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第二章 时间计量系统第一页，本课件共有59页 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的，均匀的流逝。牛顿 当宇宙开始收缩时，时间不颠倒方向。人们会继续变老，所以不能指望等待宇宙收缩时去恢复你的青春。史蒂芬 霍金 2.1、时间的本质第二页，本课件共有59页时间是什么？时间是建立在物质的运动和变化的基础上的，时间和空间都是物质存在的基本形式，物质的运动与变化永远是在时间和空间中进行的。脱离了物质，脱离了物质的运动和变化，时间和空间都将是毫无意义的。第三页，本课件共有59页精密时间的应用举例精密时间的应用举例n n与时间有关的计量基础 光速 299,792,458 m/s 光在真空中传播1m只需 -1s/3亿-3 ns 标准计量实验室中1m长度的校准长度的校准 所有与米长有关的物理量均与时间有关，例：速度、加速度、功率和能量单位等等第四页，本课件共有59页n n空间导航、定位n n地面和海上导航、定位第五页，本课件共有59页第六页，本课件共有59页第七页，本课件共有59页R21=(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2R22=(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2R23=(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2信号传播时间 t=R/c解方程得解方程得 x、y、zt 的百万分之一秒的误差会造成的百万分之一秒的误差会造成 300m 的定位误的定位误差，因此必须有很高的差，因此必须有很高的钟的同步准确度钟的同步准确度。S1S2S3S1S2S3第八页，本课件共有59页n n电力传输系统n n电子政务、电子商务(股票交易、工业用电计费等-时间戳）第九页，本课件共有59页2.2、时间计量标准的发展1、时间计量和时间标准 时间的计量包括时刻和和间隔间隔的计算，是既有差别又有联系的两个内容时刻：事物运动中，某一状态发生的瞬间。（可看成均匀流失的单方向几何直线-时间轴，轴上的一点为瞬间，人们建立一定的时间计量系统计量这个瞬间，赋予它以定量的标志即得到时刻。同一瞬间，所用时间计量系统不同，得到的时刻不同。）间隔：事物某一运动过程所经历的时间 （两个瞬间之间的距离为时间间隔）第十页，本课件共有59页2 2、以地球自转为计量标准世界时（、以地球自转为计量标准世界时（UTUT）n n1 1）原始的时间计量系统）原始的时间计量系统初民 日出而作，日落而息日出而作，日落而息 以以日出为起点，以一天一天为计量单位，计量标准为地球自转为计量单位，计量标准为地球自转 。古人确立了以太阳连续两次在一地上中天的时间间隔为一天用圭表、日晷计时（用铜壶滴漏守时）真太阳时真太阳时与地球自转不同步 19世纪90年代人们设计了 平太阳时、恒星时恒星时与地球自转同步 但都不是均匀的时间系统但都不是均匀的时间系统第十一页，本课件共有59页古古 代代 和和 现现 代代 的的 天天 文文 定定 时时第十二页，本课件共有59页3 3、以太阳系天体的运动为计量标准的历书时（、以太阳系天体的运动为计量标准的历书时（ETET）定义定义：以地球公转为依据，即观测太阳位置反演时间。是由力学定律确定的均匀时间。又称牛顿时。时间单位：1回归年（1900年回归年长度）=365.2422历书日 1历书秒=1365.2422246060131556925.9747第十三页，本课件共有59页起算历元:1900年1月0日12时(公历1899.12.31)=279o4148”.04历书时的测定：在UT的某一瞬间，观测太阳位置，对照太阳历表，找出对应的时间。小结：均匀，秒长固定。但观测复杂，且精度不高。1960年启用，1967年后原子时取代了历书时，1984年后停用。第十四页，本课件共有59页n n 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”，它的稳定度能够达到30万年不差一秒。目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间。第十五页，本课件共有59页4、以原子内部能级跃迁频率为计量标准的原子时（TAI）定义：原子钟的稳定度达10-13 秒（物理时）以原子内部的运动规律为基础建立的时间计量系统。第十六页，本课件共有59页1H199Hg+9,192,631,770133Cs “位于海平面上的铯133原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡 9,192,631,770 周所持续的时间为一个原子时秒。”1,420,405,752 Hz第十七页，本课件共有59页起始点：为为19581958年年1 1月月1 1日日 UT 0 UT 0h。（即规定此瞬间原子时TAI与世界时UT重和。事后发现当初取的这一瞬间并非重合，而是相差了 -0 s s.0039，并一直保留下来。）UTATI0 s s.0039 ET=ATI+32s.84 原子时自1972年1月1日0时正式启用。靠全世界100多台原子钟维持，经国际时间局统一进行数据处理，由各授时单位向全世界发布。第十八页，本课件共有59页2.3、世界时中的几种时间计量系统一、真太阳时定义：以太阳视圆面中心的周日视运动为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 t t12h 与日常生活节律一致，与日常生活节律一致，但不能适应科学发展的需要。第十九页，本课件共有59页真太阳时的缺陷：最长（最长（12.2312.23）与最短（）与最短（9.139.13）的真太阳日差）的真太阳日差5151秒秒真太阳的视运动是地球自转与公转运动的共同反映真太阳的视运动是地球自转与公转运动的共同反映（1 1）太阳在黄道上的运动不均匀。）太阳在黄道上的运动不均匀。（地球公转轨道为椭圆）（地球公转轨道为椭圆）（2 2）即使太阳在黄道上运动均匀，由于黄赤交角的存在，）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。投影在赤道上的太阳时角变化也不均匀。第二十页，本课件共有59页二、平太阳时1.1.平太阳平太阳 1919世纪末美天文学家钮康世纪末美天文学家钮康引入的一个假想参考点。引入的一个假想参考点。第一个辅助点第一个辅助点建立在黄道上：建立在黄道上：在黄道上均匀运动，其速度等于真太阳的平均速度，并与真在黄道上均匀运动，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。太阳同时过近日点和远日点。第二个辅助点第二个辅助点建立在赤道上：建立在赤道上：在赤道上匀速运动，其速度等于真太阳的平均速度，与在赤道上匀速运动，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。第一辅助点同时过春分点和秋分点。第二个辅助点第二个辅助点为在赤道上做匀速运动的为在赤道上做匀速运动的平太阳平太阳。第二十一页，本课件共有59页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上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 是一种基本均匀的时间系统第二十二页，本课件共有59页3、时差：真太阳的时角与平太阳的时角之差。时差：=t t m 时差的零点与极大值：（一年中（一年中四次为零，四次为极大值）四次为零，四次为极大值）日期4.164.166.156.159.19.112.2412.242.122.125.155.157.267.2611.311.3 0 0 0 0 0 0 0 0-1414mm2424s s+3+3mm4848s s-6 6mm1818s s+16+16mm2424s s第二十三页，本课件共有59页第二十四页，本课件共有59页 三、恒星时 定义：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春分点连续两次上中天的时间间隔。间隔。起始点：上中天起始点：上中天 恒星时在数值上 等于春分点的时角。S=tr=+t当任一恒星时上中天时 t=0 t=0；即；即s=s=。第二十五页，本课件共有59页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。m s s 3 3m56s北极点子午线春分点周年周日赤道第二十六页，本课件共有59页太阳时和恒星时第二十七页，本课件共有59页 四、协调世界时（UTC）（协调原子时秒长与世界时时刻的时间计量系统）世界时与原子时的折衷协调产物 大地测量、天文导航、空间探测器的跟踪、定位需要以地球自转为依据的世界时时刻，精密校频等物理领域则要求以原子时为基准的均匀时间间隔。由于世界时的秒长逐年增加,势必造成世界时落后于原子时，一年内可累计达1秒左右。为避免原子时与世界时产生太大的偏离，1975年决定采用UTC系统，其时间单位用SI秒，其时刻与UT1的偏离保持在0.9秒内，保持方法为跳秒，跳秒前预先通知各使用门。第二十八页，本课件共有59页UTC系统时间单位：时间单位：原子时秒（SI）协调：用跳秒（也叫闰秒即增加1s或减少1s）的方法，使其与世界时（UT1）的偏离在0s9 9之内。（通常是正闰之内。（通常是正闰秒）秒）调整时刻：调整时刻：每年首选是12月31日和6月30日或 3月31日和9月30日的最后一秒，由国际地球自转服务中心局（IERS）根据天文观测做出决定，并预先通知。启用时间：1972、1、1 它虽不是严格均匀的时间系统，但与原子时有确定的换算关系，故其时刻能纳入均匀的时间计量。当前钟表所指示的时刻正是协调世界时。当前钟表所指示的时刻正是协调世界时。第二十九页，本课件共有59页国际标准时间（UTC、TAI)的形成 UTC:Official Time for the World 但UTC、TAI 是软钟（纸面钟）n n全球约50个时间实验室n n总共约280个高稳定性原子钟n n国际间高精度时间比对 第三十页，本课件共有59页高精度时间传递技术高精度时间传递技术,参加参加BIPM 组织的国际组织的国际 时间比对网时间比对网第三十一页，本课件共有59页2.4、地方时、世界时、区时计量系统的地方性 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，参考点过的天子午圈不同，所得时刻也不同。第三十二页，本课件共有59页 1 1、地方时：、地方时：定义：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 m）地方时与地方经度的关系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 B=mA A mB=tA t tB B SA SB =tA tB=A A-B 第三十三页，本课件共有59页2 2、世界时与区时：、世界时与区时：世界时世界时：（S、M、M）以本初子午线为标 准的地方时为世界时。（=0h）m-M=m-M=（+东、东、-西西 ）s-S=（+东、-西）区时区时：（T T T Th h）为平时系统 （N N=N15=N150）把全球分成24个时区，每区跨经度150 0，各区把中中央经线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。第三十四页，本课件共有59页3、国际日期变更线日界线日界线：太平洋中经度日界线：太平洋中经度1801800 0线（避开陆地与岛屿画出的一条线（避开陆地与岛屿画出的一条国际日期变更线）。国际日期变更线）。日界线东西两侧是东日界线东西两侧是东1212时区与西时区与西1212时区重合的区域，时区重合的区域，时分秒相同，但日期相差一天。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，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。日期增加一天。第三十五页，本课件共有59页2.5、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：恒星日恒星日平太阳日平太阳日）起始点不同：上中天；下中天上中天；下中天因此,两时间计量系统的时间间隔不同，时刻也不同。时间间隔换算时间间隔换算与与时刻换算时刻换算。第三十六页，本课件共有59页一、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 1 回归年回归年365.2422365.2422平太阳日平太阳日 366.2422恒星日1恒星日（11366.2422）平太阳日 0.99726960.9972696平太阳日平太阳日 ms（11366.2422）1平太阳日（11365.2422）恒星日 1.0027379恒星日 sm（11365.2422）第三十七页，本课件共有59页二、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）M Mo o S So o是当日世界时为零时所对应的恒星时。是当日世界时为零时所对应的恒星时。M Mo o是当日或前一日恒星时为零时所对应的世界时。是当日或前一日恒星时为零时所对应的世界时。S=0s0s M 0h第三十八页，本课件共有59页2、任意经度区的时刻的换算（Ss；Mm；MThNh）1）已知区时化地方恒星时：SSoM（11365.2422）s sS S0 0（T Th hN Nh h）（）（1 11 1365.2422365.2422）2）已知地方平时化地方恒星时：s sS So o（m m）（）（1 11 1365.2422365.2422）3）已知地方恒星时换地方平时：MMoS（11366.2422）m mM Mo o（s s）（）（1 11 1366.2422366.2422）M M0 0s s（s s）1 1366.2422366.2422第三十九页，本课件共有59页 2.6、历法一、制历的基本原则：1、历法：推算年、月、日的时间长度，协调它们的关系，制推算年、月、日的时间长度，协调它们的关系，制定一定的时间序列法则定一定的时间序列法则。年：以地球公转为依据、四季变化的周期四季变化的周期。1 1回归年回归年365.2422365.2422平日平日 月：以月球公转为依据、月相变化的周期。1 1朔望月朔望月29.530629.5306平日平日 日：以地球自转为依据、昼夜交替的周期 。这是三种完全独立的运动，没有简单的通约关系，这是三种完全独立的运动，没有简单的通约关系，日是基本单位不能分割，这种整日数的年和月为历年、日是基本单位不能分割，这种整日数的年和月为历年、历月。历月。第四十页，本课件共有59页2、历法的制定原则（1）尽可能准确反映天文客观规律的历法，才能正确的反映天象和四季变化。（2）日历要简单、明了、易记。宁可牺牲精度以满足简单。（3）有通用性，能为广大地区所接受。第四十一页，本课件共有59页3、主要有三种类型（1）太阴历：（回历）以朔望月为基本单位。（2）太阳历：（公历）以回归年为基本单位（公历）以回归年为基本单位。（3）阴阳历：（农历）以朔望月计月，以回 归年计年，二者兼顾。归年计年，二者兼顾。第四十二页，本课件共有59页二、太阴历（回历）定义：以朔望月为基础，朔望月=29.5306日 规定：每年12个月，大月30天、小月29天，平均29.5天。12个太阴月：29.51229.512354354日日 12个朔望月：29.53061229.530612354.36708354.36708日日 一年 相差8小时48分36秒 置闰：为保证每年的年初与月初月初都为残月，30年加11个闰日。第四十三页，本课件共有59页 置闰：30年11闰 太阴历年长：354 11/30=354.3666日 12个朔望月：29.530612354.36708日30年的历年长：354301110631日30年朔望月长：29.5306123010631.0124日 30年共差17 m1 s，一年差41 s.5 在30年的第2、5、7、10、13、16、18、21、24、26、29年为闰年，闰日加在闰年的最后一天。（可保证朔在月初和年首）第四十四页，本课件共有59页 优点：日期与月相吻合的较好日期与月相吻合的较好 缺点：历年长354 1130 354.3666日日 与回归年365.2422 比，一年就相差11日左右日左右 ，3 3年就要短年就要短1 1个月，约个月，约1717年就会出现月序与季节倒置的现年就会出现月序与季节倒置的现象。象。因此，岁首逐年提前，与季节完全脱节季节完全脱节。目前只有少数伊斯兰国家和地区在宗教节日上使用。第四十五页，本课件共有59页三、太阳历（公历）起源于古埃及 现公历（格里高利历）的前身是儒略历，是罗马的儒略.凯撒于公元前46年仿照古埃及历法制定的。儒略历儒略历 定义：以回归年为基础,回归年=365.2422日 规定：每年12个月，大月31天（单）、小月 30天（双）、2月（处决人犯的月份）平年29天。置闰：每隔三年一闰，闰年366天，加在2月。平均 历年长：365 14365.25日 回归年长：回归年长：365.2422日 400 400年差年差3 3天。天。年首：年首：每年冬至后第十天。每年冬至后第十天。第四十六页，本课件共有59页 儒略.凯撒于公元前45年逝世，掌权的僧侣把“每隔三年一闰”误解为“每三年一闰”。这样在短短的33年，就多了3个闰年。公元前8年奥古斯都对历法又一次改革 1、从公元前8年到公元3年不再闰年，把多闰的3年扣回。2、将他出生的8月改成大月，有1、3、5、7、8、10、12为大月（31天），4、6、9、11月为小月（30天），平年2月28天。第四十七页，本课件共有59页 公元1582年：测得太阳测得太阳3 3月月1111日过春分点比规日过春分点比规定的定的3 3月月2121日提早日提早1010天，历日与天象不符，必对历法进天，历日与天象不符，必对历法进行修正。行修正。格里历：格里历：罗马教皇格里高利十三世对历法又作了一次重大改革，定形为今天的公历。1 1、规定：、规定：1582年10月4日的第二天为10月15日。2、改为400年97闰：凡是年数可被四整除的为闰年，世纪年要被400整除才是闰年。格里历平均历年长：365 97365 97400400365.2425365.2425 回归年长：365.2422365.2422 2525s.9 1年 ；2h5252m 48s 400年 3300年才差一天第四十八页，本课件共有59页 优点：与季节相吻合 缺点：月只是一个过渡单位，与月相无关。我国1912年采用格里历，但不用其纪年，直到解放后才采用。纪年：纪年：公历的纪元是人为的、带有宗教色彩。在公元公历的纪元是人为的、带有宗教色彩。在公元532532年罗马教皇宣布基督诞生的那一年为公元元年。而不年罗马教皇宣布基督诞生的那一年为公元元年。而不是儒略是儒略 凯萨下令修改历日的开始时间。凯萨下令修改历日的开始时间。在公元532年后宣布532年前一年为元年。