втором - останавливаются. Таким образом, отсчет по циферблату дает промежуток времени между нажатиями головки, Точность обычно равна 0, 2 с. Наконец, при третьем нажатии головки обе стрелки возвращаются к нулевому положению.

Стробоскопические методы применяются для измерения частоты периодических процессов. В основу этого метода положен стробоскопический эффект, возникающий в определенных условиях при освещении периодического движения отдельными короткими вспышками, следующими друг за другом через равные промежутки времени.

Разберем его на следующем примере. Пусть имеется капельница с подкрашенной водой. При падении капель с постоянной частотой на фоне экрана будет отмечаться глазом линейная траектория их падения. Будем освещать падение капель стробоскопом, частота вспышек которого равна частоте падения капель: . Пусть первая вспышка осветила каплю в положении М. Через время, равное (период повторения), на место первой капли придет вторая, а лампа снова осветит ее положение в той же точке М. Учтем такую физиологическую особенность зрения как длительность зрительного ощущения (например, при просмотре кинофильма частота смены кадров равна 24 кадра/секунду, и мы «не видим» их мерцания). В данном случае получим указанный эффект – капля будет казаться неподвижной, висящей в воздухе в точке М.

Но если частота вспышек равна , т.е. промежуток времени между вспышками больше в 2 раза. Тогда положение второй капли в точке М не будет освещаться, но осветится такое положение третьей капли, и далее 5-й, 7-й и т.д., (т.е. каждой второй). Но воспринимаемая зрительно картина на экране не изменится. Аналогично при частоте вспышек, равной , где - коэффициент кратности частот, некоторое натуральное число, - в этом состоит условие кратности частот.

Итак, если световые вспышки следуют через промежутки времени, точно совпадающие с периодом движения тела или кратные ему, то оно будет видеться нам всегда в одном и том же положении, т.е. будет казаться остановившимся.

Внимание! Из всех возможных частот световых вспышек частота при - наибольшая. Þ Правило: если нельзя найти большее, чем уже установленное (при котором уже имеет место стробоскопический эффект), кратное значение частоты вспышек , при которой также будет иметь место кажущаяся остановка исследуемого движения, то , где - частота механического периодического движения.

Если же период световых вспышек несколько отличается от периода движения тела, то оно будет казаться медленно движущимся с некоторой частотой, определяемой уравнением: , где - частота движения тела (в данной работе тело = черный сектор), - частота световых вспышек. При кажущееся движение происходи в сторону истинного движения тела; при наблюдается кажущееся движение в обратную сторону (например, при просмотре фильма можно иногда заметить, что колеса машины движутся на определенной ее скорости в обратную сторону).

В данной работе при определении скорости вращения мотора надо учесть, что период вращения мотора (время одного полного оборота) в три (т.к. три черных сектора) раза меньше, чем промежуток времени между сменой черных секторов. Т.е. .

Электрические методы измерения времени используются в случае малых временных промежутков и реализованы в приборах: баллистический гальванометр (до 10^-3 с) и электронный осциллограф (до 10^-9 с). Такие быстрые процессы в механике макротел не встречаются, и мы на них останавливаться не будем.