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1. “立杆见影”
物体在光线的照射下， 就会投下或深或浅的影子。这大概是最寻常不过的自然现象了。
由于太阳提供人类需要的光明， 人们的生活基本上是循着“日出而作， 日入而息”的规律。“日出”和“日入”的时刻已将一天明确分为昼和夜了。此外， 还可以根据太阳在空中的不同位置来估计时刻或时间， 这为精确的测量提供了基础。然而， 由于太阳的光芒太耀眼了， 直接观测太阳的位置的确是有困难的。
古时候， 人们还发现， 随着太阳的位置不同， 它投射在地面的影子( 如树影、房影、人影) 会随之缓慢移动， 而且将太阳在空中的位置同地面物体的影子联系起来并不困难。如果我们实际测量一下， 就可以发现， 影子的方向和长短变化是有规律的， 借此完全可以确定出一天的时刻。
据《史记》记载， 战国时期， 齐国为了抵御晋国和燕国的侵扰， 派一位战将率军前往， 同时有一位“监军”随同前往督战。将军同这位“监军”商定了出发的日期， 决定于次日中午时刻出发。
第二天， 将军集合好队伍后， 就在地面上插了一根木杆( 称作“表”) 来测定时刻。到了中午时刻， “监军”竟未到。“监军”的迟到为军纪所不容， 为此斩了“监军”。这个故事的结果并不重要， 但是， 他们测定时刻的“表杆”却引起了科学家的重视。这可以说明， 至少在战国时期， 我国已出现了地平式日晷。
日晷的结构极其简单。它是立一根叫做“表”的木杆。
在阳光的照射下， 木杆投在地面上的影子具有一定的长短和方向。借此可知当时的时刻。可见这个影子就相当于钟表的指针， 而太阳位置的变化就相当于在“拨动”指针了。
日晷的结构简单， 因此易于普及。根据出土的日晷来看， 它是古代很普遍的测时装置。象清代皇家的太和殿前就安放着日晷作为测时和装饰之用。
为了提高测时的精度， 一些科学工作者对此进行了研究， 其中最早的研究是先秦墨家学派做出的。
墨家在实验中发现， 影子的大小与光源的远近和物体( 如表杆) 的斜正有关。具体地讲， 木杆斜立时， 影子就短；正立时， 影子就长。而光源小于木杆时， 影子就大于木杆；反之亦然。此外， 光源距木杆远近也有类似的影响。
墨家关于日晷成影的变化情况的研究是很有意义的， 它保证了日晷的测量精度， 这也是为什么长期难于被别的测时装置完全取而代之的原因。
为了测定日影， 古人还发明了一种装置――圭表。所谓“表”就是一根长为8 尺的标准木杆。根据当时的度量标准， 8 尺长的表与人的( 平均) 身长等高； 而“圭”就是水平放置在南北方向上的标尺。圭表主要测定影长。中午时刻测定影长最短， 借此可以准确地确定节气的变化。
在西汉时期， 当时的人就制造出铜制圭表。这种圭表将圭和表两部分固定起来， 以保证测量的精确度。祖冲之对铜制圭表很是赞赏， 他说： “铜表坚刚， 暴润不动， 光晷明洁， 纤毫尽然。”
表杆高为8 尺并不能作为定制， 原因是， 地球是一个球体， 在同一经度上纬度的不同使表影长度有变化。这种变化并不是成正比的。为了不使差别太大， 就要加大表杆的高度。最有名的圭表位于河南登封县告成镇的古观象台， 它是元代著名天文学家郭守敬和王恂领导建立的。
告成镇的圭表高36 尺， 高出表上端4 尺还有一根横梁， 实际表高40 尺。这是传统表高8 尺的5 倍。这可以大大缩小测量的误差。
然而， 考虑到发光的太阳为一个面( 不是一个点)， 加上空气扰动的影响， 表端投射到圭面的影像就变得较为模糊。这为测量带来了很大的困难。
如何解决这个问题呢？ 他对此进行了研究。郭守敬首创了一种称为“景符”的观测器具。它有一个小部件， 是一块带孔的铜片， 并且可以调节铜片的倾斜程度。阳光透过小孔可以在圭面上形成清晰的像。这样， 就可以精确地测量表影的长度了。
此外， 对于圭面的制作， 郭守敬也采取了很好的措施。这个石制的圭面长为128 尺。为了保持圭面的水平和表端横梁的水平， 郭守敬分别凿有水槽， 以检验它们的水平情况。
由于郭守敬采取的各种措施， 使它们的测量误差只有万分之五尺， 折成今天的长度单位， 约为0. 1 毫米。正是郭守敬如此准确的测量精度， 使他领导编制的《授时历》的回归年长度为365. 2425 天， 与今天的计算相比只差20 余秒。西方的历书， 在300 年后才达到如此的精度。可见天文观测中光学仪器的重要性。
