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文檔簡介

第四講時間與歷法時間是什么?中世紀著名思想家奧古斯丁有一句名言:

“時間是什么?人不問我,我很清楚,一旦問起,我很茫然?!睍r間的重要特性:流逝性、測度性

時間的本質(zhì)原始時間觀念:遠古的人類感覺到事件發(fā)生的先后、物體運動的進程,由直覺產(chǎn)生的時間概念。遠古的原始時間觀

古希臘的柏拉圖認為空間是一個早已存在的框架,宇宙裝在其中,而時間則是從宇宙中產(chǎn)生。強調(diào)說時間是“運動著的永恒的形象”。

哲學(xué)家的時間觀 18世紀康德唯心主義時間觀:時間不是外部客觀事物的特征,而只是人們主觀對客觀存在的一種感受,是人類本能的一種表現(xiàn)形式。

唯物主義的時間觀:時間不依賴于人的主觀意識,是客觀實際物質(zhì)運動的一種表現(xiàn)形式。

要得到對時間的正確認識,必須與對空間的認識相結(jié)合。時間用以描述事件之間的順序,而空間用以描述物體的位形。絕對時空觀

絕對的、真實的、數(shù)學(xué)的時間,由于它自身的本性,與任何外界事物無關(guān)地,均勻地流逝。

——

牛頓——

存在著絕對時間和絕對空間,它們既彼此互不關(guān)聯(lián),又與物質(zhì)和運動無關(guān)。相對時空觀

空間—

時間未必能看作是可以脫離物質(zhì)世界的真實客體而獨立存在的東西,并不是物體存在于空間中,而是這些物體具有空間廣延性。這樣看來,關(guān)于‘一無所有’的空間的概念就失去了意義。

——

愛因斯坦——物質(zhì)的引力作用使得時空彎曲,因而時空的性質(zhì)與物質(zhì)及其運動有關(guān)。時間的計量

1、建立時間系統(tǒng)的目的判別和排列事件發(fā)生的先后順序和運動的快慢。

時間有“間隔”、“時刻”兩個含義時刻:事物運動中,某一狀態(tài)發(fā)生的瞬間。間隔:事物某一運動過程所經(jīng)歷的時間。200920102011201220132、時間計量包含3、時間計量的基本原則

選擇某一運動規(guī)律已掌握,運動狀態(tài)可觀測到的具體事物。選取該事物的某一運動過程為時間的基本單位。選取該事物的某一運動狀態(tài)為時間計量的起算點。先民日出而作,日入而息,太陽是天然的鐘表。

§1、時間計量系統(tǒng)一、恒星時(siderealtime):

定義:以春分點的周日視運動為依據(jù)建立的時間系統(tǒng)。

時間單位:恒星日—春分點連續(xù)兩次上中天的時間間隔。

起始點:上中天恒星時在數(shù)值上等于春分點的時角

S=tr=α+t當(dāng)任一恒星上中天時

t=0即s=α二、真太陽時(truesolartime)定義:以太陽視圓面中心的周日視運動為依據(jù)建立的時間系統(tǒng)。時間單位:真太陽日—真太陽連續(xù)兩次下中天的時間間隔。起始點:下中天真太陽時:

以真太陽的時角度量:

m⊙

=t⊙+12h(thedatewillchangeatmidnight)1、真太陽時比恒星時每日約長4分鐘

太陽在周日視運動的同時,又以逆時針方向做周年視運動,每日在黃道上自西向東約運行1度,因此真太陽時比恒星時約長4分鐘。

北極點子午線春分點周年周日赤道m(xù)⊙≈s+3m56s2、真太陽時的缺陷

(1)太陽在黃道上的運動不均勻(地球公轉(zhuǎn)軌道為橢圓)。(2)即使太陽在黃道上運動均勻,由于黃赤交角的存在,投影在赤道上的太陽時角變化也不均勻。三、平太陽時

(meansolartime)引入的一個假想?yún)⒖键c。在黃道上建立第一個輔助點在黃道上均勻運動,其速度等于真太陽的平均速度,并與真太陽同時過近日點和遠日點。在赤道上建立第二個輔助點在赤道上勻速運動,其速度等于真太陽的平均速度,與第一輔助點同時過春分點和秋分點。第二個輔助點為在赤道上做勻速運動的平太陽。1.平太陽2、平太陽時

