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五年级下科学教参(时间的测量)

发表时间:2015-1-5  浏览次数:3974  
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    第三单元时间的测量
一、单元概述
自人类具有“时间”这一概念以来,世世代代的人们经年累月不断地寻求着准确测量时间的方法。古人经过长时间的观测和经验积累,发现太阳在天空规则地改变着位置,月亮在天空的移动也有一定的周期。拥有了这样的认识,古代人类将天文现象与自己的生活进行了密切的联系。根据天文现象固有的周期性,形成了历法和时间的概念——一年分为360天加5天,每天24小时,午前、午后各12小时,这就是我们能够追溯到的时间划分。那么,一天内的时间进程如何把握呢?古人想到了把竖直放置的表和水平放置的圭组合为圭表,根据表在圭上的投影来判断时间。他们还通过不断地研究制作出了计算时间的机械,这就是我们现在已经知道的沙漏和水时计。
随着社会的发展,社会分工越来越细,慢慢地人们感到精确计算时间是必要的。17世纪以后,钟表工艺史发生了划时代的进步。根据伽利略发现的单摆的等时性,惠更斯制造了第一个摆钟,使时钟的误差从每天15分钟减少到5分钟。后来他又第一个制造出了发条驱动的机械表,并由此导致了18世纪高精度航海钟的发现,解决了困扰人类近两个世纪的经度测定问题,大大推动了航海事业的发展。不仅如此,机械钟的出现还促进了当时整个机械工业的发展,使钟表和罗盘、枪炮、印刷术一起构成的技术革命成为产生近代科学的动力之一。回顾科学发展史,我们可以清楚地看到,时钟的改进历史是与整个人类文明史同步的。
本单元要让学生使用一些测量时间的重要设备做实验,从太阳钟、水钟到机械擒纵器……在“创造”(制作)计时工具的实践过程中,了解人类计时仪器的发展史,认识技术对人类社会发展的作用。
教学内容大致是这样安排的。
第1课,“时间在流逝”,主要让学生对某一个时间段进行估计和感受。
第2~5课,“太阳钟”“用水测量时间”“我的水钟”和“机械摆钟”,分别引导学生讨论和思考日晷、水钟和摆钟的构造和原理。
第6~8课,“摆的研究”“做一个钟摆”和“制作一个一分钟计时器”则指导学生对
摆钟的制造原理和设计进行了更为深入的研究和探索。
“时间”是一种看不见、摸不着的事物,时间运动的轨迹,是根据其他物体的有规律运动的轨迹来记录的。所以,本单元学习“时间的测量”的过程,从某种意义上说,也是对“事物有规律运动”的认识活动过程。
二、单元教学目标
科学概念
●“时间”有时是指某一时刻,有时则表示一个时间间隔(即时长)。在不同的情况下,我们对相同时间(时长)的主观感受会不一样,但时间是以不变的速度在延伸的。
●时间可以通过对太阳运动周期的观察和投射形成的影子来测量,一些有规律运动的装置也曾被用来计量时间。
●长期以来,人们一直在寻求精确的计时方法,随着科学和技术的发展,人们制作的计时工具越来越确。
●计时工具准确性的提高要靠设计、材料等的改进。
过程与方法
●观察和记录有关太阳运动变化周期的信息。
●学习辨别和控制实验中的可变因素。
●预测和测试怎样改变一个可变因素从而影响实验结果。
●解释结果及总结可变因素是如何改变、影响实验结果的。
●学习用图表、表格等来记录、整理、交流信息。
●设计、制作和改进“太阳钟”“水钟”和“摆钟”等简易计时器。
●阅读和研究科学资料以获取更多的信息。
情感态度价值观
●发展探究时间以及计时工具的兴趣。
●认识重复实验证实结果的重要性。
●欣赏前人在测量时间和解释自然现象方面所作的贡献。
●初步意识到事物是运动变化的,事物的运动变化是有一定规律的。
●初步体验到科学、技术与人们生活的密切关系。
第1课时间在流逝
(一)背景和目标
本课是单元的起始课,是学生们研究时间的测量的开始。对于学生来说“时间”是一个非常熟悉又不熟悉的事物。他们每时每刻都在时间的流逝中生活和学习,几点上课?几点下课?几点放学?学生们是太了解不过了。但是时间又看不见摸不着,怎么能够对“时间”进行研究呢?这个问题对于五年级的学生来说是有一定挑战性的。通过本课的学习,我们要让学生意识到时间是可以被感受、估计和计量的。学生将通过感受1分钟、10分钟来感知时间的长短,并且意识到我们的实际行为很容易使自己估计时间时发生偏差,因此需要准确地、客观地计量时间。
科学概念
●“时间”有时是指某一时刻,有时则表示一个时间间隔(即时长)。
●借助自然界有规律运动的事物或现象,我们可以估计时间。
过程与方法
●运用各种方法感受一分钟的长短。
●根据估计一分钟时长的经验,比较合理地估计10分钟持续的时间。
情感态度价值观
●意识到只凭主观感受,有时是不正确的。
●我们要珍惜时间。
(二)教学准备
1.教室里挂一面时钟,以及一段片长1~5分钟的学生非常喜欢的动画片。
2.为每个小组准备一个秒表,一份估计时间的记录表。
(三)教科书说明
内容共两页,分三个部分。
第一部分:现在几点了
“现在几点钟?”一听到这个问题,大家都会下意识地去看看自己的手表或挂在墙上的钟。可是,如果不看时钟或手表,我们能知道现在大约几点钟吗?
教科书一开始就向学生提出了一个不大不小的难题。教科书中的插图是一群学生在操场上观察太阳的变化,提示学生可根据太阳在天空中的位置对现在的时间进行估计。除了根据太阳可以估计时间,还可以根据什么估计时间?估计活动后再对照手表,我们根据自己的方法估计得是否正确。这为以后的活动作了一个铺垫,并产生了必要的联系。
第二部分:一分钟有多长
前面部分的活动是让学生对一天中某一个时间点(时刻)进行估计,这部分的内容主要是让学生对某一个时间段(时间)进行估计和感受。教科书首先让学生感受的是“一分钟有多长”。一分钟有多长?一分钟等于60秒,那么,每秒又是多长呢?1963年第13届国际计量大会规定:铯—133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。根据这样的规定,1分钟就是铯—133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡551557906200周所持续的时间。对于学生们来说,怎样去认识一分钟的时间间隔呢?可能只能告诉他们一分钟就是钟表里的秒针转动一圈所需要的时间。这一点或许三年级的学生也早已会说,但是,一分钟到底有多长,学生可能没有真正地去注意过、感受过。教科书这部分要让学生去体验一分钟的长短,并引导他们用各种方法来估计一分钟的时长。如,教师可告诉学生我们每个人每分钟心跳的次数大约是80次;如果按1秒钟打一下节拍的速度,即每1分钟就是60节拍……提示学生可以这些方式来感受一分钟的长度。
学生会发现一分钟原来这么“长”,对一分钟有了直观的认识。紧接着让学生对“10分钟又有多长”“一小时有多长”进行描述。有了一分钟的感受,相信学生会运用更多的方法对“一个小时”进行描述。
第三部分:过去多长时间了
