测影定时驾御万古——日晷
13 测影定时驾御万古——日晷
推介语
日月星辰，光影流转，花开花落，周而复始。宇宙的永恒，万物的演变，人类的发展，都缓缓流淌在时间的长河里。
最早的机械钟出现在13世纪英格兰的某个修道院内，由此诞生了一系列准确度越来越高的计时器具，人们才得以精准地记录下消逝的时间。
其实，早在钟表诞生之前，古人就利用天文现象和流动物质的连续运动来计量时间，发明了日晷、刻漏、沙漏等诸多“计时器”。日晷在我国的分布十分广泛，受文化、审美等差异的影响，造型千姿百态。在“天地之中”的登封告成镇，有一座古老的观星台，至今已有七百多年历史。2010年8月1日，“登封‘天地之中’历史建筑群”成功列入《世界遗产名录》。
如今，日晷更被赋予珍惜时间、拼搏向上等寓意。俗话说“一寸光阴一寸金”，这里的“一寸”指的就是日晷计时中的单位。你知道日晷是如何计时的吗？
学习目标
● 通过观察，说出太阳周日视运动的一般规律。
● 观察日晷，阐述日晷的设计和计时原理。
● 根据观察和对比，说出日晷计时与手表时间的差异。
课程小贴士
实践地点
登封观星台
推荐实践季节
晴天最佳，春分、秋分当天不宜研学
课程建议时长
半天
实践装备
手表、量角器等。
安全事项
实践活动以小组为单位统一进行，一切行动听从教师和景区工作人员指挥，有问题及时报告带队老师。
区域资源—课程标准双向对照表
教学设计流程
教学实施
任务1
说明日晷计时的原理。
【地点】
河南省登封市告成镇观星台。
【情境】
在钟表还未传入中国以前，充满智慧的古代人民就在长期的生活和生产实践中，通过观察日月星辰的周期性变化，创造了形态各异的计时仪器，日晷就是其中之一。所谓日晷，就是利用日影位置的不断变化来测量时间的一种工具。
【活动】
1.观察日晷，说出日晷的组成结构。
2.说明日晷计时的原理。
图13-1 日晷
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晷面刻度
晷面刻度采用我国古代划分一昼夜的十二时辰，一个时辰相当于现在的两个小时。十二时辰分别用十二地支的名字命名，即子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥。
子时：23：00—01：00 丑时：01：00—03：00 寅时：03：00—05：00
卯时：05：00—07：00 辰时：07：00—09：00 巳时：09：00—11：00
午时：11：00—13：00 未时：13：00—15：00 申时：15：00—17：00
酉时：17：00—19：00 戌时：19：00—21：00 亥时：21：00—23：00
任务2
举例说明日晷的正确使用方式。
【地点】
观星台。
【情境】
日晷是古代人类智慧的结晶，也是我国传统文化的一部分。如今，我们在很多地方都能看见日晷的身影，日晷也在逐渐走进校园，赤道式日晷是其中比较常见的一种。
【活动】
1.观察并测量赤道式日晷晷面与地平面之间的夹角，说出该夹角与当地纬度之间的关系。
图13-2 赤道式日晷放置示意图
2.解释赤道式日晷正反两面均设置刻度表的原因。
3.几年前，陕西西安在南门月城内设置了一座坐北朝南的日晷（见下图），众多游客在这里游览拍照。但是细心的游客们却发现了其中的不妥之处。细心的你能指出其中的错误，并解释原因吗？
图13-3 陕西西安日晷实景图及晷盘示意图
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日晷的分类
按晷面与地平线之间夹角的差异，日晷大致可分为三类：地平式、垂直式、赤道式。
（1） 地平式日晷
地平式日晷的晷面与地平面之间夹角为0°，即晷面应严格水平放置。该日晷的晷面和晷针之间的夹角由当地地理纬度决定。晷面刻度需要利用三角函数计算才能确定。适合低纬度地区使用。
（2） 垂直式日晷
垂直式日晷的晷面与地平面之间夹角为90°，即晷面垂直于地平面。晷针与晷面的夹角为90°减去当地纬度。垂直式日晷可分为南向、北向、东向和西向垂直式日晷。其中：垂直向南日晷适合在北半球中纬度地区使用；垂直向北日晷适合在南半球中纬度地区使用。垂直向东和向西日晷各纬度均适合，但局限性是垂直向东日晷只能在上半日使用，垂直向西日晷只能在下半日使用。
（3） 赤道式日晷
赤道式日晷的晷面与地平面之间的夹角为90°减去当地纬度，晷面平行于赤道面，晷针与晷面垂直。赤道式日晷晷盘刻度等分，非常方便，是世界上最常见的日晷类型，适合中低纬度地区使用。若将晷盘改为圆环则称为赤道式罗盘日晷。
