第315章 古代天文工具与测量原理（2/2）

测量方法：某地所在的经线平面与本初子午线平面之间的夹角就是该点的经度。

范围：从本初子午线的0°向东至东经180°，向西至西经180°。东经180°和西经180°是同一根线，即“国际日期变更线”。

单位：同样为度(°)、分(′)、秒(″)。

3.重要特征：

所有经线都汇集于南北两极，长度相等。

经度与时间直接相关。地球每24小时自转360°，因此每1小时对应15°经度。

4.如何记忆？

“经”字是丝字旁，让人联想到“竖线”、“纵向”。

地图上的经度线正是连接南北两极的竖线（弧线）。

所有经线长度都相等。

三、经纬度如何共同工作？——定位一个点

我们可以把经纬度系统想象成一个坐标网格：

1.纬度（横线）告诉你需要沿着南北方向走哪条“街”。

2.经度（竖线）告诉你需要沿着东西方向走哪条“道”。

只有“街”和“道”交叉的地方，才是精确的位置。

举例：北京故宫的坐标大约是北纬39°54′，东经116°23′。

北纬39°54′告诉我们：它在赤道以北约39.9度的“横线”上。

东经116°23′告诉我们：它在格林尼治本初子午线以东约116.4度的“竖线”上。

这两条虚拟的“线”在全球唯一相交的点，就是北京故宫的位置。

总结与类比

|特征|纬度(Latitude)|经度(Longitude)|

|方向|南北方向|东西方向|

|基准线|赤道(0°)|本初子午线(0°)|

|范围|0°to90°N（北）orS（南）|0°to180°E（东）orW（西）|

|线缆特征|平行线，长度不等|汇于两极的竖线，长度相等|

|记忆口诀|“横纬竖经”|“横纬竖经”|

也可以理解为，纬腰带，经圆1

所以，“经纬”具体指的就是经度和纬度这一套全球通用的地理坐标系统，它是地图学、导航、天文测量和所有地理信息系统（GPS）的基础。

日晷——这个古代世界最优雅、最普遍的计时工具。

日晷（SunDial），顾名思义，就是“太阳的指示器”。它是一种通过观察太阳投射指针（称为晷针）的影子位置来测量时间的装置。

一、核心原理

日晷的计时基于两个基本原理：

1.太阳的视运动：由于地球自转，我们从地面上看，太阳仿佛在天空中由东向西移动。

2.影子的变化：一个固定物体的影子，会随着太阳位置的移动而规律地移动。影子就像是太阳在天空中的指针。

二、主要类型与结构

日晷种类繁多，但最常见、最经典的是赤道式日晷。

1.赤道式日晷

这是设计最直观、最符合天文学原理的日晷。

结构：

晷面（DialPte）：一个平行于天赤道平面的圆盘。因此，在中国，它需要与地面呈一个角度（角度=90°当地纬度）。例如，北京纬度约40°，晷面与地面的夹角就是50°。

晷针（Gnoon）：一根垂直于晷面、穿过晷面中心的金属杆。晷针必须平行于地球的自转轴，即指向北天极（北极星附近）。

计时原理：

太阳照射晷针，在晷面上投下影子。

由于晷面平行于天赤道，太阳每天视运动的轨迹也是平行的，因此影子的移动是均匀的。

晷面上的刻度是等分的，每小时对应15°（因为360°/24小时=15°）。

特点：计时均匀，设计科学。但有个缺点：在春分之后，太阳在天赤道以北，照射晷面上表面；秋分之后，太阳在天赤道以南，照射晷面下表面。因此很多赤道式日晷会做成双面的，两面都刻有刻度。

2.地平式日晷

这是最常见、也最易于安装的日晷，但设计更复杂。

结构：

晷面：水平放置。

晷针：仍然需要指向北天极（与当地纬度角相同）。

计时原理：

晷针的影子投射在水平晷面上。

由于晷面是水平的，而太阳的运动轨迹与地平线不平行，导致影子的移动速度不均匀（上午和下午慢，中午快）。

因此，晷面上的时间刻度是不等距的，需要通过复杂的三角计算来刻画。

特点：安装方便，但刻度不均匀，设计计算复杂。

十二时辰完整划分及对应时间：

子时?（23:001:00）：夜半，又名子夜、中夜，象征一日之始。??

丑时?（1:003:00）：鸡鸣或荒鸡，牛反刍时段。

寅时?（3:005:00）：平旦，黎明前夕，虎始活跃。??

卯时?（5:007:00）：日出，太阳初升，官员“点卯”时段。??

辰时?（7:009:00）：食时，古人早餐时间。??

巳时?（9:0011:00）：隅中，临近中午，蛇匿草丛。??

午时?（11:0013:00）：日中，太阳正中，午休时段。??

未时?（13:0015:00）：日昳，太阳西斜。??

申时?（15:0017:00）：晡时，古人晚餐前活动时间。??

酉时?（17:0019:00）：日入，日落归家，鸡归巢。??

戌时?（19:0021:00）：黄昏，天将黑未黑，点灯时分。??

