1、第三单元第三单元 计量时间计量时间 一、一、单元概述单元概述 自具有“时间”概念以来，人们便不断地寻求着准确计量时间的方法。古人经过长时间的 观测和日常生活经验的积累， 发现太阳等天体在天空有规律地改变着位置，并且呈现出周期性 的运动。根据太阳东升西落固有的周期性，人们制定了历法并用此描述时间，这是我们能够追 溯到的较早的划分时间的方法。 “天”成了最早的时间单位。那么，一天内的时间进程又如何 把握呢？古人发明了日晷，还研究制作出了沙漏、水钟等计量时间的装置。随着社会的发展， 人们逐渐意识到精确计量时间的必要性和重要性。17 世纪以后，钟表工艺迅猛发展，在时间 计量史上具有划时代的意义。根据伽
2、利略发现的单摆的等时性， 惠更斯制造了历史上第一个摆 钟，使时钟的误差从每天 15 分钟减少到 5 分钟。后来惠更斯又首次造出了第一个依靠发条驱 动的机械表，并由此推动了 18 世纪高精度航海钟的发明，从而解决了困扰人类近两个世纪的 经度测定问题，大大推动了航海事业的发展。不仅如此，机械钟的出现还促进了当时整个机械 工业的发展，使以钟表、罗盘、枪炮、印刷术等为代表的技术革命成为近代科学产生和发展的 动力之一。回顾整个科学发展史，我们可以清楚地看到，计时工具的发展史是与整个人类文明 发展史同步的。 学生在本单元的学习中， 要大致了解人类计时工具发展的几个比较典型的阶段： 燃香钟 水钟摆钟。学生要
3、学会观察、研究这些不同计时工具的差异性，以及保障计时准确的科学原 理。在此基础上模拟设计和制作水钟、钟摆等计时工具。如同古人一样，学生通过亲历科学实 践活动会发现一些计时方法的局限和不足，于是便会产生改进计时工具的内在需求。由于燃香 钟受外界因素影响较大，因此，计时方法直接进阶到水钟。水钟可以说是时钟发展史上比较典 型的机械计时工具了，但是其准确性和方便性都有待提高，于是又进阶到摆钟。另外，在研究 同一种计时工具时，学生的认知和思维也是在不断向前推进的，例如研究水钟，一开始发现初 始水位高度和孔径不变，流出相同多的水，时间是相等的；继而又发现当水位变化后，水流速 度并不是相等的；最后认识到只有
4、保持水位不变时，水流速度才是相等的。再比如，对于单摆 的研究，学生一开始会发现同一个单摆在摆动起来的时候具有等时性(相同时间内摆动次数相 同)，但是不同单摆的摆动速度却不同。进一步研究发现，摆绳长度会影响单摆摆动的快慢。 因此，本单元是学生理解“科学上的解释、理论和模型都是在特定的时期内与可获得的实证最 为吻合的”这一观点很好的材料。当学生回顾整理整个单元的研究时，可以清晰地认识到：具 有一定周期性运动的事物可用于计时。 本单元学习目标来自课程标准中 5-6 年级的下列相关学习内容。 16.2.1 知道重大的发眀和技术会给人类社会发展带来的深远影响和变化。 18.2.2 将自己简单的创意转化为
5、模型或实物。 18.3.2 简单评估完成一个产品或系统的可行性，预想使用效果。 本单元共有 7 课，它们的编排逻辑如下。 首先提出问题，明确本单元研究的主题，即在时钟发明之前，人们是怎样计时进而安排生 活和劳作的(第 1 课)；再通过对计时发展史上不同阶段燃香钟、水钟、摆钟等典型的计时工具 的制作、观测及研讨等活动，探究这些计时工具的特点及计时原理(第 1-6 课)，认识人类计时 工具发展进程，体会重大的发明和技术会给人类社会发展带来的深远影响和变化； 在认识并研 究古代水钟、摆钟等计时工具的基础上，学生设计、制作自己的水钟、摆钟等计时工具(第 3、 6 课)，他们根据教科书提出的任务结合所学
6、知识，进行设计，评估完成一个产品的可行性， 预测使用效果，然后将自己的创意转化为可以实际用来计时的工具，并通过测试发现问题，提 出进一步改进的设想；最后，教科书引导学生调查和比较人类计时工具的演变，关注计时和我 们生活的关系(第 7 课)。 第 1 课“时间在流逝” ，作为单元起始课，一开始就提出了单元研究主题“在时钟发明之 前，人们是怎样安排生活和劳作的呢？” ，之后通过对日晷等的介绍，简要了解一些古代计时 方法，然后开展“一炷香”时间的研究。这项研究为后续整个单元的研究提供了基本的研究方 法： 观测事物在一段时间内的运动变化(如一段香的燃烧， 100 毫升水的流动， 摆摆动 10 次等)
