小学科学教科版五年级下册高效课堂资料《太阳钟》资料：日晷

小学科学教科版五年级下册高效课堂资料
《太阳钟》资料
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。

日晷有两层含义，一般指的是第2个含义。

(1)“日”指“太阳”，“晷”表示“影子”，“日晷”的意思为“太阳的影子”。

(2)利用太阳投射的影子来测定时刻的装置，又称“日规”。

日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。

铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，起着圭表中立竿的作用，因此，晷针又叫“表”；石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。

晷面两面都有刻度，分子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二时辰，每个时辰又等分为“时初”、“时正”，这正是一日24小时。

绝大部分的日晷显示的都是视太阳时，有些在设计上作了变更，可以显示标准时或是日光节约时间。

人类使用日晷的历史非常遥远，古巴比伦在远古时期的6000年前就开始使用了，
中国是在3000多年前的周朝。

日晷不但能显示一天之内的时刻，还能显示节气和月份。

当然它的缺点也是显而易见的，笨重而且看不到阳光的时候不能用，比方阴天和晚上。

这项发明被人类所用达几千年之久，直至1270年在意大利和德国才现早期的机械钟，而中国则在1601年明代万历皇帝才得到二架外国的自鸣钟，清代时虽有很多进口和自制的钟表，但都为王宫贵府所用，一般平民百姓还是看天晓时。

工作原理
在一天中，被太阳照射到的物体投下的影子在不断地改变着：
第一是影子的长短在改变。

早晨的影子最长，随着时间的推移，影子逐渐变短，一过中午它又重新变长；
第二是影子的方向在改变。

在北回归线以北的地方，早晨的影子在西方，中午的影子在北方，傍晚的影子在东方。

从原理上来说，根据影子的长度或方向都可以计时，但根据影子的方向来计时更方便一些。

故通常都是以影子的方位计时。

随着时间的推移，晷针上的影子慢慢地由西向东移动。

移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。

早晨，影子投向盘面西端的卯时附近；当太阳达正南最高位置（上中天）时，针影位于正北（下）方，指示着当地的午时正时刻。

午后，太阳西移，日影东斜，依次指向未、申、酉各个时辰。

分类
日晷依晷面所放位置、摆放角度、使用地区的不同，日晷可分成地平式、赤道式、子午式、卯酉式、立晷等多种，应用范围也不尽相同。

按晷面的摆放角度，可分为：地平式、垂直式、赤道式。

地平式日晷
亦称水平式日晷（The Horizontal SundialE），地平日晷的晷面必须严格水平，晷面和晷针之间的夹角就是当地的地理纬度。

晷面刻度需要利用三角函数计算才能确定。

适合低纬度的使用。

由于日晷的产生是从观察阳光下竖直物体影子的方向变化而开始的，因此最早的日晷可能是地平式日晷。

但它必须在使用其他计时工具进行精确计时的条件下，根据表影随时间变化的实际情况来进行刻划，这显然是不方便的，但如果采用均匀刻划的方法又会带来相当大的计时误差。

这是地平式日晷重大的缺陷。

地平日晷制造容易，安装简便，除了把它作为一般的测时工具外，常常在城市广场、花园、道路、小区、寺堂、学校、码头和游览点等都可看到它的踪影，显得非常别致和美观。

赤道式日晷（The ERquatorial Sundial）的晷面为赤道面，依照使用地的纬度，使赤道式日晷的晷面平行于赤道面。

晷盘上的刻度是等分的，夏季和冬季轴投影在晷盘上的影子会分在晷盘的北面和南面。

适合中低纬度地区使用。

若将晷盘改为圆环则称为赤道式罗盘日晷。

赤道式日晷亦称斜晷。

赤道式日晷是日晷世界中最重要和最常见的，也是中国古代最经典和传统的天文观测仪器。

赤道式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式日晷。

极地晷（The polar Dial）晷盘与晷针平行，即晷盘与地平面的夹角和地理纬度相同，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。

垂直式日晷亦称立晷。

它是晷盘面垂直于地平面刻度盘面采用垂直方向的日晷。

欧洲的英国、法国、德国、意大利、奥地利等国，在一些古代和现代华丽的中层建筑的向南和向北(东西方向)
以及向东和向西(南北方向)的墙上，附建有各种不同色调、大小和风格相异的日晷雕塑。

垂直式日晷有标准向南、向北和向东、向西四个面，可分为三种：“垂直向南日晷”、“垂直
向北日晷”和“垂直向东和向西日晷”。

垂直向南日晷（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（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。

投影日晷不设置指时针，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，短轴指向南北向并刻上日期，指示立竿测量时刻的正确位置。

折叠式日晷
一种便于携带的日晷称为折叠式日晷，含有以绞链结合在一起的两个小晷面，通常会折叠起来放在平整的小盒子内，以方便放在口袋中。

晷针则是在两晷面之间的带子，当带子被扯紧拉直时，两个晷面会互相垂直，一个面形成垂直式日晷，另一个面则是水平式的日晷。

让两个晷面以不同的角度结合(会产生不同的投影)，折叠式日晷便可以自行调整。

当两晷面显示出相同的时间，而且绞链是水平的，折叠式日晷指示的是当地的视太阳时。

另外，当绞链朝向北方(在北半球时)，折叠式日晷被旋转了一个角度，晷针才能与地球的自转轴平行，则当正午、日出与日落时，折叠式日晷的时间不会受到纬度改变的影响，但是在早上9点和下午3点，纬度每偏差1度，在两个晷面上的时间便会相差4分钟(肇因於日晷在错误的纬度上)。

折叠式日晷可以像指南针一样来使用，甚至可以测量纬度。

有些折叠式日晷附有小的铅锤和分度器来读取正确的纬度；也有些附有指南针，可以测量地理上的特徵。

在古代，大型的(1公尺以上的)摺叠式日晷曾经被用於航海上。

等高仪日晷(Elevation sundial)可以显示正确的日期，是使用在导航与天文学上的日晷。

在设计上是一个平坦的小圆环，有一个小把手，或是像表链上的饰物，还是小装饰。

当以把手将环悬吊起来时，小孔会在环的内侧投下阴影，经由环内的标示可以显示时间，但在测量时，使用者必须知道是上午还是下午。

通常这个小孔被设置在一片可以滑动和锁住，用来调整日期的金属片上。

使用方法
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）地平式日晷：
（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：
（4）南向垂直日晷：
（5）东或西向垂直式：
（6）侧向垂直式：θ为日晷墙面的斜角
指时针与墙面垂线的夹角W，
指时针高出于墙面的夹角O，
指时针与正午线的时间线夹角R，
6点与12点时间线的夹角S，
（7）投影日晷：
时间点在长轴方向上的值：
时间点在短轴方向上的值：
椭圆长轴与短轴的比：
竖竿（人立足）的位置：，其中del为太阳的赤纬。

注意事项
使用日晷，无论是何种形式都有一根指时针（Gnomon），这根指时针与地平面的夹角必须与当地的地理纬度相同，并且正确的指向北极点，也就是都有一根与地球自转轴平行的指针。

观察这根指针在指定区域内的投影，就能确定时间。

由于日晷必须依赖日照，不能用于阴天和黑夜。

因此，单用日晷来计时是不够的，还需要其他种类的计时器，如水钟，来与之相配。

春分到秋分期间，太阳总是在天赤道的北侧运行，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，晷针的影子投向晷面的下方。

所以在春分以后看晷盘的上面；秋分以后看晷盘的下面。