[科普中國]-古老的計時器——圭表

古時，人們發(fā)現(xiàn)影子的長短、方向有一定的變化規(guī)律：正午時太陽的影子總是投向正北方向。于是，人們在平地上直立一根竿子或石柱來觀察影子的變化，并在地面平放一把尺子來測量影子的長度和方向。三千年前，西周丞相周公旦在河南登封縣設(shè)置了這樣一個通過測定日影長度來確定時間的儀器——圭表。

圭表是中國古老而簡單的一種天文儀器，它由表和圭兩個部分組成。表是垂直立于圭南端的標(biāo)桿或石柱，圭是正南正北平放的尺，漢以后改為銅制。據(jù)記載，最早使用的是表，觀察其從日出到日落的影子變化，之后才出現(xiàn)了圭。古代圭表多用于判斷方向、測定季節(jié)、劃分季節(jié)和推算歷法，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中起著重要的作用。

最初，圭表用于測定方向，在空曠的平地上樹立一表，以它為中心在地面畫圓周，再測出日出、日落時表的影子與圓周的交點，然后將它們連接起來，由此可以確定東西方向。除了確定方向的功用之外，圭表還可以通過觀察測量一天之中表影方向的變化來判斷時刻，通過觀測表的影子角度的變化，判斷日出、日中到日落，以定出一天之內(nèi)的時間。這種“表”加上一個刻有放射狀時刻線的圓形石盤，就演變發(fā)展成后來的日晷。

除此之外，圭表還可以通過表測出正午時影子的長短以確定節(jié)氣。比如我國早在周代時就已經(jīng)使用圭表來確定冬至和夏至。因為地球繞太陽公轉(zhuǎn)，所以每天正午時表的影子的長短也會隨之變化，每年夏至日時，正午時的表影最短；冬至日正午時的表影最長，根據(jù)影子的變化規(guī)律，可以測出二十四節(jié)氣。同時也可以利用圭表推求回歸年的長度。連續(xù)兩次測得表影最長值或最短值之間的相隔天數(shù)就是一年的周期數(shù)，即回歸年的天數(shù)。春秋末期時，古人就利用圭表測量日影的方法，測定出365.25 日的回歸年長度。

如果試著仔細(xì)觀察物體的影子，我們會發(fā)現(xiàn)隨著物體高度的增加，它影子的邊緣就會變得越模糊，這就導(dǎo)致精確測量影子的長度變得更困難。如果不能準(zhǔn)確地測量影長，就會影響圭表的使用。清朝人們借鑒元代天文學(xué)家郭守敬發(fā)明的景符原理，為這個重要問題提供了解決方法。把銅葉置于表的上端，再在其中間開個圓孔，利用小孔成像的原理就可以使得正午時太陽的像投射到圭面，從而獲得影子更為清晰的邊緣，提高圭表的測量精度。

圭表作為中華文明的代表之一，在天文學(xué)史上有著重要作用和貢獻(xiàn)。

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