7、所需的时间是否一致。 第 2 课“用水计量时间” ，学生在认识燃香钟并了解燃香钟受外界因素影响的局限性的基 础上，进而开始关注、研究水钟。通过对水流的观察，对在不同水位高度时流出相同量的水所 需的时间的预测及实测，认识到水位高度会影响水流的速度。在此基础上观察古代水钟，了解 古人如何做到保持水位高度相同从而控制水流速度不变。 第 3 课“我们的水钟” ，学生在对水流特点认识的基础上，开始设计制作自己的水。可以 让水从固定的水位高度流出相同的水量来计时，也可以想办法控制水位高度不变， 让水以均匀 的速度流动从而计时。制作完成后还将继续测试，发现问题并加以改进。这是学生在本单元第 一次经历一项简易
8、工程的过程， 学生将自己简单的创意转化为实物， 体会完成一项工程的基本 过程，进而收获取得进步的成就感。 第 4 课“机械摆钟” ，通过硏究摆钟，进一步提髙计时的精确性。通过对钟摆 1 分钟内摆 动次数的重复观测， 以及对自制单摆(严格地说， 本单元研究的是 “单摆” ， 教科书中简称为 “摆” ， 本书后面也简称为“摆”)1 分钟内摆动次数的重复观测，学生会发现，同一个摆在相同时间 内的摆动次数相同，即摆具有等时性；摆可以用来计时。在统计各组自制摆的摆动次数时，学 生发现，不同摆的摆动速度不同，由此引发出新的问题：摆的速度受什么因素影响？ 第 5 课“摆的快慢”，承接上一课，学生讨论并预测哪
9、些因素影响摆的摆动速度，并通过 两组对比实验分别研究摆锤质量、摆绳长度与摆动速度的关系。在此基础上，学生认识到，摆 速快慢与摆锤质量无关，与摆绳长度有关；摆绳越短，摆速越快，反之，摆速越慢。 第 6 课“制作钟摆”，在前两课的研究基础上，学生将设计制作一个 1 分钟摆 60 次的单 摆。这是一项需不断调试、改进以达成预期目标的简易工程。同样，需要经过设计(尤其是制 订如何根据试验结果更有效、更快捷地改进设计方案的策略)、制作、测试、研讨等环节。学 生将简单评估完成这个产品的可行性，预测使用效果，并将自己简单的创意转化为实物。在此 基础上，也可以让学生在课后继续研究，设计一个 1 分钟摆动 30
10、 次或 120 次的摆，让学生简 单体会摆的次数跟摆绳长度之间的比例关系。引导学生通过自己动手摸索出规律：为了让摆的 次数变为原来的 2 倍(或 1/2)，绳子的长度需要增长到约 4 倍(或缩短到约 1/4)。这有利于启 迪学生的抽象思维、逻辑思维，以及利用数学理解物理现象的意识。 第 7 课“计量时间和我们的生活”，学生将回顾本单元探究过的几种计时工具，调查比较 人类计时工具的演变，归纳并初步发现自然界一些周期性运动的事物可用于计时。本课引导学 生关注计时和我们生活的关系，举例说明精确计时对我们生活的重要性，以及计时不精确可能 导致的严重后果。最后，期望学生将所学用于现实，在实际生活中关注计
11、时，珍惜时间，准确 用时。 二、二、单元教学目标单元教学目标 科学概念目标科学概念目标 燃香、水流在一定情况下匀速变化，单摆具有等时性。这些具有周期性运动特点的事物可 以用来计时。 计时工具准确性的提高主要依靠设计、材料等的改进。 科学探究目标科学探究目标 能观察和记录燃香长度变化的信息。 能辨别和控制实验中的可变因素。 能预测和测试怎样改变一个可变因素从而影响实验结果。 能解释结果并能总结可变因素是如何改变、影响实验结果的。 会用图表等记录、整理、交流信息。 会设计、制作和改进“水钟” “摆钟”等简易计时器。 能通过阅读和研究科学资料来获取更多的信息。 科学态度目标科学态度目标 发展探究时间
12、以及计时工具的兴趣。 意识到重复实验证实结果的重要性。 欣赏前人在测量时间和解释自然现象方面所做的贡献。 初步体验到科学技术与人们生活的密切关系。 科学、技术、社会与环境目标科学、技术、社会与环境目标 体会社会的需求是计时工具发展的动力。 体会计时技术的发展和应用影响着社会发展。 意识到人们一直在寻求精确的计时方法。随着科学和技术的发展， 人们制作的计时工具越 来越精确。 单元词汇单元词汇 日晷： 又称 “日规” ， 是中国古代利用日影变化测定时刻的天文仪器， 通常由晷针和晷盘(带 刻度的表座)组成。利用日晷计时的方法是人类在计时领域的重大发明。这项发明被人类沿用 达几千年之久。 水钟：水钟在
13、中国又称“刻漏” “漏壶” 。根据等时性原理，滴水计时有两种方法：一种是 利用特殊容器记录水漏完的时间(泄水型)；另一种是底部不开口的容器， 记录它用多少时间把 水装满(受水型)。中国的水钟，最早是泄水型，后来泄水型与受水型同时并用或两者合一。自 公元 85 年左右，浮子上装有漏箭的受水型漏壶逐渐流行，并被广泛使用。宋代苏颂研制的水 运仪象台，是当时世界上最先进的计时仪器。 摆钟：摆钟是一种时钟，发明于 17 世纪中叶，是根据单摆定律制造的。摆钟用摆锤控制 其他机件，使钟走得快慢均匀，一般能报点，并由发条提供能量使其摆动。 钟摆： 时钟机件的一部分， 是根据单摆原理制成的， 常用于调节时钟或其
14、他机械的运动件。 材料清单(视学生人数和分组情况确定数量)：古人用天体运动计时的图文(或视频)资料、 秒表、香、火柴或打火机、各种水钟的资料与图片、能容纳 300 毫升水的塑料瓶子、100 毫升 量筒、记号笔、工字钉、透明水杯、剪刀、美工刀、塑料瓶、尺子、铁架台、透明胶带、水钟 模型、大摆钟、摆锤(螺帽)、摆绳(棉线)、钩码、 “计时工具发展史”资料、每课相应的实验 记录表。 三、分课时教材分析三、分课时教材分析 第第 1 1 课课 时间在流逝时间在流逝 ( (一一) )背景和教学目标背景和教学目标 对于学生来说， “时间”是一个非常熟悉的概念事物。几点上课？几点下课？几点放学？ 学生每天都在
15、和时间打交道。但是要问“时间”是一种怎样的“东西” ，就不那么好回答了。 时间是什么？没有人问我，我很清楚；但若有人问我，我便茫然不知了。我们这里谈的是科学 意义上的时间。 “人类是怎样逐步发展起各种计时方法和工具的？” “现代钟表发明之前，古人 如何计时？”这些问题学生可能有所思考，并有一定的探究兴趣。作为单元起始课，本课旨在 引导学生来关注、研究这些问题，并通过对燃香钟这一实例的探究、研讨活动，引导学生慢慢 进入探索计时工具的状态：产生研究计时方法的探索渴望，初步掌握研究计时问题的方法，为 后面整个单元的学习做好准备。 科学概念目标科学概念目标 古人利用天体的运动规律计时。 在一定的条件下
16、，燃香变短的速度基本是均匀的，可以用来计时。 科学探究目标科学探究目标 能搜集古人计时方法的资料并进行交流。 能观测并记录燃香时间的相关数据。 能就“蜡烛可以计时吗”这一问题结合实验进行讨论，表达自己的观点。 科学态度目标科学态度目标 有关注计时方法的意识和兴趣。 科学、技术、社会与环境目标科学、技术、社会与环境目标 了解不同的时代有不同的计时工具。 ( (二二) )教学准备教学准备 为学生准备：秒表、香、火柴、记号笔、实验记录表。(可按组准备)。 教师准备：有关古人用天体(如太阳、月亮)运动计时的图文或视频资料、教学课件。 第第 2 2 课课 用水计量时间用水计量时间 ( (一一) )背景和
17、教学目标背景和教学目标 水钟在人类计时发展史上大约经历了 3000 年的历程。它的出现与发展是为了一个更现实 的需要，即怎样能够在多云的日子、阴雨天和夜晚计量时间。学生在了解用太阳计时和研究燃 香钟后， 也会发现它们的一些不足和局限。 这让学生自然地想到， 需要找寻更好的方法来计时。 同时，通过前一课“燃香钟”的探究，学生也已初步认识到，燃香能够被用作计时工具，是因 为在一定的情况下(如燃香粗细均匀， 周围没有风吹等干扰因素等)燃香的长度变化是比较均匀 的。 他们或许能从中得到启发，可以通过找寻自然界有规律运动的物体或事件来帮助记录时间 推移的轨迹。所以，从这课开始，学生要在教师指导下，观察流