“过去多长时间了”是在前两个活动的基础上,让学生根据自己的经验对“上课多长时间了,离下课还有多少时间”进行合理的估计。估计往往是不太准确的,要么太长,要么太短。原因就是课堂上过于投入或者没有兴趣,影响了他们的估计。教师可在下个环节中提出这么两个问题:“什么时候感觉时间过得特别快?什么时候感觉时间过得特别慢?”这是对刚才的估计寻找归因。那这节课真的比原来长了(或者比原来短了)很多吗?于是引出了“时间有快慢吗”的讨论话题。这个问题就让学生自己去争辩,相信绝大多数的同学会认为时间流逝的速度是不变的。
(四)教学建议
1.估计时间。
教师在这个环节可以与学生开展趣味游戏,请学生把手插口袋里不准看手表。提问:现在几点了?让学生估计现在是几点了,充分调动原有经验来估计现在的时间。学生也许会看看太阳在天空的位置,也有很多学生会根据上学的时间或者每节课的时间进行推测。教师要鼓励学生去估计,发展学生估计与推测的能力。
2.体验一分钟时间有多长。
本课是学生研究时间的第一课,教师们要给予学生充分的体验时间,让学生去体验一分钟时间的长短。比如请学生闭眼静静地度过一分钟,还可以组织学生估计自己一分钟可以做哪些事情?自己一分钟心跳、一分钟跳绳、一分钟写字的个数等。在估计一分钟有多长的基础上,教师组织学生推测10分钟有多长。如果课堂时间比较充裕可以组织学生去体验,如果时间不允许,教师要鼓励学生说出他们的推测理由或者想法。
3.该课的设计中要体现趣味性。
该课的教学一定要让学生在轻松愉悦的状态下学习。在第三环节教师可以突然提出:这节课过去多少时间了?回答这样的突如其来的问题,学生有可能会出现三种情况:一是对过去的时间估计过短;二是对过去的时间估计过长;三是在建立前两个活动的基础上,不急于做回答。原因就是课堂上过于投入或者没有兴趣,影响了他们的推测。通过这样的设计可以引导学生讨论:时间的长短与人的感觉之间的关系,以及时间是否有的时候快,而有的时候慢
第2课太阳钟
(一)背景和目标
在第一课学生通过各种方法感受了时间,本课是深入研究时间测量的第一课。他们将开始对计时工具进行研究,学习内容涉及到时间测量工具的发展史。古代人没有时钟,他们是怎样来计时的?在学生们的意识中利用太阳计时可能是比较熟悉的一种古人计时方法。但他们并不完全清楚其中的原理。在这节课中,学生将经历一个观察太阳影子变化的过程,通过观察太阳光影的变化来讨论古人是怎么利用太阳来计时的。本课设计了三个活动,第一个是用太阳来计日。认识“日”是怎么来的,一日的12小时是怎么产生的。第二个活动是用光影来计时。利用太阳光影子的方向与长短来确定时间。第三个活动是讨论与思考,包括太阳钟计时的原理和实际使用中存在的问题。
科学概念
●阳光下物体影子的方向、长短会慢慢地发生变化。“日晷”与“圭表”是根据日影长度制成的计时器。
过程与方法
●观察太阳光影在一定时间内长短与方向的变化。
●制作简易的圭表或者日晷进行计时。
●讨论太阳光影是怎么被用来记录一天的时间的。
情感态度价值观
●对古人研究时间的成果产生敬佩之情。
●感受人类对时间测量的探索过程。
●体验研究的乐趣。
(二)教学准备
收集关于圭表与日晷的介绍资料与图片。每个小组一根立竿、一把尺子、一个手表。每个小组制作日晷需要的晷针、晷面各一个。
(三)教科书说明
内容共两页,分三个部分。
第一部分:用太阳来计时
现在几点钟了?我们可以看钟表。可是古代人没有钟表怎么办?教科书就这样开始安排这节课的学习活动。学生根据自己的原有认知会很快地做出回答:古人利用太阳。学生们还会想到古人还用“流水”“香柱”等计时。教科书上四幅太阳日出到日落的图片记录了一天的时间。这就是最早的时间单位“天”的来历。有了最初的计时单位后,慢慢地需要对一天的时间进行划分。那古人又是怎么划分一天的呢?教科书提供了一段资料,古埃及人是怎么确定白天与黑夜各12小时的。教师在这个环节中可以向学生讲解得稍微详细一些,或者可以引导学生自己去搜索相关的资料去了解更加详细的关于时间单位的来历。这部分教科书也是时间发展史学习材料,使学生对计时单位的了解由原来的比较宽泛,到逐步精确。
第二部分:用光影来计时
在了解了古人一天的时间后,那古人是怎么记录一天中各个小时呢?教科书上一个卡通古人在观察和度量立竿的影子长度,这就引出了光影计时方法。教师在教学中要试着让学生去解释其中的原理。教师组织学生去太阳下观察影子的变化,如果在上午学生会发现影子会慢慢变短,如果在下午学生会发现影子会慢慢变长。同时,学生也会发现随着时间的流逝太阳光的影子方向也在变化。学生通过这样的观察他们会解释古人用光影是怎么来计时的。
教科书右上方图片中的计时工具是“日晷”,这与光影计时方法有一定的区别。中间图片表示的是古人用的“圭表”,圭表是利用太阳光影子长短变化来记录时间的。而日晷是利用太阳由东向西移动时,投向晷面的晷针影子慢慢地由西向东移动来计时的。这两种计时方法有区别,但是原理是一样的,都是利用了太阳光影子的变化来计时的。
第三部分:讨论与思考
在讨论圭表与日晷的制作原理时,学生会提到太阳钟是利用了太阳东升西落而造成影子的运动来制作的。“太阳钟”是不是一种完善的计时方法呢?在“讨论与思考”的后续活动中,组织学生对太阳钟进行分析,它在实际使用中会有哪些问题,为下节课的研究做好铺垫,使学生在学完这课后能进一步思考,“古人阴天怎么办”“到了晚上怎么办”等问题。
这节课的三个活动是相互联系的一个整体,每个活动都有自身的价值,同时也对下个活动产生一定的影响,所以教师在处理教科书时不要将其孤立地分开。
(四)教学建议
1.资料收集。
因为这课的第一部分主要内容是计时单位的发展。课前应组织学生去收集一些相关的计时单位的资料。教师可以确定资料收集的主题,比如说,“一天是怎么来的?”“24小时是怎么确定的?”等等有关于这节课的内容都可以让学生去收集。在课堂上教师充分发挥学生的主动性,让学生在小组与全班开展讨论。这对学生理解计时单位的精确发展是非常有好处的。
2.用光影计时。
教师组织学生去观察竹竿在太阳光影的变化规律。通过观察使学生发现竹竿影子会随着时间的推移变短(下午变长),影子并且还有规律的由西向东移动。在观察的过程中教师可以组织学生用画图的方式记录观察到的现象,这样便于学生在课堂上开展讨论以及发现问题。学生观察后教师组织学生讨论古人是怎么利用太阳光影来计时的。通过讨论教师出示圭表与日晷两种计时工具,请学生解释它们是怎么计时的。
3.制作圭表或者日晷。
在探究过程中,如果时间充足教师可以组织学生制作圭表或者日晷,然后用自己制作完成的“太阳钟”进行计时。这样不仅使学生对太阳钟有更深的理解,还激发学生探究时间的积极性
第3课 用水测量时间
(一)背景和目标
在研究圭表与日晷后,学生会发现太阳光影之所以能够被用来计时,是因为太阳光影是有规律地运动着的。他们开始意识到能够用作计时工具的事物必须是有规律运动着的。可是太阳钟只能白天使用,晚上怎么计时呢?这一课将组织学生去探索如何用流水来计时,研究古人计时用的水钟,以及不同的计时方法。教科书将介绍学生认识两种水
钟,一种是泄水型水钟,另一种是受水型水钟。在这一课中,学生将观察滴漏,推测并
测量在瓶子中积聚10毫升和50毫升水分别需要的时间。通过本课的学习要使学生初步了解和认识利用滴漏计时的原理。
科学概念
●在一定的装置里,水能保持以稳定的速度往下流,人类根据这一特点制作水钟用来计时。
过程与方法
●记录100毫升水缓慢地流完需要多少时间。
●根据100毫升水流完需要的时间,推测10毫升、50毫升、300毫升的水流完需要的时间。
●初步理解流水为什么能够用来计时,以及存在的问题。
情感态度价值观
●认识到细心观察的重要性。
●发展研究计时工具的兴趣。
(二)教学准备
1.每人课前收集各种水钟的资料与图片。
2.每个小组一个能容纳300毫升水的塑料瓶子,每个小组一个100毫升量筒,签字笔一支,铁钉一个,一个透明水杯。
(三)教科书说明
内容共两页,分两个部分。
第一部分:古代的水钟
古人计时的方法很多,学生通过阅读和交流,可能已经知道古人曾经用水钟来计量时间。在这个环节里,教科书画了三幅水钟的图,说明了两种类型的古代水钟,以帮助学生了解古人是怎样利用流水来计时的。教科书第54页左下图的是古代的“漏壶”。它是一种泄水型水钟,是观测容器内的水漏泄减少情况来计量时间。右边是受水型水钟,是观测容器(底部无孔)内流入水增加情况来计量时间。教科书介绍这两种古代的水钟,主要是帮助学生理解古人是怎样利用流水的滴漏来计时的。可以让学生解释这些水钟是怎样利用滴漏来计时的。这样就可以引出下面环节,使学生对滴漏进行观察和研究。
第二部分:滴漏实验
教科书首先让学生估计并观察从300毫升水中缓慢流出100毫升水需要多少时间——“把一个透明塑料饮料瓶去掉底部,倒过来盛水,在瓶盖上扎一个小孔,让水可以从小孔中缓慢流出。在瓶子中装300毫升水,观察并记录从瓶中漏出100毫升水需要的时间。”这项活动中的透明塑料饮料瓶,应尽可能选择细长的圆筒形瓶子,瓶盖上扎的小孔以直径2毫米左右为宜,让水呈线状细流缓缓流出。而且这个活动希望学生能重复观察2~3次(注意每次观测都必须在瓶子中装同样多的水——300毫升水)。通过实验学生们会发现,如果孔的大小不改变,同样流完100毫升水所需的时间是相同的(约1分钟左右)。
紧接着第二个活动是用同样的瓶子装水,观察从300毫升水中,漏出10毫升、50毫升水分别需多少时间。这个活动,同样希望重复多次。如果忽略观测的各种误差,从300毫升水中流出10毫升水的时间,大致相当于流完100毫升水的时间的十分之一;流掉50毫升水的时间也差不多是流完100毫升水时间的一半。至此,学生不难发现,利用流水是可以帮助我们“模糊”计时的。当然,事实上水在下流过程中不是匀速的,流掉前50毫升水的时间与流完后50毫升水的时间并不完全等时。这样的现象,对于观察仔细的学生或许也能发现。我们也希望学生能关注到这样的现象,所以,教科书安排了第三个活动一推测并观察流完杯中全部的300毫升水需多少时间。通过观测,很显然流完全部的300毫升水的时间要大大超出仅流掉前100毫升水时间的3倍。而且,用肉眼也能很清楚地观察到,当瓶中的水越来越多时,水流越来越小,最后甚至会断断续续呈滴状。
杯底孔的大小没有变,水的流速怎么会不断变化的呢?知识面广的同学,可能会说到是由于水位高低(水压)引起的。教师不妨向学生做出这样的解释:由于水位高低的变化,引起了水流速度的变化。水位高时,水流较急,水位越低,水流就越缓,渐渐地从流变成滴,甚至不再往下漏。
到此,孩子可能就会提出问题了——水流的速度是在不断地变化的,那用水怎么计时啊?这时,教师可引导学生去关注古人有没有发现这一现象?他们是怎样让水保持固定的速度往下流的?带着这样的问题,孩子们自然会再次关注古代的水钟,他们会找相应的资料去了解古人是如何解决这一问题的。课堂上,也可让孩子们再仔细观察教科书第54页右边的水钟图,分析各构件的作用,理解古人的设计原理(盛水漏斗中的锥体是用来控制流水孔的大小的,盛水漏斗边上的泄水孔是用来保持水位高低的)。通过这次的观察,相信会让孩子们对古人的聪明才智,再一次发出由衷的赞叹。
在孩子们赞叹古人用巧妙的方法保持水位不变的同时,教师还要进一步引导他们观察古人制作的水钟里的水不是连成线状往下流的,而是一滴一滴往下滴的。这又是为什么?教科书希望孩子们对古人的这种设计作思考和解释。课堂上,教师不妨让学生做一
道计算题:水每分钟流掉100毫升,1小时流掉多少升?一天流掉多少升?如果水钟一天换一次水,这些水需要多大的储水装置……通过这样的计算与思考,想必孩子们是很容易对古人的这种设计做出解释的。这一活动,或许也能引发出新的教学意义一对他们自己平时的不经意没有关紧水龙头的行为做出反思。
教科书中的第二项活动——“要是水一滴滴往下漏会怎样?”正是在前面思考的基础上,进行的实践操作活动。通过这项活动,让学生验证了同样多的水,由于流速不一样,它所能计量的时间是不一样的,从节约资源的角度,以及使用方便的角度考虑,都应选择用“滴漏”的方法来计量时间。另外,用滴漏的方法,也能尽可能地减水因水位变化而对水下漏速度的影响。
在上述思考和实践的基础上,我们可以让学生在课外去设计制作一个每分钟滴约60滴水的滴漏,相信孩子们会兴趣盎然、跃跃欲试。这项活动可为下一节课制作一个水钟做好准备。
(四)教学建议
1.要突出重点探究活动。
在进行本课的教学中,教师要把握好“古代水钟”和“滴漏实验”两个活动主次。教科书第一个活动是通过让学生认识古人的水钟,从而促进他们理解流水能作为计时工具的原理,同时也促进学生对计时器发展史的认识。这部分一个重要的意义就是为第二部分的研究做好铺垫,是探究滴漏实验的引子。在教学中,教师要把大部分时间分配给“滴漏实验”这个活动,给学生充分的观察、记录、研讨时间。
2.滴漏实验中流水速度的控制。
研究“滴漏100毫升水需要多少时间”的活动中,教师要注意流水的速度控制。学生在瓶盖上打的洞如果比较小,漏完100毫升水需要较长的时间。教师要指导学生先打一小孔,再逐步扩大,不要一下就打很大的孔。打孔对于学生来说还是有一定困难的,教师要具体说明打孔的方法,以免占用过多的时间影响学生的观察与记录。教师也可以在课前把孔打好。
3.滴漏实验。
教科书中设计的“滴漏实验”是有深刻内涵的。教科书让学生开展的两次滴漏实验中,滴漏100毫升的实验是泄水型的,而观察向量筒中滴入10毫升水与50毫升水是受水型的。这个活动的滴漏原理与教科书的第一部分介绍古代的几种水钟,及后面一课“我的水钟”都是相同的。通过这一探究活动,学生在制作水钟的过程中,就可能会设计出不同类型的水钟
第4课我的水钟
(一)背景和目标
通过第2~3课的教学,学生已经认识了两种水钟的构造,经历了滴漏实验的研究,学生对滴漏能作为计时工具有了新的理解,有了制作水钟的欲望和基础。这一节课,他们将要运用已掌握的知识设计一个水钟,亲自动手制作一个水钟,并用图画的形式对自己设计的水钟进行描述。还要在实验中检验自己的水钟是否计时准确,以及对水钟的设计进行改进。在这节课中,学生将要经历设计方案——实验制作——修正方案的科学活动过程,这个过程也是一个促进学生思维发展的过程。
科学概念
●通过一定的装置,流水能够用来计时,因为滴漏能够保持水在一定的时间内以稳定的速度往下流。
●我们可以控制滴漏的速度,从而使水钟计时更加准确。
过程与方法
●设计制作水钟的方案。
●利用剪刀、塑料瓶等简单工具和材料制作一个简易的水钟。
●在实际运用过程中对自己的方案进行改进。
●经历思考方案——制订计划——实施方案——检验成果——寻找原因——改进实验的探究过程。
情感态度价值观
●感受科学制作带来的乐趣。
●体会到在科学研究中分工、合作,和谐地开展探究是重要的。
●体验到完成一个科学制作需要不断重复实验,在实验中逐步完善。
(二)教学准备
为每个小组准备一把美工刀、两个塑料瓶、一个时钟(或者手表)、一支记号笔和尺
子。教师自己准备一个医院输液用的管子。
