制作簡易日晷

張軍

農(nóng)耕時代，為了不誤農(nóng)時，確定合適的節(jié)令非常重要。

約4 000年前，黃河流域就出現(xiàn)了圭表測影確定節(jié)氣的方法。“表”是豎直立在水平地面上的桿子或石柱，正午時分的表影會沿南北方向，投射到水平地面上；“圭”的本質(zhì)是沿南北方向平躺在地面上的刻度尺，用來測量影子的長度（圖1）。每年太陽到最南方的那一天，黑夜最長，正午時圭尺上的影子也最長，那一天確定為冬至；每年太陽到最北方的那一天，黑夜最短，正午時圭尺上的影子也最短，那一天確定為夏至。兩個夏至日或兩個冬至日之間的時間間隔就是一個回歸年了。白天和黑夜時長相等的兩天，分別為春分日、秋分日。這樣通過圭表上日影的長短，就可以將時間量化了。“一寸光陰一寸金”，能用“一寸”來形容光陰就源于此，把計(jì)時器叫作“表”也源于此。后來，有的石柱計(jì)時功能淡化，逐漸演變?yōu)閷m殿、陵墓等大型建筑物前矗立的裝飾柱，上面刻有寓意豐富的精美圖案，這就是華表了。

古人如何保證“表”是豎直立在地面上的呢？根據(jù)古籍可復(fù)原過程。將8根粗繩的一端都固定在表的頂部，把表插入坑里豎起來，讓8根繩子分別在表的東、南、西、北以及東南、東北、西南、西北8個方向垂下。當(dāng)8根繩子都貼附在表面上時，表就處于豎直狀態(tài)了。今天看來，這其實(shí)用到了重力方向總是豎直向下的原理。

表越高，圭尺越長，測量就越精確。河南登封觀星臺其實(shí)就是一套規(guī)模超大的圭表（圖2）。高聳的城樓式建筑高度超過9米，相當(dāng)于表。正午時分，陽光照射，表上部水平放置的銅橫梁的影子便會落在圭上。圭則是一個南北走向、平躺在地面上的長堤形青石建筑，長度超過30米。石圭上表面有兩股水道，水道里注入水流，即可檢測圭面是否水平。我們也可以做個類似實(shí)驗(yàn)，在桌面上放個金屬卡槽，在槽內(nèi)注入水，根據(jù)卡槽邊緣到水面距離相等，就可以判斷卡槽上表面是水平的了（圖3）。

觀星臺由元朝郭守敬主持設(shè)計(jì)建造。郭守敬團(tuán)隊(duì)推算的回歸年為365.242 5天，與地球繞太陽公轉(zhuǎn)的實(shí)際時間僅差幾十秒，這在當(dāng)時是非常了不起的成就。

“日”當(dāng)然指太陽，“晷”是太陽投射的影子。

日晷由晷針和晷面組成。晷面是一個大圓盤子，通常用石頭制作。晷針垂直穿過晷面中心，相當(dāng)于“表”，通常用銅制作。日晷安放在石臺上，晷面呈南高北低傾斜；晷針的上端指向北天極，下端指向南天極（圖4）。

當(dāng)太陽從空中經(jīng)過時，晷針落在晷面的影長和方向都在發(fā)生變化。按道理，根據(jù)影長或方向都可以計(jì)時。家里如果有院子或開放的陽臺，就可以體驗(yàn)一下影子計(jì)時了。找個平面，畫個圓（相當(dāng)于晷面），在圓心豎直固定一根竹簽（相當(dāng)于晷針）。每過1小時，用筆在平面上描出竹簽影子，并標(biāo)上對應(yīng)的時刻。第二天再來描影子，看一下同一時刻的影子與上一天是否重合。你會發(fā)現(xiàn)，相鄰的幾天內(nèi)，影子通常并無太大變化。但是，相等的時間內(nèi)對應(yīng)的影子夾角大小不相等。

有沒有什么辦法讓相鄰影子之間的夾角相等呢？

把晷面抬起來，使其與赤道面平行，這時晷針上端指向北極星方向。由幾何知識可知，晷針與水平面的夾角α的度數(shù)正好等于當(dāng)?shù)氐木暥龋▓D5）。這時，經(jīng)過相等的時間間隔，晷針影子轉(zhuǎn)過相同的角度，這樣一來，晷盤上的時刻就可以等分了，這就是赤道式日晷的工作原理。我國大部分地區(qū)都位于北半球的中低緯度地區(qū)，比較適合使用赤道式日晷。每年春分之后，晷針的影子落在晷盤的正面；秋分之后，晷針的影子則落在晷盤的背面。晷盤正面，晷針影子按順時針方向轉(zhuǎn)動；晷盤背面，晷針影子則按逆時針方向轉(zhuǎn)動。

當(dāng)然，日晷上也可以標(biāo)出季節(jié)和月份。

可以先在紙上畫出晷面正面（圖6）與背面（圖7）的時刻，然后剪下來貼到晷面上。晷盤可以用KT板、泡沫板制作，也可以用硬質(zhì)的卡紙制作。晷針用竹簽即可，但是，如何讓晷針與晷盤保持垂直并且固定牢靠，大家就要多動點(diǎn)兒腦筋了。

注意：要讓晷針下端與水平面的夾角等于當(dāng)?shù)氐木暥龋▓D8）。

制作完成以后，放在水平窗臺上，中午12點(diǎn)時，微調(diào)晷面朝向，讓晷針的影子與指向12點(diǎn)的刻度線重合，這個日晷就可以真正用來計(jì)時了。

有興趣的同學(xué)還可以查閱資料，了解一下地平式日晷和垂直式日晷的工作原理與制作方法。

（責(zé)任編輯：白玉磊）