18、水、单摆等的运动，探究影响 其运动速度的因素。 通过控制和改变影响这些事件运动变化速度的因素， 设计并制作成可用于 计时的装置。 科学概念目标科学概念目标 初始水位高度和孔径不变，流出相同水量所需的时间；保持水位高度不变，水流的速度不 变。水流的这一特点可用于计时。 科学探究目标科学探究目标 能通过实验发现影响水流速度变化的主要因素。 能通过观察古人利用流水计时的装置，结合自己的实验探究，理解这些装置计时的方法。 科学态度目标科学态度目标 理解古人的聪明才智，对古人的智慧创作产生敬佩之情。 在观察和记录实验数据时能始终保持严谨细致的态度。 科学、技术、社会与环境目标科学、技术、社会与环境目标
19、了解社会的发展会带动计时工具的进步。 ( (二二) )教学准备教学准备 为学生准备：能容纳 200 毫升水的塑料瓶子、200 毫升量筒(量杯)、记号笔、工字钉、透 明水杯。(可按组准备) 教师准备：课前搜集各种水钟的资料与图片、教学课件。 第第 3 3 课课 我们的水钟我们的水钟 ( (一一) )背景和教学目标背景和教学目标 通过前一课的教学， 学生已经认识了两种水钟的构造， 在经历了观察水流的速度的实验和 测量水流速度的变化的实验后， 学生对水钟作为计时工具的原理有了新的理解， 有了制作水钟 的欲望和理论基础。本课，学生要运用已掌握的知识设计一个水钟，用图画的形式对自己设计 的水钟进行描述，
20、 并要亲自动手制作一个水钟， 还要在实践中检验自己的水钟是否能准确计时， 以及对水钟的设计进行改进。本课，学生将要经历设计方案一动手制作一测试并改进的工程活 动过程，这个过程也是一个促进学生思维发展的过程。 科学概念目标科学概念目标 水钟通过一定的装置， 能够保持水在一定的时间内以稳定的速度往下流， 从而能用来计时。 我们可以控制水流的速度，从而使水钟计时更加准确。 科学探究目标科学探究目标 能运用画图和文字描述的方法设计制作水钟的方案。 能利用剪刀、塑料瓶等简单工具和材料制作一个简易的水钟。 能在实际运用过程中对自己的方案进行改进。 经历思考方案一制订计划一实施方案一检验成果一寻找原因一改进
21、完善的探究过程。 科学态度目标科学态度目标 在制作水钟的过程中感受到科学制作带来的乐趣。 体会到在科学研究中分工合作与和谐地开展探究都是很重要的。 体验到完成一个科学制作需要不断重复实验，在实验中逐步完善。 科学、技术、社会与环境目标科学、技术、社会与环境目标 经历一项工程的几个主要过程。 ( (二二) )教学准备教学准备 为学生准备：剪刀、美工刀、塑料瓶、秒表(或者手表)、记号笔、直尺、工字钉、铁架台 和透明胶带。(可按组准备) 教师准备：自制的水钟模型、教学课件。 第第 4 4 课课 机械摆钟机械摆钟 ( (一一) )背景和教学目标背景和教学目标 随着社会的发展， 人类对时间的要求也更加精
22、确了， 在相当多的时候需要以秒来计算时间。 计时器的发展历史确实是向着寻找更轻便、更准确的设备迈进的。像日晷、水钟以及后来的沙 漏，虽然都经过了不断的改进和提高，但是它们仍然无法满足人们对精确计时的需求。 1583 年，伽利略有了一个重大的发现，这引出了一个新的计时方法。伽利略观察教堂中 的吊灯在微风中前后摆动，摆动的弧线时长时短，但不管摆幅是多大，吊灯往返的时间好像是 一样的。 他意识到摆可以成为一种有规律的计时装置， 这引发了由摆动的钟摆来控制的机械钟 表的发展。 在本课，学生从钟摆的摆动开始观察研究，然后自己制作一个简易的摆(制作简单摆的三 样东西是一根绳、一个绑在绳子一端的重物和一个能
