2021年新教科版五年級上冊科學教材分析第三單元 計量時間一、單元概述自具有“時間”概念以來，人們便不斷地尋求著準確計量時間的方法。古人經(jīng)過長時間的觀測和日常生活經(jīng)驗的積累，發(fā)現(xiàn)太陽等天體在天空有規(guī)律地改變著位置，并且呈現(xiàn)出周期性的運動。根據(jù)太陽東升西落固有的周期性，人們制定了歷法并用此描述時間，這是我們能夠追溯到的較早的劃分時間的方法。“天”成了最早的時間單位。那么，一天內(nèi)的時間進程又如何把握呢？古人發(fā)明了日晷，還研究制作出了沙漏、水鐘等計量時間的裝置。隨著社會的發(fā)展，人們逐漸意識到精確計量時間的必要性和重要性。17世紀以后，鐘表工藝迅猛發(fā)展，在時間計量史上具有劃時代的意義。根據(jù)伽利略發(fā)現(xiàn)的單擺的等時性，惠更斯制造了歷史上第一個擺鐘，使時鐘的誤差從每天15分鐘減少到5分鐘。后來惠更斯又首次造出了第一個依靠發(fā)條驅(qū)動的機械表，并由此推動了18世紀高精度航海鐘的發(fā)明，從而解決了困擾人類近兩個世紀的經(jīng)度測定問題，大大推動了航海事業(yè)的發(fā)展。不僅如此，機械鐘的出現(xiàn)還促進了當時整個機械工業(yè)的發(fā)展，使以鐘表、羅盤、槍炮、印刷術等為代表的技術革命成為近代科學產(chǎn)生和發(fā)展的動力之一。回顧整個科學發(fā)展史，我們可以清楚地看到，計時工具的發(fā)展史是與整個人類文明發(fā)展史同步的。學生在本單元的學習中，要大致了解人類計時工具發(fā)展的幾個比較典型的階段：燃香鐘水鐘擺鐘。學生要學會觀察、研究這些不同計時工具的差異性，以及保障計時準確的科學原理。在此基礎上模擬設計和制作水鐘、鐘擺等計時工具。如同古人一樣，學生通過親歷科學實踐活動會發(fā)現(xiàn)一些計時方法的局限和不足，于是便會產(chǎn)生改進計時工具的內(nèi)在需求。由于燃香鐘受外界因素影響較大，因此，計時方法直接進階到水鐘。水鐘可以說是時鐘發(fā)展史上比較典型的機械計時工具了，但是其準確性和方便性都有待提高，于是又進階到擺鐘。另外，在研究同一種計時工具時，學生的認知和思維也是在不斷向前推進的，例如研究水鐘，一開始發(fā)現(xiàn)初始水位高度和孔徑不變，流出相同多的水，時間是相等的；繼而又發(fā)現(xiàn)當水位變化后，水流速度并不是相等的；最后認識到只有保持水位不變時，水流速度才是相等的。再比如，對于單擺的研究，學生一開始會發(fā)現(xiàn)同一個單擺在擺動起來的時候具有等時性(相同時間內(nèi)擺動次數(shù)相同)，但是不同單擺的擺動速度卻不同。進一步研究發(fā)現(xiàn)，擺繩長度會影響單擺擺動的快慢。因此，本單元是學生理解“科學上的解釋、理論和模型都是在特定的時期內(nèi)與可獲得的實證最為吻合的”這一觀點很好的材料。當學生回顧整理整個單元的研究時，可以清晰地認識到：具有一定周期性運動的事物可用于計時。本單元學習目標來自課程標準中5-6年級的下列相關學習內(nèi)容。16.2.1知道重大的發(fā)眀和技術會給人類社會發(fā)展帶來的深遠影響和變化。18.2.2將自己簡單的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為模型或?qū)嵨铩?8.3.2簡單評估完成一個產(chǎn)品或系統(tǒng)的可行性，預想使用效果。本單元共有7課，它們的編排邏輯如下。首先提出問題，明確本單元研究的主題，即在時鐘發(fā)明之前，人們是怎樣計時進而安排生活和勞作的(第1課)；再通過對計時發(fā)展史上不同階段燃香鐘、水鐘、擺鐘等典型的計時工具的制作、觀測及研討等活動，探究這些計時工具的特點及計時原理(第1-6課)，認識人類計時工具發(fā)展進程，體會重大的發(fā)明和技術會給人類社會發(fā)展帶來的深遠影響和變化；在認識并研究古代水鐘、擺鐘等計時工具的基礎上，學生設計、制作自己的水鐘、擺鐘等計時工具(第3、6課)，他們根據(jù)教科書提出的任務結(jié)合所學知識，進行設計，評估完成一個產(chǎn)品的可行性，預測使用效果，然后將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為可以實際用來計時的工具，并通過測試發(fā)現(xiàn)問題，提出進一步改進的設想；最后，教科書引導學生調(diào)查和比較人類計時工具的演變，關注計時和我們生活的關系(第7課)。