亥时?（21:0023:00）：人定，夜深安寝。??

三、如何读取时间？

以赤道式日晷为例：

1.看影子的尖端：读取晷针影子尖端所指的刻度。

2.辨认刻度：晷面上的刻度是小时线，影子指向哪条线，就是大概几点。

3.注意“真太阳时”：日晷显示的是“真太阳时”，即根据太阳真实位置确定的时间。这与我们手表上使用的“平太阳时”（将一年中的真太阳时平均化后的时间）有差异，这个差异称为“时差”。时差在一年中会在快几分钟和慢十几分钟之间变化。所以日晷显示的时间与钟表时间通常有出入。

四、优点与局限性

优点：

结构简单，无需动力：完全依靠自然现象运行。

可靠耐用：只要制作精确，可长期使用。

直观展示天文：是天文知识的立体教学模型。

局限性：

依赖阳光：阴天、雨天、夜晚完全无法使用。

显示“真太阳时”：与现代标准时间存在“时差”，需换算。

有地域性：一个日晷只能在特定的纬度使用。如果把它搬到另一个纬度城市，晷针的倾斜角度和刻度都会失效。

文化意义

日晷远不止是一个计时工具。它象征着：

时间的流逝：“寸光阴”原意就是指日晷上影子移动一寸所代表的时间。

科学精神：是人类将天文观测应用于日常生活的伟大发明。

古典与优雅：至今仍常见于公园、花园、大学和古建筑中，作为一种雕塑和文化的象征。

总结来说，日晷是人类智慧与自然规律完美结合的典范，它静静地矗立在那里，用影子无声地诉说着宇宙的秩序和时间的脚步。

古人没有太阳时怎么看时间:水钟与沙漏

浑仪——这件中国古代天文学史上最辉煌、最复杂的仪器之一。

浑仪是中国古代用于测量天体位置的精密天文仪器。它的诞生和发展，集中体现了中国古人对宇宙的认知和探索所达到的极高成就。

一、核心功能与地位

功能：主要用于精确测量天体的赤道坐标（入宿度和去极度，相当于现代的赤经和赤纬），也可以测量黄道坐标和地平坐标。

地位：在古代，其地位相当于今天的大型天文望远镜或空间观测站，是国家级的科研设备，由皇家天文机构（如司天监、钦天监）掌管使用。

二、结构解析：嵌套的圆环宇宙

浑仪的设计哲学是“浑天如鸡子”的浑天说宇宙模型。它是一套由多个纯金属（通常是青铜）圆环嵌套组合而成的复杂仪器。主要组成部分包括：

1.基本框架（固定部分）：

这些环固定在一起，代表了宇宙的基本参考系。

子午环（双环）：安装在正南北方向上的固定双环，代表子午圈。它是仪器的基本骨架，用于校准方位。

地平环：水平放置的单环，代表地平圈。上面刻有方位（如二十四向）。

天常环：一个与地平成特定角度（等于当地纬度）固定的环，有些设计中它代表赤道环的基座。

2.可旋转部分（测量部分）：

这些环可以绕极轴旋转，用于瞄准和读数。

赤道环：这是最核心的环。它平行于天赤道安装，上面精确地刻有365.25度（与中国古度一周天度数一致）或更精细的刻度（如365又1/4度）。所有天体的位置最终都以此环为基准进行测量。

四游环（双环）：嵌套在赤道环内的一对双环，可以绕极轴在赤道平面内东西方向旋转。它相当于现代望远镜的赤经轴。

窥管（望筒）：一根贯穿四游环南北极轴的管子和一条照准线。它可以南北方向在四游环的环面内俯仰转动，相当于现代望远镜的赤纬轴。

窥管是真正的“瞄准器”，天文学家通过它来对准要观测的星星。

三、工作（测量）原理：如何用它测星？

以测量一颗恒星为例，古代天文学家的操作流程如下：

1.校准：

首先调整整个浑仪，确保子午环精确对准正南北方向。

调整赤道环的倾角，使其平面与天赤道平行（即与地平面的夹角等于90°减去当地纬度）。

2.瞄准：

松开四游环和窥管的卡扣。

转动四游环（调整赤经方向），然后俯仰转动窥管（调整赤纬方向），直到能从窥管中看到目标恒星正好位于照准线的中央。

3.读数：

一旦瞄准，立即锁紧所有卡扣。

读取去极度：在四游环上读取窥管所指的刻度，这就是该恒星距离北天极的角度（“去极度”）。

读取入宿度：在赤道环上读取四游环所指向的刻度。这个刻度通常以“距星”（28宿中的标志星）为参考，表示该恒星与某个距星之间的赤经差（“入宿度”）。

通过这两个读数，就唯一地确定了这颗恒星在天空中的位置。

四、历史演变与意义

起源与发展：相传为西汉的落下闳等人发明，历经历代天文学家（如东汉的贾逵、张衡，唐代的李淳风、一行，元代的郭守敬）不断改进，结构从简单到复杂，精度越来越高。

简化与巅峰：元代郭守敬发现过于复杂的环圈会互相遮挡，影响观测。于是他大胆革新，创造了结构简化、精度更高的简仪。简仪将赤道坐标和地平坐标分离为两个独立的装置，是当时世界最先进的天文仪器。

