赤道式日晷為什么有兩面？

郭紅鋒

一、日晷的由來

日晷，本來的意思是太陽的影子。晷在說文解字里解釋：晷，日景也（古代景同影）。后來人們也把用日影計時的儀器，叫做日晷，也稱“日規(guī)”。世界上許多民族都有用日晷計時的歷史。在沒有鐘表的古代，日晷是主要的計時工具，所以各民族都發(fā)展了很多種類的日晷，例如地平式、子午式、卯酉式、立晷等。

赤道式日晷很適合中緯度地區(qū)使用，而且原理簡單，使用方便，是日晷種類中最重要的和最常見的，也是中國古代最經(jīng)典和傳統(tǒng)的天文觀測儀器。所以，現(xiàn)在中國的很多學校都安裝了赤道式日晷做教學用。

有同學問：赤道式日晷的晷針為什么要穿透晷盤的兩面？晷盤為什么兩面都有刻度？兩面都有用嗎？要回答這些問題，先要了解赤道式日晷的結構和原理。

二、赤道式日晷的結構

赤道式日晷一般由底座、晷盤和晷針組成（見圖1）。晷盤傾斜地架在底座上，且正面和背面均有等分的刻度，晷針垂直穿過晷盤面中心，在晷盤的正面和背面露出同樣的長度。日晷工作時，太陽照在晷針上，其投影指向晷盤面上（正面或者背面）的刻度，這樣就可以指示太陽在天上的運動軌跡，從而指示時間，這個時間就是當?shù)氐恼嫣枙r。

赤道式日晷最關鍵的是晷盤面與地平面（水平面）的傾斜角度A，要與當?shù)厝粘龅秸缣柹仙膬A斜角度一致（即A=90°-Φ，Φ是當?shù)氐牡乩砭暥龋?。因為晷針與晷面垂直，所以晷針與地平面夾角就是當?shù)氐牡乩砭暥圈担ā螦與∠Φ互佘）（見圖1）。

這樣就使晷針指向北極，晷盤面與赤道面平行。

三、赤道式日晷的工作原理

日晷安裝時，盤面朝北，晷針正面指向北極星方向。由于晷針與地球的自轉軸平行，晷盤面與赤道面平行，所以從晷針上看太陽的視運動，是在天空中轉的圓圈。因此，太陽在晷針上投下的影子轉動的角度就是均勻的，即每小時15°（與地球自轉速度，即太陽視運動速度一致）。這樣，晷針影子在表盤上所指示的刻度就能表示當?shù)氐恼嫣枙r間（圖2）。

四、赤道式日晷的使用方法

每年春分日（約3月21日）后到當年的秋分日（約9月23日）前，太陽運行軌跡高于日晷盤面，晷針正面的影子在晷盤正面指示時間（見圖3）。

每年秋分日后（約9月23日）到第二年的春分日（約3月21日）前，太陽運行軌跡低于日晷盤面，晷針背面的影子在晷盤背面指示時間（見圖4）。

每年春分日和秋分日這兩天，太陽運行軌跡平行于日晷的盤面，所以這兩天日晷正面和背面的晷針都沒有影子，也就是這兩天赤道式日晷是不能指示時間的。

最后，給同學們留下一個思考的問題：使用日晷也可以指示日期，請問在日晷上的什么地方做標記就可以既能指示1天中的時間，又能指示1年中的日期？

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