第1課“時間在流逝”，作為單元起始課，一開始就提出了單元研究主題“在時鐘發(fā)明之前，人們是怎樣安排生活和勞作的呢？”，之后通過對日晷等的介紹，簡要了解一些古代計時方法，然后開展“一炷香”時間的研究。這項研究為后續(xù)整個單元的研究提供了基本的研究方法：觀測事物在一段時間內(nèi)的運動變化(如一段香的燃燒，100毫升水的流動，擺擺動10次等)所需的時間是否一致。第2課“用水計量時間”，學生在認識燃香鐘并了解燃香鐘受外界因素影響的局限性的基礎上，進而開始關注、研究水鐘。通過對水流的觀察，對在不同水位高度時流出相同量的水所需的時間的預測及實測，認識到水位高度會影響水流的速度。在此基礎上觀察古代水鐘，了解古人如何做到保持水位高度相同從而控制水流速度不變。第3課“我們的水鐘”，學生在對水流特點認識的基礎上，開始設計制作自己的水。可以讓水從固定的水位高度流出相同的水量來計時，也可以想辦法控制水位高度不變，讓水以均勻的速度流動從而計時。制作完成后還將繼續(xù)測試，發(fā)現(xiàn)問題并加以改進。這是學生在本單元第一次經(jīng)歷一項簡易工程的過程，學生將自己簡單的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實物，體會完成一項工程的基本過程，進而收獲取得進步的成就感。第4課“機械擺鐘”，通過硏究擺鐘，進一步提髙計時的精確性。通過對鐘擺1分鐘內(nèi)擺動次數(shù)的重復觀測，以及對自制單擺(嚴格地說，本單元研究的是“單擺”，教科書中簡稱為“擺”，本書后面也簡稱為“擺”)1分鐘內(nèi)擺動次數(shù)的重復觀測，學生會發(fā)現(xiàn)，同一個擺在相同時間內(nèi)的擺動次數(shù)相同，即擺具有等時性；擺可以用來計時。在統(tǒng)計各組自制擺的擺動次數(shù)時，學生發(fā)現(xiàn)，不同擺的擺動速度不同，由此引發(fā)出新的問題：擺的速度受什么因素影響？第5課“擺的快慢”，承接上一課，學生討論并預測哪些因素影響擺的擺動速度，并通過兩組對比實驗分別研究擺錘質(zhì)量、擺繩長度與擺動速度的關系。在此基礎上，學生認識到，擺速快慢與擺錘質(zhì)量無關，與擺繩長度有關；擺繩越短，擺速越快，反之，擺速越慢。第6課“制作鐘擺”，在前兩課的研究基礎上，學生將設計制作一個1分鐘擺60次的單擺。這是一項需不斷調(diào)試、改進以達成預期目標的簡易工程。同樣，需要經(jīng)過設計(尤其是制訂如何根據(jù)試驗結(jié)果更有效、更快捷地改進設計方案的策略)、制作、測試、研討等環(huán)節(jié)。學生將簡單評估完成這個產(chǎn)品的可行性，預測使用效果，并將自己簡單的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實物。在此基礎上，也可以讓學生在課后繼續(xù)研究，設計一個1分鐘擺動30次或120次的擺，讓學生簡單體會擺的次數(shù)跟擺繩長度之間的比例關系。引導學生通過自己動手摸索出規(guī)律：為了讓擺的次數(shù)變?yōu)樵瓉淼?倍(或1/2)，繩子的長度需要增長到約4倍(或縮短到約1/4)。這有利于啟迪學生的抽象思維、邏輯思維，以及利用數(shù)學理解物理現(xiàn)象的意識。第7課“計量時間和我們的生活”，學生將回顧本單元探究過的幾種計時工具，調(diào)查比較人類計時工具的演變，歸納并初步發(fā)現(xiàn)自然界一些周期性運動的事物可用于計時。