(三)教科书说明
内容共两页,分两部分。
第一部分:设计水钟
经历了关于“用水测量时间”的研究,学生已经有了制作水钟的欲望和理论基础。在制作之前我们应该设计一个制作的计划,想好我们要制作的水钟的类型、式样、材料、操作步骤等事项。教科书要求学生画出设计方案图,在插图的右边作了提示与思考,引领学生思考在制作设计方案的时候,需要思考的一些必要问题。第一,选择什么材料制
作;第二,怎么利用这些材料来制作水钟;第三,如何标出刻度。这些问题看起来很简单,如果不认真去思考,在实际操作中就会暴露出来。学生通过图画及文字描述来表述自己的思维。只有经历这个活动学生才能有准备、有目的地制订计划。可行的计划是制作水钟的前提。
教科书有一幅插图“一个滴漏边上画了一个时钟”,这是提示学生在标刻度的时候要对照时钟。学生根据每分钟流出水的体积画出刻度。可能有一些学生在测量出一分钟滴漏的水的体积在瓶上的高度后,就会把它作为标准来分出更多的刻度(2~10之间的刻度),这是不科学的,如果使用的瓶子形状是不规则的,那这样的做法很容易造成误差。
第二部分:用水钟计时
“用水钟计时”在这个活动中,制作计划已经成为现实的成果,还要在实践中检验。将做好的水钟与钟表对照,你的水钟计时准确吗?当水钟出现误差时,原因出在哪里呢?根据误差寻找影响水钟计时准确的因素。教科书插图中两个学生对话,提示学生从容器的形状、滴水的速度两方面去寻找原因。第一,如果容器的形状不规则容易造成刻度的标识错误;第二,因为开始时容器里装了比较多的水,水的重量产生的压力比较大,开始滴漏速度会快一些。随着容器中的水位逐步下降,水的压力也越来越小,这样就影响了滴水的速度。
学生分析了可能存在原因后,试图对自己制作的水钟进行改造。教科书用插图的形式提示学生可以用这些方法来改进自己的水钟。插图显示了医院里静脉滴注的调节器,这是提示学生设计的滴漏要像静脉滴注一样均匀下滴,最好是能控制滴漏的速度。这幅插图有利于引导学生将计时器的研究方向从水钟过渡到下一课的机械摆钟。
本节课让学生经历了一个思考方案——制订计划——实施方案——检验成果——寻找原因——改进成果的科学探究活动。每个活动都要让学生充分探究,让他们理解一项研究成果的取得,要经得起实践的检验,需要不断思考和改进,逐步完善。
(四)教学建议
1.设计水钟。
从三年级学习到五年级,学生会用图画记录观察内容,画图对于学生并不陌生。但是如果用画图与文字结合的形式设计一个科学作品,学生们的经历还是很少的。本课是组织学生开展这方面训练比较好的机会。“设计水钟”是一个思维层次比较高的环节,教师在教学中要把文章做足,尽可能地调动学生的原有认知。引导学生就水钟类型、控制流水速度、刻度三方面开展讨论,在此基础上建构一个水钟的模型。用画图的方式设计水钟时,教师要明确要求学生给“图”写上文字注解。这是了解学生思维发展比较好的方法。
2.制作水钟。
这部分的内容是反映“设计水钟”环节学生思维活动是否全面、细致。在教学准备时,每种用具教师都要具体操作。比如不能用水彩笔或者水笔代替签字笔,如何选择合
适的孔径以控制水滴的速度等等。
3.用水钟来计时。
这是一个组织学生反思的环节。教师不能代替学生进行反思。要组织学生开展充分的研讨,并且让他们自己提出改进措施。如果学生提出改进措施有困难,教师可以引导学生观察教科书中的“自制水钟插图”,请学生比较分析自己设计制作的水钟与书本上制作的水钟有什么区别。组织这样的讨论可以促使学生思考产生误差的原因,帮助他们对自己的水钟提出改进措施
第5课机械摆钟
(一)背景和目标
随着社会的发展,人类对时间精确度的要求也提高了。学生探究过的日晷、水钟、沙漏等一些简易的计时工具,已不适应社会发展的需要。摆钟的发明大大地提高了时钟精确度。在本课的学习中,学生将观察摆钟的摆,发现摆钟的摆每分钟摆动的次数是相同的。
本节课所研究的摆是“单摆”。所谓单摆是指在细线的下面拴一个小球重物,且细线的质量与小球相比可以忽略,球的直径与线长相比也可以忽略的摆。单摆的摆动具有等时性,即在摆长一定、摆角较小的情况下,摆来回摆动一次所需要的时间总是一样的。
对摆的等时性的研究学生会非常感兴趣,在本课的学习与研究中,教师要着重解决学生操作方面的一些问题,让学生的测量尽量地精确一些。这将有利于他们更加深入地开展研究。
科学概念
●同一个单摆每摆动一次所需的时间是相同的。根据单摆的等时性,人们制成了摆钟,使时间的计量误差更小。
过程与方法
●重复观察和测量摆钟每分钟的摆动次数。
●动手制作一个单摆。
●观察和测量在相同时间内摆摆动的次数。
情感态度价值观
●理解重复实验的意义。
●发展对计时工具研究的兴趣。
(二)教学准备
1.教室前放置一个大摆钟,如果条件允许的话每个小组准备一个摆钟。
2.每个小组手表(秒表)一只。
3.每个小组摆锤一个(螺帽)、摆绳一根(棉线)、支架一个。
4.记录表两张。
(三)教科书说明
内容共两页,分两部分。
第一部分:观察摆钟
摆钟为什么会比其他的计时工具都精确呢?这对学生来说是一个比较具有吸引力的问题。带着这样的疑惑去观察摆钟的构造,会达到较好的教学效果。教科书就是这样开始这节课的教学的。教师可以告诉学生,摆钟的计时精确度与摆的长度有直接关系。建立在这个基础上,教科书提出“用秒表测一测,摆钟的摆每分钟摆动几次?”对摆进行测量以后,有可能全班会得出一致的结论,也有可能结论不一致。这时插图中的一个男孩提出:再测一次,这是教科书所期望的。教师要抓住时机,引导学生思考重复测量的重要意义。经过重复测量,学生会发现各种摆钟的摆每分钟都是摆动60次。无论摆幅大(不能大于90度)一些还是摆幅小一些,摆来回摆动一次所用的时间总是相等的,这就是摆的等时性。
第二部分:观察我们的摆
是不是所有的摆每分钟摆动的次数都一样呢?学生的探究欲望开始被激发。教科书指导学生利用一条细绳和一个小重物,制作一个简单的摆。教科书虽然没有指出摆的各个部分的名称,但是在教学中要使用统一的名称,如摆锤和摆绳等。接下来,学生要用测量钟摆的方法,连续测量自己制作的摆10秒钟内摆动的次数。多次测量后,学生们会发现两个现象。一个是,就一个摆来说,在每个10秒钟内,摆动的次数是一样的。另一个是,就不同的摆来说,在10秒钟内摆动的次数可能并不相同。
这就向学生们提出了问题。摆的幅度越来越小了,但是摆动次数还是一样,这是为什么呢?教科书插图中一个小组的学生在对话,一位学生提出要再测量一次,这是再一次提醒学生就这个现象进行重复实验。
(四)教学建议
1.介绍机械摆钟。
像日晷、水钟等一些简易的计时工具,可以让我们知道大概的时间,不能非常精确地记录几分几秒的时间。可是随着社会的发展,人们总希望有更精确的时钟。摆钟的出现大大提高了时间的精确度。教师在这部分应向学生介绍机械摆钟出现对计时工作的影响。
2.观察摆钟的摆。
在研究之前教师组织学生观察摆钟,然后组织讨论:摆钟是怎样来计量时间的?鼓励学生大胆地提出自己的猜测。这对激发学生的研究兴趣与积极性是很有帮助的。可能会有学生提出摆钟的摆一秒钟摆一次。
接着教师引导学生去测量摆钟的摆每分钟摆动的次数。第一次测量后,学生进行相互对照可能会发现结果不一样。这时教师就要引导学生解决操作中的一些问题,如摆怎么算是摆动一次;手表计时是否准确等。在这个过程中不仅要学生仔细观察,还强调了重复实验的重要性。
3.观察我们自己的摆。
