自制日晷完全教程从原理到制作方法.docx

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自制日晷完全教程从原理到制作方法

自制日晷完全教程——从原理到制作方法

在机械钟表发明之前，人们通过观察太阳来判断时间，比方太阳升到头顶最高的位置，时间就是正午了。

其实时间的概念就是来自太阳，例如我们把两次太阳升起之间的时间分成24小时，称为“一日”。

在一天当中不同的时间段，阳光下地面上物体投射的影子的长度和角度都不同，通过测量同一物体影子的变化，就能确定太阳的运行情况，从而得到精确的时间。

这种测量时间的仪器被称作“太阳钟”，我国古代则称其为“日晷”。

下图就是一种中国古代的日晷：

人类使用日晷的时间非常久远，古巴比伦在6000多年前就开始使用了，中国有明确记载的是在3000多年前的周朝。

这种古代的时钟精度一点不比后来的机械式钟表差，而且不但能显示一天之内的时刻，还能显示节气和月份。

当然它的缺点也是显而易见的，笨重而且看不到阳光的时候不能用，比方阴天或晚上。

我们首先制作一个简易的日晷，来感受一下这种仪器的工作原理。

要用到的东西：

方便面的纸桶、橡皮泥、竹签和笔。

制作方法简单到不能再简单，用橡皮泥把竹签固定在桶的中央，保证竖直向上。

然后把它放在阳光能直接照射到的地方，竹签会在桶壁上投射一个影子。

这个影子的位置是随时间变化的，手里拿一块表，每到正点的时候就用笔在桶壁上作一个标记。

比方这时候手表显示的是上午“9”点，那么你就在影子的位置画个标记，写上“9”。

注意纸桶的位置不能再变了，那么明天上午竹签的影子再到你做的标记“9”上的时候，此时的时间就是9点。

谁也不能整个白天守在这东西旁边做标记，所以你大概要花上几天的时间来做完所有的标记，以后就可以用它来代替手表计时了。

通过上面简易日晷的制作，我们对日晷的工作原理有了一个大概的认识，当然真正的日晷要比这个复杂得多。

要制作一个真正的日晷，还必须先了解一些天文学的知识。

地球绕地轴自转，同时绕太阳公转。

一天之内时间的变化是自转造成的，由于相对太阳来说地球是“斜着身子”旋转的，所以阳光的投影的变化也比较复杂。

上面介绍的简易日晷之所以选用方便面的纸筒，是因为纸筒壁有一定的倾斜角度，阳光也是倾斜着照过来的，这样竹签在纸筒壁上的影子就相对均匀一些。

请注意观察你自己根据手表的时间作出的标记，这些标记之间的间距也不是绝对均匀的，能说明太阳运行的复杂性。

真正的日晷主要有三种类型：

赤道式、水平式（地平式）和垂直式

这是一种赤道式日晷，我们在博物馆和古建筑群里看到的都是这种形式。

之所以管它叫“赤道式”，是因为它的晷盘，就是那个有刻度的圆盘是与地球赤道面平行的，贯穿晷盘的指针与地轴平行并且指向正北。

这样就消除了因为地球斜着身子造成的，指针的投影运动的不均匀性，所以它的刻度盘跟现代钟表盘一样，刻度是均匀的。

另外请注意晷盘两面都有刻度，春分到秋分，即3月21日到9月22日期间从正面读数，秋分到春分半年从背面读数。

这是一种地平式日晷，图上右面的部分是经过艺术处理的，既是城市雕塑又是一座巨大的日晷，刻度刻在地面。

这种日晷的刻度就是不均匀的，而且随纬度而变化，即不同纬度地区的地平式日晷不能通用。

这墙壁上的是一种垂直式日晷，可以看出它的刻度也是不均匀的，而且日晷的表面朝向不同，刻度就要发生相应的变化。

这种日晷在不同纬度地区之间也是不能通用的。

自己动手制作一个能够精确计时的日晷难吗？

知道了原理之后就不难！

下面我们分别制作这三种不同的日晷。

首先制作赤道式日晷。

使用的材料：

