Номер 9, страница 114, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 3. Движение, взаимодействие, масса. Параграф 30. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 9, страница 114.

Условие.

• История килограмма.

Решение.

История килограмма — это эволюция определения единицы массы от материального объекта к фундаментальной константе природы. Этот путь отражает общее развитие метрологии — науки об измерениях.

Определение через массу воды (конец XVIII века)

Идея создания единой метрической системы возникла во время Французской революции. В 1795 году было принято первое определение килограмма: он был приравнен к массе одного кубического дециметра (литра) чистой дистиллированной воды при температуре её максимальной плотности (около $4°C$). Единица «грамм» соответственно определялась как масса одного кубического сантиметра воды. Это было прогрессивное определение, поскольку оно основывалось на свойствах природного вещества, а не на произвольно выбранном артефакте.

Эпоха физического эталона (1799–2019)

Однако на практике воспроизвести массу литра воды с высокой точностью оказалось крайне сложно. Поэтому в 1799 году был создан материальный эталон — цилиндр из платины, получивший название «Килограмм Архива» (Kilogramme des Archives). Его масса была максимально точно подогнана под массу 1 дм³ воды.

В 1889 году, стремясь к ещё большей точности и долговечности, на I Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) был утверждён новый международный эталон — Международный прототип килограмма (IPK, неофициальное название Le Grand K, «Большой К»). Это был цилиндр высотой и диаметром 39,17 мм, изготовленный из более стойкого сплава, состоящего из 90% платины и 10% иридия. Этот прототип хранился в Международном бюро мер и весов (BIPM) в городе Севр (Франция) в специальных условиях. Были также изготовлены его официальные копии, которые были переданы разным странам в качестве национальных эталонов. На протяжении 130 лет определение килограмма было неразрывно связано с массой этого конкретного физического объекта.

Проблема нестабильности и поиск альтернативы

Со временем регулярные сверки национальных копий с главным прототипом выявили серьёзную проблему. Их массы, хоть и незначительно, но расходились друг с другом. За столетие разница достигла примерно 50 микрограммов (масса небольшой песчинки). Было невозможно установить, теряет ли массу Le Grand K (например, из-за очистки) или копии набирают её (из-за загрязнения из атмосферы). Эта нестабильность была неприемлема для фундаментальной единицы измерения, на которой базируются многие другие единицы (например, ньютон, джоуль, паскаль). Стало очевидно, что килограмм, последняя из основных единиц СИ, определяемая через физический артефакт, нуждается в переопределении.

Новое определение: килограмм и постоянная Планка (с 2019 года)

Решением стало определение килограмма через фундаментальную физическую константу, значение которой считается неизменным во Вселенной. Для этой цели была выбрана постоянная Планка ($\text{h}$).

20 мая 2019 года вступило в силу новое определение: килограмм определяется путём фиксации численного значения постоянной Планка $\text{h}$ равным в точности $6.62607015 \times 10^{-34}$, когда она выражена в единице Дж·с, что эквивалентно кг·м²·с⁻¹. Поскольку единицы метр (м) и секунда (с) уже определены через другие константы (скорость света $\text{c}$ и частоту излучения атома цезия $\Delta\nu_{Cs}$), это позволило точно зафиксировать и единицу массы.

Для практической реализации этого определения используются сложнейшие установки — весы Киббла. Они с высочайшей точностью уравновешивают механическую мощность (произведение веса на скорость) и электрическую мощность, что позволяет напрямую связать массу объекта с постоянной Планка. Таким образом, любая страна, обладающая необходимым оборудованием, может воспроизвести эталон килограмма самостоятельно, не обращаясь к физическому прототипу в Севре.

Ответ: История килограмма — это переход от определения через массу природного вещества (1 литр воды), к использованию уникального физического артефакта (платино-иридиевого цилиндра, 1889-2019 гг.), и, наконец, к современному определению (с 2019 года) через фиксацию значения фундаментальной физической константы — постоянной Планка ($\text{h}$). Это изменение обеспечило стабильность, точность и универсальность эталона массы.