这是一个非常有趣的活动,学生亲自做一个摆并且进行测量。课堂中教师要采集多个小组的测量数据。组织学生进行讨论,让他们自己发现更多有价值的信息。学生们通过分析会发现每10秒钟摆摆动次数是相同的。这就让学生理解了摆的等时性。但是每个小组测量的结果又是不一样的。这为下节开展摆的研究提出了研究的问题
第6课摆的研究
(一)背景和目标
在学生测量摆的摆动次数的时候已经发现,摆钟的摆与自制的摆在10秒钟内摆动的次数可能不一样。有的摆摆得快,而有一些则摆得慢。学生的头脑中已经形成了一个问题:在相同时间内怎么不同的摆摆动的次数不一样呢?之前学生们已经观察过摆钟的摆与自己的摆,他们会联想到摆的快慢可能会与摆锤、摆绳的长度、摆幅等因素有关系。
这节课中学生们将就摆的快慢与什么因素有关进行讨论与思考,并且去验证他们自己的一些猜测。在探究的过程中逐步排除一些猜测,修正自己的想法。这一节课,学生们将测量不同重量摆锤的摆在15秒钟内摆动的次数,不同长度摆绳的摆在15秒钟内摆动的次数。他们在对测量数据的分析过程中会发现,影响摆的快慢的因素只是摆绳的长短。
科学概念
●摆的摆动快慢与摆绳的长度有关。同一个摆,摆绳越长摆动越慢,摆绳越短摆动快。
过程与方法
●推测摆的摆动快慢与什么有关。
●进行改变摆的摆锤、摆的摆长对摆的次数是否产生影响的实验研究。
●对实验的结果进行分析,并且根据分析进行预测。
情感态度价值观
●初步意识到精确测量结果的得到是需要反复测量的。
●认识到在实验中细心观察发现新的问题是很重要的。
●对新问题有继续研究的欲望。
(二)教学准备
1.每个小组一根摆绳(棉绳),三个大小相同轻重分别是20克、40克、60克的摆。每个小组准备研究摆锤的记录表一份,研究摆绳的记录表一份。
每个小组准备铁架一个,秒表(或手表)一只。
(三)教科书说明
内容共两页,分两部分。
第一部分:用摆做实验
这是一节通过“测量”这种探究活动,发现科学规律的课。教科书从三个层面开展探究活动,第一层面,对我们发现的问题,怎么想办法去证实;第二层面,运用测量的方法,对我们的发现进行验证;第三层面,对我们所得到的数据进行分析。
教科书一开始就呈现了一幅插图,图中一群学生在讨论关于摆动速度与什么有关系的问题。这是呈现学生们对上一节课产生的问题进行讨论的场面。插图中一个小男孩说:好像跟摆绳的长度有关。这个小男孩提出这个观点,说明他是经过了观察的。因为学生自己制作的摆摆锤的重量相差不多,但是摆绳的长度是有差异的。插图中的一位小女孩
说:可能与摆锤的重量有关系吧。这个小女孩的话是反映大多数学生原有认知的。边上有一位男孩说:与摆的幅度也有关系的,这也代表了一些学生的想法。图中有学生提出了:根据以前的观测,摆幅大小对摆的速度影响不大。这位学生把上一节课观察到的现象与这节课联系了起来,是思维发展比较超前学生的代表。在“机械摆钟”一课中,学生观察了不同摆幅的摆在相同的时间内摆动次数是一样的,所以这位学生就提出了“与摆幅没有多大关系”的观点。教科书插图中一个小女孩说:我们还是做实验观察一下吧。这提示学生所有的科学争论最终都要靠实验来验证。学生思考完这些后,测量摆的实验开始,教师要提醒学生对测量数据进行记录。
如果要来研究“摆锤的重量是否影响摆的次数”这个问题,我们要改变原来我们制作的摆的哪个因素?使学生初步具有在实验中怎样控制无关因素,从而保证所要研究问题结果的精确性的能力。在这个实验中,要控制的因素就是摆长与摆幅不变,使摆锤的重量增加到原来的三倍,同样测量15秒钟,并且记录每次测量的结果。实验结束后,教师要引导学生对测量的数据进行比较分析,让学生说说对这个结果进行分析后,有什么推测。
在进行“改变摆绳长度的”实验中,教师可以适当放手。只要做简单的提示,比如:在上个实验中,我们为了研究摆锤的重量是否影响摆的次数,使摆绳的长度、摆的幅度等其他因素保持不变。现在我们要进行“摆绳长度是否影响摆的次数”的研究,我们应该使哪些因素不变?实验怎么进行?在学生实验结束后,引导学生对实验所测的数据进行分析。比较两次实验,让学生谈谈有什么发现?虽然实验结果在教师的心中是清楚的,但是这是个不完全归纳的实验,可以引导学生对实验结果进行大胆的推测。
这两个实验,教科书期望教师在学生的探究过程中起到一个“扶、引、放”的作用。在实验过程中,教师是参与者和合作者,根据学生的实验情况,不断提出探究性问题,引导学生探索对实验变量的控制,对实验结果做出分析,并能够利用实验的结果进行推测。
第二部分:摆的快慢与什么有关系
教科书设置了几个连续递进的问题,引导学生在“用摆做实验”后,进行思考与讨论。把两张实验记录放在一起,你觉得哪种摆的速度比较快?哪种摆的速度比较慢?摆的快慢与绳长有关吗?与摆锤有关吗?对这些问题你是怎么思考的,这就是教科书想达到的一个结果,学生能根据自己的原有知识对实验结果进行分析与思考,并进行科学的推测。
教科书最后的一幅照片,是摆绳长度相同的两个摆,但摆锤的长短不一样,一个摆锤比较长,另一个摆锤比较短。教科书引导学生推测这两个摆的摆动速度,大多数学生肯定会认为这两个摆摆动速度是一样的,因为他们的摆绳是一样的。但是如果学生们去测量会发现短摆锤的摆摆动的速度快。这样的测量结果与学生刚刚实验的结果产生了矛盾冲突,之前的实验结果表明摆动次数是与摆锤没有关系的,而这个实验表明又有关系。这使学生们百思不得其解。教科书试图通过这样的活动让学生真正理解摆绳的长度不等于摆的长度。
(四)教学建议
1.讨论摆摆动次数与什么因素有关系。
在上一节课中学生们已经发现不同的摆摆动速度不一样,他们对这个问题已经产生了探究的欲望。这个活动学生们就这个问题开展讨论,教师在教学中要给予学生充分的讨论时间。让学生充分调动原有的认知,开展头脑思维风暴。通过讨论与辩论使学生达成共识,摆动速度与摆幅的关系不大。从而排除了学生在下面活动中对摆幅的研究。
2.关于摆锤重量是否影响摆动频率的变量控制实验。
让学生理解探究活动的日的对开展实验是很重要的。在教学中组织学生开展这样的讨论,如果要研究摆锤的轻重与摆动速度的关系,我们要测量和记录哪些数据?通过讨论使学生明白如何控制变量来研究摆锤与摆长。也许五年级的学生他们能够说出,如果要研究摆长与摆动速度的关系,摆锤的轻重、大小要保持不变,而摆绳的长度是要变化的。但是在实际操作中学生们往往会忽视另外的变量,比如说“计时”,学生就很难把握。
教科书上建议学生开展三次实验,分别是摆锤原重摆动次数,摆锤两倍重量摆动次数,摆锤三倍重量摆动次数。教师要注意操作性问题:改变摆锤的轻重,但不能改变摆长。如果为了增加摆锤的重量而改变了摆锤的大小与长短,结果是改变了摆长,造成测量数据的不准确。
3.摆的快慢与什么有关系。
这是一个分析实验数据的环节。展示各组学生实验数据,并组织学生自行分析:摆的快慢与绳长有关吗?与摆锤的重量有关吗?
学生得出摆绳的长短是影响摆快慢的因素后,教师出示一个摆绳一样长,但是摆锤不一样长的摆,请学生推测他们的摆动快慢会怎样?教师可以进行演示测量,使学生理解摆长不等于摆绳的长度,真正的摆长是支架到摆锤重心的距离
第7课做一个摆钟
(一)背景和目标
学生们通过研究已经发现,摆的摆动快慢与摆长有关。摆长越长摆得就越慢,摆长越短摆得就越快。但是教科书又为学生们的研究设置了新问题,如果在30厘米长的木条(或塑料棒)上固定一块金属圆片,该怎样控制这个摆的摆动快慢呢?
