五年級科學(xué)下冊時間的測量參考資料教科版

時間的測量參考資料人類計時儀器的發(fā)展史人類的日常生活、科研、導(dǎo)航及測繪等等工作都離不開時間。時間的計量涉及兩個量:歷元和時間間隔。任何具有周期性改變的自然現(xiàn)象都可以用來測量時間。人類從以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)來計量時間發(fā)展到機械鐘、石英鐘、乃至原子鐘，經(jīng)驗了約3500年的發(fā)展改變進程。在公元前1500年，出現(xiàn)的日暑是人類最古老的計時工具。埃及人首先起先運用這項技術(shù)，然后在整個地中海地區(qū)普及開來。日暑是以太陽投向刻度盤的陰影為基礎(chǔ)的，通常由銅制的指針(暑針)和石制的圓盤(暑面)組成。當(dāng)太陽光照在日暑上時，暑針的影子就會投向暑面，太陽由東向西移動時，投向暑面的暑針影子也會漸漸地由西向東移動。于是，移動著的暑針影子似乎是現(xiàn)代鐘表的指針，暑面則是鐘表的表面，以此來顯示時刻。在公元前1400年，出現(xiàn)的漏壺(沙漏或者滴漏)是第一個擺脫天文現(xiàn)象的計時儀器。它是依據(jù)流沙從一個容器滴漏到另一個容器的數(shù)量來計量時間的。古代人設(shè)計的“五輪沙漏”通過流沙從漏斗形的沙池流到初輪邊上的沙斗里，以此來驅(qū)動初輪，從而帶動各級機械齒輪的依次旋轉(zhuǎn)。最終一級齒輪帶動在水平面上旋轉(zhuǎn)的中輪，中輪的軸心上有一根指針，指針則在一個有刻線的儀器圓盤上轉(zhuǎn)動，以此來顯示時刻，這種古老的顯示方法幾乎與現(xiàn)代時鐘的表面結(jié)構(gòu)完全相同。在公元1088年，中國宋朝的機械師蘇頌獨創(chuàng)的“水運儀象臺”(水鐘)被認(rèn)為是第一架真正的機械鐘。它是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置于一體的綜合性觀測儀器，它事實上就是一座小型的天文臺。這臺儀器的制造水平堪稱一絕，充分體現(xiàn)了我國古代人民的聰慧才智和富于創(chuàng)建的精神。1400年，第一批機械鐘起先在歐洲流行，其始祖由意大利人喬瓦尼·唐迪于1364年制成，他首次在機械鐘里引人了輪式鐘擺。1511年，荷鑄人彼得·亨萊茵制成了第一塊懷表，但它只有時針而沒有分針和秒針。J環(huán)表和鐘的結(jié)構(gòu)其實是完全一樣的，所不同的是它利用螺旋彈簧制成的發(fā)條驅(qū)動，從而擺脫了傳統(tǒng)的鐘擺，它靠小巧的“體形”，輕松進人人們的口袋。1656年，有擺的掛鐘(或座鐘)產(chǎn)生于荷鑄天文學(xué)家、物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯的試驗室內(nèi)。它是以伽利略發(fā)覺的擺的搖擺具有規(guī)則性這個原理為基礎(chǔ)而獨創(chuàng)的。自此以后人類駕馭了比較精確的測量時間的方法。1969年，由瑞士人創(chuàng)意、日本精工企業(yè)制作的第一塊石英手表一SeikoOstron誕生，其價格在當(dāng)時相當(dāng)于一部汽車。石英手表的獨創(chuàng)是基于科學(xué)家們發(fā)覺處于電路之中的石英晶體能產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的振動以及可以通過特殊的切割方式來限制石英晶體振動的頻率。日暑日暑又稱‘舊規(guī)”，是我國古代利用日影測量時刻的一種計時儀器。通常由銅制的指針(暑針)和石制的圓盤(暑面)組成，在暑面的正反兩面刻劃出12個大格，每個大格代表兩個小時。當(dāng)太陽光照在日暑上時，暑針的影子就會投向暑面。太陽由東向西移動時，投向暑面的暑針影子也會漸漸地由西向東移動。移動著的暑針影子就似乎是現(xiàn)代鐘表的指針，暑面也就好比是鐘表的表面，以此來顯示時刻。