23、把绳子挂起来并让它自由摆动的支架)， 测量它在 1 分钟内的摆动次数。学生在测试自己制作的摆后交流研究结果，得到初步共识，并 为下一课提出了待研究的问题。 科学概念目标科学概念目标 同一个单摆在相同时间内摆动次数相同，这就是摆的等时性。根据这种性质，人们制成了 摆钟，使时间的计量误差更小。 科学探究目标科学探究目标 能较准确地重复观测钟摆及自制摆每分钟的摆动次数。 能根据钟摆的特点动手制作一个单摆。 科学态度目标科学态度目标 准确地测量摆的摆动次数，理解重复实验的意义。 发展研究计时工具的兴趣。 科学、技术、社会与环境目标科学、技术、社会与环境目标 了解社会的需求是科学技术发展的动力。 ( (
24、二二) )教学准备教学准备 为学生准备：手表(秒表)、摆锤(螺帽或其他重物)、摆绳(棉线)、支架(铁架台或其他支 架)、记录表。(可按组准备) 教师准备：一个大摆钟、教学课件。 第第 5 5 课课 摆的快慢摆的快慢 ( (一一) )背景和教学目标背景和教学目标 上一课，学生在测量摆的摆动次数的时候已经发现， 不同的摆在 1 分钟内摆动的次数是不 一样的。有的摆摆动快，而有的摆摆动慢。此时，学生的头脑中已经形成了一个问题：在相同 时间内， 不同的摆摆动的次数怎么不一样呢？摆动快慢与什么因素有关？本课就在此基础上引 导学生进行猜测并进一步通过实验来研究。 本课中，学生将就摆的快慢与什么因素有关展开
25、讨论与思考， 并且去验证他们自己的一些 猜测。在探究的过程中逐步排除一些猜测，修正自己的想法。学生将分别测量不同质量摆锤的 摆，以及不同摆绳长度的摆在 30 秒钟内摆动的次数。他们在分析测量数据的过程中会发现， 摆锤质量不影响摆的快慢，而摆绳长度则会影响摆的快慢，摆绳越长，摆得越慢。 科学概念目标科学概念目标 改变摆锤质量不能改变摆的快慢，摆绳长度影响摆的快慢：摆绳越短摆动速度越快，反之 则越慢 科学探究目标科学探究目标 能根据已有的实验现象推测摆的摆动快慢与什么因素有关。 能有效开展改变摆锤质量、摆绳长度对摆的快慢是否产生影响的实验研究。 能对实验的结果进行分析，并能根据分析进行预测。 科学
26、态度目标科学态度目标 初步意识到获得精确的测量结果是需要反复测量的。 意识到在实验中细心观察并发现新的问题是很重要的。 科学、技术、社会与环境目标科学、技术、社会与环境目标 了解人类的好奇心是科学技术发展的动力。 ( (二二) )教学准备教学准备 为学生准备：摆绳(棉绳等)、几个大小相同的螺母(或钩码)、铁架台、秒表(或手表)、研 究不同摆锤质量的摆和不同绳长的摆 30 秒内摆动次数的记录表各一份。(可按组准备) 教师准备：学生用材料一套、教学课件。 第第 6 6 课课 制作钟摆制作钟摆 ( (一一) )背景和教学目标背景和教学目标 在上一课，学生通过研究已经发现，摆的摆动快慢与摆绳长度有关。
27、摆绳越长，摆动就越 慢，摆绳越短摆动就越快。但是教科书又为学生的研究设置了新问题，机械摆钟里的钟摆每分 钟摆动 60 次，如果要制作一个 1 分钟正好摆动 60 次的摆，该怎样来制作呢？ 在本课中，学生将用调节摆绳长度的方法来调节摆的快慢。经过本课的研究，学生将能够 更好地理解钟摆，并学会控制钟摆的快慢。根据前面的学习基础，学生也将制作一个 1 分钟摆 动 60 次的摆，也就是机械摆钟的钟摆。 科学概念目标科学概念目标 摆的摆动快慢与摆绳长度有关。 同一个摆，摆绳长度越长，摆动越慢；摆绳长度越短，摆动越快。 科学探究目标科学探究目标 能在真实的情境中研究摆绳长度如何影响摆动快慢，不断地调整摆，
