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第四讲 时间与历法,时间是什么?,中世纪著名思想家奥古斯丁有一句名言: “时间是什么?人不问我,我很清楚,一旦问起,我很茫然。” 时间的重要特性:流逝性、测度性,时间的本质,原始时间观念:远古的人类感觉到事件发生的先后、物体运动的进程,由直觉产生的时间概念。 远古的原始时间观 古希腊的柏拉图认为空间是一个早已存在的框架,宇宙装在其中,而时间则是从宇宙中产生。强调说时间是“运动着的永恒的形象”。 哲学家的时间观 18世纪康德唯心主义时间观:时间不是外部客观事物的特征,而只是人们主观对客观存在的一种感受,是人类本能的一种表现形式。 唯物主义的时间观:时间不依赖于人的主观意识,是客观实际物质运动的一种表现形式。 要得到对时间的正确认识,必须与对空间的认识相结合。时间用以描述事件之间的顺序,而空间用以描述物体的位形。,绝对时空观 绝对的、真实的、数学的时间,由于它自身的本性,与任何外界事物无关地,均匀地流逝。 牛顿 存在着绝对时间和绝对空间,它们既彼此互不关联,又与物质和运动无关。,相对时空观 空间 时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西,并不是物体存在于空间中,而是这些物体具有空间广延性。这样看来,关于一无所有的空间的概念就失去了意义。 爱因斯坦 物质的引力作用使得时空弯曲,因而时空的性质与物质及其运动有关。,时 间 的 计 量,1、建立时间系统的目的 判别和排列事件发生的先后顺序和运动的快慢。,时间有 “间隔”、“时刻”两个含义 时刻:事物运动中,某一状态发生的瞬间。 间隔:事物某一运动过程所经历的时间。,2009,2010,2011,2012,2013,2、时间计量包含,3、时间计量的基本原则,选择某一运动规律已掌握,运动状态可观测到的具体事物。 选取该事物的某一运动过程为时间的基本单位。 选取该事物的某一运动状态为时间计量的起算点。,先民日出而作,日入而息, 太阳是天然的钟表。,1、 时间计量系统,一、恒星时(sidereal time): 定义:以春分点的周日视运动为依据建立的时间系统。 时间单位:恒星日春分点连续两次上中天的时间间隔。 起始点:上中天,恒星时在数值上,等于春分点的时角 S = tr = + t 当任一恒星上中天时 t=0 即s=,二、真太阳时(true solar time),定义:以太阳视圆面中心的周日视运动为依据建立的时间系统。 时间单位:真太阳日真太阳连续两次下中天的时间间隔。 起始点:下中天 真太阳时: 以真太阳的时角度量: m t12h,(the date will change at midnight),1、真太阳时比恒星时每日约长4分钟,太阳在周日视运动的同时,又以逆时针方向做周年视运动,每日在黄道上自西向东约运行1度,因此真太阳时比恒星时约长4分钟。,北极点,子午线,春分点,周年,周日,赤道,m s 3m56s,2、真太阳时的缺陷,(1)太阳在黄道上的运动不均匀(地球公转轨道为椭圆)。 (2)即使太阳在黄道上运动均匀,由于黄赤交角的存在,投影在赤道上的太阳时角变化也不均匀。,三、平太阳时(mean solar time),引入的一个假想参考点。 在黄道上建立第一个辅助点 在黄道上均匀运动,其速度等于真太阳的平均速度,并与真太阳同时过近日点和远日点。 在赤道上建立第二个辅助点 在赤道上匀速运动,其速度等于真太阳的平均速度,与第一辅助点同时过春分点和秋分点。 第二个辅助点为在赤道上做匀速运动的平太阳。,1.平太阳,2、平太阳时,定义:以平太阳的周日视运动为依据建立的时间系统 时间单位:平太阳日平太阳连续两次下中天的时间间隔 起始点:下中天 平太阳时以平太阳的时角度量 : m = tm + 12h 平太阳时是我们最经常使用的计时系统,春分点,赤道,黄道,平太阳,真太阳,四、时差,真太阳的时角与平太阳的时角之差。 = t t m 时差的零点与极大值: 一年中四次为零 四次为极大值,真太阳时,真太阳视圆面中心连续两次上中天的时间间隔为1真太阳日。1真太阳日划分为24真太阳小时,又取1真太阳时=60真太阳分,1真太阳分=60真太阳秒。 真太阳时的计量起点是真太阳上中天,真太阳的时刻就是其时角。为了照顾生活习惯,1925年起,把真太阳时定义为 ,即将起点定在下中天时刻。 真太阳的视运动是地球自转和公转运动的共同反映。地球的公转轨道是椭圆,公转速度不均匀,而且自转轴不垂直于公转轨道面。以上原因使得真太阳日的长度每天都不同,最长和最短相差可达51s。 真太阳时与日常生活的节律一致。真太阳日的长度比地球的自转周期长。 真太阳时不是均匀的时间计量系统。,平太阳时,为了克服真太阳时的缺陷,引入了一个假想的参考点平太阳,据此建立了平太阳时,简称平时,并将格林尼治子午圈的平时称为世界时。 第一辅助点黄道平太阳。在黄道上做匀速运动,其视运动的速度等于太阳时运动速度的平均值,并且与真太阳同时经过近地点和远地点。 第二辅助点赤道平太阳。在赤道上做匀速运动,不仅与第一辅助点速度相同,而且两者同时经过春分点和秋分点。 赤道平太阳连续两次上中天的时间间隔为1平太阳日。,恒星时,春分点连续两次上中天的时间间隔为1恒星日。恒星日也划分为恒星小时、恒星分和恒星秒。 恒星时的起点定义为春分点上中天。 恒星时与日常生活的节律有偏差,故不能用于日常生活中的计时量。在天文观测中,观测时刻必须用恒星时计量。,2、地方时、世界时、区时,恒星时、真太阳时、平太阳时是以春分点、真太阳、平太阳为参考点,以过当地子午圈的时刻为起算点,以时角度量的。 对于观测者,只要位于不同的地理经圈,就对应不同的天子午圈,因此,参考点经过的天子午圈不同,所得时刻也不同。,计量系统的地方性 (以地球自转为基础),1、地方时,定义: 以本地子午面为起算平面,根据任意量时天体所确定的时间。 (s、m、m) 地方时与地方经度的关系: 在同一计时系统内,任意两地同一瞬间测得的地方时之差,在数值上等于这两地的地方经度之差。 A -B = mA mB = tA tB SA SB = tA tB = A -B,2、世界时与区时,世界时:(S、M、M) 以本初子午(Greenwich) 为标准的地方时为世界时 (= 0h ) m - M = s - S = ( + 东、 - 西 ),本初子午线,区时(Th)为平时系统 ( N = N15),把全球分成24个时区,每区跨经度15,各区把中央经线的地方时作为本区统一使用的标准时。 这样的区域称为时区 ;这样的时间称为区时。,我国从东向西横跨五个时区,统一采用北京所在的东八时区的区时,即东经度经线的地区(无锡)的地方时为“北京时间” 注意:北京时间不是北京地方平时,二者相差约14.5分钟。,帕米尔时区,回藏时区,陇蜀时区,中原时区,长白时区,3、国际日期变更线日界线,日界线:太平洋中经度1800线(避开陆地与岛屿画出的一条国际日期变更线)。 日界线东西两侧是东12时区与西12时区重合的区域,时分秒相同,但日期相差一天。 由西向东每过一个时区,就要增加一个小时,因此,由西向东越过日界限,日期减少一天;而由东向西越过日界限,日期增加一天。,时刻的有关概念,平时系统和恒星时系统的特点:时刻起算点周期性重复。 平时系统中,平时为0h的时刻作为一天的起点,标以日期; 但在恒星时系统中没有日期的概念。通常所说的某月某日恒星时某时,日期是平时系统的日期。 对于同一日期的两个瞬间 1、只要给出了它们的平时时刻,即可由数值的大小判断发生的先后顺序。 2、 对于恒星时时刻,要视两个时刻在恒星时0h的同侧还是两侧而定,并不仅取决于数值的大小。,3、恒星时与平时的换算,S、是两个不同的时间计量系统 )时间单位不同:恒星日平太阳日 )起始点不同:上中天;下中天 因此,两时间计量系统的时间间隔不同,时刻也不同。 