一个鞋盒和一些白纸，一根竹签（烤肉串上的打磨一下），另外需要一些胶水或双面胶带。

需要的工具：

剪刀、壁纸刀、圆规、指南针、水平仪、带量角器的三角尺和一支笔。

首先把鞋盒的外表面粘上白纸，无他，为了美观。

盒盖边沿剪去，变成一张纸板，外面也用白纸糊起来。

沿鞋盒的长边画一条中心线，距边沿1/3的位置画一条垂直线，注意垂直线要延长到两个侧面。

在鞋盒盖子——现在已经成为一张白纸板了——上面如此作图。

就是找圆心，用圆规画2个同心圆，通过圆心画水平线和垂直线。

大圆下面的弧线是用三角板上的弧线工具画的，弧线以外的部分将来要剪掉。

下面是完整的日晷晷盘图样，首先在通过圆心的水平线和垂直线上找出标志性的刻度，最右面是6点，最左面是18点，最下面是12点，最上面是0点，其它时刻用圆规均分得来。

注意这是晷盘的正面，时间刻度沿顺时针方向由小到大，且间距均匀，与机械时钟表盘唯一的区别是，这是24小时刻度的，当然夜晚的时间不必标记，因为晚上是看不到太阳的！

下面是晷盘的反面图样，与正面的区别就是时间刻度沿逆时针方向由小到大。

晷盘的两面都画好后，沿边缘剪掉多余的部分，再把竹签从圆心处穿过，如此日晷的主要部分——晷盘就制作完毕了。

下面我们来制作日晷的基座。

在纸盒子侧面事先画好的垂线那里用量角器量出一个42.4度的角，这是沈阳市的纬度。

您家的纬度是多少，这个角就画成多少。

纬度可以在地图上查，在网络上搜索，也可以用手机或汽车上的GPS导航仪测量。

下面是一些城市的纬度：

上海，北纬31度11分；南京，32度4分；杭州，30度15分；长沙，28度12分；重庆29度12分；成都，30度40分；福州26度5分；广州23度15分；昆明25度4分；北京39度55分；天津39度8分；青岛36度4分；西安34度15分；乌鲁木齐44度46分；拉萨28度40分；

沿着纸盒表面的线切一刀，再沿着侧面刚画好的斜线下切2厘米左右，总体效果相当于斜着在纸盒上“切”了一刀。

把晷盘下端插进基座的切口，这样晷盘跟垂直面的夹角就是42.4度，也就是沈阳的纬度，跟水平面的夹角是（90-42.4）度。

将竹签插进晷盘的圆心，上端和下端留出同样的长度，用三角板校正，使竹签与晷盘面垂直。

这根竹签正式的称呼叫“晷针”。

到这里一台赤道式日晷就算完工了！

当然要想让它正确地指示时间，还需要再费点周折。

日晷的方向要冲正北，如图指南针的磁针与日晷基座上的中心线平行，指向正北。

需要指出的是，指南针并不是指向正南正北，指南针的方向与正南正北的方向之间有个夹角，叫磁偏角，例如沈阳的磁偏角为7度44分。

而且不同地区的磁偏角大小也不尽相同，在精度要求高的场合，磁偏角要考虑进去。

因为我们做的这个东西精度并不是很高，因此磁偏角的影响可以忽略不计。

用水平仪使基座水平。

经过方向与水平的调整，我们亲手制作的赤道式日晷终于可以工作了！

现在它的晷盘与地球赤道平行，晷针与地轴平行且指向正北。

这样一来，一天当中晷针在阳光下投射的影子，可以看做是在晷盘上匀速转动，从而方便我们计时。

下面的日晷显示的时间为13点多一点。

需要说明的是，日晷上得到的时间是当地时间，准确点说是当地太阳时间，与我们普遍使用的北京时间有些差距（假如您不在北京居住）。

而且太阳和地球的运动也不是严格按照几何学的描述，因此好一点的日晷上面都有一个时间修正表格，用来参照得出更加准确的时间。

对于我们一般人来说，不必对这个问题深究。

有一个简便的修正时间的法子，就是在保证晷针指向和晷盘倾斜角度都不变的情况下，转动晷盘，使日晷的指示时间与您的手表显示的时间相同，这样您就拥有一个真正可以当成钟表用的日晷了！

