日晷計時的原理與什么有關?是光沿直線傳播嗎?

鐘表是我們現代人司空見慣的時間工具,幾乎每家都會有一個鐘或手表,發展至今天,鐘表越來越小型化,各種奢侈表,名表充斥著市場,電子鐘也大行發展,極大的方便了人們 。
在影視劇中經??吹礁虼蚋疤旄晌镌?,小心火燭”都成更夫的代名詞了,打更其實就是報時,晚上七點打“落更”,“二更”為晚上九點,“三更”為晚上十一點,“四更”為凌晨一點,“五更”為凌晨三點 。更夫是如何知道幾點打更的呢?得益于他們的計時工具,大多是滴漏和線香 。除了通過滴漏、燃香等來計時,古人還發明了日晷、圭表、水運渾動儀、水運儀象臺等 。這些計時器相輔相成,與時俱進,為古人提供更為準確的時間 。

日晷計時的原理與什么有關?是光沿直線傳播嗎?


圖1 日晷
先來了解一下我們經常聽到的日晷,日晷又稱“日規”,是最早的計時工具之一,日晷本意是指太陽的影子,故而它的計時原理也和太陽有關,通過太陽投影的移動方向來確定并劃分時刻,由晷面和晷針組成,晷面上刻有刻度 。日晷上面的刻度并不是都相同的,因為不同的緯度太陽光的照射時長不同 。因此,日晷有水平式日晷、赤道式日晷、子午式日晷以及卯酉式日晷等等 。
最常用的是水平式日晷,因為刻度盤采用水平的而得名,指針的傾斜度需根據當地緯度來確定,適合低緯度地區使用 。赤道式日晷的刻度盤是等分的,指針朝北固定,指針垂直于刻度盤,常用于赤道附近的緯度,不同緯度范圍都會有相應的日晷 。
日晷計時的原理與什么有關?是光沿直線傳播嗎?


圖2 圭表
圭表是我國最古老的計時器,《周易》中就有記錄,它的原理也和日晷一樣,利用太陽射影來計時,日晷還是在它基礎上發展而來的,算是一家親了 。
圭表中的“表”是指直立于平地上測日影的標桿和石柱,“圭”則是正南正北方向的測定表影長度的刻板 。圭表可以計時還可以用來測定節令,日出而作,日落而息是勞苦人民的一天最真實的寫照,所以掌握節氣變化對古代農民來說尤其重要,夏至日行極北,正午時刻表影最短,冬至日行極南,正午時刻表影最長;春分和秋分太陽出沒于正東西,正午時刻表影適中,進而確定,春分、夏至、秋分、冬至四個節氣 。
圭表在古代還有一些象征意義,古人崇尚“至信為時”,也就是誠信,作為測量時間的圭表自然是被認為是誠信的表征 。作為臣子、妻子都得恪守圭臬法則,“臬”是表的另一個名稱 。奉行“男子之蘗”和”女子之蘗”,核心就是為人臣,為人妻必須誠信、忠誠 。
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圖3 漏刻
圭表、日晷都是我國古到人民根據”立竿見影”的效果來發明出的計時工具 。但這兩種的計時工具有一個明顯的缺點,它們需要太陽,一年365天,總不能天天大太陽吧?假如沒有了太陽,比如碰上陰雨天、夜晚,日晷、圭表就失去了作用,這時一種突破太陽光限制的計時工具—–漏刻應運而生 。
據記載,西周時候就已經有了漏刻,所謂“漏”就是壺,可用來裝水亦可泄水,前者為受水型漏壺,后者為泄水型漏壺,“刻”即是記有刻度的箭 。它的原理是利用水從漏壺中滴出,水位下降,壺中的箭刻也下降,從而確定時間或滴水進壺中,水位上升,箭刻上升來指示時間 。
早期都為泄水型漏刻,受水壓力的影響較大,水位高時,水滴下落過快,水位低,水滴下滴過慢,造成誤差 。后期的受水型漏刻以恒定的水量注入漏壺,提高了記錄時間的精度 。為了能使滴水更加均衡,古人還創造性的采用多級漏壺以來平衡水的流速 。水漏刻的發明是古人克服大自然條件限制的重大進步,但水是一種流體,存在多種形態,受到溫度和空氣濕度影響,這些參數的改變都會影響記錄的精度,白天和夜晚需分別參照日晷和星宿來調整 。

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