Эталон метра что это такое
Эталон метра
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. 30 марта 1791 это предложение было принято. 7 апреля 1795 Национальный Конвент принял закон о введении метрической системы во Франции и поручил комиссарам, в число которых входили Ш. О. Кулон, Ж. Л. Лагранж, А. Л. Лавуазье, П.-С. Лаплас и другие учёные, выполнить работы по экспериментальному определению единиц длины и массы. Первый прототип эталона метра был изготовлен из латуни в 1795 году. Следует отметить, что единица массы (килограмм, определение которого было основано на массе 1 дм³ 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. Впоследствии, однако, выяснилось, что из-за неправильного учёта полюсного сжатия Земли эталон оказался короче на 0,2 мм; таким образом, длина меридиана лишь приблизительно равна 40 000 км.
Во время правления Наполеона метрическая система распространилась по всей Европе. Только в Великобритании, которая не была завоёвана Наполеоном, остались традиционные меры длины: дюйм, фут и ярд. В 1917 году метрическая система была введена в России.
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.
В 1948 году 9-я Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала ввести эталон, базирующийся на оптических измерениях, и в 1960-м за метр приняли 1 650 763,73 длины волны излучения криптона-86, генерируемого при переходе оболочечных электронов с уровня 2p10 на уровень 5d5.
Но и это определение продержалось недолго. Через два десятка лет после его введения метрологи пришли к выводу, что длину метра следует определить на основе эталона времени, поскольку атомные часы тогда обеспечивали большую точность, нежели интерференционные линейки. В итоге в 1983 году метр определили как расстояние, которое свет проходит в вакууме за определенные доли секунды.
Современное определение метра в терминах времени и скорости света было сформулировано как:
Метр — это длина пути, проходимого светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды. Из этого определения следует, что в системе СИ скорость света в вакууме принята равной в точности 299 792 458 м/с. Таким образом, определение метра, как и два столетия назад, вновь привязано к секунде, но на этот раз с помощью универсальной мировой константы.
Где хранится эталон длины или как мериться длинами
Идея разобраться в этом вопросе и в итоге написать данный текст родилась здесь же на сайте — под одной из публикаций увидел утверждение, что продаваемые в магазинах линейки калибруют по вторичным эталонам, те — по первичным, а первичные — по международным. Это лишь в малой части соответствует действительности, так что, если заинтересовались, давайте разбираться.
Disclaimer: я не метролог, так что текст является не очень нудной (я надеюсь) попыткой научно-популярного рассказа, так что в нём возможны некоторые неточности, о которых можно сообщать как в личку, так и в комментариях — как вам угодно.
Многие, наверное, помнят со школьной скамьи, что эталон метра хранится в Парижской палате мер и весов в стеклянной банке под вакуумом там же, где и эталон лошадиной силы — лошадь весом один килограмм. Обратимся к энциклопедии и почитаем подробности.
