专题7+日晷的使用原理

1 专题专题专题专题 7 7 7 7 日晷的使用日晷的使用日晷的使用日晷的使用原理原理原理原理 圭表圭表圭表圭表：立竿立竿立竿立竿测影测影测影测影 史记司马穰苴列传中有立表下漏的记载，表指的是圭表，是古人最 早用来校正时刻的工具圭表由两部分 组成：直立在平地上的标竿或石柱，叫 做表；平放地上的带刻度的板，叫做圭 圭和表互相垂直，组成圭表，古籍上也 称土圭圭表其实就是立竿测影 ，当 表影（竿影）为最短且指向正北时，为 当地地方时的正午时刻，每天以正午时 刻来校正漏刻（沙漏水漏）的快慢 动脑动脑动脑动脑思考思考思考思考 一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴是大家熟悉的惜时警句，用光阴、 长度单位寸来衡量时间，反映出早期人们使用的计时工具是什么？ 动动动动手手手手：测量测量测量测量、观察正午太阳高度的季节变化观察正午太阳高度的季节变化观察正午太阳高度的季节变化观察正午太阳高度的季节变化 我们可以简单地用“立竿测影”来研究上海地区正午太阳高度的季节变化。 1、 准备一根直杆，最好是长 1 米或 2 米的整数； 2、 当地 12 时，将杆垂直树立在操场平地上，测量指向正北的影子长度； 3 计算出正午太阳高度的数值。根据tgH=ABBC，求得H的度数； 地平面地平面地平面地平面 H 北北北北 南南南南 A B C 圭表圭表圭表圭表 2 4 间隔一段时间，用同样的方法观测得到不同季节的正午太阳高度，记录下来； 5、 分析上海正午太阳高度随季节变化的规律。 日晷的日晷的日晷的日晷的种类种类种类种类 日晷(gu)是古代测时的仪器，晷即影子日晷由晷针和晷盘组成，晷盘 上有时间刻度，观察晷针影子在晷盘面上的位置和方向可以测定时间日晷在 阴雨天和夜里无法使用，直至 1270 年在意大利和德国才出现早期的机械钟 因晷盘安置的方向不同，日晷有多种类型无论是哪种形式的日晷，指时 的晷针与地平面的夹角，必需与当地的纬度相同并指向正北，也就是说晷针与 地球自转轴平行几种最常用的日晷简单介绍如下： 1地平式日晷：晷盘面与地面平行，是最常用的日晷，适合低纬度使用 地平地平地平地平式式式式日晷日晷日晷日晷 地平地平地平地平式式式式日晷日晷日晷日晷 2赤道式日晷；晷盘面与赤道平行, 晷针垂直于晷盘, 晷针倾斜的角度 等于当地的纬度，且晷针一端朝向北极固定若将晷盘的圆盘改为圆环则称为 赤道式罗盘日晷 日期 杆长 (厘米) 正午影长 (厘米) tgH 正午太阳 高度H 3 北京北京北京北京故宫故宫故宫故宫的赤道式日晷的赤道式日晷的赤道式日晷的赤道式日晷 赤道式罗盘日晷赤道式罗盘日晷赤道式罗盘日晷赤道式罗盘日晷 赤道式罗盘日晷赤道式罗盘日晷赤道式罗盘日晷赤道式罗盘日晷 3南向垂直日晷：有刻度的晷盘面朝向正南且垂直地面这一种日晷适 合在中纬度使用 4极地日晷：有刻度的晷盘面与晷针平行，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 4 地平地平地平地平式式式式日晷日晷日晷日晷的的的的原理原理原理原理 地平式日晷的晷盘面水平放置，晷针的放置沿着正南北方向，晷针的倾斜 度等于使用地的纬度，时间刻度不均匀，需要利用三角函数计算才能确定 假设地理纬度为，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，则计算式为：tan（A）=tan（T）*sin（） 地平地平地平地平式式式式日晷的日晷的日晷的日晷的时间刻度线时间刻度线时间刻度线时间刻度线 对于 31N 的上海地区，地平式日晷的各时间刻度线与上下午 6 时水平线 之间的夹角度数如下： 6AM & 6PM =0.0 7AM & 5PM =27.50113 8AM & 4PM =48.27468 9AM & 3PM =62.75554 10AM & 2PM =73.44287 11AM & 1PM =82.14395 地平式日晷可以根据个人喜好，设计成不同的形式 不同形式的地平不同形式的地平不同形式的地平不同形式的地平式日晷式日晷式日晷式日晷 1 1 1 1 6 6 12 9 8 7 10 11 1 2 3 4 5 上午上午上午上午 下午下午下午下午 5 不同形式的地平式日晷不同形式的地平式日晷不同形式的地平式日晷不同形式的地平式日晷 2 2 2 2 不同形式的地平式日晷不同形式的地平式日晷不同形式的地平式日晷不同形式的地平式日晷 3 3 3 3 动动动动手手手手：地地地地平平平平式式式式日晷日晷日晷日晷的制作的制作的制作的制作 利用附件中的素材和课文中的数据，用硬纸板等常用物品，制作一个适合 上海地区的简易地平式日晷，并验证其精度。 