本課引導學生關注計時和我們生活的關系，舉例說明精確計時對我們生活的重要性，以及計時不精確可能導致的嚴重后果。最后，期望學生將所學用于現(xiàn)實，在實際生活中關注計時，珍惜時間，準確用時。二、單元教學目標科學概念目標燃香、水流在一定情況下勻速變化，單擺具有等時性。這些具有周期性運動特點的事物可以用來計時。計時工具準確性的提高主要依靠設計、材料等的改進。科學探究目標能觀察和記錄燃香長度變化的信息。能辨別和控制實驗中的可變因素。能預測和測試怎樣改變一個可變因素從而影響實驗結(jié)果。能解釋結(jié)果并能總結(jié)可變因素是如何改變、影響實驗結(jié)果的。會用圖表等記錄、整理、交流信息。會設計、制作和改進“水鐘”“擺鐘”等簡易計時器。能通過閱讀和研究科學資料來獲取更多的信息。科學態(tài)度目標發(fā)展探究時間以及計時工具的興趣。意識到重復實驗證實結(jié)果的重要性。欣賞前人在測量時間和解釋自然現(xiàn)象方面所做的貢獻。初步體驗到科學技術與人們生活的密切關系。科學、技術、社會與環(huán)境目標體會社會的需求是計時工具發(fā)展的動力。體會計時技術的發(fā)展和應用影響著社會發(fā)展。意識到人們一直在尋求精確的計時方法。隨著科學和技術的發(fā)展，人們制作的計時工具越來越精確。單元詞匯日晷：又稱“日規(guī)”，是中國古代利用日影變化測定時刻的天文儀器，通常由晷針和晷盤(帶刻度的表座)組成。利用日晷計時的方法是人類在計時領域的重大發(fā)明。這項發(fā)明被人類沿用達幾千年之久。水鐘：水鐘在中國又稱“刻漏”“漏壺”。根據(jù)等時性原理，滴水計時有兩種方法：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裝滿(受水型)。中國的水鐘，最早是泄水型，后來泄水型與受水型同時并用或兩者合一。自公元85年左右，浮子上裝有漏箭的受水型漏壺逐漸流行，并被廣泛使用。宋代蘇頌研制的水運儀象臺，是當時世界上最先進的計時儀器。擺鐘：擺鐘是一種時鐘，發(fā)明于17世紀中葉，是根據(jù)單擺定律制造的。擺鐘用擺錘控制其他機件，使鐘走得快慢均勻，一般能報點，并由發(fā)條提供能量使其擺動。鐘擺：時鐘機件的一部分，是根據(jù)單擺原理制成的，常用于調(diào)節(jié)時鐘或其他機械的運動件。材料清單(視學生人數(shù)和分組情況確定數(shù)量)：古人用天體運動計時的圖文(或視頻)資料、秒表、香、火柴或打火機、各種水鐘的資料與圖片、能容納300毫升水的塑料瓶子、100毫升量筒、記號筆、工字釘、透明水杯、剪刀、美工刀、塑料瓶、尺子、鐵架臺、透明膠帶、水鐘模型、大擺鐘、擺錘(螺帽)、擺繩(棉線)、鉤碼、“計時工具發(fā)展史”資料、每課相應的實驗記錄表。三、分課時教材分析第1課 時間在流逝(一)背景和教學目標對于學生來說，“時間”是一個非常熟悉的概念事物。幾點上課？幾點下課？幾點放學？學生每天都在和時間打交道。但是要問“時間”是一種怎樣的“東西”，就不那么好回答了。時間是什么？沒有人問我，我很清楚；但若有人問我，我便茫然不知了。我們這里談的是科學意義上的時間。“人類是怎樣逐步發(fā)展起各種計時方法和工具的？”“現(xiàn)代鐘表發(fā)明之前，古人如何計時？”這些問題學生可能有所思考，并有一定的探究興趣。作為單元起始課，本課旨在引導學生來關注、研究這些問題，并通過對燃香鐘這一實例的探究、研討活動，引導學生慢慢進入探索計時工具的狀態(tài)：產(chǎn)生研究計時方法的探索渴望，初步掌握研究計時問題的方法，為后面整個單元的學習做好準備。科學概念目標古人利用天體的運動規(guī)律計時。在一定的條件下，燃香變短的速度基本是均勻的，可以用來計時。科學探究目標能搜集古人計時方法的資料并進行交流。能觀測并記錄燃香時間的相關數(shù)據(jù)。能就“蠟燭可以計時嗎”這一問題結(jié)合實驗進行討論，表達自己的觀點。科學態(tài)度目標有關注計時方法的意識和興趣。科學、技術、社會與環(huán)境目標了解不同的時代有不同的計時工具。