定義:以平太陽的周日視運動為依據(jù)建立的時間系統(tǒng)時間單位:平太陽日—平太陽連續(xù)兩次下中天的時間間隔起始點:下中天平太陽時以平太陽的時角度量:m=tm+12h平太陽時是我們最經(jīng)常使用的計時系統(tǒng)春分點赤道黃道平太陽真太陽四、時差真太陽的時角

與平太陽的時角之差。

η=t⊙–tm

時差的零點與極大值:一年中η四次為零四次為極大值日期4.166.159.112.242.125.157.2611.3η0000-14m24s+3m48s-6m18s+16m24s

真太陽時真太陽視圓面中心連續(xù)兩次上中天的時間間隔為1真太陽日。1真太陽日劃分為24真太陽小時,又取1真太陽時=60真太陽分,1真太陽分=60真太陽秒。真太陽時的計量起點是真太陽上中天,真太陽的時刻就是其時角。為了照顧生活習(xí)慣,1925年起,把真太陽時定義為

,即將起點定在下中天時刻。

真太陽的視運動是地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動的共同反映。地球的公轉(zhuǎn)軌道是橢圓,公轉(zhuǎn)速度不均勻,而且自轉(zhuǎn)軸不垂直于公轉(zhuǎn)軌道面。以上原因使得真太陽日的長度每天都不同,最長和最短相差可達51s。真太陽時與日常生活的節(jié)律一致。真太陽日的長度比地球的自轉(zhuǎn)周期長。真太陽時不是均勻的時間計量系統(tǒng)。平太陽時

為了克服真太陽時的缺陷,引入了一個假想的參考點——平太陽,據(jù)此建立了平太陽時,簡稱平時,并將格林尼治子午圈的平時稱為世界時。

第一輔助點——黃道平太陽。在黃道上做勻速運動,其視運動的速度等于太陽時運動速度的平均值,并且與真太陽同時經(jīng)過近地點和遠地點。

第二輔助點——赤道平太陽。在赤道上做勻速運動,不僅與第一輔助點速度相同,而且兩者同時經(jīng)過春分點和秋分點。

赤道平太陽連續(xù)兩次上中天的時間間隔為1平太陽日。恒星時

春分點連續(xù)兩次上中天的時間間隔為1恒星日。恒星日也劃分為恒星小時、恒星分和恒星秒。

恒星時的起點定義為春分點上中天。恒星時與日常生活的節(jié)律有偏差,故不能用于日常生活中的計時量。在天文觀測中,觀測時刻必須用恒星時計量?!?、地方時、世界時、區(qū)時恒星時、真太陽時、平太陽時是以春分點、真太陽、平太陽為參考點,以過當(dāng)?shù)刈游缛Φ臅r刻為起算點,以時角度量的。對于觀測者,只要位于不同的地理經(jīng)圈,就對應(yīng)不同的天子午圈,因此,參考點經(jīng)過的天子午圈不同,所得時刻也不同。計量系統(tǒng)的地方性

(以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ))

1、地方時

定義:以本地子午面為起算平面,根據(jù)任意量時天體所確定的時間。(s、m⊙、m)

地方時與地方經(jīng)度的關(guān)系:在同一計時系統(tǒng)內(nèi),任意兩地同一瞬間測得的地方時之差,在數(shù)值上等于這兩地的地方經(jīng)度之差。

λA-λB=mA–mB=tA–tB

SA–SB=tA–tB=λA-λB

2、世界時與區(qū)時

世界時:(S、M⊙、M)以本初子午(Greenwich)為標準的地方時為世界時

(λ=0h

m-M=△λs-S=△λ(+東、-西)本初子午線區(qū)時(Th)為平時系統(tǒng)

λN=N15o)

