圭表

2022年4月28日光学426阅读模式

中国古代最早使用的计时工具称为圭表,圭表,是度量日影长度的一种天文仪器,圭表由“圭”和“表”两个部件组成,垂直立于平地上的标杆称为表,南北方向平放的测影尺称为圭,两者以直角相接。

圭表

圭表

圭表和日晷一样,也是利用日影进行测量的古代天文仪器。所谓高表测影法,通俗的说,就是垂直于地面立一根杆,通过观察记录它正午时影子的长短变化来确定季节的变化。

周朝时期,周公在河南登封(34°N)“垒土为圭,立木为表,测日影,定四时”,通过观测一年中每天正午投在地上的影子长度变化来测量二十四节气。

圭表

圭表

1279年,元代杰出天文学家郭守敬在河南登封的告成镇设计并建造了一座测影台——河南登封观星台,它是中国现存最早的古代天文台。

早在公元前20世纪,陶寺遗址时期,我国中原地区已使用圭表测影法。到了汉时期,学者还采用圭表日影长度确定“二十四节气”,采用圭表测影法定出黄河流域的日短至(白昼最短)这天作为冬至日,以冬至日为“二十四节气”的起点,将冬至到下一个冬至之间的时间段分割为24段(每段15日),每两个节气之间的天数平均。古人把这种方法叫“平气法”(又称“平均时间法”)。先测出冬至日因为冬至时影子最长,其相邻几天的影长变化最为明显,更利于观测记录。

这样,圭表不仅可以用来制定节令,而且还可以用来在历书中排出未来的阳历年以及二十四个节令的日期,作为指导汉族劳动人民农事活动的重要依据。将表影的长度以一年为周期标在一个圆上,圆心为表的立点,形成的图就是中心不为零的太极图,进行消除零半径的中心点,形成的太极图就是常见的二十四节气太极图。

利用圭表确定节气

由于地球公转时,太阳直射点的南北移动,同一地点正午的表影长度在一年之内做周期性的变化,因此根据表影长度变化规律,就可以确定二十四节气。但是圭表只适合北回归线及其以北的地区,而且受圭表的精确度及天气状况等影响较大。

利用圭表确定节气

利用圭表确定节气

利用圭表确定节气

利用圭表确定节气

一年中,冬至日正午太阳高度最低,杆影最长,夏至日太阳高度最高,杆影最短。圭表测影法先测出冬至日,是因为冬至时影子最长,其相邻几天的影长变化最为明显,更利于观测记录。这说明太阳高度变化幅度相同时,杆影的变化幅度不同,正午太阳高度小的时段,影长变化幅度大。

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