(二)教學準備為學生準備：秒表、香、火柴、記號筆、實驗記錄表。(可按組準備)。教師準備：有關古人用天體(如太陽、月亮)運動計時的圖文或視頻資料、教學課件。第2課 用水計量時間(一)背景和教學目標水鐘在人類計時發(fā)展史上大約經(jīng)歷了3000年的歷程。它的出現(xiàn)與發(fā)展是為了一個更現(xiàn)實的需要，即怎樣能夠在多云的日子、陰雨天和夜晚計量時間。學生在了解用太陽計時和研究燃香鐘后，也會發(fā)現(xiàn)它們的一些不足和局限。這讓學生自然地想到，需要找尋更好的方法來計時。同時，通過前一課“燃香鐘”的探究，學生也已初步認識到，燃香能夠被用作計時工具，是因為在一定的情況下(如燃香粗細均勻，周圍沒有風吹等干擾因素等)燃香的長度變化是比較均勻的。他們或許能從中得到啟發(fā)，可以通過找尋自然界有規(guī)律運動的物體或事件來幫助記錄時間推移的軌跡。所以，從這課開始，學生要在教師指導下，觀察流水、單擺等的運動，探究影響其運動速度的因素。通過控制和改變影響這些事件運動變化速度的因素，設計并制作成可用于計時的裝置。科學概念目標初始水位高度和孔徑不變，流出相同水量所需的時間；保持水位高度不變，水流的速度不變。水流的這一特點可用于計時。科學探究目標能通過實驗發(fā)現(xiàn)影響水流速度變化的主要因素。能通過觀察古人利用流水計時的裝置，結(jié)合自己的實驗探究，理解這些裝置計時的方法。科學態(tài)度目標理解古人的聰明才智，對古人的智慧創(chuàng)作產(chǎn)生敬佩之情。在觀察和記錄實驗數(shù)據(jù)時能始終保持嚴謹細致的態(tài)度。科學、技術、社會與環(huán)境目標了解社會的發(fā)展會帶動計時工具的進步。(二)教學準備為學生準備：能容納200毫升水的塑料瓶子、200毫升量筒(量杯)、記號筆、工字釘、透明水杯。(可按組準備)教師準備：課前搜集各種水鐘的資料與圖片、教學課件。第3課 我們的水鐘(一)背景和教學目標通過前一課的教學，學生已經(jīng)認識了兩種水鐘的構(gòu)造，在經(jīng)歷了觀察水流的速度的實驗和測量水流速度的變化的實驗后，學生對水鐘作為計時工具的原理有了新的理解，有了制作水鐘的欲望和理論基礎。本課，學生要運用已掌握的知識設計一個水鐘，用圖畫的形式對自己設計的水鐘進行描述，并要親自動手制作一個水鐘，還要在實踐中檢驗自己的水鐘是否能準確計時，以及對水鐘的設計進行改進。本課，學生將要經(jīng)歷設計方案一動手制作一測試并改進的工程活動過程，這個過程也是一個促進學生思維發(fā)展的過程。科學概念目標水鐘通過一定的裝置，能夠保持水在一定的時間內(nèi)以穩(wěn)定的速度往下流，從而能用來計時。我們可以控制水流的速度，從而使水鐘計時更加準確。科學探究目標能運用畫圖和文字描述的方法設計制作水鐘的方案。能利用剪刀、塑料瓶等簡單工具和材料制作一個簡易的水鐘。能在實際運用過程中對自己的方案進行改進。經(jīng)歷思考方案一制訂計劃一實施方案一檢驗成果一尋找原因一改進完善的探究過程。科學態(tài)度目標在制作水鐘的過程中感受到科學制作帶來的樂趣。體會到在科學研究中分工合作與和諧地開展探究都是很重要的。體驗到完成一個科學制作需要不斷重復實驗，在實驗中逐步完善。科學、技術、社會與環(huán)境目標經(jīng)歷一項工程的幾個主要過程。(二)教學準備為學生準備：剪刀、美工刀、塑料瓶、秒表(或者手表)、記號筆、直尺、工字釘、鐵架臺和透明膠帶。(可按組準備)教師準備：自制的水鐘模型、教學課件。第4課 機械擺鐘(一)背景和教學目標隨著社會的發(fā)展，人類對時間的要求也更加精確了，在相當多的時候需要以秒來計算時間。計時器的發(fā)展歷史確實是向著尋找更輕便、更準確的設備邁進的。像日晷、水鐘以及后來的沙漏，雖然都經(jīng)過了不斷的改進和提高，但是它們?nèi)匀粺o法滿足人們對精確計時的需求。1583年，伽利略有了一個重大的發(fā)現(xiàn)，這引出了一個新的計時方法。伽利略觀察教堂中的吊燈在微風中前后擺動，擺動的弧線時長時短，但不管擺幅是多大，吊燈往返的時間好像是一樣的。