Одной из первых попыток создать универсальную, т.е. воспроизводящуюся, меру длины, стала в 1668 году длина (математического) маятника, полупериод колебаний которого равен одной секунде. Идея хорошая, но во время путешествия в Южную Америку астроному Жану Рише пришлось укорачивать длину эталона, т.к. период его колебаний увеличился. Связано это было со сплющеностью геоида и, соответственно, уменьшением силы тяжести на экваторе. 1790 году было предложено уточнение, что эталон длины должен быть измерен на широте 45°N (примерно между Бордо и Греноблем), эта длина составляет 0.994 современного метра. Предложение, несмотря на изящность, тем не менее, не было принято. В 1791 году метр был определён Французской Академией как одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана (то есть одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа). Простота калибровки вызывает некоторые сомнения, но аналогичная привязка есть и у морской мили (перемещение на одну морскую милю вдоль меридиана соответствует изменению географических координат на одну минуту широты). Можно подумать, что влияние неровности рельефа будет катастрофически влиять на точность эталона, но это не так — изменение высоты на 1000 метров приведёт к удлинению меридиана всего на 6283 метра, что даёт относительную ошибку в полторы десятитысячных (известная задачка про удлинение экватора на метр и муху). В реальности измерения проводились гораздо точнее, преимущественно на высоте уровня моря. Заинтересовавшиеся найдут тут много интересного. Я ограничусь впечатляющей картинкой:
Теперь разберёмся с иерархией эталонов. Ниже по вертикали находятся вторичные эталоны, за ними следуют рабочие эталоны последовательно с первого по четвёртый разряд, ниже — рабочие средства измерений с классами точности от 0 до 5 (точные измерительные приборы, которые проходят иерархическую калибровку, прослеживаемую вплоть до международного эталона). Последние используются непосредственно для измерений и (по крайней мере должны) для изготовления приспособлений, наносящих риски (чёрточки) на массово изготавливаемую продукцию — те самые линейки, рулетки и прочие бытовые средства измерения. Итого я насчитал по вертикали 13 ступеней, которые проходятся перед изготовлением конечной продукции. На самом деле их будет чуть меньше, т.к. рабочие средства измерений отщепляются от иерархии на разной высоте в зависимости от класса точности.
У системы эталонов есть также и горизонтальное разделение на четыре независимых ответвления по типу проводимых измерений. Эти ветвления называются частями (с первой по четвёртую) и предназначены для следующего:
Часть 1. Источники излучений и средства измерений длин волн;
Часть 2. Меры длины штриховые и измерители перемещений;
Часть 3. Меры длины концевые плоскопараллельные;
Часть 4. Измерители перемещений, меры рельефные и микроскопы в области нанодиапазона;
Итак, пройдёмся по интересующей нас части 2. Первичный эталон сличают с помощью компаратора со вторичными — интерференционными установками для поверки штриховых мер длины в диапазоне от 0,001 до 1000 мм. С ними сличают рабочие эталоны 1-го разряда — штриховые меры длины, дифракционные голографические меры длины; далее поочерёдно с помощью компараторов сличают. Рабочие эталоны 2-го разряда — штриховые меры длины, голографические измерительные системы линейных перемещений. Рабочие эталоны 3-го разряда — штриховые меры длины, растровые измерительные преобразователи. Рабочие эталоны 4-го разряда — штриховые меры длины.
Рабочие средства измерений нулевого и первого класса точности сличают с рабочим эталоном первого разряда, второго и третьего — с рабочим эталоном второго разряда, четвёртого и пятого класса — с рабочим эталоном третьего разряда. Рабочие эталоны 4-го разряда используются для измерений с помощью непосредственного сличения. Рабочие средства измерения пятого класса точности, по идее, должны использоваться при производстве штампов для изготовления линеек и рулеток или, по крайней мере, для поверки станков, использующихся на производстве.
Иллюстрация из ГОСТа (мелко, но кликабельно):
Про принцип работы оптических интерференционных компараторов писать не буду, так как это описано много где, кроме того, для широкой аудитории будет, пожалуй, скучновато. Желающие могут ознакомиться тут.
В завершение статьи подсуну пару своих картинок. В своё время было необходимо проверить стабильность нескольких генераторов, для чего была собрана простейшая схема компаратора — сигналы от двух генераторов очень известной фирмы подаются на два вентиля (аналог диода), за ними стоят два аттенюатора, далее Т-образный мост, в котором происходит смешение сигналов, на выходе моста — детектор. Генераторы выставляются на близко расположенные частоты, с помощью аттенюаторов добиваемся равенства амплитуд колебаний двух сигналов, после чего получаем с детектора разностный сигнал, частота которого и будет индикатором стабильности двух генераторов. Два очень хороших генератора в тесте длительностью в трое суток:
Долговременная стабильность у отечественного примерно такая же, а вот кратковременная — гораздо хуже. Цена, правда, у них тоже отличается не слабо.