把全球分成24個時區(qū),每區(qū)跨經(jīng)度15o,各區(qū)把中央經(jīng)線的地方時作為本區(qū)統(tǒng)一使用的標準時。這樣的區(qū)域稱為時區(qū);這樣的時間稱為區(qū)時。我國從東向西橫跨五個時區(qū),統(tǒng)一采用北京所在的東八時區(qū)的區(qū)時,即東經(jīng)120度經(jīng)線的地區(qū)(無錫)的地方時為“北京時間”注意:北京時間不是北京地方平時,二者相差約14.5分鐘。帕米爾時區(qū)回藏時區(qū)隴蜀時區(qū)中原時區(qū)長白時區(qū)3、國際日期變更線——日界線日界線:太平洋中經(jīng)度1800線(避開陸地與島嶼畫出的一條國際日期變更線)。日界線東西兩側(cè)是東12時區(qū)與西12時區(qū)重合的區(qū)域,時分秒相同,但日期相差一天。由西向東每過一個時區(qū),就要增加一個小時,因此,由西向東越過日界限,日期減少一天;而由東向西越過日界限,日期增加一天。時刻的有關(guān)概念平時系統(tǒng)和恒星時系統(tǒng)的特點:時刻起算點周期性重復(fù)。

平時系統(tǒng)中,平時為0h的時刻作為一天的起點,標以日期;

但在恒星時系統(tǒng)中沒有日期的概念。通常所說的某月某日恒星時某時,日期是平時系統(tǒng)的日期。

對于同一日期的兩個瞬間1、只要給出了它們的平時時刻,即可由數(shù)值的大小判斷發(fā)生的先后順序。2、對于恒星時時刻,要視兩個時刻在恒星時0h的同側(cè)還是兩側(cè)而定,并不僅取決于數(shù)值的大小。

§3、恒星時與平時的換算

S、m是兩個不同的時間計量系統(tǒng)1)時間單位不同:1恒星日≠1平太陽日2)起始點不同:

上中天;下中天

因此,兩時間計量系統(tǒng)的時間間隔不同,時刻也不同。

時間間隔換算與時刻換算。一、時間間隔的換算回歸年:平太陽連續(xù)兩次過春分點的時間間隔。1回歸年=365.2422平太陽日=366.2422恒星日1恒星日=365.2422/366.2422平太陽日=(1-1/366.2422)=0.9972696平太陽日

m=s(1-1/366.2422)1平太陽日=366.2422/365.2422恒星日=(1+1/365.2422=1.0027379恒星日

s=m(1+1/365.2422)二、平時時刻與恒星時時刻的換算1、格林尼治的時刻換算(λ=0o)1)已知平時求恒星時:M→SS=So+M(1+1/365.2422)2)已知恒星時求平時:S→MM=Mo+S(1-1/366.2422)或[M=S(1-1/366.2422)-(24h-Mo)]

So是當(dāng)日世界時為零時所對應(yīng)的恒星時。

Mo是當(dāng)日或前一日恒星時為零時所對應(yīng)的世界時。S=0s0sMM2=0hM(1+1/365.2422)SoS(1-1/366.2422)

M1=0h24h-M0Mo§4、現(xiàn)代時間服務(wù)

時間計量工作的三項內(nèi)容

測時、守時、授時1、測時

測定恒星的瞬時位置,經(jīng)過歸算獲得準確時刻(圭表gnomon、日晷sundial、中星儀transitinstrument等)2、守時

用守時工具把所測時間持續(xù)下去.是整個時間工作中最關(guān)鍵的一環(huán),它的任務(wù)是產(chǎn)生和保持高精度的準確時間。(滴漏、沙漏、計時香、天文鐘、石英鐘、原子鐘)惠更斯擺鐘布拉格市政廳天文鐘多級漏壺沙漏地球電臺用戶

3、授時:時間服務(wù)、播時授時系統(tǒng)是確定和發(fā)播精確時刻的工作系統(tǒng)。把測得的時間用各種手段播報出(鳴鑼擊鼓、無線電報時、電視系統(tǒng)授時)一、世界時的改正:定義:

λ=0o的地方平太陽時M測定:

UT=tm+12h=(S-αm)+12h

為什么要對世界時(地球自轉(zhuǎn)時間)進行改正?世界時不是一個均勻的時間計量系統(tǒng)影響的因素——擾動地球自轉(zhuǎn)的各種力

1、極移:

