时间与历法课程

时间与历法课程第1页/共60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2页/共60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3页/共60页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第4页/共60页空间导航、定位地面和海上导航、定位第5页/共60页第6页/共60页第7页/共60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。S1S2S3S1S2S3第8页/共60页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）第9页/共60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10页/共60页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第11页/共60页古代和现代的天文定时第12页/共60页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第13页/共60页起算历元:1900年1月0日12时(公历1899.12.31)λ⊙=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。第14页/共60页

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15页/共60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16页/共60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。”1,420,405,752Hz第17页/共60页起始点：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。第18页/共60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。第19页/共60页真太阳时的缺陷：

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。第20页/共60页二、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。第21页/共60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22页/共60页3、时差：

真太阳的时角与平太阳的时角之差。时差：η=t⊙

–tm

时差的零点与极大值：（一年中η四次为零，四次为极大值）日期4.166.159.112.242.125.157.2611.3η0000-14m24s+3m48s-6m18s+16m24s第23页/共60页第24页/共60页

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=α+t当任一恒星时上中天时

t=0；即s=α。

第25页/共60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＋3m56s北极点子午线春分点周年周日赤道第26页/共60页太阳时和恒星时第27页/共60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28页/共60页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。第29页/共60页国际标准时间（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

第30页/共60页高精度时间传递技术,参加BIPM组织的国际时间比对网第31页/共60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32页/共60页

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。

λA-λB=mA

–mB=tA–tB

SA–SB=tA–tB=λA-λB

第33页/共60页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。（λ=0h

）

m-M=△λ（+东、-西）

s-S=△λ（+东、-西）

区时：（Th）为平时系统（

λN=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。第34页/共60页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。第35页/共60页§2.5、恒星时与平时的换算

S、ｍ是两个不同的时间计量系统１）时间单位不同：１恒星日≠１平太阳日２）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。第36页/共60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）第37页/共60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：（λ=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）

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=0s0sM0h第38页/共60页2、任意经度区的时刻的换算

（S＝s－λ；M＝m－λ；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）＋λ2）已知地方平时化地方恒星时：

s＝So＋（m－λ）（1＋1／365.2422）＋λ

3）已知地方恒星时换地方平时：

M＝Mo＋S（1－1／366.2422）

m＝Mo＋（s－λ）（1－1／366.2422）＋λ

＝M0＋s－（s－λ）1／366.2422第39页/共60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。第40页/共60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41页/共60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。（3）阴阳历：（农历）以朔望月计月，以回归年计年，二者兼顾。第42页/共60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：29.5×12＝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。第43页/共60页

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）第44页/共60页

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。第45页/共60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

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。第46页/共60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47页/共60页

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：365.2422

25s.9／1年；2h52m48s

／400年

3300年才差一天第48页/共60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：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。第49页/共60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50页/共60页四、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。第51页/共60页

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。第52页/共60页二十四节气

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1200立秋1350

处暑1500

白露1650

秋分1800寒露1950

霜降2100

立冬2250

小雪2400大雪2550

冬至2700

小寒2850

大寒3300第53页/