[拼音]：zhongbiao jishushi

[外文]：history of watch and clock technology

鐘表是一種計(jì)時(shí)儀器。鐘表技術(shù)史就是不斷改進(jìn)計(jì)時(shí)方法和提高計(jì)時(shí)精度的歷史。它大致可分為：利用天文景象和流動(dòng)物質(zhì)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)、全部采用機(jī)械件的非周期控制計(jì)時(shí)、周期控制計(jì)時(shí)3個(gè)主要時(shí)期。

利用天文景象和流動(dòng)物質(zhì)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)時(shí)期（約

公元前5000～公元1300）

遠(yuǎn)古時(shí)期，人類就以太陽(yáng)、月亮等周而復(fù)始的等速運(yùn)動(dòng)來計(jì)量時(shí)間，過著“日出而作，日入而息”的生活。隨著農(nóng)、牧業(yè)的發(fā)展，為了較準(zhǔn)確地計(jì)量時(shí)間以安排生產(chǎn)活動(dòng)，人們遂開始創(chuàng)造計(jì)時(shí)儀器。最早的計(jì)時(shí)儀器是利用天文景象來計(jì)時(shí)的。以后，又出現(xiàn)了各種利用流動(dòng)物質(zhì)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)來計(jì)時(shí)的儀器。

利用天文景象計(jì)時(shí)階段

人類最早使用的計(jì)時(shí)儀器是利用太陽(yáng)的射影長(zhǎng)短和方向來判斷時(shí)間的。前者稱為圭表，用來測(cè)量日中時(shí)間、定四季和辨方位；后者稱為日晷，用來測(cè)量時(shí)間。二者統(tǒng)稱為太陽(yáng)鐘。

約在公元前2000年，巴比倫出現(xiàn)了太陽(yáng)鐘。公元前1300～前1027年，中國(guó)殷商時(shí)期的甲骨文上，已有使用圭表的記載?！对?shī)經(jīng)?國(guó)風(fēng)?定之方中》篇有，“定之方中，作于楚宮。揆之以日，作于楚室……”。確切記載使用圭表的時(shí)間為公元前659年。

公元前1300年，日晷在埃及和美索不達(dá)米亞地區(qū)出現(xiàn)。

利用流動(dòng)物質(zhì)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)階段　圭表等太陽(yáng)鐘在陰天或夜間就失去效用。為此人們又發(fā)明了漏壺和沙漏、油燈鐘和蠟燭鐘等計(jì)時(shí)儀器。

漏壺又稱水鐘。最早的水鐘是一個(gè)簡(jiǎn)單的容器，其底部有一小孔，水從小孔流出，人們按其流量計(jì)時(shí)。印度、埃及、中國(guó)和希臘先后制造過各種水鐘。埃及最早的水鐘約造于公元前1400年。水鐘外壁用象形文字刻著埃及的12個(gè)月、尼羅河泛濫的時(shí)期、播種收獲的時(shí)期等；內(nèi)壁刻有與12個(gè)月對(duì)應(yīng)的不同長(zhǎng)度的12時(shí)辰的刻度。中國(guó)的《周禮?夏官司馬》篇中載有“摯壺氏”，“掌挈壺以令軍井，……。及冬，則以火爨鼎水，而沸之，而沃之”。這說明至遲在春秋時(shí)期，周王朝已設(shè)有專職管理漏壺的官員，且已注意到外界溫度對(duì)漏壺計(jì)時(shí)的影響。中國(guó)現(xiàn)存最早的一件漏壺出自西漢中期。漏壺呈圓筒形，三蹄足，近底部伸出一細(xì)管。壺蓋和提梁均開有長(zhǎng)方形孔，便于布置刻箭?？碳⒂诟?biāo)上，能隨漏壺內(nèi)盛水的增減而升降，從而指示時(shí)間。

公元1世紀(jì)左右有了沙漏，又稱沙鐘。它是利用沙從一個(gè)容器內(nèi)通過一個(gè)小孔漏到另一個(gè)容器來計(jì)算時(shí)間的。一般用來測(cè)量時(shí)段，如一刻鐘、半小時(shí)等。

幾乎與沙鐘同時(shí)出現(xiàn)了油燈鐘和蠟燭鐘。油燈鐘是把時(shí)間刻度標(biāo)在盛油的玻璃器皿側(cè)面，油的水平線因燃燒消耗而下降，據(jù)此可看出時(shí)間的流逝。蠟燭鐘是將時(shí)間刻度標(biāo)在蠟燭的側(cè)面。蠟燭燃燒后逐漸縮短，據(jù)此可指示出時(shí)間。油燈鐘和蠟燭鐘統(tǒng)稱為火鐘。

上述這些鐘的計(jì)時(shí)精度雖然很低，但能適應(yīng)當(dāng)時(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，滿足人們生活的要求。

單純利用水的流動(dòng)來計(jì)時(shí)有著許多不便。于是，人們逐漸發(fā)明了利用水作為動(dòng)力，以驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)來計(jì)時(shí)。公元117年，中國(guó)東漢的張衡制造出大型天文計(jì)時(shí)儀器─漏水轉(zhuǎn)渾天儀。它用漏水驅(qū)動(dòng)渾象進(jìn)行天文測(cè)量，并通過齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)顯示日歷，初步具備了機(jī)械性計(jì)時(shí)器的作用。725年左右，中國(guó)唐代的一行和梁令瓚制成水運(yùn)渾象。它以水力帶動(dòng)渾象運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行天文測(cè)量，并通過齒輪系和日、月、二輪環(huán)分別顯示日、月，通過兩個(gè)木偶分別擊鼓報(bào)刻、撞鐘報(bào)晨。水運(yùn)渾象的自動(dòng)報(bào)時(shí)，開創(chuàng)了中國(guó)獨(dú)特的天文鐘傳統(tǒng)。1086～1092年，中國(guó)北宋的蘇頌和韓公廉在京城開封制成一座水運(yùn)儀象臺(tái)。這座大型天文儀器，集渾儀、渾象和報(bào)時(shí)裝置于一身，是一座上窄下寬、底為正方形的高臺(tái)木結(jié)構(gòu)建筑。全臺(tái)分三隔：上安渾儀，中設(shè)渾象，下置報(bào)時(shí)裝置和動(dòng)力機(jī)械。通過水力驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，可以帶動(dòng)木人按時(shí)持不同時(shí)辰牌出現(xiàn)于樓口，并采用搖鈴、敲鐘、擊鼓方式自動(dòng)報(bào)時(shí);夜間則用擊鉦報(bào)更。水運(yùn)儀象臺(tái)在計(jì)時(shí)儀器歷史上的主要貢獻(xiàn)是:采用由天關(guān)、天鎖、關(guān)舌等組成的天衡機(jī)構(gòu)，控制樞輪作等速運(yùn)動(dòng)，接近于現(xiàn)代鐘表的擒縱機(jī)構(gòu)（見機(jī)械鐘表機(jī)構(gòu)）。水運(yùn)儀象臺(tái)也是世界上最古老的天文鐘。

1276年，中國(guó)元代的郭守敬制成大明燈漏。它是利用水力驅(qū)動(dòng)，通過齒輪系及相當(dāng)復(fù)雜的凸輪機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)木偶進(jìn)行“一刻鳴鐘、二刻鼓、三鉦、四鐃”的自動(dòng)報(bào)時(shí)。

全部采用機(jī)械件的非周期控制計(jì)時(shí)時(shí)期 (1300～

1675)

這一時(shí)期，人們擺脫了以水為動(dòng)力，而采用了重錘和發(fā)條作為驅(qū)動(dòng)力，先后發(fā)明了全部由機(jī)械零件組成的塔鐘和時(shí)鐘等機(jī)械計(jì)時(shí)儀器。計(jì)時(shí)方法發(fā)展到非周期控制計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)精度明顯提高。

14世紀(jì)初，意大利的一些教堂開始使用塔鐘。1360年，德國(guó)符騰堡的H.de維克為法國(guó)國(guó)王查理五世制造了一只大鐘，安裝在巴黎的皇家宮殿（即后來的法國(guó)高等法院）。這座大鐘的機(jī)芯是鐵制的，由一個(gè)500磅的重錘驅(qū)動(dòng)，控制機(jī)構(gòu)采用冕狀輪擒縱機(jī)構(gòu)，鐘面僅有一根時(shí)針。它的出現(xiàn)標(biāo)志著鐘表技術(shù)的巨大飛躍。在這以后到1500年左右，歐洲一些國(guó)家的主要城市都相繼安裝了這類塔鐘。

約在1500年，德國(guó)鎖匠P.亨萊因發(fā)明了發(fā)條，替代重錘作為鐘的動(dòng)力，制造出人們能隨身攜帶的鐘。這是鐘表技術(shù)上的又一次飛躍。從此以后，時(shí)鐘才逐步進(jìn)入家庭用鐘的行列。

周期控制計(jì)時(shí)時(shí)期(1675年至今)