28、直至每分钟正好摆动 60 次。 能运用测量与比较的方法来研究摆的摆动快慢。 科学态度目标科学态度目标 认识到细心观察与准确测量的重要性。 对新问题的研究保持积极的探究欲望。 科学、技术、社会与环境目标科学、技术、社会与环境目标 意识到人类对产品需要不断地改进以适应现实的需求。 ( (二二) )教学准备教学准备 为学生准备：细长绳、铁架台计时器(秒表或者手表)、摆锤(金属球等)。(可按组准备) 教师准备：教学课件。 第第 7 7 课课 计量时间和我们的生活计量时间和我们的生活 ( (一一) )背景和教学目标背景和教学目标 学生通过前面 6 课的学习， 已经对人类的计时工具发展过程有了基本的了解，
29、 经历了古人 制作计时工具的智慧与创造过程， 从而认识到科学技术通过促进人们的生活方式、思维方式的 变革来推动社会发展。 在本课中，学生将更系统地整理、总结人类计时工具的演变，体会计时工具的精确度对人 们的生活、出行等方面的影响，以及帮助人类更好地探索未知的领域，并通过设计作息时间表 来体会合理安排时间、珍惜时间的重要意义。 科学概念目标科学概念目标 计时工具的设计运用了物体运动周期性变化的规律。 科学探究目标科学探究目标 能通过表格的方式调查和比较人类计时工具的演变。 能调查因时间的不精准给人类生活造成麻烦的一些事件。 科学态度目标科学态度目标 认识到人类设计不同的计时工具来满足不同的用途和
30、需求。 认识到科技的进步能更好地造福人类。 科学、技术、社会与环境目标科学、技术、社会与环境目标 意识到科学技术的发展和应用影响着社会的发展。 ( (二二) )教学准备教学准备 为学生准备： “计时工具发展史”资料、 “计时工具的比较”记录表、 “精确计时的重要性” 班级记录表。(可按组准备) 教师准备： “精确计时的重要性”班级记录表(大表)、教学课件。 四、参考资料四、参考资料 人类计时仪器的发展史人类计时仪器的发展史 人类的日常生活、科研、导航及测绘等都离不开时间。时间的计量涉及两个量历元和 时间间隔。 任何具有周期性变化的自然现象都可以用来计量时间。人类从以地球自转为基准来 计量时间发
31、展到机械钟、石英钟乃至原子钟，经历了约 3500 年的发展变化进程。 在公元前 1500 年出现的日晷是人类最古老的计时工具，埃及人首先开始使用这项技术， 然后在整个地中海地区普及开来。日晷是以太阳投向刻度盘的阴影为基础的， 通常由铜制的指 针(晷针)和石制的圆盘(晷面)组成。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳 自东向西移动时，投向晷面的晷针影子也会慢慢地由西向东移动。于是，移动着的晷针影子好 像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面以此来显示时刻。 公元前 1400 年，出现的漏壶(沙漏或者滴漏)是第一个摆脱天文现象的计时仪器。它是根 据流沙从一个容器滴漏到另一个容器的数量来计
32、量时间的。古代人设计的“五轮沙漏” ，是通 过流沙从漏斗形的沙池流到初轮边上的沙斗里，以此来驱动初轮， 从而带动各级机械齿轮依次 旋转；最后一级齿轮带动在水平面上旋转的中轮，中轮的轴心上有一根指针，指针在一个有刻 线的仪器圆盘上转动， 以此来显示时刻，这种古老的显示方法几乎与现代时钟的表面结构完全 相同。 在公元 1088 年，中国宋朝的机械师苏颂发明的“水运仪象台”(水钟)被认为是第一架真 正的机械钟，它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装 置于一体的综合性观测仪器， 它实际上就是一座小型的天文台。 这台仪器的制造水平堪称一绝， 充分体现了我国古代人民的聪明才
33、智和富于创造的精神。 1400 年， 第一批机械钟开始在欧洲流行， 其始祖由意大利人乔瓦尼 唐迪于 1364 年制成， 他首次在机械钟里引入了轮式钟摆。 1511 年，荷兰人彼得亨莱茵制成了第一块怀表，但它只有时针而没有分针和秒针。怀 表和钟的结构其实是完全一样的， 不同的是它利用螺旋弹簧制成的发条驱动从而摆脱了传统的 钟摆，它依靠小巧的“体形” ，轻松地进入人们的口袋。 1656 年，有摆的挂钟(或座钟)产生于荷兰天文学家、物理学家克里斯蒂安惠更斯的实 验室内。它是以伽利略发现的摆的摆动具有规则性这个原理为基础而发明的。自此以后，人类 掌握了比较精确的测量时间的方法。 1969 年，由瑞士人
