真太陽(yáng)時(shí)簡(jiǎn)易測(cè)量

郭紅鋒

一、你真的了解“時(shí)間”嗎？

我們每天都在使用時(shí)間，你是不是認(rèn)為時(shí)間很簡(jiǎn)單？其實(shí)不然，時(shí)間是一個(gè)非常抽象的概念。它類似于長(zhǎng)度、溫度或質(zhì)量等，是對(duì)物質(zhì)性狀的描述，但又有所不同。例如：我們能辨別距離，感覺(jué)到溫度和重量，但是我們看不到、聽(tīng)不到、嗅不到，也嘗不到時(shí)問(wèn)，只能通過(guò)意識(shí)，或者通過(guò)觀測(cè)它的效應(yīng)來(lái)理解它。

在國(guó)際單位制中有七個(gè)基本物理量：長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量和發(fā)光強(qiáng)度。時(shí)間是物理學(xué)中的七個(gè)基本物理量之一，是一切事件過(guò)程長(zhǎng)短和發(fā)生順序的度量。

確定時(shí)間，是靠不受外界影響的物質(zhì)周期變化的規(guī)律。例如地球自轉(zhuǎn)的周期、月球繞地球的轉(zhuǎn)動(dòng)周期、地球繞太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，等等。而地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是構(gòu)成時(shí)間單位的自然基礎(chǔ)。

二、“真太陽(yáng)時(shí)（日”是什么？

我們都知道，在北半球，太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)（地球上觀察者看到的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)）是東一南一西，每天正午太陽(yáng)會(huì)運(yùn)行到當(dāng)天的最高點(diǎn)（即正南，或者說(shuō)上中天）。因此，天文學(xué)規(guī)定：太陽(yáng)相鄰兩次出現(xiàn)的最高點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，就是一個(gè)真太陽(yáng)日；把真太陽(yáng)日分為24小時(shí)，每個(gè)小時(shí)就是一個(gè)真太陽(yáng)時(shí)。

三、“平太陽(yáng)時(shí)（日）”是什么？

由于地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)不是一個(gè)正圓，而是有一點(diǎn)點(diǎn)扁的橢圓，所以地球距離太陽(yáng)的遠(yuǎn)近時(shí)刻在變化。當(dāng)?shù)厍蚓嚯x太陽(yáng)近一點(diǎn)時(shí)，其公轉(zhuǎn)會(huì)快一點(diǎn)，距離太陽(yáng)遠(yuǎn)一點(diǎn)時(shí)，其公轉(zhuǎn)會(huì)慢一點(diǎn)。另外，地球自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道有23.5度的傾角，加上其他原因，使得地球的公轉(zhuǎn)速度有微小的變化，這引起了地球上每一個(gè)真太陽(yáng)日的長(zhǎng)短有微小變化。真太陽(yáng)日長(zhǎng)短的微小變化，在古代不會(huì)影響日常生活，人們甚至毫無(wú)察覺(jué)，例如古代的日晷、圭表等工具都是測(cè)量的真太陽(yáng)時(shí)。但現(xiàn)代人對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確性的要求提高，特別是科學(xué)上要求時(shí)間更加精確，所以科學(xué)家就制定了一套實(shí)用的時(shí)間體系，稱為平太陽(yáng)時(shí)。

平太陽(yáng)日的定義，就是把真太陽(yáng)日一年中的誤差去掉，取其平均值，這樣每一個(gè)平太陽(yáng)日的時(shí)間都一樣長(zhǎng)。再把一個(gè)平太陽(yáng)日分成24小時(shí)，則每小時(shí)就是一個(gè)平太陽(yáng)時(shí)，也就是我們今天日常使用的鐘表時(shí)間，或電視廣播播報(bào)的時(shí)間。

四、認(rèn)識(shí)一下“世界時(shí)系統(tǒng)”