На этом, пожалуй всё, спасибо за внимание и хороших выходных! Надеюсь, что было познавательно и не очень нудно.
Эталон метра в Париже
В конце XIX века в Европе и во всем мире начался переход на метрическую систему измерения. Об этом важном для всех стран событии напоминает сохранившийся эталон метра в Париже в виде мраморной доски, установленной на историческом здании на улице Вожирар №38, недалеко от Люксембургского сада.
Долгое время в Европе не было общей меры длины — в каждой стране, регионе и даже в городе могли использоваться свои собственные единицы измерения.
Даже принятые в одной стране единицы измерения были неточными. Вспомним, что английский дюйм когда-то был равен ширине большого пальца человека, фут измерялся по средней длине ступни человека, а ярд был равен длине пояса мужчины. Но у разных людей эти параметры могли значительно отличаться.
С развитием торговли и промышленности, расширением связей между городами и странами различные единицы измерения стали неудобными, тогда и возникла идея создания единой для всех системы мер.
Ученые предложили создать меру длины, которая бы основывалась на естественном явлении, общем для всех стран и людей. Первым эту мысль высказал нидерландский математик и физик Ван Свинден, он считал основу системы мер необходимо было найти «в недрах самой природы».
Для воплощения этой идеи в жизнь была создана комиссия при Французской академии наук. Ее члены под руководством математика Жана-Шарла де Борда после тщательного изучения всех предложений за единицу длины решили принять одну десятимиллионную четверть Парижского меридиана.
Закон о введении новой системы начал действовать во Франции с 7 апреля 1795 года.
«На все времена, для всех народов» — был девиз новой метрической системы. Народ не сразу принял её, но когда парижские модные журналы стали приводить размеры выкроек в метрической системе, осуществление реформы стало проходить значительно быстрее.
Для того, чтобы жители Парижа могли ознакомиться с новым измерением расстояния и запомнить его, на улице Вожирар (Vaugirard 38), и был установлен эталон метра.
А всего в феврале 1796 — декабре 1797 года было установлено 16 таких эталонов метра в наиболее посещаемых местах Парижа, об этом рассказывается в надписи на мраморной доске. К настоящему времени эталон на улице Вожирар — один из двух оставшихся в Париже и единственный, который расположен на своём первоначальном месте.
Позже к метрической системе мер присоединились и другие страны и сегодня она официально принята во всех государствах мира, кроме США, Либерии и Бирмы.
Эталон метра, изготовленный в 1889 году из сплава платины (90%) и иридия (10%), хранится в штаб квартире Международного бюро мер и весов в городе Севр близ Парижа.
С 1983 года за эталон метра принята длина пути, проходимого светом в вакууме за время равное 1/299 792 458 секунды. Это определение не изменяет длину метра, но является более точным.
Что такое метр?
Метр – единица длины, одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ).
По первому определению, принятому во Франции в 1795 году:
Метр равнялся одной десятимиллионной части четверти длины Парижского меридиана, его размер был определен на основе геодезических и астрономических измерений.
Первый эталон метра изготовили в 1799 году в виде концевой меры длины – платиновой линейки с расстоянием между концами, равным принятой единице длины. Он получил наименование «метр архива», или «архивный метр».
Однако, как оказалось, определенный таким образом метр не мог быть вновь воспроизведен из-за отсутствия точных данных о фигуре Земли и значительных погрешностей геодезических измерений.
В 1872 Международная метрическая комиссия приняла решение об отказе от «естественных» эталонов длины и о принятии архивного метра в качестве исходной меры длины. По нему изготовили эталон в виде штриховой меры длины – бруса из сплава платины (90 процентов) и иридия (10 процентов).
Эталон метра и две его контрольные копии хранятся в Севре (Франция) в Международном бюро мер и весов. Однако рост требований к точности линейных измерений и необходимость создания воспроизводимого эталона стимулировали исследования по определению метра через длину световой волны.