地球瞬時自轉(zhuǎn)軸在地球本體內(nèi)的運動。(地極移動造成地理經(jīng)緯度的變化)1984-20022、地球自轉(zhuǎn)不均勻

(地球自轉(zhuǎn)速度變化)長期變化:自轉(zhuǎn)減慢,日長增0s.0016/百年月球引力引起的海洋潮汐潮汐作用相當(dāng)于把地球自轉(zhuǎn)向回拉使一天變長,

將來終有一天的長度相當(dāng)于現(xiàn)在一個月約4億年前,一年有400天約1億年前,一天只有現(xiàn)在的20小時長季節(jié)變化:

自轉(zhuǎn)上半年慢,下半年快±0s.001(大氣環(huán)流)不規(guī)則變化:

時快時慢。(各種因素)

UT的三種系統(tǒng)

顯然,地球自轉(zhuǎn)速率的不均勻性和極移的影響都包含在世界時中。

1956年起,把世界時劃分為三種:(1)UT0:天文臺直接測量的結(jié)果(2)UT1:對UT0做經(jīng)度的修正

UT1=UT0+△λ(3)UT2:對UT1做季節(jié)變化的改正

UT2=UT1+△Ts

UT2系統(tǒng)不僅含有地球自轉(zhuǎn)的長期變化及不規(guī)則變化,同時還受經(jīng)驗改正△Ts不夠嚴格的影響,它并非是一個均勻的時間計量系統(tǒng)。(地球鐘的穩(wěn)定度0.7×10-9

秒)由于地球自轉(zhuǎn)的不均勻性使得天文方法所得到的時間(世界時)精度只能達到3年不差一秒,這已無法滿足二十世紀社會經(jīng)濟各方面的需求。于是,一種更為精確和穩(wěn)定的時間標準應(yīng)運而生,這就是“原子時”。目前最好的銫原子鐘的穩(wěn)定度能夠達到1500萬年不差一秒?,F(xiàn)在國際上普遍采用銫原子鐘來產(chǎn)生和保持標準時間。二、原子時

(TAI)

定義:

以原子內(nèi)部的運動規(guī)律為基礎(chǔ)建立的時間計量系統(tǒng)。原子鐘的穩(wěn)定度達10-13時間單位:原子時秒(SI):在海平面上銫原子133基態(tài)的兩個超精細能級在零磁場中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)時間。1H199Hg+9,192,631,770133Cs

定義時間-基本單位(SI秒定義)

原子時秒

(SI):位于海平面上的銫133原子基態(tài)兩個超精細能級間在零磁場中躍遷輻射振蕩9,192,631,770周所持續(xù)的時間為一個原子時秒。1,420,405,752Hz原子時起始點:為1958年1月1日UT=0h。(即規(guī)定此瞬間原子時TAI與世界時UT重和。事后發(fā)現(xiàn)當(dāng)初取的這一瞬間并非重合,而是相差了-0s.0039,并一直保留下來。)

UT=TAI-0s.0039

原子時自1972年1月1日0時正式啟用??咳澜?00多臺原子鐘維持,經(jīng)“國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織(IERS)”統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理,由各授時單位向全世界發(fā)布。(國家授時中心)北京時間由國家授時中心(在西安臨潼,原中國科學(xué)院陜西天文臺)負責(zé)發(fā)布,授時臺位于陜西蒲城。中國采用北京所在的東八時區(qū)的區(qū)時作為標準時間,稱為北京時間。北京時間并不是北京(東經(jīng)116.4°)地方的時間,而是東經(jīng)120°地方的地方時間。北京時間比北京地方平太陽時早約14.5分。重慶、新疆西藏地方時間分別比北京時間晚約1、2小時。為國家國防試驗、空間技術(shù)、測繪、地震、交通、通信、氣象、地質(zhì)等諸多行業(yè)和部門提供了可靠的高精度授時服務(wù)。特別是在以衛(wèi)星發(fā)射、火箭試驗為代表的我國航天技術(shù)發(fā)展中做出了重大貢獻。

特點:

原子時是一種均勻的時間計量系統(tǒng),秒長固定,測定容易。但它是一種“物理時”,與前兩種“天文時”在實現(xiàn)方式上有根本的區(qū)別。

老的時間定義:基本單位是日、回歸年,再劃分時、分、秒。

新的時間定義:

基本單位是秒,分、時、日、年由秒累加得出。原子鐘不僅用來計量時間,它本身就是時間標度產(chǎn)生器。

三、協(xié)調(diào)世界時(UTC)