我們知道地球在轉(zhuǎn)動(dòng)，地球上的不同地區(qū)不會(huì)同時(shí)面對(duì)太陽(yáng)，而是順序面對(duì)太陽(yáng)，如圖1所示。例如，住在北京的人處于正午時(shí)刻（太陽(yáng)在最高處），此時(shí)住在北京以西的人還沒(méi)有到正午，而住在北京以東的人則已經(jīng)過(guò)了正午。

隨著人類交往的頻繁與密切，迫切需要一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)問(wèn)。于是，科學(xué)家規(guī)定：把全球按經(jīng)度（360度）劃分為24個(gè)時(shí)區(qū)，每個(gè)時(shí)區(qū)跨越15度經(jīng)度，每個(gè)時(shí)區(qū)使用其中心經(jīng)度的平太陽(yáng)時(shí)時(shí)間（即區(qū)時(shí)）。例如：零時(shí)區(qū)（也叫中時(shí)區(qū)）使用0度經(jīng)線上的時(shí)間；北京處于東八時(shí)區(qū)，使用的是東經(jīng)120度經(jīng)線上的時(shí)間。這樣就有了世界時(shí)、區(qū)時(shí)、地方時(shí)和時(shí)差的概念。

世界時(shí)：0度經(jīng)線（經(jīng)過(guò)英國(guó)的格林尼治天文臺(tái)）上的時(shí)間，就是零時(shí)區(qū)（也叫中時(shí)區(qū)）時(shí)間；

區(qū)時(shí)：就是某時(shí)區(qū)中心經(jīng)度線上的時(shí)間，一股為居住在本時(shí)區(qū)的人們使用；

整點(diǎn)時(shí)差：區(qū)時(shí)與世界時(shí)之差（差在小時(shí)，沒(méi)有分秒之差）；

地方時(shí)：就是你所在的具體經(jīng)度處的時(shí)間（與區(qū)時(shí)有差別，是經(jīng)度之差，差在分秒）。

五、動(dòng)手測(cè)量“真太陽(yáng)時(shí)”

我們下而要做的足測(cè)量當(dāng)?shù)氐恼嫣?yáng)時(shí)正午時(shí)刻。古人一直采用立竿見(jiàn)影的方法測(cè)量真太陽(yáng)時(shí)，我們也可以效法。具體測(cè)量可以參考上劃《二十四節(jié)氣測(cè)量》一文中有關(guān)測(cè)量正午日影的方法。

建議同學(xué)們從網(wǎng)上查出當(dāng)?shù)厝罩袝r(shí)刻，然后測(cè)量日中時(shí)刻前后30分鐘（至少20分鐘）。具體方法是：每隔1～2分鐘測(cè)量一次，最后征區(qū)間內(nèi)找出影子最短的時(shí)刻，這個(gè)時(shí)刻就是你測(cè)量的當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)在最高點(diǎn)時(shí)的正午時(shí)刻，參考圖2。

測(cè)量方法及結(jié)果記錄

1.立桿高度統(tǒng)一采用1米；

2.測(cè)量時(shí)間段為正午（即當(dāng)?shù)厝罩袝r(shí)刻，可以在網(wǎng)上查到）前后各30分鐘（至少各20分鐘）；

3.測(cè)量地為當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度；

4.測(cè)量數(shù)據(jù)為時(shí)間采樣點(diǎn)的日影長(zhǎng)度；

5.請(qǐng)附測(cè)量當(dāng)時(shí)的照片；

6.記錄表單如下。

六、一起來(lái)動(dòng)腦

針對(duì)測(cè)量結(jié)果，我們提出以下問(wèn)題供同學(xué)們思考，下期將給出問(wèn)題解答。

1.你測(cè)量的真太陽(yáng)時(shí)正午，也就是太陽(yáng)運(yùn)行到一天的最高點(diǎn)，為什么不是12時(shí)？

2.你記錄使用的時(shí)鐘時(shí)問(wèn)，與你觀測(cè)的太陽(yáng)真實(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，有什么不同？