日晷为什么有两个晷面(一起读科普杂志)

一、日晷的由来

日晷为什么有两个晷面(一起读科普杂志)(1)

日晷,本来的意思是太阳的影子。晷在说文解字里解释:晷,日景也(古代景同影)。后来人们也把用日影计时的仪器,叫做日晷,也称“日规”。世界上许多民族都有用日晷计时的历史。在没有钟表的古代,日晷是主要的计时工具,所以各民族都发展了很多种类的日晷,例如地平式、子午式、卯酉式、立晷等。

赤道式日晷很适合中纬度地区使用,而且原理简单,使用方便,是日晷种类中最重要的和最常见的,也是中国古代最经典和传统的天文观测仪器。所以,现在中国的很多学校都安装了赤道式日晷做教学用。

有同学问:赤道式日晷的晷针为什么要穿透晷盘的两面?晷盘为什么两面都有刻度?两面都有用吗?要回答这些问题,先要了解赤道式日晷的结构和原理。

二、赤道式日晷的结构

赤道式日晷一般由底座、晷盘和晷针组成(见图1)。晷盘倾斜地架在底座上,且正面和背面均有等分的刻度,晷针垂直穿过晷盘面中心,在晷盘的正面和背面露出同样的长度。日晷工作时,太阳照在晷针上,其投影指向晷盘面上(正面或者背面)的刻度,这样就可以指示太阳在天上的运动轨迹,从而指示时间,这个时间就是当地的真太阳时。

赤道式日晷最关键的是晷盘面与地平面(水平面)的傾斜角度A,要与当地日出到正午太阳上升的倾斜角度一致(即A=90°-Φ,Φ是当地的地理纬度)。因为晷针与晷面垂直,所以晷针与地平面夹角就是当地的地理纬度Φ(∠A与∠Φ互佘)(见图1)。

这样就使晷针指向北极,晷盘面与赤道面平行。

三、赤道式日晷的工作原理

日晷安装时,盘面朝北,晷针正面指向北极星方向。由于晷针与地球的自转轴平行,晷盘面与赤道面平行,所以从晷针上看太阳的视运动,是在天空中转的圆圈。因此,太阳在晷针上投下的影子转动的角度就是均匀的,即每小时15°(与地球自转速度,即太阳视运动速度一致)。这样,晷针影子在表盘上所指示的刻度就能表示当地的真太阳时间(图2)。

四、赤道式日晷的使用方法

每年春分日(约3月21日)后到当年的秋分日(约9月23日)前,太阳运行轨迹高于日晷盘面,晷针正面的影子在晷盘正面指示时间(见图3)。

每年秋分日后(约9月23日)到第二年的春分日(约3月21日)前,太阳运行轨迹低于日晷盘面,晷针背面的影子在晷盘背面指示时间(见图4)。

每年春分日和秋分日这两天,太阳运行轨迹平行于日晷的盘面,所以这两天日晷正面和背面的晷针都没有影子,也就是这两天赤道式日晷是不能指示时间的。

文章摘选自《军事文摘科学少年》2019.02

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