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在機(jī)械鐘表發(fā)明之前，人們通過觀察太陽來判斷時間，比方太陽升到頭頂最高的位置，時間就是正午了。其實(shí)時間的概念就是來自太陽，例如我們把兩次太陽升起之間的時間分成24小時，稱為“一日”。 在一天當(dāng)中不同的時間段，陽光下地面上物體投射的影子的長度和角度都不同，通過測量同一物體影子的變化，就能確定太陽的運(yùn)行情況，從而得到精確的時間。這種測量時間的儀器被稱作“太陽鐘”，我國古代則稱其為“日晷”。 下圖就是一種中國古代的日晷：  人類使用日晷的時間非常久遠(yuǎn)，古巴比倫在6000多年前就開始使用了，中國有明確記載的是在3000多年前的周朝。這種古代的時鐘精度一點(diǎn)不比后來的機(jī)械式鐘表差，而且不但能顯示一天之內(nèi)的時刻，還能顯示節(jié)氣和月份。當(dāng)然它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，笨重而且看不到陽光的時候不能用，比方陰天或晚上。 我們首先制作一個簡易的日晷，來感受一下這種儀器的工作原理。 要用到的東西：方便面的紙桶、橡皮泥、竹簽和筆。  制作方法簡單到不能再簡單，用橡皮泥把竹簽固定在桶的中央，保證豎直向上。 然后把它放在陽光能直接照射到的地方，竹簽會在桶壁上投射一個影子。這個影子的位置是隨時間變化的，手里拿一塊表，每到正點(diǎn)的時候就用筆在桶壁上作一個標(biāo)記。比方這時候手表顯示的是上午“9”點(diǎn)，那么你就在影子的位置畫個標(biāo)記，寫上“9”。注意紙桶的位置不能再變了，那么明天上午竹簽的影子再到你做的標(biāo)記“9”上的時候，此時的時間就是9點(diǎn)。 誰也不能整個白天守在這東西旁邊做標(biāo)記，所以你大概要花上幾天的時間來做完所有的標(biāo)記，以后就可以用它來代替手表計(jì)時了。 通過上面簡易日晷的制作，我們對日晷的工作原理有了一個大概的認(rèn)識，當(dāng)然真正的日晷要比這個復(fù)雜得多。要制作一個真正的日晷，還必須先了解一些天文學(xué)的知識。  地球繞地軸自轉(zhuǎn)，同時繞太陽公轉(zhuǎn)。一天之內(nèi)時間的變化是自轉(zhuǎn)造成的，由于相對太陽來說地球是“斜著身子”旋轉(zhuǎn)的，所以陽光的投影的變化也比較復(fù)雜。上面介紹的簡易日晷之所以選用方便面的紙筒，是因?yàn)榧埻脖谟幸欢ǖ膬A斜角度，陽光也是傾斜著照過來的，這樣竹簽在紙筒壁上的影子就相對均勻一些。請注意觀察你自己根據(jù)手表的時間作出的標(biāo)記，這些標(biāo)記之間的間距也不是絕對均勻的，能說明太陽運(yùn)行的復(fù)雜性。 真正的日晷主要有三種類型：赤道式、水平式（地平式）和垂直式  這是一種赤道式日晷，我們在博物館和古建筑群里看到的都是這種形式。之所以管它叫“赤道式”，是因?yàn)樗年斜P，就是那個有刻度的圓盤是與地球赤道面平行的，貫穿晷盤的指針與地軸平行并且指向正北。這樣就消除了因?yàn)榈厍蛐敝碜釉斐傻?，指針的投影運(yùn)動的不均勻性，所以它的刻度盤跟現(xiàn)代鐘表盤一樣，刻度是均勻的。另外請注意晷盤兩面都有刻度，春分到秋分，即3月21日到9月22日期間從正面讀數(shù)，秋分到春分半年從背面讀數(shù)。  這是一種地平式日晷，圖上右面的部分是經(jīng)過藝術(shù)處理的，既是城市雕塑又是一座巨大的日晷，刻度刻在地面。