他意識到擺可以成為一種有規(guī)律的計時裝置，這引發(fā)了由擺動的鐘擺來控制的機械鐘表的發(fā)展。在本課，學生從鐘擺的擺動開始觀察研究，然后自己制作一個簡易的擺(制作簡單擺的三樣東西是一根繩、一個綁在繩子一端的重物和一個能把繩子掛起來并讓它自由擺動的支架)，測量它在1分鐘內(nèi)的擺動次數(shù)。學生在測試自己制作的擺后交流研究結(jié)果，得到初步共識，并為下一課提出了待研究的問題。科學概念目標同一個單擺在相同時間內(nèi)擺動次數(shù)相同，這就是擺的等時性。根據(jù)這種性質(zhì)，人們制成了擺鐘，使時間的計量誤差更小。科學探究目標能較準確地重復觀測鐘擺及自制擺每分鐘的擺動次數(shù)。能根據(jù)鐘擺的特點動手制作一個單擺。科學態(tài)度目標準確地測量擺的擺動次數(shù)，理解重復實驗的意義。發(fā)展研究計時工具的興趣。科學、技術、社會與環(huán)境目標了解社會的需求是科學技術發(fā)展的動力。(二)教學準備為學生準備：手表(秒表)、擺錘(螺帽或其他重物)、擺繩(棉線)、支架(鐵架臺或其他支架)、記錄表。(可按組準備)教師準備：一個大擺鐘、教學課件。第5課 擺的快慢(一)背景和教學目標上一課，學生在測量擺的擺動次數(shù)的時候已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不同的擺在1分鐘內(nèi)擺動的次數(shù)是不一樣的。有的擺擺動快，而有的擺擺動慢。此時，學生的頭腦中已經(jīng)形成了一個問題：在相同時間內(nèi)，不同的擺擺動的次數(shù)怎么不一樣呢？擺動快慢與什么因素有關？本課就在此基礎上引導學生進行猜測并進一步通過實驗來研究。本課中，學生將就擺的快慢與什么因素有關展開討論與思考，并且去驗證他們自己的一些猜測。在探究的過程中逐步排除一些猜測，修正自己的想法。學生將分別測量不同質(zhì)量擺錘的擺，以及不同擺繩長度的擺在30秒鐘內(nèi)擺動的次數(shù)。他們在分析測量數(shù)據(jù)的過程中會發(fā)現(xiàn)，擺錘質(zhì)量不影響擺的快慢，而擺繩長度則會影響擺的快慢，擺繩越長，擺得越慢。科學概念目標改變擺錘質(zhì)量不能改變擺的快慢，擺繩長度影響擺的快慢：擺繩越短擺動速度越快，反之則越慢科學探究目標能根據(jù)已有的實驗現(xiàn)象推測擺的擺動快慢與什么因素有關。能有效開展改變擺錘質(zhì)量、擺繩長度對擺的快慢是否產(chǎn)生影響的實驗研究。能對實驗的結(jié)果進行分析，并能根據(jù)分析進行預測。科學態(tài)度目標初步意識到獲得精確的測量結(jié)果是需要反復測量的。意識到在實驗中細心觀察并發(fā)現(xiàn)新的問題是很重要的。科學、技術、社會與環(huán)境目標了解人類的好奇心是科學技術發(fā)展的動力。(二)教學準備為學生準備：擺繩(棉繩等)、幾個大小相同的螺母(或鉤碼)、鐵架臺、秒表(或手表)、研究不同擺錘質(zhì)量的擺和不同繩長的擺30秒內(nèi)擺動次數(shù)的記錄表各一份。(可按組準備)教師準備：學生用材料一套、教學課件。第6課 制作鐘擺(一)背景和教學目標在上一課，學生通過研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，擺的擺動快慢與擺繩長度有關。擺繩越長，擺動就越慢，擺繩越短擺動就越快。但是教科書又為學生的研究設置了新問題，機械擺鐘里的鐘擺每分鐘擺動60次，如果要制作一個1分鐘正好擺動60次的擺，該怎樣來制作呢？在本課中，學生將用調(diào)節(jié)擺繩長度的方法來調(diào)節(jié)擺的快慢。經(jīng)過本課的研究，學生將能夠更好地理解鐘擺，并學會控制鐘擺的快慢。根據(jù)前面的學習基礎，學生也將制作一個1分鐘擺動60次的擺，也就是機械擺鐘的鐘擺。科學概念目標擺的擺動快慢與擺繩長度有關。同一個擺，擺繩長度越長，擺動越慢；擺繩長度越短，擺動越快。