无论何种形式的日晷，晷针都始终指向北天极，并且晷针与地平面的夹角与当地地理纬度相同。
任务3
探究日晷计时与手表显示时间差异的原因。
【地点】
观星台。
【情境】
时至今日，我们用各种精确度更高的计时工具来显示时间，国家统一采用北京所在的东八区的区时作为标准时间。在众多计时工具中，日晷的计时作用已日渐淡去，但日晷的计时功能依然存在。在时光流转中，静止的日晷依靠着光影的运动，记录了它独有的光阴故事。
【活动】
1.读出赤道式日晷显示的时间。
2.对比日晷测量时间与手表显示时间，解释时间不一致的原因。
3.探讨春分和秋分当天日晷读不出时间的原因，总结用日晷测量时间的局限性。
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水钟
由于日晷存在局限性，单用日晷来计时是不够的，还需要借助其他种类的计时器来与之相配合。
水钟在中国又叫做“漏刻”“漏壶”“滴漏”。广州博物馆收藏了一套元代制造的铜壶滴漏，是现有保存最完整的一套。
我们国家早期使用的水钟是泄水型漏刻，即利用特殊容器记录水漏完的时间。但这种漏刻受水位影响较大，水位较高时，滴水速度较快，水位较低时，滴水速度较慢，这样就造成了时间测量的误差。
后经过改良，形成受水型漏刻，即记录水装满的时间。古人采用多级漏壶，尽可能确保水量恒定，以便进入受水壶中的水滴速度均衡，从而提高了时间测量的精准度。
多样的日晷
在古代，日晷是智慧和权威的象征。如今，日晷作为传统文化的代表之一，被制作成千姿百态的形状矗立在不同的地方，科学与艺术融为一体。
图13-4 仙鹤日晷
仙鹤展开的双翅相当于晷面，连接仙鹤尾部和颈部的横梁是晷针，晷针指向北天极。仙鹤日晷是一种特殊的赤道式日晷。时间表盘刻在仙鹤双翅内侧，顶部镂空的设计巧妙地解决了传统赤道式日晷无法在春分和秋分读取时间的问题。
图13-5 多样的日晷
学习评价
自选材料，制作一个简易日晷模型，测量家乡的地方时。
本节教学实施评价要点
任务1
【活动】
1.日晷由指针（即晷针）和圆盘（即晷面）组成。晷针指向北天极，晷面正反两面上都刻有时辰。
2.日晷是利用日影测得时刻的一种计时仪器。一天中，太阳照射的物体投下的影子随着时间的推移，慢慢由西向东移动。移动着的晷针影子就好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时间。
任务2
【活动】
1.晷面夹角与地平面之间的夹角以测量为准。该夹角值与当地地理纬度之和为90°，即晷针与地平面之间的夹角等于当地地理纬度。晷面平行于赤道面。
2.每年春分日（约3月21日）后到当年的秋分日（约9月23日）前，太阳从东北方向升起，西北方向落下，运行轨迹高于晷面，晷针的影子在晷盘正面指示时间。
每年秋分日后（约9月23日）到第二年的春分日（约3月21日）前，太阳从东南方向升起，西南方向落下，太阳运行轨迹低于晷面，晷针的影子在晷盘背面指示时间。
图13-6 太阳周日视运动轨迹图
3.问题一：晷面朝向放反
原因：该日晷放置坐北朝南，晷针指向南天极。而晷针应指向北天极，应该坐南朝北。
问题二：晷面刻度位置颠倒
原因：清晨太阳从东边升起，晷针影子投向西侧，此时晷针应指向卯时。当太阳到达上中天时，此时正值中午，晷针影子指向晷面下方，指示当地的午时。午后太阳不断西移，晷针影子不断东斜，指向酉时。所以晷盘的午时应该在下方，子时在上方。晷盘应该旋转180°。
问题三：晷盘不应靠墙放置
原因：日晷正反面两侧均设置了刻度表。夏季影子位于晷盘的北面（正面），冬季影子位于晷盘的南面（背面）。靠墙放置，墙影遮挡住阳光，日晷无法指示时间，所以日晷靠墙设置不合适。
任务3
【活动】
1.以实际读出时间为准。
2.日晷测量时间是当地实际时间，为地方时，手表显示时间是北京所在的东八区的区时。两地经度每差1°，时间相差4分钟。
例如，北京时间12点观察日晷，由于登封所在经度约113°E，东八区区时是120°E的地方时，两地经度相差约7°，因此两地时间相差约28分钟。由于北京在登封的东部，因此日晷测量出的时间应该是11点32分左右。
3.每年春分和秋分这两天，太阳运行轨迹平行于日晷的盘面，所以这两天日晷正面和背面的晷针都没有影子。
局限性：① 日晷是利用日影测得时刻的一种计时仪器，在阴天和晚上，由于看不到太阳，日晷无法读出时间；② 春分和秋分当天，太阳运行轨迹平行于日晷的盘面，晷针没有影子，不能指示时间。
学习评价要点
1.制作模型所选材料环保。
2.模型结构完整、正确。
3.模型适用于测量家乡的地方时。