在本节课中,学生们将用调节摆长的方法来调节摆的快慢。经过这节课的研究学生将能够更好地理解钟摆,并学会控制钟摆的快慢。根据前面的学习基础,学生们也将制作一个每分钟摆动30次的摆,也就是摆钟的摆。
科学概念
●摆的摆动快慢与摆长有关。
●同一个摆,摆长越长,摆动越慢,摆长越短,摆动越快。
过程与方法
●在真实的情境中研究摆长如何影响摆动次数。
●对钟摆不断地调整直至每分钟正好摆动30次。
●运用测量与比较的方法来研究钟摆的摆动快慢。
情感态度价值观
●认识到细心观察与准确测量的重要性。
●对新问题的研究保持积极的探究欲望。
(二)教学准备
每个小组一根宽1厘米、长30厘米的木条。
每个小组一只计时器(秒表或者手表)。
每个小组提供一个摆锤(可以固定在木条上,并且能够灵活地移动)。
(三)教材说明
内容共两页,分成两部分。
第一部分:摆长怎样影响摆动次数
教科书上出示了两个特殊的摆,它们的摆锤分别是粗细相同的木条,长度分别是20厘米与30厘米。这两个摆展现在学生面前,学生会难以区分哪部分是摆长哪部分是摆锤。这两个摆如果摆动起来,在同样的时间里哪个摆摆动的次数多,哪个摆摆动的次数少呢?在预测这两个摆的时候,将会进行较深入的思考。通过测量发现木条长度为30厘米的摆,摆动的速度要比长度为20厘米的摆摆得慢。这应在学生的预测之中。
如果在30厘米长的木条上固定一块金属圆片,这个摆的摆动速度有变化吗?把金属圆片固定在木条上,使木条的重心发生了变化,摆长就发生了变化,从而使摆的摆动速度也会发生变化。如果原来木条的重心到固定点的距离大于固定了金属圆片后的重心到固定点的距离,原来木条摆动的速度将要比改变后的摆摆动速度慢。如果原来木条的重心到固定点的距离小于固定了金属圆片后的重心到固定点的距离,原来木条摆动的速度将要比改变后的摆摆动速度快。
金属圆片固定在各个位置摆的摆动速度是怎样发生变化的?教科书引导学生去测量三个数值,分别是把金属圆片中心固定在10厘米、20厘米、30厘米处的摆动周期。学生通过测量会发现金属圆片固定的位置离支点越近摆的速度就越快。
第二部分:做个“钟摆”
通过前面的活动学生已经能够通过调节摆长来调节摆的速度了。这个活动中要让学生制作一个每分钟能够摆动30次的摆。在制作前学生要进行思考,每分钟摆动30次的摆估计金属圆片应该调整在哪个位置。这个活动与前面测量金属圆片放置在10厘米、20厘米、30厘米处的摆动周期的活动联系起来。对这三组数据进行比较,引导学生确定一个预测的数值,经过调试,制作成每分钟摆30次的摆。
(四)教学建议
1.关于教学准备的建议。
提供给学生的木条一定要直,粗细大小也要一样。教科书使用的固定金属片可以用易拉罐的底来做,要做到能够自由移动。使学生能够比较容易控制摆长。
2.比较两根木条摆动的速度。
这是一个很有意思的活动。让学生观察两个比较特殊的摆,做出推测,并把预测的理由与大家分享。这会使学生们把自己的思维活动展现在同伴面前。对测量的结果进行解释与讨论,可能使学生们对如何确定摆长的思路逐步地清晰。
3.测量木条上固定了金属圆片的摆。
这个活动分为两个层次,一个层次是比较固定了金属圆片与没有固定金属圆片的摆有什么差异。另一个层次是测量金属圆片固定在不同位置对摆快慢的影响。可先引导学生思考和讨论,再组织学生根据讨论结果进行准确的测量。重点在测量后对数据的分析上,使学生进一步理解摆长对摆动速度的影响,能根据需要确定一个摆的摆长。
4.做一个“钟摆”。
这个活动的关键是要让学生不经测量就去预测每分钟摆动30次的摆摆长是多少。引导学生只结合他们的测量结果进行预测。让学生在实际操作中不断地修正自己的认识,制作出每分钟摆动30次的摆
第8课 制作一个一分钟计时器
(一)背景和目标
由于摆具有等时性,长期以来人们用它来制作钟表。但是要使摆钟能精确计时,还
必须利用机械技术。
组织学生观察摆钟的内部构造,了解摆钟是怎样利用齿轮操纵器完成计时工作的。通过观察,学生要自己亲手制作一个摆钟。并对自己制作的摆钟进行测量。他们将通过这一过程充分认识到技术在人类社会发展中的作用。
科学概念
●机械摆钟是摆锤与齿轮操纵器联合工作的。
过程与方法
●观察摆钟内部的构造。
●制作一个计时一分钟的简易摆钟。
情感态度价值观
●体验研究计时工具带来的乐趣。
●认识到科学必须与技术结合才能更好地造福人类。
(二)教学准备
1.每个小组一个带齿轮操纵器摆钟。
2.每个小组一张硬纸板,一根木条(或者塑料条),一个摆锤。
3.每个小组一个秒表(或者手表),一把剪刀,一个钩码,一根棉线、一个胶带纸。
(三)教科书说明
内容共3页,分成两部分。
第一部分:观察摆钟齿轮操纵器
在这部分主要是引导学生观察摆钟的内部构造,通过观察摆钟的内部构造让学生理解摆钟是怎么利用摆来计时的。摆钟的几个部件主要是:齿轮操纵器、摆锤、垂体、齿轮。摆钟的整个计时过程是这样的,垂体利用本身受到的向下的重力来转动齿轮,齿轮转动时,摆锤同时摆动,使得齿轮操纵器的倒钩松开,这样齿轮就转动一个齿,从而就带动指针转动一秒钟。
教科书上呈现了齿轮操纵器工作的整个过程。第一幅图,是摆钟开始工作。第二幅图,是钟摆摆动到左边时,长针部分的操纵器倒钩会松开,垂体的拉力会让齿轮往前转动一齿。第三幅图,当钟摆往右摆动时,右边的齿轮又会前进一齿。教科书上呈现完整的工作过程,是要让学生们观察清楚,并理解摆钟的计时原理。
第二部分:制作一个一分钟计时器
学生们在第七课已经会制作一个一分钟摆30次的摆。在这里学生们理解摆钟一分钟60秒,但是摆锤却一分钟只需摆30次的道理。学生在这个活动中要亲手制作一个摆钟,并且对自己的摆钟进行检测。
(四)教学建议
1.观察摆钟齿轮操纵器。
教师提供给每个小组一个摆钟内部构造模型,组织学生观察摆钟的内部构造,让学生讨论摆钟是怎么利用摆锤摆动来计时的,让学生自己去发现、理解摆钟的计时原理,要让学生对自己观察与讨论的结果进行描述,说明摆钟是怎样利用摆锤的摆动来计时的。
教师要提示学生观察摆钟内部的几个主要部件:摆锤、垂体、齿轮操纵器、齿轮,并引导学生观察这些部件在摆钟工作时是怎么运动的。要求学生们用语言进行描述。
2.制作一个一分钟计时器。
引导学生思考:摆锤只需摆30次,摆钟就是一分钟(60秒)。这是为什么?请学生就这个问题开展交流,使学生进一步理解摆钟的计时原理。在充分讨论后组织学生制作一分钟计时器,要注意留给学生充分的时间。
学生制作过程的顺利与否,关键在于教师提供给他们的材料。给学生准备的纸板硬度要强,不能用瓦楞纸。齿轮不能太大,因为硬纸板不能支撑太重的物体。在制作过程中,齿轮的齿数是学生比较容易忽视的,齿轮的齿数太密或太疏,都会影响计时的准确性。
四、评价建议
评价是在教学中一直进行的,并且被整合进教学过程之中,成为教学不可分割的一个组成部分。在指导学生学习的同时也在评价他们,在教学中既要评价学生的学习成果又要评价学生的学习过程。对本单元比较有效的几种评价策略是:
学习作品分析。学习作品蕴涵了学生写的也囊括了学生所做的,是记录学生朝着单元概念目标发展的实物一包括记录单与学生活动作品。记录单是指学生的记录表格、绘画、绘图;学生活动作品是指学生的科学制作、科学调查报告等。在本单元的学习中,学生们第一次比较深人地用绘图的方法设计方案。第4课“我的水钟”中学生们利用绘图的方式记录,教师要仔细分析学生这些绘图方案,并且在课堂上与学生们分享这些代表了他们思维水平的记录。