由于太阳提供人类需要的光明， 人们的生活基本上是循着“日出而作， 日入而息”的规律。“日出”和“日入”的时刻已将一天明确分为昼和夜了。此外， 还可以根据太阳在空中的不同位置来估计时刻或时间， 这为精确的测量提供了基础。然而， 由于太阳的光芒太耀眼了， 直接观测太阳的位置的确是有困难的。
古时候， 人们还发现， 随着太阳的位置不同， 它投射在地面的影子( 如树影、房影、人影) 会随之缓慢移动， 而且将太阳在空中的位置同地面物体的影子联系起来并不困难。如果我们实际测量一下， 就可以发现， 影子的方向和长短变化是有规律的， 借此完全可以确定出一天的时刻。
据《史记》记载， 战国时期， 齐国为了抵御晋国和燕国的侵扰， 派一位战将率军前往， 同时有一位“监军”随同前往督战。将军同这位“监军”商定了出发的日期， 决定于次日中午时刻出发。
第二天， 将军集合好队伍后， 就在地面上插了一根木杆( 称作“表”) 来测定时刻。到了中午时刻， “监军”竟未到。“监军”的迟到为军纪所不容， 为此斩了“监军”。这个故事的结果并不重要， 但是， 他们测定时刻的“表杆”却引起了科学家的重视。这可以说明， 至少在战国时期， 我国已出现了地平式日晷。
日晷的结构极其简单。它是立一根叫做“表”的木杆。
在阳光的照射下， 木杆投在地面上的影子具有一定的长短和方向。借此可知当时的时刻。可见这个影子就相当于钟表的指针， 而太阳位置的变化就相当于在“拨动”指针了。
日晷的结构简单， 因此易于普及。根据出土的日晷来看， 它是古代很普遍的测时装置。象清代皇家的太和殿前就安放着日晷作为测时和装饰之用。
为了提高测时的精度， 一些科学工作者对此进行了研究， 其中最早的研究是先秦墨家学派做出的。
墨家在实验中发现， 影子的大小与光源的远近和物体( 如表杆) 的斜正有关。具体地讲， 木杆斜立时， 影子就短；正立时， 影子就长。而光源小于木杆时， 影子就大于木杆；反之亦然。此外， 光源距木杆远近也有类似的影响。
墨家关于日晷成影的变化情况的研究是很有意义的， 它保证了日晷的测量精度， 这也是为什么长期难于被别的测时装置完全取而代之的原因。
为了测定日影， 古人还发明了一种装置――圭表。所谓“表”就是一根长为8 尺的标准木杆。根据当时的度量标准， 8 尺长的表与人的( 平均) 身长等高； 而“圭”就是水平放置在南北方向上的标尺。圭表主要测定影长。中午时刻测定影长最短， 借此可以准确地确定节气的变化。
在西汉时期， 当时的人就制造出铜制圭表。这种圭表将圭和表两部分固定起来， 以保证测量的精确度。祖冲之对铜制圭表很是赞赏， 他说： “铜表坚刚， 暴润不动， 光晷明洁， 纤毫尽然。”
表杆高为8 尺并不能作为定制， 原因是， 地球是一个球体， 在同一经度上纬度的不同使表影长度有变化。这种变化并不是成正比的。为了不使差别太大， 就要加大表杆的高度。最有名的圭表位于河南登封县告成镇的古观象台， 它是元代著名天文学家郭守敬和王恂领导建立的。
告成镇的圭表高36 尺， 高出表上端4 尺还有一根横梁， 实际表高40 尺。这是传统表高8 尺的5 倍。这可以大大缩小测量的误差。
然而， 考虑到发光的太阳为一个面( 不是一个点)， 加上空气扰动的影响， 表端投射到圭面的影像就变得较为模糊。这为测量带来了很大的困难。
如何解决这个问题呢？ 他对此进行了研究。郭守敬首创了一种称为“景符”的观测器具。它有一个小部件， 是一块带孔的铜片， 并且可以调节铜片的倾斜程度。阳光透过小孔可以在圭面上形成清晰的像。这样， 就可以精确地测量表影的长度了。
此外， 对于圭面的制作， 郭守敬也采取了很好的措施。这个石制的圭面长为128 尺。为了保持圭面的水平和表端横梁的水平， 郭守敬分别凿有水槽， 以检验它们的水平情况。
由于郭守敬采取的各种措施， 使它们的测量误差只有万分之五尺， 折成今天的长度单位， 约为0. 1 毫米。正是郭守敬如此准确的测量精度， 使他领导编制的《授时历》的回归年长度为365. 2425 天， 与今天的计算相比只差20 余秒。西方的历书， 在300 年后才达到如此的精度。可见天文观测中光学仪器的重要性。