科學探究目標能在真實的情境中研究擺繩長度如何影響擺動快慢，不斷地調(diào)整擺，直至每分鐘正好擺動60次。能運用測量與比較的方法來研究擺的擺動快慢。科學態(tài)度目標認識到細心觀察與準確測量的重要性。對新問題的研究保持積極的探究欲望。科學、技術、社會與環(huán)境目標意識到人類對產(chǎn)品需要不斷地改進以適應現(xiàn)實的需求。(二)教學準備為學生準備：細長繩、鐵架臺計時器(秒表或者手表)、擺錘(金屬球等)。(可按組準備)教師準備：教學課件。第7課 計量時間和我們的生活(一)背景和教學目標學生通過前面6課的學習，已經(jīng)對人類的計時工具發(fā)展過程有了基本的了解，經(jīng)歷了古人制作計時工具的智慧與創(chuàng)造過程，從而認識到科學技術通過促進人們的生活方式、思維方式的變革來推動社會發(fā)展。在本課中，學生將更系統(tǒng)地整理、總結(jié)人類計時工具的演變，體會計時工具的精確度對人們的生活、出行等方面的影響，以及幫助人類更好地探索未知的領域，并通過設計作息時間表來體會合理安排時間、珍惜時間的重要意義。科學概念目標計時工具的設計運用了物體運動周期性變化的規(guī)律。科學探究目標能通過表格的方式調(diào)查和比較人類計時工具的演變。能調(diào)查因時間的不精準給人類生活造成麻煩的一些事件。科學態(tài)度目標認識到人類設計不同的計時工具來滿足不同的用途和需求。認識到科技的進步能更好地造福人類。科學、技術、社會與環(huán)境目標意識到科學技術的發(fā)展和應用影響著社會的發(fā)展。(二)教學準備為學生準備：“計時工具發(fā)展史”資料、“計時工具的比較”記錄表、“精確計時的重要性”班級記錄表。(可按組準備)教師準備：“精確計時的重要性”班級記錄表(大表)、教學課件。四、參考資料人類計時儀器的發(fā)展史人類的日常生活、科研、導航及測繪等都離不開時間。時間的計量涉及兩個量歷元和時間間隔。任何具有周期性變化的自然現(xiàn)象都可以用來計量時間。人類從以地球自轉(zhuǎn)為基準來計量時間發(fā)展到機械鐘、石英鐘乃至原子鐘，經(jīng)歷了約3500年的發(fā)展變化進程。在公元前1500年出現(xiàn)的日晷是人類最古老的計時工具，埃及人首先開始使用這項技術，然后在整個地中海地區(qū)普及開來。日晷是以太陽投向刻度盤的陰影為基礎的，通常由銅制的指針(晷針)和石制的圓盤(晷面)組成。當太陽光照在日晷上時，晷針的影子就會投向晷面，太陽自東向西移動時，投向晷面的晷針影子也會慢慢地由西向東移動。于是，移動著的晷針影子好像是現(xiàn)代鐘表的指針，晷面則是鐘表的表面以此來顯示時刻。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。它是根據(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。古代人設計的“五輪沙漏”，是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依次旋轉(zhuǎn)；最后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發(fā)明的“水運儀象臺”(水鐘)被認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，它實際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明才智和富于創(chuàng)造的精神。1400年，第一批機械鐘開始在歐洲流行，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入了輪式鐘擺。1511年，荷蘭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。