中國(guó)古代觀象臺(tái)（中）

登封古觀象臺(tái)

今河南省登封市城東南的告成鎮(zhèn)，古稱“陽城”，相傳是夏朝最早建都的地方，據(jù)當(dāng)?shù)乜h志記載：周公修建土臺(tái)，“測(cè)土深，正日景，求地中，驗(yàn)四時(shí)”。這說明在周代甚至更早，人們就已經(jīng)用土圭立表，來測(cè)影、驗(yàn)時(shí)、定季了。

周公測(cè)景臺(tái)的原物現(xiàn)已不復(fù)存在，但那里現(xiàn)在有一座石制的臺(tái)子。這個(gè)臺(tái)子是公元723年唐朝天文官南宮為了紀(jì)念周公， 而在此地測(cè)影建立的紀(jì)念石質(zhì)圭表，表的南面刻有“周公測(cè)景臺(tái)”五個(gè)字。

1279年，元代天文學(xué)家郭守敬在周公測(cè)影臺(tái)北面用磚石建起了一座大膽而巧妙的高表測(cè)影臺(tái)（即登封觀星臺(tái)），并以此作為當(dāng)時(shí)大規(guī)模四海測(cè)驗(yàn)的中心觀測(cè)站。

登封觀星臺(tái)是中國(guó)現(xiàn)存最完好的古天文臺(tái)建筑，也是世界上的重要天文古跡。觀星臺(tái)像一座城樓，北壁正中有一個(gè)上下直通的凹槽，凹槽之上有一橫梁，整個(gè)凹槽加橫梁相當(dāng)于一個(gè)40尺的高表。槽的底部延伸出一條長(zhǎng)120尺的南北放置的石圭（稱為量天尺）。

周朝以前，中國(guó)古人就已經(jīng)學(xué)會(huì)用圭表測(cè)日影以推算時(shí)間、季節(jié)。數(shù)千年來，表的高度大都墨守成規(guī)地定為八尺（當(dāng)時(shí)的度量單位）。郭守敬的觀星臺(tái)打破了這一局限，表的高度增加了5倍（40尺），影長(zhǎng)自然也增加了5倍，測(cè)量誤差按比例應(yīng)該減小。但實(shí)際上，在表影拉長(zhǎng)的同時(shí)，影子的邊緣線也變得更加模糊。為了解決這個(gè)問題，郭守敬創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一個(gè)中心有小孔的銅片——景符，用以接收高表頂端（橫梁）的投影。

測(cè)量時(shí)將景符放置在圭面上，調(diào)整角度，使其與太陽光照射方向垂直，然后沿圭面滑動(dòng)，尋找橫梁投在圭面上的影子，直至景符后面的石圭上出現(xiàn)一個(gè)明亮的小圓斑，且圓斑中央有一根明顯的細(xì)線。測(cè)量這條細(xì)線到表基的長(zhǎng)度，就是表的影長(zhǎng)。高表加景符的測(cè)量方法使測(cè)量結(jié)果的精確度得到了成倍提升。

經(jīng)過長(zhǎng)期的觀測(cè)，結(jié)合從全國(guó)（四海測(cè)驗(yàn)）收集來的數(shù)據(jù)，并參考以往的歷法，郭守敬和他的同事們推理演算，最終將一年的時(shí)長(zhǎng)定為365.2425日。這個(gè)結(jié)果比同樣精度的《格里高利歷》（即現(xiàn)在世界通用的公歷），提前了300多年。

郭守敬領(lǐng)導(dǎo)編撰的新歷法《授時(shí)歷》，從元初一直用到明末，是我國(guó)迄今為止使用時(shí)間最長(zhǎng)的一部歷法，受益者還包括日本、朝鮮、韓國(guó)和越南等國(guó)家，而登封觀星臺(tái)也因此成為中國(guó)古代天文學(xué)巔峰時(shí)期的歷史見證。

郭守敬在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，抓住了問題要點(diǎn)，運(yùn)用了創(chuàng)新理念，我們也可以學(xué)習(xí)這種科學(xué)思維和勇于創(chuàng)新的思想?？v觀我們祖先使用的“立竿見影”方法di7V1eUPTQmE7IglQ6lUfg==，使用的工具很簡(jiǎn)單：一個(gè)圭，一個(gè)表。表只使用其頂端（與表本身關(guān)系不大），所以郭守敬用橫梁代替表高，用景符的小孔給橫梁成像，成功地解決了虛影問題，提高了測(cè)量精度。

同學(xué)們可以模仿郭守敬高表加景符提高測(cè)量精度的方法，做一個(gè)測(cè)量日影的實(shí)驗(yàn)：

1） 在朝陽的玻璃窗上，橫貼一條細(xì)線（也可以找一個(gè)高處橫桿）用來模擬高表橫梁；

2） 做一個(gè)開小孔的紙屏，安裝在一個(gè)盒子上（模擬景符）；

3） 在測(cè)量水平面（模擬圭面）的后端平放一張紙屏來接收小孔成像的光斑。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以在房間里做，不用暴露在室外陽光下，也不必做實(shí)物圭表，只需要把三個(gè)模擬的物件（高表、景符、圭面）放到合適位置組合起來測(cè)量即可。

實(shí)驗(yàn)時(shí)可以把模擬景符放到測(cè)量水平面上（或用桌子代替水平面，來方便操作），把打小孔的紙屏對(duì)準(zhǔn)太陽方向，調(diào)整紙屏角度，讓太陽和玻璃窗上的細(xì)線對(duì)準(zhǔn)（都通過小孔），即可從后端的像屏上看到太陽的像斑里有一條細(xì)線。

此時(shí)玻璃上的橫線到成像紙屏間的垂直高度就是表高（圖中黃線所示），窗玻璃（注意考慮窗臺(tái)）到太陽像斑里的細(xì)線間的距離，就是影長(zhǎng)（圖中綠線所示）。

這個(gè)方法可以測(cè)量任何時(shí)候的太陽影長(zhǎng)，如果能確定南北方向，就可以做圭表用，從而測(cè)出高精度的正午太陽影長(zhǎng)。

問題1：圭表是測(cè)量什么的工具，其主要部件是什么？

問題2：你自己可以設(shè)計(jì)一個(gè)圭表嗎？

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