日暑依暑面所放位置的不同，可分成地平日暑(暑面水平放置而暑針指向北極，其暑面和暑針夾角就是當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?、赤道日暑(暑針平行地球自轉(zhuǎn)軸而暑面呈現(xiàn)北低南高狀擺放，其暑面和暑針垂直)等。水鐘水鐘在我國古代又叫做“刻漏”，是依據(jù)滴水的等時性原理來計時的。滴水記時有兩種方法，一種是利用特殊容器記錄水漏完的時間(泄水型)，另一種是底部不開口的容器，記錄它用多少時間把水接滿(受水型)。我國的水鐘，最先是泄水型的，后來發(fā)展成泄水型與受水型同時并用。右圖中的刻漏，主要由幾個銅水壺組成，所以又叫“漏壺”。除了最底下的那個，每個壺的底部都有一個小眼。水從最高的壺里，經(jīng)過下面的各個壺滴到最低的壺里，滴得又細(xì)又勻稱。最低的壺里有一個銅人，手里捧著一支能夠浮動的木箭，壺里水多了，木箭浮起來，依據(jù)它上面的刻度，就可以知道時間了。擺鐘以擺作為振動系統(tǒng)的鐘。通常都帶有報時功能，所以又稱自鳴鐘。1582-}-1583年，意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家伽利略發(fā)覺了擺的等時性。1656^-165'7年，荷鑄物理學(xué)家和天文學(xué)家惠更斯利用擺的等時性原理獨創(chuàng)了擺鐘。后經(jīng)不斷改進，沿用至今。擺鐘可依據(jù)用途和要求制成座鐘、掛鐘、落地鐘、天文鐘等型式。擺鐘的報時方式通常為機械打點報時，也有用電子擴音報時的。近代帝王宮廷中運用的擺鐘，常附有一套機械傳動機構(gòu)，以精工制作的人物、山水、飛禽、走獸等活動形象進行報時。擺鐘是機械鐘，現(xiàn)在，有的石英電子鐘雖然也裝有擺錘或扭擺，但只起裝飾作用。擺鐘的機芯結(jié)構(gòu)通常包括走時和報時兩大系統(tǒng)。走時系統(tǒng)包括走時原動系、傳動系、擒縱調(diào)速系、上條撥針系和指針系5個部分，其中擒縱調(diào)速系由擒縱機構(gòu)和擺錘振動系統(tǒng)組成，合稱擒縱調(diào)速器;報時系統(tǒng)由報時原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、限制機構(gòu)、打點機構(gòu)和調(diào)速器5個部分組成。擺鐘是利用擺錘的周期性振動(搖擺)過程來計量時間的。一般來說，擺的重要是確定的，調(diào)整擺的擺長，使擺長減短，時鐘變快，反之則變慢。對精密擺鐘，也有用附加重物法來微調(diào)擺的振動周期。擺鐘放置在不同的地理位置(不同的地球緯度和海拔高度)中，擺錘的重力加速度會發(fā)生改變從而影響其振動周期。擺鐘放置在不同溫度和氣壓的環(huán)境中，也會引起振動周期的改變。溫度改變會引起擺的各部分尺寸包括擺的擺長發(fā)生改變。一般是溫度上升，擺脹長而使鐘變慢;反之則擺縮短而鐘變快。因此，精密擺鐘常用不同的線脹系數(shù)的材料制成溫度補償管，以補償溫度影響。氣壓的改變會引起空氣阻力和空氣密度的改變，從而引起振動周期的改變。因此，精密的擺鐘常將擺安裝在恒壓的殼體中，以消退氣壓影響。擺的振動幅度影響到鐘的等時性。振幅愈小，振幅改變所造成的日差改變愈小，即等時性愈好，因而精密擺鐘常采納長擺桿小擺幅。但是，小擺幅對外界來的振動和撞擊很敏感，因而對安裝環(huán)境要求很高。擺鐘的走時日差一般可以達到20秒/天以內(nèi)，精密擺鐘達千分之幾秒。時間基準(zhǔn)所謂時間基準(zhǔn)，就是在當(dāng)代被人們確認(rèn)為是最精確的時間尺度，長期以來，人們始終在尋求著這樣的時間尺度。在遠(yuǎn)古時期，人類以太陽的東升西落作為時間尺度;公元前2世紀(jì)，人們獨創(chuàng)了地平日暑，一天差15分鐘;一千多年前的希臘和我國的北宋時期，能工巧匠們曾設(shè)計出水鐘，精確到每日10分鐘誤差;六百多年前，機械鐘問世，并將晝夜分為24小時;到了17世紀(jì)，單擺用于機械鐘，使計時精度提高近一百倍;到了20世紀(jì)的30年頭，石英晶體震蕩器出現(xiàn)，對于精密的石英鐘，三百年只差一秒……自17世紀(jì)以來，天文學(xué)家們以地球自轉(zhuǎn)和世界時作為時間尺度:當(dāng)?shù)厍蚶@軸自轉(zhuǎn)一周，地球上任何地點的人連續(xù)兩次望見太陽在天空中同一位置的時間間隔為一個平太陽日。