資源簡介

1.4實驗：用打點計時器測速度（相關素材）
打點計時器與電磁打點計時器的比較
一、運動與計時互相干擾 電磁打點計時器工作時，由市電經線圈引起磁場的周期變化，策動彈片帶動打點針，在運動體拖動的紙帶上，以50赫芝頻率打點.電磁打點計時器的打點針對運動中的紙帶產生沖擊和摩擦，干擾了紙帶的運動，這在自由落體實驗中尤為顯著。 電火花計時器利用高壓脈沖火花放電，放電針與紙帶沒有接觸，因而不會干擾紙帶運動。 2．排除運動對計時的干擾 電磁打點計時器的計時周期會受到紙帶運動的干擾，對此我們進行以下分析和實驗。以振子向下打點過平衡位置的作為o相位，這樣在紙帶上打點時的相位將在附近稍小于的一點上，只要打點能保持在同一相位上，打點的20ms周期的等時性就能保證。當紙帶靜止時，若電磁打點計時器調節適當，打點的等時性得到保證。但是當紙帶運動時，受到打點針沖擊作用的紙帶對振子也產生反作用，從而影響到打點時相位產生顯著漂移，結果破壞了打點的等時性。 二、操作性能的改善 1．減少調節，提高工作可靠性 使用電磁打點計時器時，對打點相位的調節，常常是一般師生難以掌握的技術難點；對已調好的計時器，在使用中因隨環境因素而改變，即使耗費大量時間與精力調節，也常常難以調好，從而降低了工作的可靠性，降低了實驗的置信度和課時利用率。 使用電火花計時器時由于不需要上述調節，一般學生在2一5分鐘內便能采集到實驗數據，從而可以使學生的精力集中到控制實驗現象產生的條件，以及研究分析運動規律上去。 2．安全性能的突破 電磁打點計時器在使用中是沒有安全問題的。電火花打點計時長期不能在教學中使用的關鍵之一是安全問題。早期的電火花打點計時器、其記錄靈敏度低下，依賴于電火花在白紙上燒孔，其電壓大于6kV，電流達80mA，對人是有生命危險的。后來用熱敏紙，電壓也大于6kV，電流為5至20mA，也是極不安全的。我們采用的打點記錄方法，是一種與電場描繪及傳真記錄相類似的微電流轉印方法，其電壓雖然高達3萬伏，但電流控制在200μA以下，從而解決了使用電火花計時器時的安全問題。 三、實驗成本 電磁打點計時器是一種低成本教學儀器，它的價格和實驗消耗都比較低。八十年代初，電火花計時器與電磁打點計時器之間的價格比在10：1以上，材料消耗比在50：1以上（前者用熱敏紙時），經過長期研究改進，我們終于找到了圖2所示的電路，在充電放電上都利用市電的相位信息，使電路大為簡化，使兩種產品的價格比低于2：1。由于電火花計時器不用低壓電源（學生電源），而電磁打點計時器要用配套的學生電源，
計時儀器
中國古代的計時儀器有太陽鐘和機械鐘兩類。太陽鐘是以太陽的投影和方位來計時，分別以土圭、圭表、日晷為代表。由于地球軌道偏心率以及地球傾角的影響，真太陽時和平太陽時是不一致的，機械鐘應運而生，代表有水鐘、香篆鐘、沙漏。
鐘表的發展
鐘表的發展
公元1300年以前，人類主要是利用天文現象和流動物質的連續運動來計時。例如，日晷是利用日影的方位計時；漏壺和沙漏是利用水流和沙流的流量計時。 　　東漢張衡制造漏水轉渾天儀，用齒輪系統把渾象和計時漏壺聯結起來，漏壺滴水推動渾象均勻地旋轉，一天剛好轉一周，這是最早出現的機械鐘。北宋元祜三年(1088)蘇頌和韓公廉等創制水運儀象臺，已運用了擒縱機構。 　　1350年，意大利的丹蒂制造出第一臺結構簡單的機械打點塔鐘，日差為15～30分鐘,指示機構只有時針；1500～1510年，德國的亨萊思首先用鋼發條代替重錘，創造了用冕狀輪擒縱機構的小型機械鐘；1582年前后，意大利的伽利略發明了重力擺；1657年，荷蘭的惠更斯把重力擺引入機械鐘，創立了擺鐘。 　　1660年英國的胡克發明游絲，并用后退式擒縱機構代替了冕狀輪擒縱機構；1673年，惠更斯又將擺輪游絲組成的調速器應用在可攜帶的鐘表上；1675年，英國的克萊門特用叉瓦裝置制成最簡單的錨式擒縱機構，這種機構一直沿用在簡便擺錘式掛鐘中。 　　