高中物理 备课资料2《时间和位移》 新人教版必修1.doc

人教版高一物理必修1备课资料2《时间和位移》时间是与人类生活有着密切关系的物理量其基本单位的定义一直在发展.这反映了人们对时间概念的实际理解和科学技术的进步.直线运动中用到时间的国际单位为秒但到底多长时间为1秒理想的单位时间必须要寻找一个不受外界条件干扰的事件所经历的过程来作为单位时间的定义.1.生物时昼夜的更迭、月亮的盈亏、寒暑的交替为定量测量时间提供了自然的单位——日、月、年.但这些单位都是很长的时间段.为测量更短暂的现象需要更小的时间单位.比如老中医以自己一次呼吸长短来感觉病人脉搏的快慢.在先进的测量工具出现之前人们靠心脏搏动间隔、一次呼吸的长短即凭感觉来定时也就是靠生物钟来定时这必然是不科学和不准确的.2.恒星时理想的孤立的刚体旋转的周期是恒定的.地球非常近似地看作与外界没有任何力的联系的孤立体其自转周期基本恒定.地球的自转是由星球划过天空的运动反映出来的.北极星是天空时钟的轴.一颗恒星绕北极星转一圈所用的时间为一个恒星日这也是地球的自转周期.3.通过牛顿运动定律和万有引力定律科学家能计算出诸行星及其卫星的运动.在20世纪天文学家指导计算出的位置和实际位置进行对照并发现了偏差.这些天体到达它们的计算位置比预期的到达时间早了几秒.这表明地球并不是孤立的刚体.它的自转周期在变慢选择地球自转事件作为不变时间的基础是不太妥当的.1956年国际天文学会便以地球公转替代地球自转作为时间标准单位的基础.并定出历书时的基本时间单位“秒”定义为1900年回归年时长的1/31556925.9747.4.原子时由于地球、太阳等天体的能量E在外界其他天体的摄动作用下也会发生变化故天体时钟的标准也要发生变化.一个天然钟必须具备的条件可由原子得到很好的满足.原子中能级间的跃迁时间这一事件在现在看来是恒时的.因此1967年国际计量大会又采纳了新的时间基本单位定义：1秒钟等于铯—133原子在其F=4→3MF=0→0的超精细能级跃迁中所对应辐射的9192631770个周期的持续时间.原子时以其极高的稳定性、准确性在科学技术领域确定了自己的地位.或许我们的同学在以后还能找出更精确的恒定不变的事件来定义新的基本时间单位.原子钟的发明史到20世纪20年代最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动.取代它们的更为精确的时钟是基于石英晶体有规则振动而制造的这种时钟的误差每天不大于千分之一秒.即使如此精确它还是不能满足科学家们研究爱因斯坦引力论的需要.根据爱因斯坦的理论在引力场内空间和时间都会弯曲因此在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟比海平面处完全相同的一个时钟平均每天快三千万分之一秒.所以精确测定时间的唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来控制计时钟.20世纪30年代美国哥伦比亚大学实验室的拉比和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时所获得的成果使基于上述原子计时器的计时钟研制取得了实质性进展.在拉比设想的时钟里处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近原子从电磁场吸收的能量就会越多并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁.反馈回路可调节振动场的频率直到所有原子均能跃迁.原子钟就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲.目前振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水平.1949年拉比的学生拉姆齐提出使原子两次穿过振动电磁场其结果可使时钟更加精确.1989年拉姆齐因此而获得了诺贝尔奖.二战后美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准.世界上第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成的但这个钟需要一个房间的设备所以实用性不强.另一名科学家扎卡来亚斯使得原子钟成为一个更为实用的仪器.扎卡来亚斯计划建造一个被他称为原子喷泉的、充满了幻想的原子钟这种原子钟非常精确足以研究爱因斯坦预言的引力对于时间的作用.研制过程中扎卡来亚斯推出了一种小型的原子钟可以从一个实验室方便地转移到另一个实验室.1954年他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟.两年后该公司生产出了第一个原子钟并在4年内售出50个如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代.到了1967年关于原子钟的研究如此富有成效以至于人们依据铯原子的振动而对秒作出了重新定义.如今的原子钟极其精确其误差为10万年内不大于1秒.历经数年的努力三种原子钟——铯原子种、氢微波激射器和铷原子钟（它们的基本原理相同区别在于元素的使用及能量变化的观测手段）都已成功地应用于太空、卫星以及地面控制.迄今为止在这三类中最精确的原子钟是铯原子钟GPS卫星系统最终采用的就是铯原子钟.