四大古天文仪器.doc

四大古天文仪器之天球仪我们现在看到的古天文仪器是天球仪，它主要是象征天球运动，表演天象变化的仪器。天球仪的基本构造是这样的：外面的大圈是同大地平行的地平圈，与之垂直的是天子午圈。浑象的基本形状是一个大圆球，象征天球。大圆球可以绕着中间的轴转动。这个轴和地球的自转轴平行，并且和天子午圈相交于北天极和南天极。大圆球上可以看到黄道、赤道、银河、二十八星宿、和1449颗恒星。大圆球表面的铜钉便象征着这些恒星。你们可能已经注意到铜钉的大小不一，这是表示我们肉眼见到的恒星的亮度是不一样的。按照恒星的亮度，将其分为六个亮度。一等星最亮，六等星最暗。当然还有数不尽的我们肉眼看不到的恒星没有标注在上面。一说在周朝战国时的石申、甘德最早制作浑象，还有一说在西汉末年杨雄在法言 重黎里面提到：“或问浑天，曰：落下闳营子，鲜于妄人度之，耿中丞象之”，西汉的大司农耿寿昌“铸铜为象，以测天文”（公元前52年）。可惜，耿寿昌的浑象和著作都未能保留下来，我们无法知道其具体结构。我们能看到的最早有关浑象记载的是东汉张衡的浑天仪图解。张衡在前人的基础上制造了水运浑天仪，利用水作为动力驱动齿轮，带动天球绕轴旋转，速度同天空的周日运动一致。把仪器放在室内，即使是白天和阴雨多云之夜，也能够根据天球仪的旋转知道天象变化。历代制造的浑象大多已经毁亡，现存仅有两架，一架是我们眼前的这架，它是清政府在1903年按照1900年八国联军打进北京时抢走的大天球仪复制而成的。大小只有原来的一半，因此也称作折半天球仪。还有一架放置在北京建国门的古观象台，由康熙的一位老师南怀仁建造。恒星在天球上的位置是如何确定的？那我们朝下参观古代的“望远镜”。四大古天文仪器之浑仪浑仪是以浑天说为理论基础制造的古代测定天体位置的一种仪器。它是由相应天球坐标各基本圈的环规及瞄准器构成的主体及龙形、鳌形等装饰物组成。浑仪的主体结构由三重换组成。他们分别是六合仪、三辰仪和四游仪。六合仪是浑仪的最外一层，也是整个浑仪的框架。六合指的是天、地及四方，共六个方向。六合仪由三个环组成：天子午圈、天赤道圈和地平圈。天子午圈和地平圈垂直相交（正交），天赤道圈和地平圈夹角是浑仪使用地的地理纬度。天赤道圈和中间天轴的交点是北极和南极，分别指向北天极和南天极。六合仪是固定不动的，由龙柱和云柱支起。天子午圈是垂直立起的两个并列的环。每个环的环面都刻有周天三百六十五又四分之一度。地平圈又名阴维环，同地面平行的单环。地平圈上有沟槽，可以放置水以显示地平圈是否放平。地平圈外刻有四维、八天干和十二地支，共24个方位。天赤道环又名百刻环，是斜立的单环。天赤道环与地球的赤道平衡。环的一面刻有周天三百六十五又四分之一度，另一面刻一天一百刻。三辰仪是浑仪的第二层，由一天轴贯穿其中，而天轴在南北二天极同六合仪相接。三辰仪中的三辰分别指的是日、月、星三种天体。三辰仪可以以天轴为轴心转动。三辰仪由二分圈、二至圈、游走赤道环和黄道环组成。游走赤道环位于天赤道环内，与天赤道平行，是一单环。环上刻有二十八星宿和周天三百六十五又四分之一度，环内刻有二十四节气，六十四卦，环外刻有七十二候。在太阳于二分二至所到之处，与二分二至圈相交。游走赤道圈可以以天轴为轴心旋转。黄道环是与黄道平行的双环，与赤道成约为23度26分。黄道环可以与赤道环一起运转。四游仪包括窥管和夹着窥管的双重圆环的四游环组成。窥管是一根中空的管子，类似于近代天文望远镜，只是没有镜头不能起放大作用。四游环也叫赤经环，环面上刻有周天度数。窥管可以在四游圈里游走，而四游圈可以绕着天轴旋转，因此可以对夜晚全天中的星体进行观测和确定位置（定标）。浑仪可以一次性读出星体在地平、赤道和黄道坐标系统下的坐标。史籍记载浑仪的建造始于西汉时期的蜀郡人士落下闳，但是此仪器的始造可能更加久远。经过发展，在唐代由李淳风定下了比较精密完善的浑天仪制作。我们现在看到的浑仪是明朝正统年间（14371442年）按照元代郭守敬监制的浑仪仿制而成。1900年，八国联军打进北京。浑仪被德国军队掠到德国，安置在波茨坦离宫前的草坪上。第一次世界大战，德国战败。根据凡尔赛和约，浑仪同其他被德国军队抢去的天文仪器于1921年送回北京古观象台。1931年“九一八”事变发生，浑仪同其他古天文仪器于1933年运到南京，并于1934年春安置在紫金山天文台。