【第1.01讲】时间计量的前世今生

同学们好！从今天起我们开始学习物理第一章：机械运动。学习机械运动离不开“时间”这个物理量。那么现在老师就要问问大家，“时间”是个什么东西？又怎么计量呢？

要想回答这个问题，还真是不容易。可以这样说，时间是有起点和终点的一段持续过程。再说得深奥一点，

是物质运动的存在形式。是物质运动过程的持续性和接续性的秩序。特点是具有客观性和无限性。总是朝着一个方向流逝，一去不复返。它和运动着的物质不可分离，和空间也不可分离。

我们汉语言的词语里都有“一去不复返”、“转瞬即逝”、“倏忽”、“刹那”、“地老天荒”、“永生永世”、“古往今来”……想想，说的是不是时间？再仔细想想，是不是和运动着的物质分不开，同时还和空间也分不开。这些词语有的说的是时间很短，有的说的是时间很长。都是些生活语言，只是大体上说明了时间的长短。要问长，到底多长；短，到底多短？说不出具体的数量。实在不太靠谱。不着急，物理学就能帮助解决这个问题。这就是时间的计量问题，或者说是时间的测量问题。

时间的测量过去和现在是大不一样的。所以，今天老师就和大家谈谈“时间计量的前世今生”。

因为时间像流水一样无休无止的流淌着。要计量，必须得分段，设定一个起点，再往前往后推移，就能知道时间的长短了。比如说，以现在为起点，过去的一年叫去年，未来的一年叫明年；过去的一日叫昨天，再往前一天叫前天，往后一天叫明天，往后两天叫后天，等等。一天之内分早上、上午、中午、下午和晚上。过去没有钟表，再要细分下去就困难了。怎么办呢？古人很有智慧，他们观察太阳，看太阳走到哪儿，就能大致知道，一天之内的时间段了。再进步一点，就是看太阳底下的影子，日晷就是根据这个原理设计制造的。利用日晷测时间，能把白天的时间段分得更细些，例如把一天分为12个时辰。可是日晷受天气的限制，没有太阳就用不成。于是人们又制造了沙漏和水漏。

尽管如此，还是不能精确计量。要精确计量时间，还得确定不同长短的时间段作为标准，然后利用这个标准像尺子一样去度量其它时间段。例如发明现代钟表之前，常用的标准有 “一炷香的时间”、“一顿饭的时间”等等。这个作为标准的时间段，就是时间单位。有了现代计时器之后，时间单位更加精确，比如年、月、日是大的时间单位，时、分、秒、毫秒等等是常用小的时间单位。

▲图1：故宫乾清宫里的日晷

单位确定了，就要解决测量工具问题。随着时代的发展，人的智慧也不断的进步，各种各样的计时器相继问世，摆钟、石英表、电子表……。日常生活，时间精确到秒就足够了，可不能满足突飞猛进的科学的需要。现代科学对时间的精确度的要求越来越高。如卫星定位、宇宙飞船航行，时间要精确到亿分之一秒。这就要由原子钟提供原子时。原子时是由原子里的电子跃迁振荡产生的。原子钟通常采用铯原子、铷原子等。所谓1秒，就是铯原子振荡9,192,631,770周经历的时间。中国2017年8月最新研制成功的新型原子钟，就可以精确到10亿分之一秒！它将用于我国的北斗导航卫星。同学们听了感到惊讶吧？随着课程的推进，还有许多惊讶在等着你们呢。

这节课就结束了。

【小结一下】

这一讲我们探讨了，如何计量时间的话题。我们了解到时间与物质运动、与空间都密不可分。日常生活中衡量时间的标准，如“地老天荒”、“一炷香的时间”等，常常比较粗糙。为了更准确地计量时间，需要解决两个问题——时间单位和测量工具。人类先后发明了日晷、沙漏、水漏、机械钟、电子表……直至原子钟，利用越来越先进的测量工具，越来越精确的定义了时间单位。最新的国际时间单位，秒，就是用铯原子的振荡周期定义的。

【思考题】

如果把时光流逝的过程比作一辆行驶的车，那你认为时光流逝的速度会有快慢的变化吗？

【扩展资料】

课程文稿的最后附赠了扩展阅读资料《时间计量发展年表》，列举了一些时间计量发展的关键进程，可供选读。

时间计量发展年表（资料来源于网络，有删节）

公元前20000年：史前人以在木棍和骨头上刻标记的方式来计时。

公元前8000年：埃及文明制订了12个月每月均为30天的日历。

公元前1500年：埃及发明第一个移动日晷，将一天分为12个周期。

公元前100年：雅典出现以一天24小时为基础的机械漏刻。　

公元400年：中国发展了机械漏刻。

公元1350年：德国钟表匠发明第一个机械闹钟。

公元1510年：德国纽伦堡出现带发条的怀表。

公元1656年：荷兰一位天文学家发明自摆钟。

公元1700年：时钟上除了“时针”外又加上了“分针”。

公元1800年：计时精度达到1/100秒。

公元1840年：建立格林威治标准时间。

公元1850年：计时精度达到1/1000秒。

公元1884年：华盛顿会议制定全球时区表。

公元1928年：石英钟被发明。

公元1955年：第一台可靠的铯原子束钟被发明。

公元2017年：中国研制的冷原子钟用于天宫二号，计时精度达到10亿分之一秒。

▲图2：古代水漏计时装置

▲图3：沙漏计时装置

▲图4：上海光机所(SIOM)2003年研制的铷原子钟

【备课手稿】