名词解释
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日晷

日晷,本义是指太阳的影子。现代的"日晷"指的是人类古代利用日影测得时刻的一种计时仪器,又称"日规"。其原理就是利用太阳的投影方向来测定并划分时刻,通常由晷针和晷面组成。利用日晷计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明,这项发明被人类沿用达几千年之久。

1.概述

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将跟着变动。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:如地平式日晷、赤道式日晷、子午式日晷以及卯酉式日晷等等。

2.常见分类

水平式日晷

水平式日晷(The Horizontal SundialE)是最常用的日晷,采用水平式的刻度盘,日晷轴的倾斜度,依使用地的纬度设定,刻度需要利用三角函数计算才能确定。适合低纬度的使用。

赤道式日晷

赤道式日晷(The ERquatorial Sundial)是依照使用地的纬度,将轴(指时针)朝向北极固定,观察轴投影在垂直于轴的圆盘上的刻度来判断时间的装置。盘上的刻度是等分的,夏季和冬季轴投影在圆盘上的影子会分在圆盘的北面和南面,适合中低纬度的使用。若将圆盘改为圆环则称为赤道式罗盘日晷。

极地晷

极地晷(TheRE polar Dial)供指时针投影的平面与指时针平行,即与地平面的夹角与地理纬度相同,并朝向正北。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。适合各种不同的纬度使用。

南向垂直日晷

南向垂直日晷(Vertical Direct South Dial)刻度盘面朝向正南且垂直地面的日晷。这一种日晷较适合在中纬度(30~70)使用。

东或西向垂直式

东或西向垂直式Vertical Direct East or West)刻度盘面朝向正东或正西且垂直地面的日晷。这一种日晷只能在上半日(东向)或下半日(西向)使用,但全球各纬度都适用。

侧向垂直式

侧向垂直式(Vertical Declining)刻度盘面采用垂直方向的日晷。这一种日晷需要依照建筑物的墙面方向换算刻度,不容易制作。依季节及时间的不同,有时不会产生影子。南向与东西垂直日晷都可视为此形的特例。

投影日晷

投影日晷(Analemmatic Sundial)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。

平日晷

平日晷晷面水平放置而晷针指向北极,晷面和晷针之间的夹角就是当地的地理纬度。

3.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。中国古代测时仪器。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。因盘面安置的方向不同,日晷可分为地平日晷、赤道日晷、立晷、斜晷。日晷的早期历史尚不清楚,最早的可靠记载是《隋书·天文志》中提到的袁充于隋开皇十四年(594)发明的短影平仪(即地平日晷)。赤道日晷的明确记载初见于南宋曾敏行《独醒杂志》卷二中提到的晷影图,但晷盘是木制的。后世改用石质晷盘,金属晷针。北京故宫等处保存的都是清代制造的石质赤道日晷。赤道日晷的晷面平行于赤道面,晷针指向南北极。相持既久,日晷渐移。——明·马中锡《中山狼传》

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