В 1960 году 11-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра, положенное в основу Международной системы единиц (СИ):
Метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона-86
Согласно современному определению, принятому в 1983 году 17-й Генеральной конференцией по мерам и весам:
Метр – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды
Когда и как появился метр?
Вплоть до XVIII века в европейских странах вообще не существовало единой системы единиц измерения – царил полный хаос.
Каждый город мог сам себе установить, какая должна быть гиря на весах, что служит мерой длины и т. п. Купцы, которые вели торговлю в разных городах и странах, по необходимости, поднаторели в вычислениях, поскольку они часто переводили одни странные единицы в другие, не менее оригинальные. Местные власти в городах проявляли заботу о наведении какого-то порядка в расчётах, поэтому на городских воротах, на стенах ратуш или на церковной ограде вывешивали объявления о мерах, действующих в этом городе или только на время ярмарки.
Когда торговец переезжал на своей повозке в другой город или в соседнее герцогство, он пересчитывал и количество, и цену своего товара. Предположим, что купец торговавший тканями, закупил в одном городе сто локтей материи, в другом городе он продал этот товар, но уже в количестве 90 локтей, потому что там локоть был значительно длиннее.
Таким образом, торговым людям приходилось чуть ли не в каждом городе изменять цены, чтобы привести их в соответствие местным мерам. В Париже были в ходу две разные меры веса. Пять французских королей пытались навести порядок в единицах измерения, издавали предписания об установлении стандартов в области веса и длины, но не добились цели. Одной из причин неудачи было сопротивление аристократов, поскольку стандартные меры противоречили их интересам.
МЕРА ВСЕХ ВЕЩЕЙ
В конце XVIII века, в революционные годы, в Европе существовало более 800 мер длины и веса. Они значительно различались даже в пределах одной Франции: что ни рынок – то и своя мера. Свободная, честная и равноправная торговля была практически невозможна. Торговцы, разъезжавшие по стране, нагло обманывали и обсчитывали народ. Отсутствие официальных обязательных мер мешало и государству, которое даже не знало, каковы подлинные размеры каждой провинции и всей страны.
В 1789 году во Франции началась новая эра, был введён новый революционный календарь. Французы боролись против тирании за идеалы Свободы, Равенства и Братства. Идеологи революции провозгласили: свободный человек – мера всех вещей. Но равенство всех людей предполагает также и единую меру, обязательную для всех.
Законодательное Собрание в Париже постановило, что необходимо определить новую единицу измерения. Созданная для этого специальная Комиссия занялась поисками основы для новой единой меры. Нужно было найти нечто постоянное, неизменное, что не зависит от людского произвола и может служить масштабом. В 1791 году Комиссия, наконец, додумалась до идеи принять за константу окружность земли – земной меридиан. Поскольку меридиан является практически неизменным в достаточно долгий период времени, то за единицу длины решено принять одну десятимиллионную часть четверти земного меридиана. Однако для этого нужно измерить полную окружность Земли по меридиану, а это мудрёная задача.
Французы обладали ценным опытом в измерении расстояний и вычислении площадей. Территорию Франции измерили ещё в XVII веке. Король Людовик XIV приказал осуществить впервые в истории точное измерение территории всей страны. Землемеры выполнили приказ короля с помощью метода триангуляции для топографических съёмок, заключающийся в построении примыкающих друг к другу треугольников. Они провели огромную работу, но результат крайне разочаровал венценосного заказчика – площадь Франции оказалась на 20 процентов меньше, чем считалось. Разочарованный король-Солнце воскликнул: «Ваши труды обошлись мне дорого: я потерял больше земель, чем хотели у меня отнять все мои враги!»
