日晷设计原理

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1、日晷的原理苏明俊(高雄市天文学会理事长)(树德科技大学休闲事业管理系助理教授)前言：我到世界各地旅行，发现重要的博物馆、天文台、机关、学校都会制作具有代表性的日晷，例如：美国洛杉矶近郊Grifith公园有爱神的箭日晷；美国西南部基特峰国家级天文台也有融合圭表与日晷的特制日晷；发现冥王星的Lowell天文台园区内也有类似麒麟造型的日晷；印度北部也留下古代皇室御用的日晷而闻名于世；新加坡鸟园园区内也有铁环日晷，…真是不胜枚举。今天制作日晷并不是真的用来测量时间，而是象征对古代测量时间遗产的重视，教育民众的意义也很大，当然在造型上也有艺术品的价值，真是一举数得。台湾各地也制作了许多

2、日晷，值得称许。然而，我所知道台湾各地的日晷中，鲜少有制作完全正确的，例如：清华大学校园内的日晷，就忽略了晷针的厚度所造成的误差，使日影线与刻度线有交叉；交通大学校园内日晷的晷针安装时，晷针的原点未与晷面的圆心对准；最夸张的是高雄市旗津海岸公园内的日晷，以及花东纵谷舞鹤北回归线的日晷，制作时以手表造型来作为刻度的依据，真是贻笑国际，全台湾的笑话；高雄市都会公园内的「金鸡日晷」保证你看了以后不知如何测量时间，因为以不规则形状的鸡脚前缘来作为晷针，想要刻度正确实在太难了。包括台北市立天文科学教育馆馆外园区的日晷在内的台湾各地日晷，都有相当制作上的瑕疵。请注意，我说的错误不是精确度

3、不足的要求，而是制作时根本的错误。本文就来详谈日晷的制作原理，希望台湾地区随后制作的日晷，不再闹笑话。要了解日晷，大概需要先了解下列三件事：(1)地球会自转，利用日晷来观察太阳影子的变化，可以知道当天的「时间」；(2)地球会绕太阳公转，并且地轴与黄道面有夹角，因此利用圭表来观察太阳的回归，可以知道当天的日期(节气)；(3)地球绕太阳的轨道是椭圆形，因此地球在冬天时离太阳比较近，且速率快一些，因此日晷需要「时差」的修正才会准确。一、太阳的运行这里说太阳的运行，当然是以地球上的观察者为坐标。因为地球在太空中自转，同时绕着太阳公转，相对太阳系的坐标，太阳是不动的，但相对地球上的观察

4、者，则又认为地球不动，是太阳每天东升西落了。地球上的日晷当然也会以这样的坐标来观察太阳的运动。14台南大學(一)新加坡人看太阳东升西落新加坡的地理位置非常接近赤道，北纬只有3度。请参考图一，你如果站在赤道上，地球在你的脚下自转，那么你将会随着地球由西向东、由上而下再从地球的另一边由下而上自转，你看见太阳的相对运动就会由东方垂直向上爬上天空，再经过你的头顶向西方运行了，太阳运动的轨迹如图1-1所示。有人说：「不对，地球的自转轴不是水平的，该是倾斜23.5度才对？」果真如是，台湾在上面(因为不觉得有倾斜或倒立啊！)，那么美国人不就永远倒立了吗？住在地球上的每一个人都会认为他站在地

5、球的上面，而根本没有倾斜或倒立的情形，这要看你观察的坐标来决定：从观察者的坐标来看，观察者的上面就是上面，下面就是下面；若从太阳系的黄道面来看，地球的自转轴还果真是倾斜的(如图)，使太阳照射地球时，有直射与斜射的区别，造成四季的变化。(二)台湾人看太阳东升西落台湾大小约有三度，从垦丁的北纬22度到台北县富贵角的25.3度，可以概略地说位于北纬23.5度的北回归线上。请参考图二，你站在台湾，会发现地球在你的脚下倾斜的自转，观察到太阳的相对运动，当然也是倾斜向上的方向，太阳从东方倾斜向上向右(偏南)升上来，经过头顶南方约23.5度的天空，再向西方倾斜的向右向下落下。14台南大學(

6、一)加拿大人看太阳东升西落加拿大的地理位置在美国和北极之间，纬度很高。加拿大人当然也是认为他们在站地球的上面，因此脚下地球自转时倾斜许多(如图)，观察到太阳东升西落的路径当然也就倾斜得更多(如图)了。(二)北极的爱斯基摩人看太阳的东升西落我们再来看看爱斯基摩时观日出的情形，如图显示，爱斯基摩人当然也是觉得他就在地球的上面，也会觉得地球就在他的脚下自转，从太空中看去，他根本没有什么移动，相对的，太阳会与地球自转方向相反地转动，也就是在北极地区的地平在线移动而已了，难怪太阳永远斜射北极地区，造成异常寒冷的冰原。以上四种情形，都是以地球位于春分点来讨论的，此时太阳直射赤道地区，也就

7、是暂时不管地球的公转现象。如果再考虑地球公转的话，因为地轴的倾斜(以黄道面的坐标)14台南大學，使太阳直射地球的位置会在南北回归线之间移动，也就是四季的变化，那么，上面讨论的新加坡人就会发现太阳不是从正东方升上来，而是向南或向北偏移一些，太阳的路径还是垂直地升降；台湾人则会发现夏天的时候，太阳从东方偏北的方向升上来，冬天则从东方偏南的方向升上来；加拿大人会发现夏天的太阳东升时的方位偏北很多，冬天则偏南很多；北极地区的人会发现夏天的太阳几乎从北方升上来，冬天的时候就有半年看不见太阳，形成永夜的现象了。从地