意义：

科学价值：凭借浑仪，中国古代天文学家编制了空前精确的星表（如《甘石星经》），详细记录了行星运动、彗星、超新星等天象，为世界天文学做出了巨大贡献。

象征意义：浑仪是中华文明追求天人合一、探索宇宙秩序的象征，代表了古代中国在科学、技术和工艺上的极高水准。

总结

浑仪不是一件简单的教具或装饰品，而是一台集科学理论、机械工程、精密制造于一身的大型科学仪器。它通过金属环圈模拟天球，用窥管进行照准，通过刻度系统进行读数，完美地将抽象的宇宙模型转化为可操作的测量工具。

它代表着中国天文学实测传统的核心，是古代天文学家“仰望星空”时手中最强大的武器。

象限仪（Quadrant）深度解析

象限仪是一种古老的天文和航海测量工具，主要用于测量天体的高度角（仰角），从而辅助导航、天文观测和大地测量。它的历史可以追溯到古希腊、伊斯兰黄金时代和欧洲大航海时期，对科学发展起到了重要作用。

1.象限仪的历史发展

(1)起源与早期应用

古希腊时期（约公元前2世纪）：数学家希帕克斯（Hipparch）可能最早使用象限仪测量恒星位置。

伊斯兰天文学（815世纪）：阿拉伯学者（如阿尔·巴塔尼、乌鲁伯格）改进了象限仪，制造了大型固定式墙壁象限仪（如撒马尔罕天文台），精度可达弧分级别。

欧洲中世纪：第谷·布拉赫（TychoBrahe）在16世纪制造了巨型象限仪，用于高精度天体测量，为开普勒行星运动定律奠定基础。

(2)航海应用（1518世纪）

大航海时代：葡萄牙和西班牙航海家（如哥伦布、麦哲伦）使用简易航海象限仪（如“雅各布杆”）测量太阳或北极星高度，计算纬度。

被六分仪取代：18世纪后，六分仪（可测量120°范围，抗船体晃动）逐渐取代象限仪，但仍用于教学和辅助测量。

2.象限仪的结构与类型

(1)基本组成

90°圆弧（四分之一圆，刻有角度刻度）。

瞄准装置（窥管、照准器或游标尺）。

铅垂线或水平仪（确保测量基准）。

指针或游标（提高读数精度）。

(2)主要类型

|类型|特点|用途|

||||

|墙壁象限仪|固定于天文台墙壁，尺寸巨大（直径可达数米）|高精度恒星观测|

|航海象限仪|便携式，木质或金属制，带铅垂线|测量太阳或北极星高度以确定纬度|

|炮兵象限仪|用于火炮仰角调整|军事弹道计算|

|电子象限仪|现代数字版本，结合传感器|工业测量、建筑校准|

3.测量原理与使用方法

(1)测量天体的高度角

步骤：

1.将象限仪垂直悬挂（铅垂线校准）。

2.通过照准器瞄准目标（如太阳、北极星）。

3.读取圆弧上的刻度（如太阳高度角=50°）。

计算纬度（航海应用）：

北极星高度≈观测者纬度（北半球）。

正午太阳高度角+赤纬=90°纬度（需结合航海历）。

(2)误差与修正

船体晃动：铅垂线摆动导致误差，后来被六分仪（利用水平镜补偿）改进。

大气折射：靠近地平线的天体需修正折射影响。

刻度精度：早期木制象限仪误差较大，金属刻蚀版本更精确。

4.象限仪的现代应用与遗产

天文教育：用于演示古代天文学原理。

历史重现：航海爱好者仍制作传统象限仪进行实验。

工业测量：数字象限仪（如电子倾角仪）用于机械校准。

文化影响：象限仪座（QuadransMuralis）曾是一个星座，后废弃，但留下“象限仪座流星雨”（每年1月）。

5.象限仪vs.六分仪vs.八分仪

|仪器|测量范围|优点|缺点|

|||||

|象限仪|090°|结构简单，适合固定观测|易受晃动影响，精度较低|

|八分仪|090°（反射原理）|比象限仪更便携|仍限于90°|

|六分仪|0120°（双反射）|抗晃动，更高精度|需熟练操作|

6.自制简易象限仪（实验方法）

材料：硬纸板、量角器、细线、重物（如螺母）、吸管。

步骤：

1.剪裁一个90°圆弧，标记角度刻度。

2.在圆心固定吸管（照准器）。

3.悬挂铅垂线校准垂直方向。

4.通过吸管瞄准太阳，读取角度。

7.结论

象限仪是人类早期探索天文和航海的重要工具，虽然已被现代仪器取代，但其原理仍影响深远。理解象限仪的使用方法，有助于认识古代科学家的智慧，以及测量技术的发展历程。