ТРИАНГУЛЯЦИЯ
Начиная с XVII века в картографии применялась триангуляция. В первую очередь на равнинной местности нужно проложить прямую линию с помощью деревянных реек определённой длины или цепей, натянутых на колышки. Кроме того, необходимо обозначить хорошо просматривающуюся триангуляционную точку, например, заметный издалека холмик или шпиль на церковной колокольне. Из точек, где заканчивается первая прямая линия, намечаются линии к этой третьей точке и измеряются углы. Поскольку известна длина одной стороны треугольника, а также два угла, можно по тригонометрическим формулам вычислить две другие стороны треугольника и его площадь. Из каждой вершины полученного треугольника на местности можно наметить с помощью колышков и реек следующие треугольники. Таким образом, в результате сложения площадей треугольников на местности можно определить площадь больших участков. В некоторых случаях картографы устанавливали специальные измерительные башенки для удобства обозначения точек на местности.
Неоценимую помощь в многотрудной работе оказали землемерам так называемые неподвижные звёзды, которые издавна использовались в качестве ориентиров при навигации. Самый яркий пример – Полярная звезда. Чем севернее находится точка наблюдения, тем выше стоит на небосклоне Полярная звезда. Если в северной точке отрезка наблюдения картографы обнаруживали Полярную звезду на десять градусов выше, чем на южном конце отрезка, они знали, что они измерили на Земле дугу меридиана, соответствующую десяти градусам. Этот отрезок умножается на девять и получается длина дуги, составляющей четверть окружности с центральным углом 90 градусов.
ПРОЕКТ ПОД УГРОЗОЙ СРЫВА
Летом 1792 года, в разгар революционной сумятицы, Французская академия наук поручила двум учёным произвести измерение и вычисление дуги Парижского меридиана, проходящего с севера на юг через всю Францию.
Астрономы Жан-Батист-Жозеф Деламбр и Пьер-Франсуа-Андре Мешен взялись за измерения меридиана между Дюнкерком и Барселоной. Деламбр, впоследствии в 1810 году избранный почётным членом Петербургской академии наук, начал работу в Дюнкерке, на берегу пролива Ла-Манш, а его коллега Мешен отправился со своей экспедицией в Барселону.
Астрономы-картографы покинули Париж 24 июня 1792 года. Деламбр и Мешен шли навстречу друг другу, отмечая точки на своём пути. Где не было высокой колокольни или естественной возвышенности, приходилось строить измерительные башни. Осуществление трудной работы время от времени прерывали бурные политические перемены.
Учёные даже не знали, что в Париже в 1795 году новое центральное правительство восстановило разогнанную радикальными революционерами Академию наук. Чтобы выполнить поставленную задачу, Деламбру и Мешену потребовалось ещё три года работы. Финансовые проблемы, неудобный рельеф местности, депрессия, от которой страдал переутомившийся Мешен, сильно затрудняли завершение измерений.
Но в 1799 году картографы всё же смогли представить в Париже результаты своего труда. Международная комиссия, состоявшая из учёных одиннадцати стран, проверяла итоги работы французских астрономов. Члены комиссии пришли к заключению, что вычисления верны. Парижское Национальное собрание 10 декабря 1799 года провозгласило введение новой единственной метрической системы. В тот год появился на свет архивный метр – первый в истории эталон метра. Отлитый из платины метр был передан на хранение в Национальный архив Франции.
ПОБЕДНОЕ ШЕСТВИЕ
Новую единицу измерения изготовили в 100 тыс. экземпляров, и эти образцы разослали по всей стране в качестве обязательных эталонов. Слово «метр» ответственная Комиссия образовала от древнегреческого слова «metron» – «мера». В действительности, чтобы метр составлял точно одну десятимиллионную часть четверти меридиана, его длина должна быть на 0,2 процента больше. Отчасти в этом расхождении повинны ошибки при измерении, но, главным образом, неточность является следствием полюсного сжатия Земли, которая не является шаром правильной формы. Несоответствие первоначально объявленного значения единицы длины долгое время не принимали во внимание.