我们第二个要制作的是水平式日晷，或者叫地平式日晷。

这种日晷制作过程相对简单，但是需要一些稍微复杂的计算。

第一步是画出晷盘图样。

因为这种日晷的晷盘是水平的，不像赤道式那样与赤道平行，因此不同时刻的间距是不同的。

如下图：

先用圆规画一个大圆，通过圆心作水平线和垂直线。

标志性的时间刻度为，最左侧18点，右侧6点，最下方12点。

假设某一时间刻度，比方说13点，与12点之间的夹角为α ，太阳时角为t，当地纬度角为 Φ。

太阳时角是这样定义的，太阳一天24小时运行360度，因此每一小时运行15度。

设定正午12点的时候太阳时角为0度，因此13点的时角则是15度，14点30度，15点45度，以此类推。

这三个角度之间有个三角函数关系：

tanα=tant*sin Φ，我们将t=15度，30度，45度……带入，通过求反正切函数，就能得到13点，14点，15点……时刻所对应的角度α 。

12点另一侧的11点，10点，9点……与12点之间的角度也符合上面公式，只是角度方向相反。

沈阳的纬度Φ=42.4度为已知，下面是我求出的当地水平式日晷的各时刻角度：

5/19   6/18   7/17   8/16   9/15   10/14   11/13   12 （时间）

t  105    90    75    60    45      30     15     0 （太阳时角）

α  111.7  90    68.3   49.4  34.0   21.3    10.2    0 （各时刻对应的角度） 

计算这些数据需要一个科学计算器，或者使用WINDOWS自带的计算器，在“开始”-“程序”里面选择“计算器”，计算器“查看”选项里面选择“科学型”，就能够使用了。

下面是我用量角器和直尺按照上述表格画出的水平式日晷的晷盘图样，能够明显看出时间刻度不是均匀的。

下面我们来制作这个日晷的晷针。

如下图，将A4纸折叠，在上面画一个直角三角形，底边与斜边的夹角为当地的纬度，我用的是沈阳的纬度42.4度。

不错，水平式日晷的晷针一般不是一根竹签那种的针形，而是利用这种三角形的斜边，如此晷针倾斜的角度很好掌握。

用剪刀沿线剪下，注意标有“留边”的那条边要稍微多留出一点，为了用胶水粘接方便。

晷针粘接好后，这个日晷就算完成了。

利用指南针使日晷对准正北方向，此时三角形晷针的斜边与地轴平行。

当有阳光直射下来的时候，就可以读时间了。

读数的时候以晷针斜边的阴影为准，上图为13点多。

其实这种日晷的制作非常简单，唯一的难点就是晷盘刻度的计算部分。

如果你不会计算，又不怕麻烦的话，可以这样：

先画好圆，确定圆心和过圆心的垂线，然后粘上晷针，摆正方向，手里拿块手表，每到正点的时候用铅笔标上，这样花上一整天的功夫，也可以得到一个计时精确的地平式日晷了。

而且这样确定的晷盘有个好处，就是读出的时间是北京时间，可以当真正的钟表使用。

地平式日晷可能是人类最早发明的日晷，因为它跟地上插根竹竿看日影那种原始的计时方式最接近，第一种赤道式日晷则应该是人类了解了太阳运动规律之后的产物了。

最后我们再来做一个面向南方的垂直式日晷。

如下图，因为晷盘面与地面垂直，面向南方，因此东方是18点，西方是6点。

同样设当地纬度为Φ，太阳时角为t，某一时刻与圆心的连线跟正午12点的连线夹角为α，则这三个角度之间的关系为：

tanα=tant*cosΦ

我们同样使用沈阳的纬度Φ=42.4度，下面是计算出的结果：

6/18   7/17   8/16   9/15   10/14   11/13   12 （时间）

t   90   75    60    45    30    15    0 （太阳时角）

α   90   70.1   60    36.4   23.1   11.2    0 （各时刻对应的角度）  

根据上面的计算结果，用直尺和量角器画出完整的晷盘。

下面制作晷针。

注意晷盘是垂直的，因此三角形的晷针与垂直面结合的一边要留出粘贴用的边，此边相对的一角角度为当地纬度。

三角形里面还画了个浅浅的弧线，将来要按次弧线剪下，为的是给晷针增加些美感。

剪好的晷针。

根据三角关系，标注的角度是当地纬度的余角。

完成的南向垂直式日晷，利用磁针使晷盘面朝向正南。

为了把晷盘画精确一些、清楚一些， 结果它比鞋盒大了，很不美观，呵呵。

晷针也有些大，象老外的长鼻子，很丑。

把它放在阳光下读取时间。

因为北半球的房屋一般都是朝南的，因此这种南向垂直式日晷可以直接刻在正面的墙壁上，即方便人们出入的时候看世界，也不占空间，因此这种日晷恐怕是古代最受欢迎的日晷了。

同样也可以不经过计算，用现代的计时工具来确定晷盘的刻度，如今谁家墙壁上刻这样一个东西，绝对吸引眼球。

日晷的种类还有许多，在文章的最后，我们简单介绍一些。

投影式日晷：

书卷式极向日晷：

半圆柱型日晷：

双环垂直式日晷：

赤道环式日晷：

球体日晷：

子午式日晷：