1695年，英國的湯姆平發明工字輪擒縱機構；1715年，英國的格雷厄姆又發明了靜止式擒縱機構，彌補了后退式擒縱機構的不足，為發展精密機械鐘表打下了基礎；1765年，英國的馬奇發明自由錨式擒縱機構，即現代叉瓦式擒縱機構的前身；1728～1759年，英國的哈里森制造出高精度的標準航海鐘；1775～1780年，英國的阿諾德創造出精密表用擒縱機構。 　　18～19世紀，鐘表制造業已逐步實現工業化生產，并達到相當高的水平。20世紀，隨著電子工業的迅速發展，電池驅動鐘、交流電鐘、電機械表、指針式石英電子鐘表、數字式石英電子鐘表相繼問世，鐘表的日差已小于0.5秒，鐘表進入了微電子技術與精密機械相結合的石英化新時期。
中國計時儀器史年表
紀 元
朝 代
計時儀器史
主要文獻
公元前2357~2258年
堯
圭表、日晷測時已達相當高的精度
殷墟出土卜辭“尚書·堯典”
公元前722~221年
春秋戰國
中國的漏壺記時已達很高的水平
“周禮”、“初學記”、唐孔款達“詩疏”
公元前201~公元9年
西漢
日晷和漏刻計時同時使用
“前漢書”、“中國科學技術史”滴、清·梅文鼎“日晷”備考三考
公元85年
東漢
浮子和漏箭
“玉函山房輯佚書”、張衡“漏水轉渾天儀制”
公元132年
東漢
張衡制漏水渾天儀
“晉書”
公元450
公元450
李蘭制“停表刻漏”，又名“馬上奔馳”
“初學記”
“初學記”
梁 [來源:21世紀教育網]
殷夔制漫水或恒定水位漏
殷夔“漏刻法”
公元660年
隋
耿詢、宇文愷制大稱式刻漏，獻于隋煬帝
“玉海”卷十一、“國史志”、“宋史”
公元665年
唐
呂才制“多壺式受水壺刻漏”
“事林廣記”、“六經圖” 21世紀教育網
公元618~906年
唐
唐代盛行赤道式日晷，并于十七世紀前傳入歐洲
元·楊禹“山居新話”、“中國科學技術史”、清·梅文鼎“日晷”備考三考
公元725年
唐
梁令瓚，一行制擒縱機構
“新唐書·天文志”、“中國科學技術史”
公元1030年
北宋
燕肅制“蓮花漏”
初學記
公元1135年 21世紀教育網
金 [21世紀教育網
出現復式多壺漫流刻漏
“六經圖”、“大清會典”
公元1050年
北宋
舒易簡、于淵、周宗制皇祐刻漏
“初學記”
公元1074年
北宋
沈括革新皇祐漏刻
沈括“夢溪筆談”、“浮漏儀”
公元1090年
北宋
蘇頌、輔公濂制水運儀像臺
“新儀像法要”
公元1250年
南宋
“香篆”鐘和燈鐘記時在中國廣為流行
洪芻“香譜”、楊禹“山居新話”
公元1260年
元
地平式日晷由西方傳入（攜帶式日晷）
“元史·天文志”、“中國科學技術史”
公元1276年
元
郭守敬制“周公測景臺”、“大明殿燈漏”
“元史·天文志”
公元1313年
宋
宋代農夫已開始使用田漏
王禎“農書”、“中國刻漏”、梅曉臣“田漏”
公元1316年
元
杜子威、冼運行制廣州銅壺滴漏
“廣州延祐銅壺記”
公元1360年
元
詹希元制五輪沙漏
“明史·天文志”、宋濂“五輪沙漏銘”
公元1580年
明
西方傳教士羅明堅將自鳴鐘傳入中國
“中國天主教史”
公元1600年
明
明末吉坦然制“通天塔”（自鳴鐘）
“宣城縣志”卷二十七
公元1745年
清
丁傅欲重建廣州鎮海樓自鳴鐘
“雪橋縣志”卷九
公元1773年
清
清宮“作鐘處”仿制改造機械時鐘
清史檔案
公元1796年
馮義和制“更鐘”
存南京博物院 [來源:21世紀教育網]
1太陽鐘