1820年法國科學(xué)院正式提出:一個平太陽日的1/86400為一個平太陽秒，稱為世界時秒長。由于地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性改變、不規(guī)則改變和長期減慢，所以世界時每天可精確到1X10-。但是社會的進步和科學(xué)技術(shù)(特殊是航天、空間物理、軍事等)的飛速發(fā)展，使人們對時間尺度的精度需求越來越高。1953年是時頻科學(xué)的一個新的里程碑。世界上第一臺原子鐘在美國哥倫比亞高校由三位科學(xué)家研制勝利，其中有一位科學(xué)家是我們中國人，叫王天眷(后來回國，多年從事祖國的頻標(biāo)事業(yè))。原子鐘的出現(xiàn)標(biāo)記著一門嶄新的學(xué)科:量子電子學(xué)誕生。1963年13屆國際計量大會確定:艷原子}S133基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時間為1秒。此定義始終延用至今。所以，從1963年后，時間基準(zhǔn)的名稱應(yīng)當(dāng)由PR1MARYCI_CX'K來代替，它指的是試驗室型大艷鐘。就已發(fā)表的資料來看，德聯(lián)邦的“聯(lián)邦技術(shù)物理探討院”的PTB-CaT、美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的SIBS-6及加拿大國家探討院的}IRC-CsV的精確度均已達到10-'‘量級。我國計量院的Cs},Cs}也達到10-'j量級。由此可見PR1MARYCI_CX'K的精確度至少要比商品型小艷鐘高出一個數(shù)量級。對于大艷鐘這樣的一級時間標(biāo)準(zhǔn)，世界上只有少數(shù)幾個國家的時頻試驗室擁有，而且，有的還不能長期牢靠地工作。但是，對于世界上大多數(shù)沒有大艷鐘的試驗室也可以有自己的時間尺度。其方法是:用多臺商品型艷鐘(日前5071n型小艷鐘的精確度為1X10-'z)構(gòu)成平均時間尺度。試驗室的小艷鐘越多，時間尺度的穩(wěn)定性就越好。有了這樣高穩(wěn)定度的時間尺度，也可以滿意國防、科研、航天等方面的急需。例如:我們國家授時中心有六臺小艷鐘，組成我們的地方原子時尺度，其穩(wěn)定度為10-'‘量級。國外有的試驗室有幾十、乃至幾百臺小艷鐘，那么，穩(wěn)定度就更高了。社會在進步，科技在發(fā)展，人類對新的時間基準(zhǔn)的探討仍在接著，大艷鐘作為PRIMA-RYCI_(X'K的地位受到嚴(yán)峻沖擊。例如:原子噴泉、光頻標(biāo)就是它的強力對手。噴泉鐘的精確度進人10-''，最好的達到1X10-''(美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)探討院)。光抽運艷束基準(zhǔn)頻標(biāo)的精確度也進人10-''(法國巴黎時間頻率試驗室)。因此，不久的將來，噴泉鐘或光頻標(biāo)完全國家授時中,I'"5071艷鐘組有可能取代日前的微波頻標(biāo)，成為新一代的時間頻率基準(zhǔn)。蘇頌蘇頌，字子容，生于宋真宗天禧四年(公元1020年)，泉州南寧(今福建省泉州一帶)人，后來遷居潤州丹陽(今江蘇省鎮(zhèn)江一帶)。蘇頌23歲考中了進士，起先進人仕途。起初，他做過宿州(今安徽宿縣)視察推官、江寧知縣、南京留守推官等副職。由于他辦事謹(jǐn)慎周密，很受當(dāng)時任南京留守的歐陽修的賞識。宋仁宗皇佑五年(公元1053年)，蘇頌34歲的時候，調(diào)到京城開封，擔(dān)當(dāng)館閣?？?、集賢校理等官職，負(fù)責(zé)編定書籍，前后共有九年多時間。