时间的测量

教师简介

吴颖

盛泽实验小学教育集团吴绫实验小学科学教师，吴江区学科带头人，先后获得江苏省小学科学评优课一等奖、江苏省小学科学基本功大赛二等奖等。

在五年级下学期的科学课上学习了《时间的测量》之后，同学们知道了古人用来测量时间的日晷、水钟，以及近代的机械摆钟。除了书本上的介绍，今天我们一起来了解一下现代更为精准的计时工具。

石英钟

在“时间就是金钱”的年代，石英钟表逐渐取代了机械钟表，成为人们广泛应用的计时工具。1929年，世界上第一批石英钟问世。没想到，从它的诞生到后来遍布寻常百姓家，只花了70年的时间。为什么它的普及度会这么高呢？让我们先来了解一下石英。

石英是一种物理性质和化学性质都十分稳定的矿物质，主要成分是二氧化硅，为半透明或不透明的晶体，一般为乳白色，质地坚硬。

二氧化硅结晶完美时，就是水晶;二氧化硅胶化脱水后，就是玛瑙;二氧化硅含水的胶体凝固后，就成为蛋白石;二氧化硅晶粒小于几微米时，就组成玉髓、燧石、次生石英岩。

石英钟表的核心元件是压电石英晶片，它能够产生压电效应。压电效应是指当电介质在一定方向受到外力，并发生形变时，内部正、负电荷出现不均匀分布，使电介质受压两侧产生电压的现象。当外力消失后，电介质又会恢复到不带电的状态;当外力的方向改变时，电荷的极性也会改变。

在认识到这种现象后，科学家反其道而行之，在电介质的两端加上电压。于是，在电压的驱动下，电介质在该方向上被压缩，这便是压电效应的逆效应。

石英晶体便是一种可产生逆压電效应的电介质材料，当两端被加上强度不断变化的电压时，石英晶体就会随着电压的变化，不断地被压缩、释放，被压缩、释放......于是，石英晶体就振动了起来。

石英晶体每秒振动高达32768次，正因为振动如此规律，即使是便宜的石英表，一天之内的误差也不会超过1秒。也正因为石英的振动如此规律，而且价格便宜，所以它被用来做成钟表机芯，并且普及度这么高。

石英振荡器能够产生稳定的频率信号，再利用分频器将石英的振动频率调节，并驱动电机转动，使转动频率刚好为1秒/圈，这样就可以实现指针的扫秒运动。

通电状态下，石英振荡器产生的周期脉冲信号使得钟表内电机与转子产生相互作用，从静止到旋转，再到重新静止，所用时间恰为1秒，实现读秒。

铯原子钟

日常生活中使用的时间精准到1分钟也就够了，但是在近代的社会生产、科学研究和国防建设等部门，对时间的要求就高得多，要求精准到千分之一秒，甚至百万分之一秒。为了适应这些高精度的要求，人们制造出了一系列的精密计时器具，铯原子钟就是其中的一种。

铯原子钟又被人们形象地称作“喷泉钟”，因为铯原子钟工作时，铯原子会像喷泉一样升降运动。铯原子一秒内总是极其精确地振动90亿次，这一运动使得时间频率的计算更加准确。

铯原子钟能够精准测量时间频率，因此它的重要性被世界公认。目前，全球GPS的时间体系全部由更新型的铯原子喷泉钟做基础支撑技术。

原子钟

当前，原子钟在工作物质方面也开始多样化，不再限于铯元素，也包括铅、氢、铷、锶、镱等元素。我国北斗卫星的“心脏”就是铷原子钟，它的每一次跳动都直接决定着北斗卫星定位、测速和授时功能的精度。从打破国外技术封锁到不断设计研发更高精度、更强能力的国产原子钟，研制团队付出了数十年的努力，走出了一条自主创新、自我超越的发展之路，使时间精度提高到了每300万年才会差一秒。

同时，原子钟已经突破了单纯原子的界限，开始朝着原子核和单个离子特性测量的方向发展。从这个意义上讲，称之为原子钟似乎已不能完全涵盖其内涵，也许称之为“粒子钟”更加贴切。

有了这些精密的计时工具，科学家们就能足够灵敏地探测到暗物质和引力波等现象，也可以开始回答一些令人费解的问题，比如引力对时间流逝可能有什么影响，以及时间本身是否会随着宇宙年龄的增长而变化。

从日晷、水钟到机械摆钟再到石英钟、原子钟，人类对时间的测量精度在不断地提高。精度的提高依赖于科学技术的发展，技术的发展来源于人类的智慧。未来的科技要靠同学们去创造，努力探索科学新知识，勇于创新发现。加油吧，少年们！

我们平时使用卫星导航，是由地面发射电信号到导航卫星上，再根据已知的光速公式测算出两者的直线距离。而最简单的定位方法是三角定位法，也就是至少需要3颗导航卫星共同为你服务，才能测算出你在地面上的准确位置。所以，太空中的导航卫星必须携带精度很高的原子钟。只要1颗卫星上的时间有误差，就会造成地面数十、数百米的定位误差。

（责任编辑：陆艳）