日晷的工作原理是什么?

日晷的工作原理是什么?

其实日晷利用的是地球的自转。

参考:《时间的天文学》:二. 时间--(真)太阳时

。。。。。省略。。。。。

日晷面倾斜的角度:

在日晷的描述中,最重要的一点是日晷摆放的方式,日晷面倾斜对准天赤道,日晷的指针垂直于日晷面(天赤道平面),指向南、北天极。

地球上并不是只有一个城市,每一个城市日晷倾斜的角度是不一样,但是他们都是对准天赤道的,所以日晷倾斜的角度就是每一个城市天赤道倾斜的角度。

日晷面倾斜角度=天赤道倾斜角度=90°-城市纬度。

天赤道在哪里?面向正南,从头顶(天顶)向正南倾斜一个特定的角度,就是天赤道,而这个特定角度值就是我们城市纬度值。根据天赤道倾斜的角度,我们可以轻松的计算出每一个城市日晷倾斜的角度。

日晷,是一个非常简单的计时工具,但是作为天文学中最重要的仪器,日晷可不仅仅只是一个计时工具。日晷自身的要素也是天文学中最重要的要素。

日晷,为什么是倾斜的而不是水平的?

回答这个问题,我们还需要从另一个计时工具"日规"说起[1]。日规就是水平放置的,而且是比日晷更古老的计时工具,考古发现两千年前的汉代,使用的就是水平放置的日规,而日晷是宋代才开始使用的计时工具。从水平放置的日规到倾斜对准天赤道的日晷,演化了一千多年。但解释这个天文现象就很简单了,只需要我们去文具店买两个量角器,做成日规和日晷就可以了。水平放置的是日规,倾斜对准天赤道的是日晷。

同时观察两个量角器影子的变化规律,就可以找到我们需要的答案。

影子长短的变化:我们分别测量日规和日晷,早晨、中午、傍晚太阳影子的长短变化。

注意:影子投影到水平面、影子投影到日晷面(天赤道平面),两种投影方式得到的结果是不一样的。

影子角度的变化:使用手机中的秒表等计时工具,记录影子每变化1°的时间,或者每变化15°的间隔时间。

或者:我们也可以换一种方式,同样使用手机中的计时工具,每间隔1小时,观察影子角度的变化值,我们会得到同样的结果。

1年365天:影子长短的变化和角度的变化。

总结:

正反两面使用:日晷还有一个特点,就是正反两面使用。半年的时间(从3月份的春分到9月份的秋分),春、夏季太阳只能照射在正面日晷的正面,还有半年时间(从9月份的秋分到第二年3月份的春分),秋、冬季太阳只能照射在正面日晷的背面。所以真正的日晷是有正反两面的,指针贯穿日晷面分别指向南、北天极,每一面各用半年。日晷同时还可以描述了一年之中太阳和天赤道之间的位置(角度)变化的规律。

太阳东升西落,地球的自转是由西向东,是顺时针还是逆时针?

这是我们观察日晷时,面向不同方向观察太阳的移动方向,得到的结果。

太阳东升西落,是地球自转的结果,是相对运动产生视觉运动。所以太阳东升西落,地球的自转就是反方向由西向东。由于有顺时针,也有逆时针,为了避免混淆,一般我们使用东西方向来描述地球的自转。

在现实生活中,我们可以面向正南,也可以面向正北,实际的体验一下太阳的东升西落。

为什么是量角器?为什么选择日晷? 因为"等分"。

无论日规还是日晷,两个量角器都是将一个圆360等分,形成360°。日晷、日规的刻度都是等分的。

最终,因为影子角度变化的规律性,我们放弃了日规,而选择了日晷。注意:只有当日晷面对准天赤道,指针对准南、北天极,等分的刻度才能将时间等分,其他倾斜角度都不行。

原理:古人选择日晷,是根据时间测量的实际结果做出的选择。用物理学解释:这是地球自转的结果。这样的文字解释有些简单了,在【第四章. 日晷,相对运动】中我们会详细解释。

。。。。。未完。。。。。

原文:《时间的天文学》:二. 时间--(真)太阳时

日晷(赤道式日晷),天文学中最重要的天文学仪器,可不仅仅只是一个计时工具。

参考: