第二章时间计量系统.ppt

S ZHANG 第二章时间与历法 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 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 精密时间的应用举例 与时间有关的计量基础光速 299 792 458m s光在真空中传播1m只需 1s 3亿 3ns标准计量实验室中1m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 空间导航 定位地面和海上导航 定位 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x y zt的百万分之一秒的误差会造成300m的定位误差 因此必须有很高的钟的同步准确度 S1 S2 S3 S1 S2 S3 电力传输系统电子政务 电子商务 股票交易 工业用电计费等 时间戳 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 2 以地球自转为计量标准世界时 UT 1 原始的时间计量系统初民日出而作 日落而息 以日出为起点 以一天为计量单位 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 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 与地球自转同步但都不是均匀的时间系统 古代和现代的天文定时 3 以太阳系天体的运动为计量标准的历书时 ET 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 1 365 2422 24 60 60 1 31556925 9747 起算历元 1900年1月0日12时 公历1899 12 31 279o41 48 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 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 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 1H 199Hg 9 192 631 770 133Cs 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 752Hz 起始点 为1958年1月1日UT0h 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 0s 0039 并一直保留下来 UT ATI 0s 0039ET 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 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 12h与日常生活节律一致 但不能适应科学发展的需要 真太阳时的缺陷 最长 12 23 与最短 9 13 的真太阳日差51秒真太阳的视运动是地球自转与公转运动的共同反映 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 二 平太阳时 1 平太阳19世纪末美天文学家钮康引入的一个假想参考点 第一个辅助点建立在黄道上 在黄道上均匀运动 其速度等于真太阳的平均速度 并与真太阳同时过近日点和远日点 第二个辅助点建立在赤道上 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 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 3 时差 真太阳的时角与平太阳的时角之差 时差 t tm时差的零点与极大值 一年中 四次为零 四次为极大值 三 恒星时定义 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当任一恒星时上中天时t 0 即s 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 3m56s 北极点 子午线 春分点 周年 周日 赤道 太阳时和恒星时 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 UTC系统 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之内 通常是正闰秒 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 国际标准时间 UTC TAI 的形成 UTC OfficialTimefortheWorld但UTC TAI是软钟 纸面钟 全球约50个时间实验室总共约280个高稳定性原子钟国际间高精度时间比对 高精度时间传递技术 参加BIPM组织的国际时间比对网 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 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 tBSA SB tA tB A B 2 世界时与区时 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 东 西 s S 东 西 区时 Th 为平时系统 N N150 把全球分成24个时区 每区跨经度150 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 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 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 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 1 1 366 2422 平太阳日 0 9972696平太阳日m s 1 1 366 2422 1平太阳日 1 1 365 2422 恒星日 1 0027379恒星日s m 1 1 365 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 M SS So M 1 1 365 2422 2 已知恒星时求平时 S M M Mo S 1 1 366 2422 MoSo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 0h 2 任意经度区的时刻的换算 S s M m M Th Nh 1 已知区时化地方恒星时 S So M 1 1 365 2422 s S0 Th Nh 1 1 365 2422 2 已知地方平时化地方恒星时 s So m 1 1 365 2422 3 已知地方恒星时换地方平时 M Mo S 1 1 366 2422 m Mo s 1 1 366 2422 M0 s s 1 366 2422 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 1回归年 365 2422平日月 以月球公转为依据 月相变化的周期 1朔望月 29 5306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 日是基本单位不能分割 这种整日数的年和月为历年 历月 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 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 3 阴阳历 农历 以朔望月计月 以回归年计年 二者兼顾 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 5 12 354日12个朔望月 29 5306 12 354 36708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都为残月 30年加11个闰日 置闰 30年11闰太阴历年长 35411 30 354 3666日12个朔望月 29 5306 12 354 36708日 30年的历年长 354 30 11 10631日30年朔望月长 29 5306 12 30 10631 0124日30年共差17m1s 一年差41s 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 优点 日期与月相吻合的较好缺点 历年长35411 30 354 3666日与回归年365 2422比 一年就相差11日左右 3年就要短1个月 约17年就会出现月序与季节倒置的现象 因此 岁首逐年提前 与季节完全脱节 目前只有少数伊斯兰国家和地区在宗教节日上使用 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 3651 4 365 25日回归年长 365 2422日400年差3天 年首 每年冬至后第十天 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 公元1582年 测得太阳3月11日过春分点比规定的3月21日提早10天 历日与天象不符 必对历法进行修正 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 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 36597 400 365 2425回归年长 365 242225s 9 1年 2h52m48s 400年3300年才差一天 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 公历的纪元是人为的 带有宗教色彩 在公元532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 4 19 7 532 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 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 四 阴阳历 农历 历月长 大月30天 小月29天 大小月不固定 依实际天象推算 历年长 使其平均历年长与回归年长尽量一致 置闰 19年加7个闰月平年12个月354或355天 闰年13个月383或384天 19年7闰 19个回归年长 365 2422 19 6939 601819个历年长 29 5306 19 12 7 6939 6886519年相差2h05m04s闰月大致在第3 6 9 11 14 17 19年 二十四节气农历中表示太阳位置的特殊方法 每一节气太阳黄经均匀增加15度 但时间间隔不同 节气中气节气中气立春3150雨水3300惊蛰3450春分00清明150谷雨300立夏450小满600芒种750夏至900小暑1050大暑12