這種日晷的刻度就是不均勻的，而且隨緯度而變化，即不同緯度地區(qū)的地平式日晷不能通用。  這墻壁上的是一種垂直式日晷，可以看出它的刻度也是不均勻的，而且日晷的表面朝向不同，刻度就要發(fā)生相應(yīng)的變化。這種日晷在不同緯度地區(qū)之間也是不能通用的。 自己動手制作一個能夠精確計(jì)時的日晷難嗎？知道了原理之后就不難！下面我們分別制作這三種不同的日晷。 首先制作赤道式日晷。使用的材料：一個鞋盒和一些白紙，一根竹簽（烤肉串上的打磨一下），另外需要一些膠水或雙面膠帶。  需要的工具：剪刀、壁紙刀、圓規(guī)、指南針、水平儀、帶量角器的三角尺和一支筆。  首先把鞋盒的外表面粘上白紙，無他，為了美觀。盒蓋邊沿剪去，變成一張紙板，外面也用白紙糊起來。  沿鞋盒的長邊畫一條中心線，距邊沿1/3的位置畫一條垂直線，注意垂直線要延長到兩個側(cè)面。  在鞋盒蓋子——現(xiàn)在已經(jīng)成為一張白紙板了——上面如此作圖。就是找圓心，用圓規(guī)畫2個同心圓，通過圓心畫水平線和垂直線。大圓下面的弧線是用三角板上的弧線工具畫的，弧線以外的部分將來要剪掉。  下面是完整的日晷晷盤圖樣，首先在通過圓心的水平線和垂直線上找出標(biāo)志性的刻度，最右面是6點(diǎn)，最左面是18點(diǎn)，最下面是12點(diǎn)，最上面是0點(diǎn)，其它時刻用圓規(guī)均分得來。 注意這是晷盤的正面，時間刻度沿順時針方向由小到大，且間距均勻，與機(jī)械時鐘表盤唯一的區(qū)別是，這是24小時刻度的，當(dāng)然夜晚的時間不必標(biāo)記，因?yàn)橥砩鲜强床坏教柕模?/div> 下面是晷盤的反面圖樣，與正面的區(qū)別就是時間刻度沿逆時針方向由小到大。 晷盤的兩面都畫好后，沿邊緣剪掉多余的部分，再把竹簽從圓心處穿過，如此日晷的主要部分——晷盤就制作完畢了。 下面我們來制作日晷的基座。在紙盒子側(cè)面事先畫好的垂線那里用量角器量出一個42.4度的角，這是沈陽市的緯度。您家的緯度是多少，這個角就畫成多少。緯度可以在地圖上查，在網(wǎng)絡(luò)上搜索，也可以用手機(jī)或汽車上的GPS導(dǎo)航儀測量。 下面是一些城市的緯度： 上海，北緯31度11分；南京，32度4分；杭州，30度15分；長沙，28度12分；重慶29度12分；成都，30度40分；福州26度5分；廣州23度15分；昆明25度4分；北京39度55分；天津39度8分；青島36度4分；西安34度15分；烏魯木齊44度46分；拉薩28度40分； 沿著紙盒表面的線切一刀，再沿著側(cè)面剛畫好的斜線下切2厘米左右，總體效果相當(dāng)于斜著在紙盒上“切”了一刀。 把晷盤下端插進(jìn)基座的切口，這樣晷盤跟垂直面的夾角就是42.4度，也就是沈陽的緯度，跟水平面的夾角是（90-42.4）度。 將竹簽插進(jìn)晷盤的圓心，上端和下端留出同樣的長度，用三角板校正，使竹簽與晷盤面垂直。這根竹簽正式的稱呼叫“晷針”。 到這里一臺赤道式日晷就算完工了！當(dāng)然要想讓它正確地指示時間，還需要再費(fèi)點(diǎn)周折。日晷的方向要沖正北，如圖指南針的磁針與日晷基座上的中心線平行，指向正北。 需要指出的是，指南針并不是指向正南正北，指南針的方向與正南正北的方向之間有個夾角，叫磁偏角，例如沈陽的磁偏角為7度44分。而且不同地區(qū)的磁偏角大小也不盡相同，在精度要求高的場合，磁偏角要考慮進(jìn)去。因?yàn)槲覀冏龅倪@個東西精度并不是很高，因此磁偏角的影響可以忽略不計(jì)。 