圭表

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陈列在北京古观象台的圭表。原件为明朝仿元朝郭守敬圭表所制,现古观象台内的石制底座为原件,其上的铜圭表为1983年复制,铜圭表原件现存紫金山天文台

圭表中国古代根据影长度变化测定季节、划分四季和推算历法的工具。圭表由“圭”和“表”组成,表是一根垂直立于地面的杆或柱;圭是地面一根垂直于立杆或立柱的水平标尺,指向正北正午,“表”的日影落在“圭”的刻度上,根据表影的长度可以测定节气,推算历法等。比如可以通过测量两次正午时(12点整)表影长度最长时刻(冬至点)的时间间隔(两个冬至点之间的时间间隔),确定一的长度。通过测量正午表影长度确定冬至夏至,进而推算回归年长度。

郭守敬的改良[编辑]

中国元朝郭守敬所制作的高表就是將圭表增長增高設計而成的。

此前圭表使用起来会遇到几个困难。首先,表影边缘不清晰。阴影越靠近边缘,颜色越淡,到底影子的尽头在什么位置,很难判断。影子的边界不清,影长就测量不准。其次,测量影长的技术欠精密。古代量长度的尺,一般只能量到分,往下可以估计到,即十分之一分。按照传统方法,测量冬至影长,如果量错一分,按此推算出来的冬至时刻就会有一个或半个时辰的误差。中国古代将一日分成12个时辰,一个时辰合如今所说的两小时。所以这在天文历法上是很大的误差。最后,圭表只能观测影,不能观测影和影。

北京古观象台的圭表。表上方有横梁

面对这些困难,以来,科学家们想过许多办法,但始终没有解决好。郭守敬在困难面前没有退缩。他从分析产生困难的原因入手,然后针对各个原因,分别寻找对策,逐一解决困难。

前代圭表的“表”仅高八尺,表影很短,表影边缘模糊,测量错一点,实际误差很大。郭守敬设计的圭表,称为“高表”,就是把表竿增高至40尺,提高到五倍,因而观测时的表影也加长到五倍。表影加长了,相对于表影长度而言,边缘不清造成的误差就相应缩减了占表影长度的比例,测量的数据便精确多了,按此例推算节气的误差也就明显减少了。另外,高表顶部还架设了一根横梁,这也有助于识别表影边缘。

高表还不能彻底解决表影边缘清晰度的问题。郭守敬于是创造了一个称为“景符”的辅助仪器,用来提高测量的效果。景符,即影符。它是一片四长、二寸宽的铜叶,正中开一个针孔那样的小洞。铜叶的一端用枢纽接在一个二寸见方的框子边上;另一端用小棍支撑起来,就跟箱子盖那样可以自由启闭,以便调节其倾斜度。将景符放置在圭面上,正对太阳,日光通过小孔,射到圭面上,就会形成一个极微小的太阳像,非常明亮。测量正午日影时,先将景符放在圭面上影端旁边,使符面垂直于日光,然后前后移动景符,使太阳、高表顶部横梁与符上小孔三者正好处在同一条直线上,那么,圭面上所显露出的太阳像跟米粒大小,亮晶晶的,中间有一条细如发丝的横梁影子,立刻记下它的位置,就可以测量日影的长度了。这是利用针孔成像的办法,使高表横梁在日光下所投虚影成为精确实像,测得的表影长度比以前圭表测影要精确得多。[1]

注释[编辑]

  1. ^ 《元史·天文志》载:“景符之制,以铜叶,博二寸,加长博之二,中穿一窍,若针芥然,以润方为趺,一端设为机轴,可令开阖,稽其一端,使其势斜倚,北高南下,往来迁就于虚梁之中。窍达日光,仅如米许,隐然见横梁于其中。”

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