6 赤道式日晷赤道式日晷赤道式日晷赤道式日晷的原理的原理的原理的原理 赤道式日晷适合中低纬度使用， 圆盘面与赤道平行, 圆盘上的刻度是等分 的，晷针垂直于圆盘, 晷针倾斜的角度等于当地的纬度，晷针的位置沿着正南 北方向，晷针的上端指向北天极，下端指向南天极 赤道式日晷赤道式日晷赤道式日晷赤道式日晷的原理示意图的原理示意图的原理示意图的原理示意图 值得注意的是，赤道日晷的晷面正反两面都有时间刻度，在使用观察赤道 日晷时，要了解两个不同阶段晷针的投影位置： 夏半年(从春分到秋分)，太阳在天赤道的北侧，因此，晷针的影子投向晷 面的北面；冬半年（从秋分到春分） ，太阳在天赤道的南侧，因此晷针的影子 投向晷面的南面 赤道日晷的不足之处是，春分和秋分日前后，太阳光与晷面平行，难以从 晷面上读数，不能测定时间 上海的上海的上海的上海的城市雕塑城市雕塑城市雕塑城市雕塑：世纪日晷世纪日晷世纪日晷世纪日晷 位于上海浦东世纪大道与杨高路交汇处开阔的环岛上， 有一个大型金属雕 塑，以日晷为原形，用不锈钢管构成错综的网架结构，垂直高度达 20 米日 晷令人联想到遥远的历史，上小下大椭圆的晷盘又象征地球，晷针穿过的中 点代表中国，同时整件雕塑的造型像是某种高科技卫星天线 这个名为东方之光的世纪日晷，以一天的时间变化表现时间的主题， N S 12 6 18 15 9 7 象征性地突出跨世纪的重大时间主题， 是现代建筑语言和当今高科技语言的完 美结合 该艺术雕塑兼有计时功能， 曾得到中科院上海天文台专家在测定方位 角度等天文学方面的支持 不难判断，世纪日晷是赤道式日晷 上海上海上海上海浦东浦东浦东浦东城市雕塑城市雕塑城市雕塑城市雕塑世纪日晷世纪日晷世纪日晷世纪日晷 日晷日晷日晷日晷测时的精度调整测时的精度调整测时的精度调整测时的精度调整 日晷测得的时间叫真太阳时（又叫视太阳时） 钟表时刻的变化是匀速的， 而太阳周年视运动（地球的公转运动）是非匀速的，因此日晷测得的真太阳时 与钟表比较，在一年之内有时要快一些，有时要慢一些，最大可超前 16 分 33 秒（大约在 11 月 3 日）或落后 14 分 6 秒（大约在 2 月 12 日） 我们使用视运动为匀速的假想太阳来确定钟表时刻，叫平太阳时，两种太 阳时之间存在时刻差，简称时差必需把日晷测得的真太阳时换成平太阳时： 平太阳时=真太阳时-时差 时差的变化可以查阅天文年历可以依据下表对时差进行大致的估算 另外，日晷测得的时间是地方时，因为经度的不同，与我们手表统一的北 京时间存在差异，比如闵行三中操场的经度是 1212453.8E，比北京时 间快 6 分钟，所以把日晷测得的时间，除了要换成平太阳时，还要减去 6 分钟， 得到的才是当时北京时间的时刻 比如，2 月 20 日，日晷测得的地方时的时刻是 11 时 20 分，这是真太阳时； 减区该日的时差-14 分 ，得到的平太阳时是 11 时 36 分；再去 6 分钟，得到 的是此刻的北京时间 ，为 11 时 30 分 8 真太阳时与平太阳时的时差真太阳时与平太阳时的时差真太阳时与平太阳时的时差真太阳时与平太阳时的时差对照表对照表对照表对照表： 时间 时差 时间 时差 时间 时差 时间 时差 1.1 日 -3 1.10 日 -7 4.10 日 -1 7.10 日 -5 10.10 日 +13 1.20 日 -11 4.20 日 +1 7.20 日 -6 10.20 日 +15 1.30 日 -13 4.30 日 +3 7.30 日 -6 10.30 日 +16 2.10 日 -14 5.10 日 +4 8.10 日 -5 11.10 日 +16 2.20 日 -14 5.20 日 +4 8.20 日 -3 11.20 日 +14 3.1 日 -12 5.30 日 +3 8.30 日 -1 11.30 日 +11 3.11 日 -10 6.10 日 +1 9.10 日 +3 12.10 日 +7 3.21 日 -7 6.20 日 -1 9.20 日 +6 12.20 日 +2 3.31 日