1937年7月7日，“卢沟桥事件”爆发，天文台的大部分古天文仪器跟随金陵大学迁入内地。抗日战争胜利后，于1946年，回到南京紫金山。四大古天文仪器之简仪浑仪可以一次性确定星体在三种坐标系统下的坐标，但是它具有的缺点却也很明显。一个球体的空间是很有限的，在里面大大小小安装了好几个环，并且一环套一环，重重掩蔽，把许多天空区域都给遮住了，这就缩小了仪器的观测范围。于是，元代郭守敬只保留了浑仪中的最主要的两个圆环系统，并且把其中一个圆环系统分开出来独立成一个仪器；将其他的圆环系统和起支架作用的圆环全部撤除，仅用一对弯拱形的柱子和另外四条柱子承托着赤道圆环系统。这样，圆环四面凌空，无一遮掩。这种结构比起原来的浑仪，实用又简单，便取名为“简仪”。简仪主要包括两个圆环系统，即赤道系统和地平系统。赤道系统也称作赤道经纬仪，包括赤道仪和四游仪。赤道仪包括刻满二十八宿、周天刻度的内赤道环和刻有时辰刻度的外赤道环（百刻环）。内赤道环和百刻环平行，由云架和十字框架支撑与承托；四游仪主体是四游双环，安装在南北极轴上，双环以南北极成的天轴绕北天极转动；双环上刻有周天度数；其中一个环上带有窥管，窥管可以绕着四游环转动。地平系统也称作地平经纬仪或立运仪。立运仪在北天极下方，接连底座；地平圈（阴纬环）垂直平放在立运环下方，绕环心转动；立运环立于云架之下垂直转动，两环均有刻度；当立运环和窥管对准目标天体时便可以在刻度环上读出天体的地平方位和天体高度。候极仪包括位于南极云架顶端的上规和里面的定极环，加上赤道系统即可通过调节仪器极轴方向测量北极星过上中天的时刻。正方案已经散失，明朝仿制品改为地平式日晷。简仪的创制，是我国古代天文仪器制造史上的一大飞跃，是当时世界上的一项先进技术，欧洲直到三百多年后的1598年由丹麦天文学家弟谷发明与之类似的装置。郭守敬创制的简仪，在1715年（清康熙）被钦天监传教士纪里安当成废铜给融化了。保留在天文台的简仪是明代正统年间复制而成的。1900年，八国联军入侵北京时，该仪器被法国掠到法国驻华大使馆，迫于世界舆论压力，于1902年归还我国。同浑仪一起运到南京紫金山天文台。由于逃避战火，和经历风吹雨打、腐蚀剥落以致于在上世纪80年代处几近被毁，南京当局于1988年花费11个月对该仪器进行修复。日晷是我国古代利用太阳的影子测得时刻的一种计时仪器。日晷由晷针和晷盘组成，晷盘上有时间刻度，通过晷针在晷盘上的影子方向就能测定时间。根据晷盘安置的方向不同，日晷又可以分为地平式日晷、赤道式日晷、立晷、斜晷等。我们看到简仪上的日晷是地平式日晷。四大古天文仪器之圭表圭表是中国古代根据太阳影子长度变化测定季节、划分四节和推算历法的工具。圭表由“圭”和“表”组成。表是一根垂直立于地面的杆，圭是平行地面的水平标尺，并指向正北。正午时，表的影子落在圭的刻度上，影子最短定为夏至，影子最长定为冬至。这样可以通过测量两次正午表影最长的时间间隔确定一回归年的长度。我国古代用这种方法测定出一个回归年的长度为365又四分之一天，与现代精确测量的结果365.2422天仅相差11分钟。而元代郭守敬所计算的回归年长度和现代测量结果仅仅差了26秒。此前圭表会遇到几个困难：1：表影边缘不清晰，影子的镜头很难判断，影长就测不准:2：测量影子的技术不精密。古代量长度的尺子，一般只能量到分，往下可以估计到厘。按照传统方法，测量冬至影长，如果量错一分，这样推算出来的冬至时刻就会有一个或半个时辰的误差。这在天文历法上是很大的误差。以前圭表的“表”一般高八尺。而郭守敬设计的圭表，将表的高度增高至40尺，因表影边缘不清造成的误差就相应的减小，测量的数据便精确多了。郭守敬还创造了称为“景符”的辅助仪器，用于提高测量效果。景符实际上就是影符。它是一片青铜叶的正中开了一个针孔那样的小孔。将景符放置在圭面上，正对太阳，日光通过小孔，射到圭面上，就会形成极微小但是很明亮的太阳像。测量正午日影时，先将景符放在圭面上影端旁边，使符面垂直于日光，然后前后移动景符，使太阳、高表顶部横梁与符上小孔三者正好处在同一条直线上，那么，圭面上所显露出的太阳像跟米粒大小，亮晶晶的，中间有一条细如发丝的横梁影子，立刻记下它的位置，就可以测量日影的长度了。这是利用针孔成像的办法，使高表横