用水平儀使基座水平。 經(jīng)過方向與水平的調(diào)整，我們親手制作的赤道式日晷終于可以工作了！現(xiàn)在它的晷盤與地球赤道平行，晷針與地軸平行且指向正北。這樣一來，一天當(dāng)中晷針在陽光下投射的影子，可以看做是在晷盤上勻速轉(zhuǎn)動， 從而方便我們計(jì)時。 下面的日晷顯示的時間為13點(diǎn)多一點(diǎn)。 需要說明的是，日晷上得到的時間是當(dāng)?shù)貢r間，準(zhǔn)確點(diǎn)說是當(dāng)?shù)靥枙r間，與我們普遍使用的北京時間有些差距（假如您不在北京居住）。而且太陽和地球的運(yùn)動也不是嚴(yán)格按照幾何學(xué)的描述，因此好一點(diǎn)的日晷上面都有一個時間修正表格，用來參照得出更加準(zhǔn)確的時間。對于我們一般人來說，不必對這個問題深究。有一個簡便的修正時間的法子，就是在保證晷針指向和晷盤傾斜角度都不變的情況下，轉(zhuǎn)動晷盤，使日晷的指示時間與您的手表顯示的時間相同，這樣您就擁有一個真正可以當(dāng)成鐘表用的日晷了！ 我們第二個要制作的是水平式日晷，或者叫地平式日晷。這種日晷制作過程相對簡單，但是需要一些稍微復(fù)雜的計(jì)算。第一步是畫出晷盤圖樣。因?yàn)檫@種日晷的晷盤是水平的，不像赤道式那樣與赤道平行，因此不同時刻的間距是不同的。如下圖： 先用圓規(guī)畫一個大圓，通過圓心作水平線和垂直線。標(biāo)志性的時間刻度為，最左側(cè)18點(diǎn)，右側(cè)6點(diǎn)，最下方12點(diǎn)。假設(shè)某一時間刻度，比方說13點(diǎn)，與12點(diǎn)之間的夾角為 α ，太陽時角為t，當(dāng)?shù)鼐暥冉菫? Φ 。太陽時角是這樣定義的，太陽一天24小時運(yùn)行360度，因此每一小時運(yùn)行15度。設(shè)定正午12點(diǎn)的時候太陽時角為0度，因此13點(diǎn)的時角則是15度，14點(diǎn)30度，15點(diǎn)45度，以此類推。 這三個角度之間有個三角函數(shù)關(guān)系： tan α =tan t *sin Φ ，我們將t=15度，30度，45度……帶入，通過求反正切函數(shù)，就能得到13點(diǎn)，14點(diǎn)，15點(diǎn)……時刻所對應(yīng)的角度 α 。12點(diǎn)另一側(cè)的11點(diǎn)，10點(diǎn)，9點(diǎn)……與12點(diǎn)之間的角度也符合上面公式，只是角度方向相反。 沈陽的緯度Φ =42.4度為已知，下面是我求出的當(dāng)?shù)厮绞饺贞械母鲿r刻角度： 5/19 6/18 7/17 8/16 9/15 10/14 11/13 12 (時間) t 105 90 75 60 45 30 15 0 (太陽時角) α 111.7 90 68.3 49.4 34.0 21.3 10.2 0 (各時刻對應(yīng)的角度) 計(jì)算這些數(shù)據(jù)需要一個科學(xué)計(jì)算器，或者使用WINDOWS自帶的計(jì)算器，在“開始”-“程序”里面選擇“計(jì)算器”，計(jì)算器“查看”選項(xiàng)里面選擇“科學(xué)型”，就能夠使用了。 下面是我用量角器和直尺按照上述表格畫出的水平式日晷的晷盤圖樣，能夠明顯看出時間刻度不是均勻的。 下面我們來制作這個日晷的晷針。如下圖，將A4紙折疊，在上面畫一個直角三角形，底邊與斜邊的夾角為當(dāng)?shù)氐木暥龋矣玫氖巧蜿柕木暥?2.4度。 