　　在歷史的長河中，天文學和計時學是相伴發展的，可以說有了天文學，也就有了計時學，計時儀器和天文儀器一樣，是經過漫長的發展歷程逐漸精確化的。最古老的計時儀器是土圭、圭表和日晷，其原理是通過太陽的投影和方位計時，一般通稱太陽鐘。　　1.1土圭　　土圭是最古老的計時儀器，是一種構造簡單，直立的地上的桿子用以觀察太陽光投射的桿影，通過桿影移動規律、影的長短，以定冬至、夏至日。“尚書·堯典”中記述土圭始于堯帝時期，即公元前2357-2258年，史學界認為“堯典”不是堯時寫的，是周代史官根據傳聞編寫，后經春秋戰國（公元前7~2世紀）時儒家陸續補訂而成。因此我們可以認為，至遲在公元前7世紀掌管天地四時的官吏已使用土圭分出二分二至，確定一年為366天。到殷商時代（公元前1520~1030年）測時已達到相當高的精度，其干支記日法一直延用到今天。　　1.2圭表　　由于土圭的構造簡單，不易掌握，所以逐漸發展為圭表。“隋書天文志”將圭表的創造追溯到公元6世紀：南北朝梁武帝天監年間（公元503~519年）祖（祖沖之之子）造八尺高的銅圭表，觀測圭上表影的長短，測訂時間。但1965年江蘇儀征東漢墓（公元25~220年）出土了一件青銅鑄的圭表，這說明圭表的創制和使用要早于記載幾百年。待到“元史·天文志”對圭表的形制、構造、材質都有詳盡的記述。　　元初郭守敬按照圭表的原理在河南登封建立了高聳的觀星臺，在大都（今北京）設置了圭表。明正統二年至七年（公元1437~1442年）在北京古觀象臺建造圭表，清乾隆九年（公元1744年）重修并加以改進。古代圭表是用來判斷方向，測定季節，四季劃分和推算歷法，對農業生產發展起到重要作用。　　1.3日晷　　日晷又稱晷儀，也是觀測日影記時的儀器，它與圭表的區別是：圭表的根據日影的長短判別方向測定季節、全年日數和冬至、夏至就在的日子，推算歷法等；日晷的應用，主要是根據日影的位置，以指定當時的時辰或刻數，是我國古代較為普遍使用的計時儀器，但在史籍中卻少有記載，現在史料中最早的記載是“漢書·律歷志·制漢歷”一節：太史令司馬遷建議共議“乃定東西，主晷儀，下刻漏”，而“漢書·藝文志”中列有晷書34卷，但僅存書名，而無內容。　　“隋書·天文志”中記載了耿詢的成就，“觀測日晷和刻漏，是測天地正儀象的根本”。“明史·天文志”對日晷的形制，定時之法都有詳細的記載。較之圭表，它已復雜多了，可以說是一種真正的儀器了，發展到清代，不僅可以計時用，日晷本身已成為一件裝飾藝術品。　　中國太陽鐘的歷史上，指極表或指極針的發現可上溯到公元前四世紀，而周漢之間的12時辰制是非常先進的，在公元前四世紀以前已成為一種不變的時制。　　唐代的赤道式日晷，是所有日晷中計時最準確的。后經阿拉件人或猶太人將其傳入西方，十七世紀時赤道式日晷風行于歐洲，人們稱它為“二分式日晷”。明末之后，中西各種日晷在社會上廣泛使用，種類之多，前所未有。山西姚喬林是十八世紀著名的日晷制作家，其流派遠播廣東。　　總之，太陽鐘橫跨人類歷史數千年，在使用中不斷發展和進步，為社會的發展，科學技術的進步起到了推動的作用，不僅可以計時，而且能求得標準時間，甚至可以校對現代的鐘表。
2我國機械時鐘的發展歷程
　　日晷所測的是真太陽時或視太陽時，因為地球軌道偏心率以及地球傾角的影響，真太陽時和平太陽時是不一致的。因此，不依靠太陽測時的方法成為事實，而且更為重要。歐洲在十四世紀早期，機械鐘出現以前，主要靠日晷計時，而中國對水鐘或刻漏則十分重視，并發展成為一種文化，達到登峰造極的地步。為機械鐘表的誕生作了科學和技術上的準備。 　　2.1水鐘 　　水鐘在中國又叫做“刻漏”，“漏壺”。根據等時性原理，滴水記時有兩種方法，一種是利用特殊容器記錄把水漏完的時間（泄水型），另一種是底部不開口的容器，另一種是底部不開口的容器，記錄它用多少時間把水裝滿（受水型）。中國的水鐘，最先是泄水型，后來泄水型與受水型同時并用或兩者合一。自公元85年左右，浮子上裝有漏箭的受水型漏壺逐漸流行，甚至到處使用。 　　從公元二世紀張衡的時代，到公元六世紀耿詢的時代，使表演用的渾天儀和天球儀轉動起來的水鐘技術孕育了早期機械鐘的出現。公元25年，一行和梁令瓚發明了擒縱機構，這種裝置實質上就是早期的機械時鐘，早于歐洲六個世紀。中國的渾儀在長期的發展過程中往往形式上是天文觀測儀器，而本質上是時鐘裝置，因為從張衡的時代起，天文技術人員一直想做一種緩慢放置的齒輪，以便達到與天上的周日視運動步調一致。　　