時(shí)間的測(cè)量

教師簡(jiǎn)介

吳穎

盛澤實(shí)驗(yàn)小學(xué)教育集團(tuán)吳綾實(shí)驗(yàn)小學(xué)科學(xué)教師，吳江區(qū)學(xué)科帶頭人，先后獲得江蘇省小學(xué)科學(xué)評(píng)優(yōu)課一等獎(jiǎng)、江蘇省小學(xué)科學(xué)基本功大賽二等獎(jiǎng)等。

在五年級(jí)下學(xué)期的科學(xué)課上學(xué)習(xí)了《時(shí)間的測(cè)量》之后，同學(xué)們知道了古人用來(lái)測(cè)量時(shí)間的日晷、水鐘，以及近代的機(jī)械擺鐘。除了書(shū)本上的介紹，今天我們一起來(lái)了解一下現(xiàn)代更為精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)工具。

石英鐘

在“時(shí)間就是金錢(qián)”的年代，石英鐘表逐漸取代了機(jī)械鐘表，成為人們廣泛應(yīng)用的計(jì)時(shí)工具。1929年，世界上第一批石英鐘問(wèn)世。沒(méi)想到，從它的誕生到后來(lái)遍布尋常百姓家，只花了70年的時(shí)間。為什么它的普及度會(huì)這么高呢？讓我們先來(lái)了解一下石英。

石英是一種物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都十分穩(wěn)定的礦物質(zhì)，主要成分是二氧化硅，為半透明或不透明的晶體，一般為乳白色，質(zhì)地堅(jiān)硬。

二氧化硅結(jié)晶完美時(shí)，就是水晶;二氧化硅膠化脫水后，就是瑪瑙;二氧化硅含水的膠體凝固后，就成為蛋白石;二氧化硅晶粒小于幾微米時(shí)，就組成玉髓、燧石、次生石英巖。

石英鐘表的核心元件是壓電石英晶片，它能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是指當(dāng)電介質(zhì)在一定方向受到外力，并發(fā)生形變時(shí)，內(nèi)部正、負(fù)電荷出現(xiàn)不均勻分布，使電介質(zhì)受壓兩側(cè)產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象。當(dāng)外力消失后，電介質(zhì)又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài);當(dāng)外力的方向改變時(shí)，電荷的極性也會(huì)改變。

在認(rèn)識(shí)到這種現(xiàn)象后，科學(xué)家反其道而行之，在電介質(zhì)的兩端加上電壓。于是，在電壓的驅(qū)動(dòng)下，電介質(zhì)在該方向上被壓縮，這便是壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)。

石英晶體便是一種可產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)的電介質(zhì)材料，當(dāng)兩端被加上強(qiáng)度不斷變化的電壓時(shí)，石英晶體就會(huì)隨著電壓的變化，不斷地被壓縮、釋放，被壓縮、釋放......于是，石英晶體就振動(dòng)了起來(lái)。

石英晶體每秒振動(dòng)高達(dá)32768次，正因?yàn)檎駝?dòng)如此規(guī)律，即使是便宜的石英表，一天之內(nèi)的誤差也不會(huì)超過(guò)1秒。也正因?yàn)槭⒌恼駝?dòng)如此規(guī)律，而且價(jià)格便宜，所以它被用來(lái)做成鐘表機(jī)芯，并且普及度這么高。

石英振蕩器能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)，再利用分頻器將石英的振動(dòng)頻率調(diào)節(jié)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)動(dòng)頻率剛好為1秒/圈，這樣就可以實(shí)現(xiàn)指針的掃秒運(yùn)動(dòng)。

通電狀態(tài)下，石英振蕩器產(chǎn)生的周期脈沖信號(hào)使得鐘表內(nèi)電機(jī)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相互作用，從靜止到旋轉(zhuǎn)，再到重新靜止，所用時(shí)間恰為1秒，實(shí)現(xiàn)讀秒。

