圭表与二十四节气
如图甲中的圭表是我国古代的重大发明。圭表包括“圭”和“表”两部分,表是一根立在地面的标杆或石柱,表高一般为8尺(3尺约为1m),圭是从表的跟脚上以水平位置伸向正北方的一条石板,其结构如图乙所示。
战国时已经采用水面来校正圭使其水平,用铅垂线来校正表使其与圭垂直。在地球绕太阳公转过程中,北半球同一地区正午太阳高度(太阳高度指太阳光线与地平面的夹角)从夏至日到冬至日逐渐变小,南半球逐渐变大。古人用它测量正午时表影的长度,从而确定一年的时间和季节。通过测量正午时表影长短的变化,推算出一回归年为365.25天,按照季节变化将一年划分为二十四节气(如图丙),用以指导生活和农业生产。
由于光的散射和漫反射等的影响,早期圭表的表影边缘模糊不清,影响测量表影长度的精度。元代天文学家郭守敬对圭表进行改进与创新,他将表的高度增加到原来的五倍,且在表顶加一根架空的横梁。他还发明了景符,用小孔成像原理可以在圭面上形成太阳和梁的清晰像,把确定表端影的位置变为确定梁影中心的位置,较大提高了测量的精度,如图丙所示。
2016年11月30日,联合国教科文组织批准“二十四节气”列入人类非物质文化遗产代表作名录。以圭表为代表的我国古代的科技成果,闪耀着智慧的光芒,激励着我们攀登新的科技高峰。