[发明专利]一种日晷

说明书

一种日晷，包括一段圭尺和一组表盘，这组表盘由多个纬度的时辰椭圆嵌套组成，圭尺位于表盘中间，时辰椭圆与圭尺一起组成游表式地平日晷。由于本发明采用多纬度时辰椭圆嵌套的结构，从而可以在全国范围内通用，不同地区的用户只需参考所在地区的时辰圈即可估计正确的太阳时间。

技术领域

本发明涉及日晷领域，尤其涉及一种游表式地平日晷。

背景技术

利用太阳影子变化的自然规律进行时间乃至空间的度量是人类发明的历史悠久的认知世界的方法，中华圭表就是这种测量日影变化规律的天文仪器代表。根据中国社会科学院学部委员冯时先生所著的《文明以止：上古的天文、思想与制度》一书介绍，至少在距今八千年前中华民族的祖先就已经在使用圭表进行节气测量和方位测量等科学技术活动了。测量日影的技术大致经历了人身测影、立杆测影、筑台测影三个阶段，表高逐渐增加，测量的精度越来越高，人们对于时间变化和空间方位的认识越来越准确，从而为古代农业社会的生产进步垫定了科学基础。随着生产力的发展，人们对时间有了更精细的划分，除了年月日的历法之外，还需要将一天细分为不同的时间块，这就是时辰的起源，而度量时辰的最早工具就是圭表。这种用来测量时间的圭表后来叫做地平式日晷。由于圭表的表杆与所在地水平面垂直，太阳影子在一天之中的变化速度并不均匀，又由于地球黄赤交角的存在，太阳影子的长短也在一年之中也变化不定，这限制了圭表测量时辰尺度上时间的准确度。古人很早就发现，太阳与其他天体一样也是围绕着北天极旋转，因此为了提高时间测量精度，古人将圭表的表杆指向北天极的位置，让表杆与地球自转轴平行，圭表的表盘平面就与地球赤道面平行，这种倾斜的测影仪器叫做赤道式日晷。赤道式日晷上太阳影子的变化速度是均匀的，读时方便，所以现在常见的日晷一般都是赤道式日晷。

人类对于自然规律的科学研究从未停止，地平式日晷的测时原理也随着天文学和数学的进步而被人们认知掌握。大约在距今500年前，法国的一位教士从数学上推导出了使用圭表原理测量时辰的科学方法，而在2006年，时任广东省中山市教育局教研室的郑一帆老师在《粤港澳天文研究与天文教育研讨会论文集》中的“人体投影太阳钟（人晷）原理及其晷面刻画计算方法的探讨”一文中再次推导证明了这种方法的准确性和圭表表盘的有关几何属性。郑一帆指出，标识时辰的表盘具有椭圆的形状，而产生影子的表杆不能固定，需要在一定范围内沿着子午线方向移动，这是一种游表式地平日晷。游表根据日期竖立在子午线上，表影与时辰椭圆的交点就是现在的时间，时间只与表影的方向有关，而与表影的长度即表杆的高度无关。如果把这段游表移动的子午线叫做圭尺，长度为L，圭表所在地的纬度为W，时辰椭圆圈的长半轴长度为a=L÷cosW，短半轴长度为b=L×tgW，测影当时的太阳赤纬为C，太阳时角为S，以圭尺中心为原点，以东方向为横坐标正向，以北方向为纵坐标正向，建立平面直角坐标系，那么，测影当天表杆应该竖立在坐标点（0，L×tgC），表影与时辰圈的交点坐标为（a×sinS，b×cosS）。这就是游表式地平日晷的测时原理。