这个单元中教科书设计了大量的表格帮助学生观察记录。这些记录表记录学生对摆的研究逐步的深人,教师要及时保存这些记录表,以便对学生整个单元课程的学习进行记录。当学生在回顾先前学习的内容时,记录表格也可以反映出他们的学习。
科学制作,在本单元也多次出现。如第4课学生要设计制作一个水钟,并且检验水钟计时的准确性。在第8课中学生要制作一个计时一分钟的机械摆钟。学生对这些作品的制作,都为教师提供了很好的评价时机。“水钟”的制作是学生观察古代水钟,研究滴漏现象的成果反映。而“机械摆钟”的制作是学生对摆研究成果的综合反映。教师可以通过分析这些科学制作来评价学生对本单元的学习情况,了解学生们科学思维的进展
五、参考资料
人类计时仪器的发展史
人类的日常生活、科研、导航及测绘等等工作都离不开时间。时间的计量涉及两个量:历元和时间间隔。任何具有周期性变化的自然现象都可以用来测量时间。人类从以
地球自转为基准来计量时间发展到机械钟、石英钟乃至原子钟,经历了约3500年的发展变化进程。
在公元前1500年,出现的日晷是人类最古老的计时工具。埃及人首先开始使用这项技术,然后在整个地中海地区普及开来。日晷是以太阳投向刻度盘的阴影为基础的,通常由铜制的指针(晷针)和石制的圆盘(晷面)组成。当太阳光照在日晷上时,晷针的影子就会投向晷面,太阳由东向西移动时,投向晷面的晷针影子也会慢慢地由西向东移动。于是,移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针,晷面则是钟表的表面,以此来显示时刻。
在前1400年,出现的漏壶(沙漏或者滴漏)是第一个摆脱天文现象的计时仪器。它是根据流沙从一个容器滴漏到另一个容器的数量来计量时间的。古代人设计的“五轮沙漏”通过流沙从漏斗形的沙池流到初轮边上的沙斗里,以此来驱动初轮,从而带动各级机械齿轮的依次旋转。最后一级齿轮带动在水平面上旋转的中轮,中轮的轴心上有一根指针,指针则在一个有刻线的仪器圆盘上转动,以此来显示时刻,这种古老的显示方法几乎与现代时钟的表面结构完全相同。
在1088年,中国宋朝的机械师苏颂发明的“水运仪象台”(水钟)被认为是第一架真正的机械钟。它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器,它实际上就是一座小型的天文台。这台仪器的制造水平堪称一绝,充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。
1400年,第一批机械钟开始在欧洲流行,其始祖由意大利人乔瓦尼·唐迪于1364年制成,他首次在机械钟里引人了轮式钟摆。
1511年,荷兰人彼得·亨莱茵制成了第一块怀表,但它只有时针而没有分针和秒针。
怀表和钟的结构其实是完全一样的,所不同的是它利用螺旋弹簧制成的发条驱动,从而
摆脱了传统的钟摆,它靠小巧的“体形”,轻松进入人们的口袋。
1656年,有摆的挂钟(或座钟)产生于荷兰天文学家、物理学家克里斯蒂安·惠更斯的实验室内。它是以伽利略发现的摆的摆动具有规则性这个原理为基础而发明的。自此以后人类掌握了比较精确的测量时间的方法。
1969年,由瑞士人创意、日本精工企业制作的第一块石英手表——SeikoAstron诞生,其价格在当时相当于一部汽车。石英手表的发明是基于科学家们发现处于电路之中的石英晶体能产生频率稳定的振动以及可以通过特殊的切割方式来控制石英晶体振动的频率。
日晷
日晷又称“日规”,是我国古代利用日影测量时刻的一种计时仪器。通常由铜制的指针(晷针)和石制的圆盘(晷面)组成,在圭面的正反两面刻画出12个大格,每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时,晷针的影子就会投向晷面。太阳由东向西移动时,投向晷面的晷针影子也会慢慢地由西向东移动。移动着的晷针影子就好像是现代钟表的指针,晷面也就好比是钟表的表面,以此来显示时刻。
日晷依晷面所放位置的不同,可分成地平日晷(晷面水平放置而暑针指向北极,其晷面和晷针夹角就是当地的地理纬度)、赤道日晷(晷针平行地球自转轴而晷面呈现北低南高状摆放,其晷面和晷针垂直)等。
水钟
水钟在我国古代又叫做“刻漏”,是根据滴水的等时性原理来计时的。滴水计时有两种方法,一种是利用特殊容器记录水漏完的时间(泄水型),另一种是底部不开口的容器,记录它用多少时间把水接满(受水型)。我国的水钟,最先是泄水型的,后来发展成泄水型与受水型同时并用。
右图中的刻漏,主要由几个铜水壶组成,所以又叫“漏壶”。除了最底下的那个,每个壶的底部都有一个小眼。水从最高的壶里,经过下面的各个壶滴到最低的壶里,滴得又细又均匀。最低的壶里有一个铜人,手里捧着一支能够浮动的木箭,壶里水多了,木箭浮起来,根据它上面的刻度,就可以知道时间了。
摆钟
以摆作为振动系统的钟。通常都带有报时功能,所以又称自鸣钟。
1582~1583年,意大利物理学家和天文学家伽利略发现了摆的等时性。1656~1657年,荷兰物理学家和天文学家惠更斯利用摆的等时性原理发明了摆钟。后经不断改进,沿用至今。摆钟可根据用途和要求制成座钟、挂钟、落地钟、天文钟等形式。摆钟的报时方式通常为机械打点报时,也有用电子扩音报时的。近代帝王宫廷中使用的摆钟,常附有一套机械传动机构,以精工制作的人物、山水、飞禽、走兽等活动形象进行报时。摆钟是机械钟,现在,有的石英电子钟虽然也装有摆锤或扭摆,但只起装饰作用。
摆钟的机芯结构通常包括走时和报时两大系统。走时系统包括走时原动系、传动系、
擒纵调速系、上条拨针系和指针系5个部分,其中擒纵调速系由擒纵机构和摆锤振动系统组成,合称擒纵调速器;报时系统由报时原动机构、传动机构、控制机构、打点机构和调速器5个部分组成。
摆钟是利用摆锤的周期性振动(摆动)过程来计量时间的。一般来说,摆的重要是确定的,调节摆的摆长,使摆长减短,时钟变快,反之则变慢。对精密摆钟,也有用附加重物法来微调摆的振动周期。摆钟放置在不同的地理位置(不同的地球纬度和海拔高度)中,摆锤的重力加速度会发生变化从而影响其振动周期。摆钟放置在不同温度和气压的环境中,也会引起振动周期的变化。温度变化会引起摆的各部分尺寸包括摆的摆长发生变化。一般是温度升高,摆胀长而使钟变慢;反之则摆缩短而钟变快。因此,精密摆钟常用不同的线胀系数的材料制成温度补偿管,以补偿温度影响。气压的变化会引起空气阻力和空气密度的变化,从而引起振动周期的变化。因此,精密的摆钟常将摆安装在恒压的壳体中,以消除气压影响。
摆的振动幅度影响到钟的等时性。振幅愈小,振幅变化所造成的日差变化愈小,即等时性愈好,因而精密摆钟常采用长摆杆小摆幅。但是,小摆幅对外界来的震动和撞击很敏感,因而对安装环境要求很高。摆钟的走时日差一般可以达到20秒/天以内,精密摆钟达千分之几秒。
时间基准
所谓时间基准,就是在当代被人们确认为是最精确的时间尺度,长期以来,人们一直在寻求着这样的时间尺度。
在远古时期,人类以太阳的东升西落作为时间尺度;公元前2世纪,人们发明了地平晷,一天差15分钟;一千多年前的希腊和我国的北宋时期,能工巧匠们曾设计出水钟,精确到每日10分钟误差;六百多年前,机械钟问世,并将昼夜分为24小时;到了17世纪,单摆用于机械钟,使计时精度提高近一百倍;到了20世纪的30年代,石英晶体振荡器出现,对于精密的石英钟,三百年只差一秒……
