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广州市海珠区气象局--古代天文仪器

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古代天文仪器

圭表

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圭表是利用日影进行测量的古代天文仪器,早在公元前7世纪,我国就开始使用了。据说,日晷还是在它的基础上发展起来的。圭表是测定正午的日影长度以定节令,定回归年或阳历年。在很长一段历史时期内,我国所测定的回归年数值的准确度位居世界第一。通过进一步研究计算,古代学者还掌握了二十四节气的圭表日影长度。这样,圭表不仅可以用来制定节令,而且还可以用来在历书中排出未来的阳历年以及二十四个二节令的日期,作为指导农事活动的重要依据。

 

日晷(gui)

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日晷,又称日规,是我国古代利用日影测得时刻的一种计时仪器。其原理就是利用太阳投射的影子来测定并划分时刻。

日晷本义是指日影,是使用太阳的位置来测量时间的一种设备,主要由一根投射太阳阴影的指标、承受指标投影的投影面(即晷面) 和晷面上的刻度线组成。最常见的设计,也就是最普通的,就是所谓的庭园日晷,让日影投射在一个标有时刻的平面上,当太阳移动时,影子所指示的时间也跟着变动。其实,日晷可以设计在任何物体的表面上,让固定的指针产生阴影来测量时间,因此日晷有许多种不同的形式,基本上可以分为地平式日晷、赤道式日晷、子午式日晷和卯酉式日晷等等。

 

相关计算

日晷的制作除了指时针必需正确的安装之外,时间线的刻划也不能忽视。各形日晷时间线的刻划与日晷的地理位置,指时针的高度等,都有关系。假设地理纬度为φ,指时针的高度为H,要刻划的时间与正午的差值为T;时间线与指时针的夹角为A,距离为D,则各形日晷的计算式如下:

(1) 水平式日晷:TAN(A)=TAN(T)*SIN(φ)

(2) 赤道式日晷:等分圆盘,每小时相当与十五度,正午线垂直朝下。

(3) 极地晷:D=H*TAN(15*T)

(4) 南向垂直日晷:TAN(A)=TAN(T)*COS(φ)

(5) 东或西向垂直式:D=H*TAN((6-T)*15)

(6) 侧向垂直式:TAN(A)=SIN(O)*TAN(R+15*T)

指时针与墙面垂线的夹角TAN(W)=SIN(θ)*COT(φ)

指时针高出于墙面的夹角SIN(O)=COS(θ)*COS(φ)

指时针与正午线的时间线差COT(R)=COT(θ)*SIN(φ)

6点与12点时间线的夹角COT(S)=SIN(θ)*TAN(φ)

θ:日晷墙面的斜角

(7)投影日晷:D= SIN(T*15),V= sin(φ)*COT(φ)

椭圆长轴与短轴的比:sin(φ)

竖竿(人立足)的位置:Z=TAN(del)*COS(φ)

del:太阳的赤纬V:时间点在短轴方向上的值

D:时间点在长轴方向上的值

由于从春分到秋分期间,太阳总是在天赤道的北侧运行,因此,晷针的影子投向晷面上方;从秋分到春分期间,太阳在天赤道的南侧运行,因此,晷针的影子投向晷面的下方。所以在观察日晷时,首先要了解两个不同时期晷针的投影位置。

 

正方案

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正方案主要是用于测定方向的一种仪器。中心有小洞,插入一尺多长的铜(域木)竿,由于太阳每天东升西落,太阳东升时,竿影在西边,太阳在西射,竿影在东边,这样,每天竿影的端点,由西边与最外圆相交始,中午交至最内圆,傍晚于东边与最外圆相交止,每个圆上均有两个交点,连结同一个圆上的两点。取连线中点与圆心的连线,即为正南北方向。

 

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