又稱世界統(tǒng)一時間,世界標準時間,國際協(xié)調(diào)時間

UTC的定義1、在速率上UTC與TAI完全一致,2、在時刻上UTC與TAI相差若干整秒,3、UTC是通過插入或者去掉整秒(正跳秒或負跳秒)來調(diào)整的,以確保它和世界時UT1的時刻近似相同(差異<0.9s)。UTC系統(tǒng)

時間單位:原子時秒(SI)協(xié)調(diào):用跳秒(也叫閏秒即增加1s或減少1s)的方法,使其與世界時(UT1)的偏離在0s.9之內(nèi)。(通常是正閏秒)調(diào)整時刻:每年首選是12月31日和6月30日或3月31日和9月30日的最后一秒,由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)中心局(IERS)根據(jù)天文觀測做出決定,并預(yù)先通知。啟用時間:1972、1、1UTC系統(tǒng)有高的精度和穩(wěn)定性。

協(xié)調(diào)世界時(coordinateduniversaltime,UTC)

(協(xié)調(diào)原子時秒長與世界時時刻的時間計量系統(tǒng))

世界時與原子時的折衷協(xié)調(diào)產(chǎn)物

大地測量、天文導(dǎo)航、空間探測器的跟蹤、定位需要以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)的世界時時刻,精密校頻等物理領(lǐng)域則要求以原子時為基準的均勻時間間隔。

由于世界時的秒長逐年增加,勢必造成世界時落后于原子時,一年內(nèi)可累計達1秒左右。為避免原子時與世界時產(chǎn)生太大的偏離,1975年決定采用UTC系統(tǒng)。

要求時間實驗室有足夠數(shù)量的高穩(wěn)定性的原子鐘形成穩(wěn)定度高的地方原子時TA(k)作為參考時間尺度,以監(jiān)測和控制實時UTC(k),確保其相對于UTC的準確度。銫原子鐘一、制歷的基本概念:

1、歷法:

推算年、月、日的時間長度,協(xié)調(diào)它們的關(guān)系,制定一定的時間序列法則。地球、月球的運動給出三種天然的時間單位:日、月和年?!?、歷法

年:以地球公轉(zhuǎn)為依據(jù)、四季變化的周期。

1回歸年=365.2422平日月:以月球公轉(zhuǎn)為依據(jù)、月相變化的周期。

1朔望月=29.5306平日日:以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)、晝夜交替的周期。

1平太陽日年、月、日是歷法的三大要素。立法中的年、月、日在理論上近似等于天然的時間單位——回歸年、朔望月、真太陽日,稱為歷年、歷月和歷日。2、歷法的制定原則(1)盡可能準確反映天文客觀規(guī)律,正確的反映天象和四季變化。(2)日歷要簡單、明了、易記。寧可犧牲精度以滿足簡單。(3)有通用性,能為廣大地區(qū)所接受。(4)任何一種具體的歷法,必須明確規(guī)定起始點紀元——開始計算的年代;歲首——規(guī)定一年的開端。規(guī)定每年所含的日數(shù),月份的劃分,每月所含天數(shù)。3、主要有三種類型

歷史上,在世界各地,存在過千差萬別的歷法,但就其基本原理來講,不外乎三種:即太陰歷(回歷)、太陽歷(公歷)、陰陽歷(農(nóng)歷)。

(1)太陰歷:(回歷)以朔望月為基本單位。(2)太陽歷:(公歷)以回歸年為基本單位。(3)陰陽歷:(農(nóng)歷)以朔望月計月,以回歸年計年,二者兼顧。

二、太陰歷(回歷)

定義:以朔望月為基礎(chǔ),朔望月=29.5306日

規(guī)定:每年12個月,大月30天、小月29天,平均29.5天。

12個太陰月(歷月):29.5×12=354日

12個朔望月:29.5306×12=354.36708日一年相差8小時48分36秒

置閏:為保證每年的年初與月初都為殘月,

30年加11個閏日。

置閏:30年11閏

太陰歷年長:

35411/30=354.3666日

12個朔望月:29.5306×12=354.36708日

一年差41s.5

30年的歷年長:354×30+11=10631日30年朔望月長:29.5306×12×30=10631.0124日

30年共差17m1s

在30年的第2、5、7、10、13、16、18、21、24、26、29年為閏年,閏日加在閏年的最后一天。(可保證朔在月初和年首)優(yōu)點:

日期和月相吻合很好,對于預(yù)測海洋潮汐、安排漁業(yè)生產(chǎn)等有一定的作用。

缺點:歷年長35411/30=354.3666日與回歸年365.2422

比,一年就相差11日左右,3年短1個月,約16.3年就會出現(xiàn)月序與季節(jié)倒置的現(xiàn)象。與季節(jié)變化嚴重脫節(jié),使太陰歷不適用于農(nóng)牧業(yè)的需要?;貧v:積32.6回歸年,與回歸年相差一年。因此,歲首逐年提前,與季節(jié)完全脫節(jié)。目前只有少數(shù)伊斯蘭國家和地區(qū)在宗教節(jié)日上使用。三、太陽歷(公歷)起源于古埃及

現(xiàn)公歷(格里高利歷)的前身是儒略歷:公元前46年,羅馬皇帝儒略·愷撒(JuliusCaesar)執(zhí)政,著手改革歷法,誕生“儒略歷”。儒略歷是在埃及亞歷山大的希臘數(shù)學(xué)家兼天文學(xué)家索西琴尼的幫助下制訂,仿照古埃及歷法制定的。

儒略歷

定義:以回歸年為基礎(chǔ),回歸年=365.2422日

規(guī)定:每年12個月,大月31天(單)、小月30天(雙)、

2月(處決人犯的月份)平年29天。

年首:每年冬至后第十天。

置閏:每隔三年一閏,閏年366天,加在2月。平均歷年長:3651/4=365.25日回歸年長:365.2422日

400年差3天。

儒略.凱撒于改歷后的第二年(公元前45年)即遇刺身亡,掌權(quán)的僧侶把“每隔三年一閏”誤解為“每三年一閏”。這樣在短短的33年,就多了3個閏年。

公元前8年奧古斯都(AugustusCaesar)接位。奧古斯都對歷法又一次改革

1、從公元前8年到公元3年不再閏年,把多閏的3年扣回。

2、將他出生的8月改成大月,有1、3、5、7、8、10、12為大月(31天),4、6、9、11月為小月(30天),平年2月28天。這就是目前陽歷月份長短不一、又毫無規(guī)律可循的歷史原因。

公元1582年:

測得太陽3月11日過春分點比規(guī)定的3月21日提早10天,歷日與天象不符,必對歷法進行修正。

1582年3月1日,羅馬教皇格里哥里13世(PopeGregoryXIII)

頒發(fā)了改歷命令,內(nèi)容是:

1、規(guī)定:1582年10月4日的第二天為10月15日。但星期序號仍然連續(xù)計算10月4日是星期四,第二天10月15日是星期五。這樣,就把積累的老賬一筆勾銷了。2、為避免以后再發(fā)生春分飄離的現(xiàn)象改為400年97閏:凡是年數(shù)可被四整除的為閏年,世紀年如1600,1700,1800,……要被400整除才是閏年。閏年的二月份為29天。格里歷平均歷年長:36597/400=365.2425

回歸年長:365.242225s.9/1年;2h52m48s

/400年;

3300年才差一天太陽歷以太陽周年視運動為依據(jù)的太陽歷,如現(xiàn)行的公歷(又稱格里歷),由儒略歷改進而來;

優(yōu)點:內(nèi)容比較簡潔,便于記憶,而且精度較高,與天時符合較好。缺點:公歷中的月人為定義,并無天文意義。我國1912年采用格里歷,但不用其紀年,直到解放后才采用。

紀年公歷的紀元是人為的、帶有宗教色彩。在公元532年羅馬教皇宣布基督誕生的那一年為公元元年。而不是儒略凱薩下令修改歷日的開始時間。在公元532年后宣布532年前一年為元年。是出自宗教的需要,保證復(fù)活節(jié)過532年會在同一日期、同一月相、同一星期序數(shù)重復(fù)出現(xiàn)。星期的概念體現(xiàn)了不同民族文化的奇特結(jié)合。四大文明古國(埃及

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