聊一聊日晷的计时原理

知识梳理 | 2024-11-18 08:50:14 | 407

日晷是中国古代的一种测时仪器,由晷针和晷盘组成,晷盘上有时间刻度,晷针垂直于盘面,通过晷针日影在盘面上的方向就能测定时间。

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据《隋书·天文志》记载,日晷最早的发明时间大约是隋开皇十四年(594),袁充发明的地平日晷。赤道日晷的明确记载初见于南宋,后来一直引用,并将木质日晷改为材质坚硬的石质晷盘、金属晷针。

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日晷看起来简单,但制作过程非常严谨, 时间线的刻划、日晷的地理位置、指时针的高度都有严格的要求。依晷面所放位置、摆放角度、使用地区的不同,可分为很多种形式。

伦敦式地平日晷,日晷的西侧边缘是正午前用的晷针,之后使用东侧的边缘做晷针。转换时造成的时间尺度不连续,以正午间隙来跨越与衔接。

地平式日晷也叫水平式日晷,晷面必须严格水平 ,晷面和晷针之间的夹角就是当地的地理纬度,晷面刻度需要利用三角函数计算才能确定。因为制造容易,安装简便,所以一些学校、码头、道路、广场都有摆放。

赤道式日晷适合中低纬度地区使用,是中国古代最传统的天文观测仪器。北京故宫等处保存的便是清代制造的石质赤道日晷。依照使用地的纬度,使晷面平行于赤道面。晷盘上的刻度是等分的,夏季和冬季轴投影在晷盘上影子会分别在晷盘的北面和南面。

极地晷适合各种不同的纬度使用,晷盘与晷针平行,朝向正北。时间的刻画可以用简单的几何图来处理,投影的时间线是平行的线条。

垂直式日晷也叫立晷,晷盘面垂直于地平面刻度盘面,并分别朝向东南西北四个方向。南向垂直日晷较适合在中纬度(30~70)使用。东或西向垂直式全球各纬度都适用。

投影日晷不设置指时针,仅在地平面依地理纬度的不同绘制不同扁率的椭圆,在其上刻划时间线,并将长轴指向正东西方向,南北向的短轴上则需刻上日期,指示立竿测量时刻的正确位置。

等高仪日晷可以显示正确的日期,是使用在导航与天文学上的日晷。一个平坦的小圆环上有一个小把手,把手将环悬吊起来时,小孔会在环的内侧投下阴影,显示时间。

折叠式日晷有以绞链结合在一起的两个小晷面,可以折叠,便于携带。晷针则是在两晷面之间的带子,当带子被扯紧拉直时,两个晷面会互相垂直,一个面形成垂直式日晷,另一个面则是水平式的日晷。

折叠式日晷可以像指南针一样来使用,甚至可以测量纬度。在古代,大型的折叠式日晷曾经被用于航海上。

随着时代的发展,日晷由一项古老的仪器变成了文物展览品,或者大型广场的装饰物。虽然它的功能早已被科学技术取代,但是它在计时历史上的地位功不可没,更是古代劳动人民智慧的结晶,我们应该加以保护。



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视频引自 B 站视频号:中国科学技术馆的个人空间-中国科学技术馆个人主页-哔哩哔哩视频 (bilibili.com)
部分资料参考维基百科:日晷 - 维基百科 (wikipedia.org)
感兴趣的亦可移步知乎:立竿测影的太阳投影轨迹和特殊天象分析 - 知乎 (zhihu.com)



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