До 1960 года изготовленный из платины метр хранился в Международном бюро мер и весов в Севре и считался эталоном длины. В 1983 году введено новое определение метра на основе скорости света. С тех пор метр считается равным отрезку, который проходит луч света в безвоздушном пространстве в течение одной 299 792 458-й доли секунды. Длина метра не изменилась, но дано другое определение, более универсальное и точное.
Первыми государствами, которые приняли новую единицу длины, установленную в наполеоновской Франции, были Бельгия, Нидерланды и Люксембург, занятые в то время французскими войсками. Единая метрическая система оказалась удобной и, следовательно, выгодной торговцам и строителям, промышленникам и банкирам, а также и чиновникам. В продолжение всего XIX века метрическая система постепенно проложила себе дорогу в большинство европейских стран, а также во французские и испанские колонии. В Великобритании официальный переход на метрическую систему объявлен только в 1960 году, однако последовательного и окончательного перехода не произошло. Между тем метрическая система в наше время признана обязательной по всему миру, за исключением США, Бирмы (Мьянма) и Либерии.
Эталон метра
Между сторонниками систем единиц СИ и СГС могут проходить ожесточенные споры. Главное различие этих систем заключается в том, что в СГС меньше основных единиц измерения. В частности, сила тока, которая измеряется в СИ в амперах, в СГС выражается комбинацией сантиметра, грамма и секунды. Существующее разногласие дает повод для разработки новой революционной системы единиц, в которой число основных единиц будет сведено к минимуму. А именно, предлагается все величины измерять в метрах.
За единицу длины можно было принять любую величину: взять прямоугольный брусок («линейку»), отметить на нем произвольно две точки и сказать, что расстояние между ними и есть метр. Однако исторически метр был введен как сорокамиллионная часть длины меридиана, проходящего через Париж, что, разумеется, придает метру особую важность и величественность. После проведения измерения длины меридиана был изготовлен эталон метра.
Эталон метра — это такая неудобная линейка весьма странной формы, которой трудно измерять длину, так как на ней всего две метки в виде крестиков. Эта линейка изготовлена из сплава платины и иридия. Как объясняют ученые, этот материал выбран для надежности, а также чтобы метр меньше менялся при нагревании или охлаждении эталона. Подобное объяснение не может не представляться сомнительным: легко поместить эталон в термостат, поддерживающий постоянную температуру. На самом деле, выбор материалов обусловлен их высокой стоимостью, чтобы изготовление эталона было доступно только государству. Но и государству приходится добавлять туда иридий, эталон из чистой платины ему не по зубам.
Для наших целей создания новой системы единиц мы вправе выбрать эталон длины произвольным образом. Однако из соображений совместимости мы не будем отходить от сложившихся традиций и будем использовать существующий эталон и измерять длину в метрах.
Общепризнанной единицей для измерения интервалов времени является секунда, которая определялась как 1/86400 часть суток. Определить новую единицу времени можно по-разному. Например, как время падения эталона метра с высоты в один метр. Мы не будем так издеваться над эталоном, к тому же, такой метод имеет низкую точность. Гораздо более подходящим является использование колебаний: метр времени — это период колебаний эталона метра на гвоздике, торчащем из стены. Для этого в эталоне необходимо просверлить отверстие. Конечно, эта процедура изменит эталон массы, но это не страшно: в рамках существующих калибровочных теорий поля (квантовой электродинамики и квантовой хромодинамики) возможна соответствующая перенормировка, позволяющая свести к минимуму последствия проделывания отверстия.
Наша система единиц имеет ряд несомненных преимуществ по сравнению с существующими. Например, решая задачи по физике, нужно проверять единицы измерения. Необходимость такой проверки исчезает, когда все величины измеряются в метрах. Так же становится возможным складывать и вычитать физические величины разных размерностей. Если сложить 2 килограмма и 3 метра нельзя, то результат сложения 2 метров массы и 3 метров длины можно получить моментально. Правда, нужно определиться с тем, что мы будем понимать под пятью получившимися метрами, но такие тонкости на фоне огромной выгоды от полученных возможностей не должны нас волновать.