測量日影長度的天文儀器
中國科學院紫金山天文臺,位于南京市東郊紫金山第三峰。明清古代天文儀器靜靜地擺放在天文臺公園,歷經歲月滄桑,迎來了無數天文愛好者。在眾多精美的儀器中,有一種結構簡單、外觀丑陋的儀器。不如渾儀精致華麗。它沒有簡儀那么宏偉,但它是中國最古老、最具天文價值的古代天文儀器——圭表
相信大家都很熟悉立竿見影這個詞,但你知道嗎?早在3000多年前,我們的祖先就利用立竿見影的原則發明了古老的圭表。
中國自古以來就是一個農業大國,播種和收獲與季節密切相關,而且極其重要!人們可以看到和掌握一天的時間(當然,這一天必須有陽光)。那么一年有多少天呢?每天又是一年中的哪天呢?經過多年的觀察,人們發現在炎熱的夏天,太陽升得很高,白天很長,但物體的陰影在陽光下很短;相反,在寒冷的冬天,太陽升得很低,白天變短,但物體的陰影在陽光下變長。
人們在晝夜交替中提出了日的概念,從月亮的不完整變化中產生了月的概念,從寒冷和夏季的變化中產生了年的概念。用天象變化來衡量時間,并為當時的生產服務,這是歷法產生的歷史。立桿測量——用最簡單的天文儀器來研究歷法,表的發明是天文學發展的飛躍。
在中國古代,日影測量中使用的儀器是圭表。表是直立在平地上測量日影的標桿和石柱。圭是測量正南、正北方向表影長度的剛性。
紫金山天文臺現有圭表
紫金山天文臺現存的圭表是清代重建的明代銅圭表,它由兩部分組成,一部分是直立的表,另一部分是正南正北平放的圭表。與傳統的表高八尺不同,其表高一丈,圭面長十六尺二寸,上面有水槽,可注水檢查圭面是否水平。長度標記精美地刻在圭面上,可以輕松地讀取表影的長度。根據立竿見影的原理,通過觀察每天中午表影(日影)長度的變化,確定節氣和年齡。我們的祖先發現,一天太陽最高,表影最短,但白天最長;有一天太陽最低,表影最長,但白天最短。表面總是從最短到最長有規律地來回伸展,然后最短的夏至,最長的冬至,現在你知道為什么說:吃夏至面條,一天短線,這里短線不是指表面的長度,而是指白天的長度。
表面從最短到最長再回到最短的周期是我們目前的回歸年長。在中國古代,這種方法確定了一個回歸年的長度為365天和1/4天。與今天采用的回歸年相比,郭守敬計算的回歸年長僅為26秒,可見中國古代科學的先進程度。