蘇頌充分利用這一難得機會，發(fā)奮讀書，不僅博覽了秘閣中各種藏書，而且還每天背誦二千言，回家后默寫下來，作為自己的藏書，多年如一日，從不間斷。通過長期刻苦努力，使他積累了特別淵博的學(xué)問，對于歷代的典章制度尤其熟識。到哲宗元佑年間(公元10861094年)，蘇頌被耀升做刑部尚書、尚書左亞，后來又做了宰相。元佑八年(公元1093年)辭去官職，特地從事《新儀象法要》一書的撰寫工作，紹圣三年(公元1096年)完成全書。紹圣四年(公元1097年)，朝廷又啟用蘇頌，封官太子少師。宋徽宗建中靖國元年(公元1101年)，蘇頌就去世了。蘇頌在他的一生中，致力于科學(xué)探討工作，在藥物學(xué)和天文學(xué)、機械制造學(xué)方面取得了杰出的成就。蘇頌對藥物學(xué)的貢獻和當(dāng)時的歷史條件有關(guān)。宋朝對藥物學(xué)比較重視。仁宗嘉佑年間，蘇頌奉命負(fù)責(zé)整理校定以前的藥書。于是他組織和領(lǐng)導(dǎo)了一批醫(yī)官和文臣，于嘉佑二年(公元1057年)首先完成了《開寶本草》(《開寶本草》是宋太祖開寶六年(公元973年)編成的在當(dāng)時是相當(dāng)完整的藥書)的增補工作，共收藥物1082種，稱為《嘉佑補注本草》。稍后，蘇頌又編著了我國古代出名的《圖經(jīng)本草》二十一卷?！秷D經(jīng)本草》是依據(jù)當(dāng)時郡縣所產(chǎn)藥材的實物繪圖和具體說明匯編起來的，書中有文有圖，具有比較大的科學(xué)價值和好用價值。后來《圖經(jīng)本草》雖然失傳了，但是它的主要內(nèi)容仍保存在后人的各種本草著作中。例如李時珍在他著名中外的《本草綱日》里也引用了《圖經(jīng)本草》的不少內(nèi)容。除了在本草學(xué)方面，蘇頌的重要功績是繼承和發(fā)揚了漢唐以來天文學(xué)上的成果。在他的倡議和領(lǐng)導(dǎo)下，于宋元佑三年(公元1088年)創(chuàng)制了一座杰出的天文計時儀器一水運儀象臺，設(shè)在當(dāng)時的京城開封。水運儀象臺的制成，體現(xiàn)了我國古代機械工程技術(shù)的卓越成就，堪稱中古時代中國時鐘的登峰造極之作。蘇頌在領(lǐng)導(dǎo)建立水運儀象臺的過程中，不僅表現(xiàn)出是一個學(xué)識淵博的科學(xué)家，同時又是一個卓越的科學(xué)活動的組織者。蘇頌首先舉薦起用了有真才實學(xué)的吏部令史韓公廉，又組織當(dāng)時太史局的一些年輕的生員、學(xué)生共同合作。蘇頌等人在設(shè)計制造新儀器過程中，仔細(xì)汲取各家之長，加以創(chuàng)新。水運儀象臺是一座底是正方形、下寬上窄略有收分的木結(jié)構(gòu)建筑，高大約12米，底寬大約7米，共分三大層。頂部有一架體積浩大的球形天文儀器，即渾儀。渾儀為銅制，靠水力驅(qū)動，用于觀測星相。鐘樓內(nèi)放置天球儀，即渾象，其運轉(zhuǎn)與上面的渾儀同步，故可隨時對兩者進行比較。鐘樓前面是一座木閣，分5層各開一門，無論白天黑夜，每隔一段時間，便有木人出現(xiàn)。木人擊鼓、搖鈴、打鐘、敲打樂器、出示時辰牌。全部木人都由巨大的報時裝置操縱。這架裝置則由巨大的樞輪供應(yīng)動力，樞輪上有木輻挾持水斗，水從漏壺中滴人水斗，使整個儀器每個時辰前進一個水斗。水運儀象臺是11世紀(jì)末我國杰出的天文儀器，也是世界上最古老的天文鐘，國際上對它賜予了高度的評價。它的主要貢獻是:第一，為了觀測上的便利，它的屋頂做成活動的，這是今日天文臺圓頂?shù)淖嫦?其次，渾象一晝夜自轉(zhuǎn)一圈，不僅形象地演示了天象的改變，也是現(xiàn)代天文臺的跟蹤機械一轉(zhuǎn)儀鐘的祖先;第三，蘇頌和韓公廉創(chuàng)建的擒縱器，是后世鐘表的關(guān)鍵部件，因此，它又是鐘表的祖先。蘇頌的大時鐘從1090年起始終運轉(zhuǎn)到1126年;隨后被金朝拆開，運至北京，在那里又運轉(zhuǎn)了幾年。蘇頌的“水運儀象臺”是中古時代中國時鐘制造的登峰造極之作;缺憾的是，在后來的100年里，由于斗爭的緣由，這些技術(shù)沒