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揭秘"时间魔盒"原子钟:三千万年误差小于一秒
朱玺(中国航天科工二院203所设计师) ①时间是什么?或许有人会低头看看手表,说出当下的时刻.是的,时钟会告诉我们时间,它是我们生活不可或缺的一部分.在确定时间起点之后,用世纪、年、月、日、时、分、秒来记录时刻值,就好像一把尺子.
②当人类意识到时间的流逝,便开始利用周期性现象对时间进行追踪.远古时期,人类通过草木枯荣判定季节,通过观察太阳、月亮在天空中的运动来判断时间,日出而作,日落而息.后来,人们探索出了通过滴水来计时的水钟,流沙计时的沙漏等.二战后,美国国家物理实验室研制出了世界上第一台原子钟,但这个钟需要一个房间的设备,复杂度过高,实用性不强,但代表了人类一个历史性的跨越.1967年,秒长的定义溯源到了原子上.此后,各种原子钟相继问世,成了目前世界上最准确的计时工具,实用性也越来越强,能够满足多种场景的应用需求.
③其实原子钟离人们的日常生活很近.例如,原子钟在卫星导航系统中发挥着"心脏"般的作用.卫星导航使人们的日常生活变得非常便捷,当我们拿出手机打开导航软件,能够看到自己的地理位置,输入目的地,导航软件能够规划路线,且实时告诉我们需要向左转还是向右转.这是如何做到的呢?
④我们先来看一下卫星导航与定位的原理.在三维空间中,建立坐标系,当已知3个点的坐标以及第四个未知点分别与已知点之间的距离,那么未知点的坐标就可以被确定.同理,当我们在地球上仰望天空,至少能够同时看到3颗卫星,卫星飞行在自己的轨道上,它的运行轨迹被编入星历,同时接收3颗卫星发来的星历,经过解算,可以知道卫星的位置.此外,还需要知道我们与卫星之间的距离,物理学知识告诉我们,距离等于速度乘以时间,光传播速度是每秒30万公里,所以只需要知道信号传播时间就可以了.此时,我们发现,导航定位的关键便是时间的测量.
⑤这就需要原子钟隆重登场了,每颗卫星及地面站都配备了一组原子钟,时间信号随星历一同发送,在解算卫星位置的过程中,也能够同时得到时间信息以及距离.这样,我们的位置便可以被计算出来.
⑥日常生活中的手机等电子产品,通常内置了导航模块,能够实时接收卫星发射的信号并依据一定的算法进行解算.于是,便有了我们对自身位置的实时掌控.如果原子钟提供的时间误差在1微秒,那么定位误差将高达300米.如果要达到米量级的导航,在不考虑其他误差因素的情况下,原子钟提供的时间误差需保持在3纳秒.也就是说,时间的精密测量决定了导航定位的精度,如果没有原子钟,就无法实现准确导航了.
⑦原子钟究竟有多准呢?让我们来跟常见的机械手表、石英钟对比一下.当我们戴着机械手表开车,绕着北京四环跑1圈,大概1个小时吧,机械手表就偏差了1秒;对于石英钟来说,偏差1秒差不多需要270年,也就是说,假如我们带着一块石英钟回到清朝,在乾隆下江南偶遇夏雨荷时送给她,那么,到2022年的今天,这块表只偏差了1秒;原子钟偏差1秒需要多久呢,3000万年!假如我们送给地球上最后一只霸王龙一台原子钟,那么到今天,这台原子钟只偏差了2秒.
⑧放眼元素周期表上100多种元素,适合研制原子钟的只有10余种,而这些原子,又有着不同的脾气与秉性,需要被小心翼翼地区别对待.因此,抓住原子之后呢,科学家还要保证它们不被外界磁场、电场、温度变化等打扰.一台原子钟的复杂程度也许会超出人们的想象,可能会用到数十颗螺丝钉,数百个电子元器件,经过上千次测试验证,凝结着无数科研工作者的心血.
⑨浩瀚宇宙中藏着未知的秘密,我们渴望知道黑洞里面是什么样子,我们渴望看到引力波的痕迹,我们也渴望与地球外的生物对话,这些对未知的向往,使人类从未停止对时间频率测量精度的追求,原子钟精度的纪录还在被不断刷新.一台台服务生活的原子钟,是航天事业工作者不懈努力的结果,是继续前进的动力,更是航天精神的映照.
(来源:《中国青年报》)(1)阅读科技类文章,可以运用"界定概念""抓关键句""关注说明方法"等方法.请结合材料,根据下面的阅读方法提示,完成下列题目.
界定概念有助于抓住说明对象的本质特征,从而准确地理解陌生的科技术语.请根据材料,提取并整合要点,给"原子钟"下个定义.
原子钟:______.
(2)细读文章内容,梳理文章的说明结构,完成下列思维导图.
疑问引出说明对象→①______→原子钟在生活中的运用→②______→③______→④______→探秘未知,奉献精神.
(3)阅读本文,文章的语言兼具准确性和生动性结合链接材料内容就其中一方面具体分析.
【资料链接】放眼元素周期表上100多种元素,适合研制原子钟的只有10余种,而这些原子,又有着不同的脾气与秉性,需要被小心翼翼地区别对待.
(4)第⑦自然段划线句子运用了哪些说明方法?作用是什么?
(5)小李在热爱科学的同学们面前作一次演讲,联系文章内容和【链接材料】,提炼几点科学家精神,以加深大家对科研工作的认识,请你协助小李完成此任务.
【链接材料】目前发射的北斗导航卫星星载原子钟已经全部实现国产化.在轨测试结果表明,进口钟和国产钟的指标相当.但从世界范围来看,星载原子钟的指标一直在改善,所以我国星载原子钟的不断精进也是一项长期的任务.
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八年级语文填空题一般
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