周期控制計(jì)時(shí)即利用一些等時(shí)性好的振動(dòng)現(xiàn)象，并以累計(jì)這些振動(dòng)現(xiàn)象的振動(dòng)數(shù)的方法來計(jì)量時(shí)間。這一時(shí)期，鐘表結(jié)構(gòu)、鐘表理論以及精密加工技術(shù)、微電子技術(shù)等日臻成熟；各種機(jī)械鐘表不斷出現(xiàn)和完善，各種電子鐘表也相繼問世，鐘表種類日益增多；鐘表工業(yè)成為橫跨機(jī)械、電子、原子能等多種學(xué)科，并影響到精密加工、微電子技術(shù)等各個(gè)方面的工業(yè)門類；計(jì)時(shí)精度越來越高，最高精密度已達(dá)10^-14。就計(jì)時(shí)精度的發(fā)展來說，這一時(shí)期大致可分為3個(gè)階段。

第一階段（17世紀(jì)末至18世紀(jì)中）

這一階段的計(jì)時(shí)精度較前一時(shí)期明顯提高。

1582年，伽利略發(fā)現(xiàn)擺的等時(shí)性原理，奠定了計(jì)時(shí)學(xué)的理論基礎(chǔ)。1656～1657年，荷蘭物理學(xué)家C.惠更斯應(yīng)用伽利略發(fā)現(xiàn)的原理，制成世界上第一只擺鐘。1675年，惠更斯又首先成功地在鐘上采用了擺輪游絲。由于這兩項(xiàng)重大發(fā)明，即把擺和擺輪游絲振蕩系統(tǒng)的頻率作為時(shí)間基準(zhǔn)而用于鐘表，使得鐘的走時(shí)精度大大提高，鐘的外形尺寸也因此可以縮小。這時(shí)，尺寸較小的懷表開始流行起來。

鐘表技術(shù)的另一個(gè)重大進(jìn)展，是擒縱機(jī)構(gòu)的改進(jìn)。1670年，英國(guó)的W.克萊門特發(fā)明后退式擒縱機(jī)構(gòu)，提高了鐘的走時(shí)精度。這種機(jī)構(gòu)在今天的一些簡(jiǎn)便的擺錘式掛鐘中仍有使用。1715年，英國(guó)G.格雷厄姆發(fā)明直進(jìn)式擒縱機(jī)構(gòu)。它能使鐘擺在擺動(dòng)到平衡位置附近時(shí)受到一個(gè)沖量，而在擺動(dòng)到其他部位時(shí)只受到很輕微的摩擦力。它彌補(bǔ)了后退式擒縱機(jī)構(gòu)的不足之處，使鐘的走時(shí)精度得到了很大的提高。

16世紀(jì)末，由于遠(yuǎn)洋航海事業(yè)的發(fā)達(dá)，促使人們開始尋求一種精度高的計(jì)時(shí)儀器，以便計(jì)算船只在海洋中的經(jīng)度位置。英國(guó)的J.哈里森經(jīng)過多年的努力，于1735年成功地制成了第一只航海天文鐘，但太笨重。后經(jīng)不斷改進(jìn)，第四只鐘的體積已同現(xiàn)在的鬧鐘大小差不多。1761年，第四只航海鐘在一次遠(yuǎn)航試驗(yàn)中，取得了歷時(shí)156天只差54秒的成就。

第二階段（18世紀(jì)中葉至20世紀(jì)初）

這一階段的計(jì)時(shí)精度比第一階段又提高了一步。精密計(jì)時(shí)器開始朝商業(yè)性方向發(fā)展。

1765年，T.馬奇發(fā)明自由式擒縱機(jī)構(gòu)，并于1840年在瑞士得到改進(jìn)。1897年，C.E.紀(jì)堯姆發(fā)明了鐘表用的鐵鎳合金等。由于這些成就，鐘表走時(shí)精度又有提高，同時(shí)繼續(xù)向小型化方向發(fā)展。

這一階段，擺鐘開始迅速發(fā)展起來。天文擺鐘在18世紀(jì)中葉已經(jīng)達(dá)到日差1/10秒的精度。到19世紀(jì)末，它的走時(shí)精度達(dá)到日差1/100秒的水平。

1840年，英國(guó)A.貝恩發(fā)明電鐘，開創(chuàng)了電技術(shù)在鐘表領(lǐng)域的應(yīng)用。此后，電鐘得到迅速發(fā)展。

第三階段（20世紀(jì)初至今）

這一階段的計(jì)時(shí)精度已非常高，相應(yīng)的計(jì)時(shí)儀器如天文鐘、原子鐘等的最高精度已達(dá)10^-14。這時(shí)鐘表的含義已大大超越了早期鐘表的含義。這個(gè)階段主要有以下3個(gè)特點(diǎn)。

（1）電技術(shù)的應(yīng)用極大地提高擺鐘的走時(shí)精度，并使電鐘獲得大發(fā)展。1916年，美國(guó)H.E.沃倫對(duì)以往的電鐘進(jìn)行改進(jìn)，制成了同步電鐘。后來，這種電鐘在美國(guó)和歐洲迅速流行。電鐘的精度一般保持在日差幾秒之內(nèi)。1921年，英國(guó)W.H.雪特制造出精密的天文擺鐘──雪特?cái)[鐘(clock Shortt)。它是由兩只擺鐘以子母鐘形式組成。子鐘由母鐘控制，并與母鐘同步，其精度達(dá)到日差0.001～0.002秒。這種擺鐘成為1924～1942年間格林威治天文臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)鐘。

（2）設(shè)計(jì)適于大批量生產(chǎn)的手表結(jié)構(gòu)，使之獲得高精度并在全世界普及。20世紀(jì)初，瑞士開始研制手表并大批量生產(chǎn)。第一次世界大戰(zhàn)期間，手表因具有很高精度而開始受到人們的歡迎。大戰(zhàn)后，手表開始在美國(guó)流行，隨后便在世界各地盛行起來。從1914年開始大量制造手表，到1920年，手表制造業(yè)已成為瑞士最重要的工業(yè)之一。到第二次世界大戰(zhàn)后，手表幾乎取代了懷表。

（3）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微電子技術(shù)開始被引入鐘表中。采用音叉振蕩器和石英諧振器作為計(jì)時(shí)器的時(shí)基。1922年，W.G.卡迪首先采用石英晶體作為頻率標(biāo)準(zhǔn)器。1929年，英國(guó)W.A.莫里森將石英晶體應(yīng)用于計(jì)時(shí)，制成一只環(huán)型的石英晶體計(jì)時(shí)器。1938年，英國(guó)國(guó)家物理所的L.愛森對(duì)這種石英鐘進(jìn)行了改進(jìn)，使之比雪特天文擺鐘走時(shí)更為精確。1942年，格林威治天文臺(tái)用石英鐘代替雪特鐘，作為標(biāo)準(zhǔn)鐘。

1934年，美國(guó)C.E.克利頓和N.A.威廉斯發(fā)明原子鐘。1955年出現(xiàn)了銫原子鐘。它們的出現(xiàn)，使時(shí)間頻率計(jì)量精度又產(chǎn)生一個(gè)飛躍。此后，氫原子鐘、銣原子鐘等相繼出現(xiàn)，發(fā)展非常迅速。1967年起，以銫原子鐘的躍遷頻率為基礎(chǔ)，規(guī)定了原子時(shí)的秒長(zhǎng)，并成為目前時(shí)間計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)。與石英鐘相比，原子鐘具有更高的頻率。原子鐘或原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率漂移已達(dá)到10^-13或10^-14。原子鐘的出現(xiàn)，是時(shí)間測(cè)量技術(shù)上一場(chǎng)重大的革命。

50年代半導(dǎo)體的發(fā)明和60年代微電子技術(shù)的發(fā)展，使鐘表出現(xiàn)了劃時(shí)代的變化，鐘表產(chǎn)品趨向于微型化、低能耗、高精度和多功能。1955年，擺輪游絲電子表（第一代電子表）問世。1960年美國(guó)布洛瓦(Bulova)公司研制出音叉式電子表（第二代電子表）。它采用小型音叉作為振蕩器，用電池作為能源，通過電子線路輸出脈沖電流驅(qū)動(dòng)音叉振蕩，然后通過其上的棘爪撥動(dòng)棘輪，使輪系轉(zhuǎn)動(dòng)，借以計(jì)時(shí)。1967年，瑞士和日本分別研制出指針式石英電子表（第三代電子表），并于1969年由日本精工公司首先在市場(chǎng)出售。它采用石英諧振器作為振蕩器，由它輸出的信號(hào)通過分頻器分頻，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)輪系轉(zhuǎn)動(dòng)，借以計(jì)時(shí)。1970年，美國(guó)哈密爾頓(Hamilton)公司研制成功數(shù)字式石英電子表（第四代電子表）。它是利用發(fā)光二極管(LED)作為顯示器件。同年，瑞士和日本又先后研制出液晶顯示 (LCD)的數(shù)字式石英電子表。新的電子手表的走時(shí)精度比機(jī)械手表要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，標(biāo)志鐘表技術(shù)已達(dá)到新的高度；同時(shí)也標(biāo)志著現(xiàn)代鐘表工業(yè)實(shí)際上已成為微電子技術(shù)、電子學(xué)與精密機(jī)械緊密配合的典型工業(yè)之一。

參考書目

1. 劉仙洲:中國(guó)在計(jì)時(shí)器方面的發(fā)明，《清華大學(xué)學(xué)報(bào)》，第3卷，第2期，北京，1957。
2. （英）李約瑟：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史》，第4卷，第1分冊(cè)，科學(xué)出版社，北京，1975。

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標(biāo)簽：zhongbiao jishushi、鐘表技術(shù)史

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文章名稱：《鐘表技術(shù)史》

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