不錯，水平式日晷的晷針一般不是一根竹簽?zāi)欠N的針形，而是利用這種三角形的斜邊，如此晷針傾斜的角度很好掌握。用剪刀沿線剪下，注意標(biāo)有“留邊”的那條邊要稍微多留出一點(diǎn)，為了用膠水粘接方便。晷針粘接好后，這個日晷就算完成了。 利用指南針使日晷對準(zhǔn)正北方向，此時三角形晷針的斜邊與地軸平行。 當(dāng)有陽光直射下來的時候，就可以讀時間了。 讀數(shù)的時候以晷針斜邊的陰影為準(zhǔn)，上圖為13點(diǎn)多。其實(shí)這種日晷的制作非常簡單，唯一的難點(diǎn)就是晷盤刻度的計(jì)算部分。如果你不會計(jì)算，又不怕麻煩的話，可以這樣：先畫好圓，確定圓心和過圓心的垂線，然后粘上晷針，擺正方向，手里拿塊手表，每到正點(diǎn)的時候用鉛筆標(biāo)上，這樣花上一整天的功夫，也可以得到一個計(jì)時精確的地平式日晷了。而且這樣確定的晷盤有個好處， 就是讀出的時間是北京時間，可以當(dāng)真正的鐘表使用。 地平式日晷可能是人類最早發(fā)明的日晷，因?yàn)樗厣喜甯窀涂慈沼澳欠N原始的計(jì)時方式最接近，第一種赤道式日晷則應(yīng)該是人類了解了太陽運(yùn)動規(guī)律之后的產(chǎn)物了。 最后我們再來做一個面向南方的垂直式日晷。如下圖，因?yàn)殛斜P面與地面垂直，面向南方，因此東方是18點(diǎn)，西方是6點(diǎn)。同樣設(shè)當(dāng)?shù)鼐暥葹棣担枙r角為t，某一時刻與圓心的連線跟正午12點(diǎn)的連線夾角為α ，則這三個角度之間的關(guān)系為：tanα=tant*cosΦ 我們同樣使用沈陽的緯度Φ =42.4度，下面是計(jì)算出的結(jié)果： 6/18 7/17 8/16 9/15 10/14 11/13 12 (時間) t 90 75 60 45 30 15 0 (太陽時角) α 90 70.1 60 36.4 23.1 11.2 0 (各時刻對應(yīng)的角度） 根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，用直尺和量角器畫出完整的晷盤。 下面制作晷針。注意晷盤是垂直的，因此三角形的晷針與垂直面結(jié)合的一邊要留出粘貼用的邊，此邊相對的一角角度為當(dāng)?shù)鼐暥?。三角形里面還畫了個淺淺的弧線，將來要按次弧線剪下，為的是給晷針增加些美感。 剪好的晷針。根據(jù)三角關(guān)系，標(biāo)注的角度是當(dāng)?shù)鼐暥鹊挠嘟恰?nbsp; 完成的南向垂直式日晷，利用磁針使晷盤面朝向正南。為了把晷盤畫精確一些、清楚一些， 結(jié)果它比鞋盒大了，很不美觀，呵呵。晷針也有些大，象老外的長鼻子，很丑。 把它放在陽光下讀取時間。 因?yàn)楸卑肭虻姆课菀话愣际浅系?，因此這種南向垂直式日晷可以直接刻在正面的墻壁上，即方便人們出入的時候看世界，也不占空間，因此這種日晷恐怕是古代最受歡迎的日晷了。 同樣也可以不經(jīng)過計(jì)算，用現(xiàn)代的計(jì)時工具來確定晷盤的刻度，如今誰家墻壁上刻這樣一個東西，絕對吸引眼球。 日晷的種類還有許多，在文章的最后，我們簡單介紹一些。 投影式日晷： 書卷式極向日晷： 半圓柱型日晷： 雙環(huán)垂直式日晷： 赤道環(huán)式日晷： 球體日晷： 子午式日晷： |
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