銫原子鐘

日常生活中使用的時(shí)間精準(zhǔn)到1分鐘也就夠了，但是在近代的社會(huì)生產(chǎn)、科學(xué)研究和國(guó)防建設(shè)等部門(mén)，對(duì)時(shí)間的要求就高得多，要求精準(zhǔn)到千分之一秒，甚至百萬(wàn)分之一秒。為了適應(yīng)這些高精度的要求，人們制造出了一系列的精密計(jì)時(shí)器具，銫原子鐘就是其中的一種。

銫原子鐘又被人們形象地稱作“噴泉鐘”，因?yàn)殇C原子鐘工作時(shí)，銫原子會(huì)像噴泉一樣升降運(yùn)動(dòng)。銫原子一秒內(nèi)總是極其精確地振動(dòng)90億次，這一運(yùn)動(dòng)使得時(shí)間頻率的計(jì)算更加準(zhǔn)確。

銫原子鐘能夠精準(zhǔn)測(cè)量時(shí)間頻率，因此它的重要性被世界公認(rèn)。目前，全球GPS的時(shí)間體系全部由更新型的銫原子噴泉鐘做基礎(chǔ)支撐技術(shù)。

原子鐘

當(dāng)前，原子鐘在工作物質(zhì)方面也開(kāi)始多樣化，不再限于銫元素，也包括鉛、氫、銣、鍶、鐿等元素。我國(guó)北斗衛(wèi)星的“心臟”就是銣原子鐘，它的每一次跳動(dòng)都直接決定著北斗衛(wèi)星定位、測(cè)速和授時(shí)功能的精度。從打破國(guó)外技術(shù)封鎖到不斷設(shè)計(jì)研發(fā)更高精度、更強(qiáng)能力的國(guó)產(chǎn)原子鐘，研制團(tuán)隊(duì)付出了數(shù)十年的努力，走出了一條自主創(chuàng)新、自我超越的發(fā)展之路，使時(shí)間精度提高到了每300萬(wàn)年才會(huì)差一秒。

同時(shí)，原子鐘已經(jīng)突破了單純?cè)拥慕缦蓿_(kāi)始朝著原子核和單個(gè)離子特性測(cè)量的方向發(fā)展。從這個(gè)意義上講，稱之為原子鐘似乎已不能完全涵蓋其內(nèi)涵，也許稱之為“粒子鐘”更加貼切。

有了這些精密的計(jì)時(shí)工具，科學(xué)家們就能足夠靈敏地探測(cè)到暗物質(zhì)和引力波等現(xiàn)象，也可以開(kāi)始回答一些令人費(fèi)解的問(wèn)題，比如引力對(duì)時(shí)間流逝可能有什么影響，以及時(shí)間本身是否會(huì)隨著宇宙年齡的增長(zhǎng)而變化。

從日晷、水鐘到機(jī)械擺鐘再到石英鐘、原子鐘，人類(lèi)對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度在不斷地提高。精度的提高依賴于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展來(lái)源于人類(lèi)的智慧。未來(lái)的科技要靠同學(xué)們?nèi)?chuàng)造，努力探索科學(xué)新知識(shí)，勇于創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)。加油吧，少年們！

我們平時(shí)使用衛(wèi)星導(dǎo)航，是由地面發(fā)射電信號(hào)到導(dǎo)航衛(wèi)星上，再根據(jù)已知的光速公式測(cè)算出兩者的直線距離。而最簡(jiǎn)單的定位方法是三角定位法，也就是至少需要3顆導(dǎo)航衛(wèi)星共同為你服務(wù)，才能測(cè)算出你在地面上的準(zhǔn)確位置。所以，太空中的導(dǎo)航衛(wèi)星必須攜帶精度很高的原子鐘。只要1顆衛(wèi)星上的時(shí)間有誤差，就會(huì)造成地面數(shù)十、數(shù)百米的定位誤差。

（責(zé)任編輯：陸艷）