34、创意、日本精工企业制作的第一块石英手表诞生，其价格在当时相当 于一部汽车。 石英手表的发明是基于科学家发现处于电路之中的石英晶体能产生频率稳定的振 动以及可以通过特殊的切割方式来控制石英晶体振动的频率。 时间基准时间基准 所谓时间基准，就是在当代被人们确认为是最精确的时间尺度。长期以来，人们直在寻求 着这样的时间尺度。 在远古时期， 人类以太阳的东升西落作为时间尺度； 公元前 2 世纪， 人们发明了地平日晷， 一天的误差为 15 分钟；一千多年前的希腊和我国的北宋时期，能工巧匠们曾设计出水钟，精 确到每日 10 分钟误差；六百多年前，机械钟问世，并将昼夜分为 24 小时；到了 17 世纪，单
35、摆用于机械钟，使计时精度提高近一百倍；到了 20 世纪 30 年代，石英晶体振荡器出现，对于 精密的石英钟，三百年只差一秒。 自 17 世纪以来， 天文学家们以地球自转和世界时作为时间尺度， 即当地球绕轴自转一周， 地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。1820 年，法国科学院正式提出，一个平太阳日的 1/86400 为一个平太阳秒，称为世界时秒长。 由于地球自转季节性变化、不规则变化和长期减慢，世界时每天可精确到 1 乘以 10 负九 次方。但是，社会的进步和科学技术(特别是航天、空间物理、军事等)的飞速发展，使人们对 时间尺度的精度需求越来越高。 19
36、53 年是时间频率科学的一个新的里程碑。世界上第一台原子钟在美国哥伦比亚大学由 三位科学家研制成功， 其中有一位科学家叫王天眷(后来回国， 多年从事祖国的频标事业)。 195 年， 英国国家物理实验室研制成功世界上第一台铯束原子频标， 原子钟的出现标志着一门崭新 的学科量子频标的诞生。1967 年，13 届国际计量大会决定：铯原子 Cs133 基态的两个超精 细能级间跃迁辐射震荡 9192631770 周所持续的时间为 1 秒。此定义一直沿用至今。所以，从 1967 年开始，时间频率的计量进入原子时代，首先被用作时频基准的装置是实验室型铯束原 子钟。1994 年，A. Clarion 小组研制
37、出第一台铯原子喷泉钟 FO1，1995 年的评定结果显示， FO1 的性能超过了当时最好的铯束钟。 此后， 铯原子喷泉钟逐步取代铯束钟成为新的频率基准。 社会在进步，科技在发展，人类对新的时间基准的研究仍在继续。喷泉钟的准确度进入 10 的负 15 次方，最好的达到 1 乘以 10 的负 15 次方(美国标准与技术研究院)光抽运铯束基准 频标的准确度也进入 10 的负 15 次方(法国巴黎时间频率实验室)。 随着原子物理学的深入研究和激光技术的快速发展， 人们以原子或离子的光学波段跃迁作 为时间频率基准的光频标问世。 利用原子或离子内部特定两个能态之间固有的跃迁， 即钟跃迁， 将激光的频率锁定到钟跃迁上。锁定在钟跃迁上的超稳激光能紧密跟踪原子的固有频率， 从而 使得该激光器的频率在短期和长期中都有极高的稳定性。 由于光学频率比微波频率高 5 个数量 级， 所以利用原子或离子的光学跃迁频率作为时间频率标准具有比微波频率标准更高的准确度 和稳定度。目前，原子光钟实现的准确度和稳定度都已进入 10 的负 18 次方量级，比现行用于 定义时间基本单位“秒”的基准钟铯微波喷泉钟高近两个量级。鉴于光钟的超高性能，国 际时间频率咨询委员会计划在 2028 年讨论用光钟作为新一代时间频率基准钟。 因此， 不久的将来， 光频标完全有可能取代目前的微波频标， 成为新一代的时间频率基准。
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