自17世纪以来,天文学家们以地球自转和世界时作为时间尺度:当地球绕轴自转一周,地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。1820年法国科学院正式提出:一个平太阳日的1/86400为一个平太阳秒,称为世界时秒长。
由于地球自转季节性变化、不规则变化和长期减慢,所以世界时每天可精确到1×10-9。但是社会的进步和科学技术(特别是航天、空间物理、军事等)的飞速发展,使人们对时间尺度的精度需求越来越高。
1953年是时频科学的一个新的里程碑。世界上第一台原子钟在美国哥伦比亚大学由三位科学家研制成功,其中一位科学家是中国人,叫王天眷(后来回国,多年从事祖国的频标事业)。原子钟的出现标志着一门崭新的学科:量子电子学诞生。1963年第13届国际计量大会决定:铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。此定义一直沿用至今。所以,从1963年后,时间基准的名称应该由RIMAPYCLOCK来代替,它指的是实验室型大艳钟。就已发表的资料来看,德联邦的“联邦技术物理研究院”的PTB-CsI、美国国家标准局的NBS-6及加拿大国家研究院的NRC-CsV的准确度均已达到10-14量级。我国计量院的CsⅡ、CsⅢ也达到10-13量级。由此可见PRIMAPYCLOCK的准确度至少要比商品型小铯钟高出一个数量级。
对于大铯钟这样的一级时间标准,世界上只有少数几个国家的时频实验室拥有,而且,有的还不能长期可靠地工作。但是,对于世界上大多数没有大铯钟的实验室也可以
有自己的时间尺度。其方法是:用多台商品型铯钟(目前5071A型小铯钟的准确度为1×10-12)构成平均时间尺度。实验室的小铯钟越多,时间尺度的稳定性就越好。有了这样高稳定度的时间尺度,也可以满足国防、科研、航天等方面的急需。例如:我们国家授
时中心有六台小铯钟,组成我们的地方原子时尺度,其稳定度为10-14量级。国外有的实验室有几十乃至几百台小铯钟,那么,稳定度就更高了。
社会在进步,科技在发展,人类对新的时间基准的研究仍在继续,大铯钟作为PRIMAPYCLOCK的地位受到严重冲击。例如:原子喷泉、光频标就是它的强力对手。喷泉钟的准确度进入10-15,最好的达到1×10-15(美国标准与技术研究院)。光抽运铯束基准频标的准确度也进入10-15(法国巴黎时间频率实验室)。
因此,不久的将来,喷泉钟或光频标完全有可能取代目前的微波频标,成为新一代的时间频率基准。
苏颂
苏颂,字子容,生于宋真宗天禧四年(1020年),泉州南宁(今福建省泉州一带)人,后来迁居润州丹阳(今江苏省镇江一带)。
苏颂23岁考中了进士,开始进人仕途。起初,他做过宿州(今安徽宿县)观察推官、江宁知县、南京留守推官等副职。由于他办事谨慎周密,很受当时任南京留守的欧阳修的赏识。
宋仁宗皇佑五年(1053年),苏颂34岁的时候,调到京城开封,担任馆阁校勘、集贤校理等官职,负责编定书籍,前后共有九年多时间。苏颂充分利用这一难得机会,发奋读书,不仅博览了秘阁中各种藏书,而且还每天背诵二千言,回家后默写下来,作为自己的藏书,多年如一日,从不间断。通过长期刻苦努力,使他积累了非常渊博的知识,对于历代的典章制度尤其熟悉。
到哲宗元佑年间(1086~1094年),苏颂被耀升做刑部尚书、尚书左亚,后来又做了宰相。元佑八年(1093年)辞去官职,专门从事《新仪象法要》一书的撰写工作,绍圣三年(1096年)完成全书。绍圣四年(1097年),苏颂封官太子少师。宋徽宗建中靖国元年(1101年),苏颂就去世了。
苏颂在他的一生中,致力于科学研究工作,在药物学和天文学、机械制造学方面取得了杰出的成就。
苏颂对药物学的贡献和当时的历史条件有关。宋朝对药物学比较重视。仁宗嘉佑年间,苏颂奉命负责整理校定以前的药书。于是他组织和领导了一批医官和文臣,于嘉佑
二年(1057年)首先完成了《开宝本草》(《开宝本草》是宋太祖开宝六年(973年)编成的在当时是相当完整的药书)的增补工作,共收药物1082种,称为《嘉佑补注本草》。稍后,苏颂又编著了我国古代有名的《图经本草》二十一卷。《图经本草》是根据当时郡
县所产药材的实物绘图和具体说明汇编起来的,书中有文有图,具有比较大的科学价值
和实用价值。后来《图经本草》虽然失传了,但是它的主要内容仍保存在后人的各种本
草著作中。例如李时珍在他闻名中外的《本草纲日》里也引用了《图经本草》的不少内容。
除了在本草学方面,苏颂的重要功绩是继承和发扬了汉唐以来天文学上的成果。在他的倡议和领导下,于宋元佑三年(1088年)创制了一座杰出的天文计时仪器——水运仪象台,设在当时的京城开封。水运仪象台的制成,体现了我国古代机械工程技术的卓越成就,堪称中古时代中国时钟的登峰造极之作。
苏颂在领导建造水运仪象台的过程中,不仅表现出是一个学识渊博的科学家,同时又是一个卓越的科学活动的组织者。苏颂首先推荐起用了有真才实学的吏部令史韩公廉,又组织当时太史局的一些年轻的生员、学生共同合作。苏颂等人在设计制造新仪器过程中,认真吸收各家之长,加以创新。
水运仪象台是一座底是正方形、下宽上窄略有收分的木结构建筑,高大约12米,底宽大约7米,共分三大层。顶部有一架体积庞大的球形天文仪器,即浑仪。浑仪为铜制,靠水力驱动,用于观测星相。钟楼内放置天球仪,即浑象,其运转与上面的浑仪同步,故可随时对两者进行比较。钟楼前面是一座木阁,分5层各开一门,无论白天黑夜,每隔一段时间,便有木人出现。木人击鼓、摇铃、打钟、敲打乐器、出示时辰牌。所有木人都由巨大的报时装置操纵。这架装置则由巨大的枢轮提供动力,枢轮上有木辐挟持水斗,水从漏壶中滴人水斗,使整个仪器每个时辰前进一个水斗。
水运仪象台是11世纪末我国杰出的天文仪器,也是世界上最古老的天文钟,国际上对它给予了高度的评价。它的主要贡献是:第一,为了观测上的方便,它的屋顶做成活动的,这是今天天文台圆顶的祖先;第二,浑象一昼夜自转一圈,不仅形象地演示了天象的变化,也是现代天文台的跟踪机械一转仪钟的祖先;第三,苏颂和韩公廉创造的擒纵器,是后世钟表的关键部件,因此,它又是钟表的祖先。
苏颂的大时钟从1090年起一直运转到1126年;随后被金朝拆开,运至北京,在那里又运转了几年。苏颂的“水运仪象台”是中古时代中国时钟制造的登峰造极之作;遗憾的是,在后来的100年里,由于战争的原因,这些技术没有能够最终保留下来。
除了创制了水运仪象台,苏颂还编写了《新仪象法要》一书。全书分三卷,分别详细介绍了浑仪、浑象和水运仪象台的设计和制作情况。尤其重要的是,这部书还附有这三种天文仪器的全图、分图、详图60多幅,图中绘有机械零件150多种。这是一套我国现存最早的十分珍贵的机械设计图纸。
苏颂在从事科学研究工作的过程中,能够注意发挥集体的力量和智慧,敢于提拔人才,这在八百多年前的封建时代,是非常难能可贵的。同时,苏颂虽然身为封建士大夫,晚年又位居高官,但是他热爱自然科学,把自己的主要精力投人到科学活动中去,并且以多方面的优异成绩丰富了祖国的科学文化宝库。这也是难能可贵的。