时间间隔换算与时刻换算。,一、时间间隔的换算,回归年: 平太阳连续两次过春分点的时间间隔。 1回归年365.2422平太阳日366.2422恒星日 1恒星日=365.2422/ 366.2422平太阳日 (11366.2422)0.9972696平太阳日 ms(11366.2422) 1平太阳日=366.2422/ 365.2422 恒星日 (11365.24221.0027379恒星日 sm(11365.2422),二、平时时刻与恒星时时刻的换算,1、格林尼治的时刻换算 (=0o) 1)已知平时求恒星时: MS SSoM(11365.2422) 2)已知恒星时求平时: SM MMoS(11366.2422) 或 MS(11366.2422)-(24h - Mo) So是当日世界时为零时所对应的恒星时。 Mo是当日或前一日恒星时为零时所对应的世界时。,S=0,s0,s,M,M2= 0h,M(11365.2422),So,S(11366.2422),M1= 0h,24 h-M0,Mo,4、现代时间服务,时间计量工作的三项内容 测时、守时、授时,1、测时,测定恒星的瞬时位置,经过归算获得准确时刻(圭表gnomon、日晷sundial、中星仪transit instrument等),2、守时,用守时工具把所测时间持续下去.是整个时间工作中最关键的一环,它的任务是产生和保持高精度的准确时间 。(滴漏、沙漏、计时香、天文钟、石英钟、原子钟),惠更斯摆钟,布拉格市政厅天文钟,多级漏壶,沙漏,地球,电台,用户,3、授时:时间服务、播时,授时系统是确定和发播精确时刻的工作系统。 把测得的时间用各种手段播报出(鸣锣击鼓、无线电报时、电视系统授时),一、世界时的改正:,定义: 0的地方平太阳时 M 测定: UTtm12h(Sm)12h,为什么要对世界时 (地球自转时间) 进行改正? 世界时不是一个均匀的时间计量系统,影响的因素扰动地球自转的各种力,1、极移: 地球瞬时自转轴在地球本体内的运动。 (地极移动造成地理经纬度的变化),1984-2002,2、地球自转不均匀 (地球自转速度变化),长期变化:自转减慢,日长增0s.0016百年 月球引力引起的海洋潮汐 潮汐作用相当于把地球自转向回拉使一天变长, 将来终有一天的长度相当于现在一个月 约4亿年前, 一年有400天 约1亿年前, 一天只有现在的 20 小时长 季节变化: 自转上半年慢,下半年快 0s.001(大气环流) 不规则变化: 时快时慢。(各种因素),UT的三种系统,显然,地球自转速率的不均匀性和极移的影响都包含在世界时中。 1956年起,把世界时划分为三种: (1)UT0:天文台直接测量的结果 (2)UT1:对UT0做经度的修正 UT1UT0 (3)UT2:对UT1做季节变化的改正 UT2UT1Ts UT2系统不仅含有地球自转的长期变化及不规则变化,同时还受经验改正Ts不够严格的影响,它并非是一个均匀的时间计量系统。 (地球钟的稳定度0.710-9 秒),由于地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度只能达到3年不差一秒,这已无法满足二十世纪社会经济各方面的需求。于是,一种更为精确和稳定的时间标准应运而生,这就是“原子时”。 目前最好的铯原子钟的稳定度能够达到1500万年不差一秒。 现在国际上普遍采用铯原子钟来产生和保持标准时间。,二、原子时 (TAI),定义: 以原子内部的运动规律为基础建立的时间计量系统。 原子钟的稳定度达10 -13 时间单位: 原子时秒 (SI):在海平面上铯原子133基态的两个超精细能级在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续时间。,1H,199Hg+,9,192,631,770,
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