是出自宗教的需要，4是闰年周期数；19是朔望月周期数；7是星期的天数。4197532，保证复活节过532年会在同一日期、同一月相、同一星期序数重复出现。第四十九页，本课件共有59页星期的概念 体现了不同民族文化的奇特结合。人类命运受星辰影响最初来自巴比伦，他们认为：日、月、火、水、木、金、土星逐日轮流主管天上的事务，人们逐日轮流祭拜，七天一循环，慢慢就形成了星期。我国古代把日、月和五星称为七曜，为日曜日、月曜日、火曜日、水曜日、木曜日、金曜日、土曜日，后来就称星期几。第五十页，本课件共有59页四、阴阳历：（农历）历月长：大月大月3030天、小月天、小月2929天，大小月不固定，天，大小月不固定，依依实际天象推算。实际天象推算。历年长：使其使其平均历年长平均历年长与回归年长回归年长尽量一致。置闰：19年加7个闰月 平年 1212个月个月 354 354或或355355天天。闰年 13个月 383或384天。第五十一页，本课件共有59页 19年7闰：19个回归年长：365.2422196939.60186939.601819个历年长：29.5306（19127）6939.688656939.68865 19年相差2h 05m 04 s 闰月大致在第3、6、9、11、14、17、19年。第五十二页，本课件共有59页二十四节气 农历中表示太阳位置的特殊方法n n每一节气太阳黄经均匀增加每一节气太阳黄经均匀增加1515度，但时间间隔不同。度，但时间间隔不同。n n节气节气 中气中气 节气节气 中气中气立春立春 315 315 0 0 雨水雨水 330 330 0 0 惊蛰惊蛰 345 345 0 0 春分春分 0 0 0 0清明清明 15 15 0 0 谷雨谷雨 30 30 0 0 立夏立夏 45 45 0 0 小满小满 60 600 0芒种芒种 75 75 0 0 夏至夏至 90 90 0 0 小暑小暑 105 1050 0 大暑大暑 120 1200 0立秋立秋 135 135 0 0 处暑处暑 150 150 0 0 白露白露 165 165 0 0 秋分秋分 180 1800 0寒露寒露 195 195 0 0 霜降霜降 210 210 0 0 立冬立冬 225 2250 0 小雪小雪 240 2400 0大雪大雪 255 2550 0 冬至冬至 270 270 0 0 小寒小寒 285 285 0 0 大寒大寒 330 3300 0第五十三页，本课件共有59页二十四节气歌春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连。秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。每月两节不变更，最多不差一两天。上半年来六、廿一，下半年来八、廿三。第五十四页，本课件共有59页农历的闰月 只能加在无中气的月份 农历月：29或30天 二十四节气的平均间隔：365.24221230.4368日 30.436829或30 这样无中气的月为闰月，前一月是几月就闰几月。第五十五页，本课件共有59页干支纪法 我国历法的重要创造我国历法的重要创造 天干和地支按顺序搭配，共天干和地支按顺序搭配，共6060个顺序又称个顺序又称“六十花甲六十花甲子子”，周而复始，循环使用。用来纪年、纪月、纪日、纪，周而复始，循环使用。用来纪年、纪月、纪日、纪时。人出生时的年、月、日、时时。人出生时的年、月、日、时4 4组干支就是所谓的组干支就是所谓的“生辰生辰八字八字”。干支序号表干支序号表 对于任一公元年数：对于任一公元年数：天干序号天干序号=公元年尾数；公元年尾数；地支序号地支序号=（公元年数（公元年数/12/12）的余数）的余数 公元年数公元年数=6=6天干序号天干序号 5 5地支序号地支序号序号序号01234567891011天干天干庚 辛 壬 癸 甲 乙 丙 丁 戊 己地支地支申 酉 戌 亥 子 丑 寅 卯 辰 巳 午 未第五十六页，本课件共有59页n n干支最早是纪日，殷商时代就有了，六十日一循环，一直纪到现在（可在万年历上查）。n n干支纪月：大概始于春秋时代，同样是六十曰一循环，直到现在。n n干支纪年：是从东汉章帝元和二年（公元85年）至今未断。第五十七页，本课件共有59页阴阳历的特点：1、以月相定日序，朔为初，两朔间隔定大小月。2、以中气定月序，无中气为闰月。3、二十四节气与阴阳历并行，阴阳历用于记事，二十四节气安排农时。第五十八页，本课件共有59页五、儒略日（JD）定义：一种不用年、月的长期纪日法起算点：公元前4713年儒略历1月1日 世界时12点。优点：便于计算相隔若干年两事件的天数改进儒略日（MJD）：起算点：1858.11.17 世界时零时 MJDJD 2,400,000.5注：公元前4713年，天文上计为-4712年。第五十九页，本课件共有59页