懷表和鐘的結(jié)構(gòu)其實是完全一樣的，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，它依靠小巧的“體形”，輕松地進入人們的口袋。1656年，有擺的掛鐘(或座鐘)產(chǎn)生于荷蘭天文學家、物理學家克里斯蒂安惠更斯的實驗室內(nèi)。它是以伽利略發(fā)現(xiàn)的擺的擺動具有規(guī)則性這個原理為基礎而發(fā)明的。自此以后，人類掌握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誕生，其價格在當時相當于一部汽車。石英手表的發(fā)明是基于科學家發(fā)現(xiàn)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控制石英晶體振動的頻率。時間基準所謂時間基準，就是在當代被人們確認為是最精確的時間尺度。長期以來，人們直在尋求著這樣的時間尺度。在遠古時期，人類以太陽的東升西落作為時間尺度；公元前2世紀，人們發(fā)明了地平日晷，一天的誤差為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，單擺用于機械鐘，使計時精度提高近一百倍；到了20世紀30年代，石英晶體振蕩器出現(xiàn)，對于精密的石英鐘，三百年只差一秒。自17世紀以來，天文學家們以地球自轉(zhuǎn)和世界時作為時間尺度，即當?shù)厍蚶@軸自轉(zhuǎn)一周，地球上任何地點的人連續(xù)兩次看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)性變化、不規(guī)則變化和長期減慢，世界時每天可精確到1乘以10負九次方。但是，社會的進步和科學技術(特別是航天、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年是時間頻率科學的一個新的里程碑。世界上第一臺原子鐘在美國哥倫比亞大學由三位科學家研制成功，其中有一位科學家叫王天眷(后來回國，多年從事祖國的頻標事業(yè))。195年，英國國家物理實驗室研制成功世界上第一臺銫束原子頻標，原子鐘的出現(xiàn)標志著一門嶄新的學科量子頻標的誕生。1967年，13屆國際計量大會決定：銫原子Cs133基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時間為1秒。此定義一直沿用至今。所以，從1967年開始，時間頻率的計量進入原子時代，首先被用作時頻基準的裝置是實驗室型銫束原子鐘。1994年，A. Clarion小組研制出第一臺銫原子噴泉鐘FO1，1995年的評定結(jié)果顯示，F(xiàn)O1的性能超過了當時最好的銫束鐘。此后，銫原子噴泉鐘逐步取代銫束鐘成為新的頻率基準。社會在進步，科技在發(fā)展，人類對新的時間基準的研究仍在繼續(xù)。噴泉鐘的準確度進入10的負15次方，最好的達到1乘以10的負15次方(美國標準與技術研究院)光抽運銫束基準頻標的準確度也進入10的負15次方(法國巴黎時間頻率實驗室)。隨著原子物理學的深入研究和激光技術的快速發(fā)展，人們以原子或離子的光學波段躍遷作為時間頻率基準的光頻標問世。利用原子或離子內(nèi)部特定兩個能態(tài)之間固有的躍遷，即鐘躍遷，將激光的頻率鎖定到鐘躍遷上。鎖定在鐘躍遷上的超穩(wěn)激光能緊密跟蹤原子的固有頻率，從而使得該激光器的頻率在短期和長期中都有極高的穩(wěn)定性。由于光學頻率比微波頻率高5個數(shù)量級，所以利用原子或離子的光學躍遷頻率作為時間頻率標準具有比微波頻率標準更高的準確度和穩(wěn)定度。目前，原子光鐘實現(xiàn)的準確度和穩(wěn)定度都已進入10的負18次方量級，比現(xiàn)行用于定義時間基本單位“秒”的基準鐘銫微波噴泉鐘高近兩個量級。鑒于光鐘的超高性能，國際時間頻率咨詢委員會計劃在2028年討論用光鐘作為新一代時間頻率基準鐘。因此，不久的將來，光頻標完全有可能取代目前的微波頻標，成為新一代的時間頻率基準。學科網(wǎng)（北京）股份有限公司