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研究時間的計量和測試的科學。也是研究計時儀器的設計和製造的科學。又稱鐘錶學。 \n  時間是基本物理量之一。日常生活、工業、交通、國防、測繪、航天、科學研究、體育運動等各個領域都需要計測時間。早在上古時期,人類就發明了一些利用自然現象計測時間的方法和計時器,如觀測太陽影子的圭表和日晷,然後是漏壺和火鍾等。隨著社會的發展,人們對於時間計測的精度要求不斷提高,遂發明了利用一些等時性好的振動現象來計測時間的方法和計時器,其中包括至今仍在應用的以重鎚或發條驅動的擺鐘,以發條為能源而以擺輪遊絲系統作為時間基準或簡稱為時基(time base)的機械鐘錶,以電池為能源而以音叉振蕩器或石英振蕩器作為時基的電子鐘錶等。現代石英電子鐘錶的普及使計時精度大為提高,而原子鐘的發明更使計時精度達到空前未有的高度。

1 計時學 -計時學

 

2 計時學 -正文

  
 簡史  新的計時方法和儀器的發明以及計時精度的逐步提高,都要求計時理論和技術有相應的提高。16世紀,伽利略發現了擺的等時性后,計時學的理論逐漸形成。17世紀,C.惠更斯發表了《計時振蕩器》 (Horologium Oscillatorium)等小冊子,他對擺的等時性、擺輪遊絲振動系統、擺線理論和擒縱機構的研究和開發,奠定了機械鐘錶的理論基礎。當時的計時學已應用I.牛頓剛創立的微積分學和力學的理論方法,分析振動系統,研究提高計時精度和性能,並以此成為一門領先的科學而引人注目。進入19世紀,E.菲利普斯研究了擺輪遊絲末端曲線和等時性的關係,隨後J.格羅斯曼對遊絲運動分析和位置誤差的研究,E.卡斯帕里關於遊絲卷進角對於走時影響的研究等,都大大充實了計時學的理論。1940年,S.古德斯米特和M.王發表的關於等時性遊絲問題的論文,更透徹和完善地說明了遊絲形狀和等時性的關係。由於計時學理論的發展,J.哈里森於18世紀發明了走時精度很高的航海天文鐘,大大促進了當時航海術的發展。20世紀初發明了各種類型的精度很高的天文擺鐘,其精度可達日差千分之一秒。它們用於天文測時和守時,促進了天文學的發展。根據計時學的理論並利用機械工程學的原理和方法,人們已大量生產出各種鐘錶,設計和製造出寶石軸承、防震支承、彈性元件和擒縱調速器等。
  隨著對計時儀器性能要求的不斷提高,對計時儀器所用材料的要求也不斷提高。20世紀初,C.紀堯姆發明了一些可用於製造鐘錶的材料,其中包括恆彈性合金,用它來製作遊絲,可大大減小鐘錶的溫度誤差。同一時期,F.斯特勞曼發明了一種稱為「尼瓦法來克斯」的材料,用它來製作的發條,不斷不銹。
  20年代開始,電子技術被引入計時學中,音叉振蕩器和石英振蕩器被用作計時儀器的時基,它們的頻率比機械振動系統的高,頻率穩定性更要高出若干個數量級。半導體和集成電路的發明,使鐘錶更加微型化且耗能更小。70年代開始,鐘錶工業進入石英電子化階段,使手錶更加微型化、低功耗、高精度、多功能和便於大量生產,這是對原有的機械鐘錶的一次大的衝擊。石英電子化后,鐘錶工業從精密機械加工業變成微電子技術和精密機械技術相結合的精密工業。由於石英電子鐘錶應用液晶顯示屏和扣式電池,這就使計時學與光電子學、電化學以及有機化學等學科發生了密切關係。從鐘錶的生產和工藝來看,計時學也與計算機技術、機器人學和信息工程學等有一定關係。
  1934年,美國C.E.克利頓和N.A.威廉斯發明原子鐘,以原子能級間躍遷發出的輻射頻率作為時基。與石英鐘相比,原子鐘具有更高的頻率,其頻率穩定性可達10-14,這是目前能達到的最高性能的計時儀器。原子鐘所依據的理論主要是微波分光學,它是在電磁學和原子物理學的基礎上形成的。從機械鐘錶到石英電子鐘錶,它們的時基利用的都是宏觀的機械振動,而原子鐘利用的則是量子物理學中的微觀現象。
  研究內容  主要包括:①研究解決各種領域中的時間計量、測試和控制的方法和手段。包括科學研究中極短時間的測試和地質、考古研究中極長時間的測試。②研究各種計時儀器時基的理論和影響各種鐘錶走時精度及其他性能的因素。③研究各種鐘錶的結構設計和製造方法。④研究天文台和計量部門用的時間和頻率基準(原子頻標)以及測時、守時和授時等時間服務工作。⑤研究解決在各種嚴酷環境條件下(如高溫、低溫、潮濕、振動、衝擊、深水、強磁場等)工作的計時機構的精度和工作可靠性。如導彈、衛星、極地、潛水和油井下工作的計時機構的設計和外殼防護等問題。⑥研究解決各種計時儀器、鐘錶、定時器和它們的關鍵部件的檢測技術和檢測儀器問題。⑦研究解決鐘錶生產中的工藝問題,包括鐘錶生產中的自動化和特種工藝問題。⑧研究解決各種專用計時儀器的開發研製問題。計時儀器和鐘錶的應用範圍很廣,差不多各個領域都要應用,而各領域又往往有其特殊的要求。因此,計時學還根據各領域提出的特殊要求,研究設計各種專用的時間計控方法和計時儀器。
  計時學是一門綜合性的科學,它是不斷地引進其他學科的先進理論和先進技術而發展起來的。計時學也是一門比較發達的科學,目前時間計測精度和計時儀器的性能都已達到較高的水平。例如一般日常生活用的石英鐘錶的計時精度已達10-7(10-5約相當一天差1秒鐘),而科學技術上用的原子鐘或原子頻率標準的計時精度則已達10-14

 

3 計時學 -配圖

 

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