公元725年一行和梁令瓚實質上解決了這一難題，因此，皇室對設在宮中放置不停的天球（天文鐘）感興趣是毫不奇怪的。 　　公元1088~1090年，蘇頌和他的同事們在開封建立的水運儀像臺是機械時鐘和觀測用渾儀的完美結合，在原理上是成功的，因此，可以說他比羅伯特、胡克先行六個世紀，比方和斐先行七個半世紀。 　　2.2香篆鐘 　　水鐘盡管是有發展前途的，但是古人仍在廣泛的領域進行不竭探索，在某些情況下，也可能有其他較水鐘更為準確的計時方法，據宋代學者薛季宣說，除日晷刻漏之外，有一種香篆鐘于十二世紀中葉在中國流行。荷蘭高羅培著“狄仁杰斷案傳奇”中，記述了唐宮計時用的香篆鐘為梅花形黃銅盤，盤子內梅花五瓣，各繚繞著一圈盤香，用以計時焚薰，稱為“五孕祥云”。 　　2.3沙漏 　　當水溫和水質直接影響了水鐘的使用和準確性時，人們不得不另辟蹊徑，十三世紀詹希元制五輪沙漏，是一種更高級的以沙為動力的機械時鐘，足以證明，此類較簡單的漏，我國古代勞動人民早就能夠制造。 　　公元1762年郭守敬的赤道式渾儀，雖然比1090年蘇頌的儀器更為精密，但沒有什么本質上的區別。但他在數學、機械、天文儀器以及他在1276年制造的“大明殿燈漏”（脫離天文儀器的機械時鐘），不愧為世界上著名的元代科學家。
3關于我國計時儀器史的討論
　　十四世紀六十年代，我國的機械時鐘已經脫離了天文儀器而獨立了，不僅有復雜的傳動系統棗齒輪系，還有擒縱調速部件棗天關、天鎖和軸葉等，鐘面和指針代替了懷抱時辰牌或漏箭的木偶人。倘能繼續努力，就可以把利用水的恒定流量或沙的力量為動力的狀態改變為重錘、發條之類，很快就可以敲開現代鐘表的大門，使我國鐘表技術有更大的飛躍，使我國在計時儀器制造史上居于前列，十分令人惋惜的是，沒有做到這一點。主要原因有：　　3.1我國數千年來的封建統治束縛了生產力的發展，作為生產力中最重要的科學技術不僅不受重視，還被視為異端邪說。“禮記·五制”中就曾規定：“（以）奇技奇器以疑眾，殺。”如李時珍寫“本草綱目”，寶貴資料被毀，幾乎被置于死地。　　明太祖平元年間，司天監進水晶刻漏，中設二木偶人，按時自擊鉦鼓，太祖以其無益而碎之。十五世紀初，偉大航海家鄭和本可以早一百年就完成哥倫布征服非洲的功業。誠然遭到當局的阻止。那時的中國人缺少動機，中國的經濟不需要國外貿易。　　3.2我國十五世紀以前的時鐘，原意不是為公眾計時用，而是要向君王表演天文學原理，如譙樓大鐘。具有若干個齒輪和一種擒縱調節器速機構，而這種的當初設計是來調節皇帝詔書的頒發，以應天體運轉，制造“君權神授”的輿論。　　3.3官僚階級的出現以及他們只受文學教育，無意于技術進步，注重壓制商人，豈不知只有靠商人開拓新的市場，才能促進各項技術的進步。　　3.4利瑪竇在北京住宅開設私人鐘表展覽會，轟動了在朝的翰林學士，高官顯宦，督撫司道，一時門庭若市，爭相觀瞻，花巨資購買西方自鳴鐘，于是西洋鐘表逐漸占領中國市場，中國傳統的機械鐘的發展更加緩慢了。　　3.5十七世紀初至鴉片戰爭前后二百多年中，我國鐘表的發展可稱是第二個極盛時期，其戰略是“學洋仿制，中西結合，自成體系”。可惜由于封建統治制度的衰落及帝國主義列強的侵略，這個大好時期很快結束了。又過了一個世紀，隨著新中國的誕生，我國的鐘表業才進入了第三個興盛時期。鐘表技術獲得迅速發展。
4關于中國計時儀器史的考證
　　中國計時儀器史是一部斷代史，幾千年來留下科技史料很少，致使歷史上很多計時儀器的發現、發明者及其年代有待進一步考證，由于中國官僚士大夫階級只受文學教育，貿下了大量的詩、詞、曲、賦，近年來科技史工作者從詩詞曲賦中考證中國計時儀器史，取得了可喜的成果。而且僅僅是開始，今后會有更多的考證成果面世。

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