【小学堂·数学史话】第四季 课本里的中国数学家 第71期 郭守敬与钟表

钟表的历史

古人最早是根据太阳下物体的影子的长短和方向来确定时间的。后来，人们发现影子的长短会随着时间的变化而变化，于是人们利用这种规律发明了计时工具-日晷。这种装置在阴天或夜间就失去作用，为此人们又发明了漏刻、沙漏等计时工具，但计量的时间并不精确。

北宋时期，苏颂组织韩公廉等人建成高约12米的水运仪象台。它集计时报时、天文观测和星象显示三项功能于一体，是当时世界上最先进、技术综合程度最高的大型机械装置，被欧洲科技史学家称为欧洲天文钟的先驱。中国国家博物馆和英国科技博物馆等博物馆都收藏着水运仪象台的复原品。

日晷、漏壶、沙漏、水运仪象台等都是我国古代的计时装置。在我国计时装置推陈出新的时候，其他国家和地区也在不断探索新的计时方法、创造新的计时装置。

1386年，欧洲诞生世界第一架重锤钟。这种钟只有时针和分针，没有秒针，计量得到的时间每天相差十几分钟。

1656-1657年，荷兰物理学家、天文学家惠更斯发现摆动的频率可以计算时间，借助这个发现他制造了第一个摆钟。

1735年，英国人约翰·哈里森制成第一台铜木结构、重约42千克的航海钟。接下来的20多年里，哈里森不断改进技术，1761年他制成的第四台航海钟获得英国经度委员会的认可，体积也缩小到普通怀表的两倍左右。目前，这四台航海钟都收藏在不列颠博物馆。

19世纪以后，新的机械技术逐渐应用于钟表制造，使得钟表精度和可靠性都得到了大幅提升，钟表进入设计风格多样化的时期。

1927年，美国科学家莫里森制造出世界第一台石英钟，误差每天只有0.001秒。1948年，美国国家标准局建造出世界上第一台原子钟，首次以原子共振频率为标准来计量时间。1967年起，以铯原子钟的跃迁频率为基础，规定了原子时的秒长，成为目前时间计量的标准。

钟表的发展史不仅向我们展示了人类在测量时间方面取得的伟大成就，更是在鞭策我们珍惜时间，不断创新。

第二部分  背后的数学家

郭守敬

郭守敬，元代著名的天文学家和数学家，在天文仪器创制、天文观测、历法和水利工程等方面都作出了突出贡献。郭守敬推算出一回归年的长度为365.2425日，这个值同现在世界上通用的公历值完全一致。

郭守敬担任昭文馆大学士时，制成了大明殿灯漏、柜香漏等计时仪器，其中大明殿灯漏不仅是世界上最早的自鸣钟，也是最早独立于天文仪器的时钟，是中国钟表发展史上最为著名的计时仪器之一。有关大明殿灯漏的记载见于《元史》，书中描述大明殿灯漏高一丈七尺（约5.4米），摆放在元大都皇宫大明殿前。因外形与古代宫灯相似，故称“大明殿灯漏”。

大明殿灯漏最主要的部分就是圆樽。该圆樽共分四层，外观类似于走马灯。

第一层环布日、月、星辰等图案，每日自右向左旋转一周，象征太阳的东升西落。

第二层用龙、虎、鸟、龟四象代表东、西、南、北四个方位，通过拨动杠杆就能使龙、虎、鸟、龟依刻跳跃，如同后来的报刻时钟。

第三层上部立有12个手执时辰木牌的木人，当时是什么时辰，就在正中显示手持那个时辰木牌的木人。下部立着一个用手指指着刻度的木人，类似现代时钟上的分针。

第四层四个角的位置分别立有手持钟、鼓、钲、铙四种乐器的木人。过一刻，木人鸣钟；过两刻，木人击鼓；过三刻，木人击钲；过四刻，木人击铙。通过不同乐器发出的声音，可以判断当下的时间。

大明殿灯漏设计之精妙，构造之独特，无不彰显古人智慧。

本期数学史话·小学堂到这里要和你说再见了，品读数学文化，领略数学家的魅力，数学的星空永远璀璨。

下期我们将深入探寻又一位中国数学家的奇妙故事，看看他如何为数学发展添上浓墨重彩的一笔，敬请期待！如果你有感兴趣的中国数学家，欢迎在评论区留言，说不定下期就能看到他的故事！再见！