作者：黃馳
故宮裡的日晷，有自己的正式名稱——赤道式日晷【guǐ】。雖然是古代文明，但是我們對日晷又有多少了解呢？可能他已經歸類為失落的文明了。
今天就讓我們重新認識一下赤道式日晷的神奇之處。
故宮裡的日晷
赤道式日晷有三大製作條件、三大自然現象、兩大功能，和一個非常簡單的原理。
赤道式日晷的製作三大條件：
1. 日晷面與地球的赤道平行。
2. 日晷針與地球自轉軸平行。
3. 日晷有正反兩面，都有十二等分的刻度。
古人可能並不知道地球有赤道，日晷的晷面是指向天球的赤道，也就是和地球的赤道平行。古人應該也不知道地球有自轉軸，日晷的晷針是指向北極星的，更準確地說應該是北天極，所以也和地球的自轉軸平行。刻度是十二等分的。赤道式日晷的三大製作條件，我們還是能在網絡上找到的。
赤道式日晷的三大自然現象：
1. 日晷有正反兩面，但是太陽只能照射一面。
2. 日晷有正反兩面，每一面太陽照射半年。
3. 日晷有晷針，但是太長了。(這也是自然現象？)
赤道式日晷有正反兩面，但是無論是早晨，中午，還是晚上，太陽只能照射日晷的一面，要么正面，要麼反面。半年的時間裡太陽只照射日晷的正面，是從三月份的春分開始到九月份的秋分結束；還有半年的時間太陽只照射日晷的背面，從九月份的秋分開始到三月份的春分結束。
赤道式日晷有晷針，但是太長了。這也是自然現象？你會發現，一年之中無論春夏秋冬，無論中午、早晨、晚上，晷針的影子不會小於日晷面的半徑。日晷的三大自然現象，知道的人就很少了，全都知道的人就少之又少了。
其實赤道式日晷的晷針應該短一些。
(1). 一天之中，晷針的影子長度不變。
(2). 夏至日和冬至日，晷針的影子最短。
(3). 二十四節氣只是同心圓。
一天之中，無論早晨，中午，還是傍晚，日晷針在日晷面上投影的影子長度不變。一年之中，夏至日時，日晷針在日晷正面的影子最短；冬至日時，日晷針在日晷背面的影子最短。春分日和秋分日時，日晷針的影子是無限長。如果我們要把二十四節氣的影子刻畫出來，你會發現他是日晷正反兩面各11個的同心圓。
如果可以，我們可以去拍攝一下延時攝影。
赤道式日晷的兩大功能，也隱含了兩大自然現象：
1. 計時功能。
2. 測量太陽高度角。
我們可能也只是知道他的計時功能。但這也是赤道式日晷的特殊之處。赤道式日晷的圓周刻度是12等分的，刻度將一天的時間也是12等分了。這是其他形式的日晷是做不到的，他們可以將時間等分，他們也將可刻度等分，但是他們不能同時等分。
與其他日晷只能中午測量太陽高度角不同，無論早中晚赤道式日晷都可以測量太陽的高度角。因為無論早中晚，赤道式日晷的影子長度不變。如果你要在日晷上刻畫二十四節氣，你會發現他式日晷正反兩面各11各同心圓。
為什麼？
為什麼日晷面要平行赤道？為什麼太陽只能照射日晷的一面？為什麼日晷針影子的長度不變？為什麼日晷針太長了？這麼多的神奇的自然現象，只是隱藏了一個非常簡單的科學道理。
古人怎麼理解的我們已經不清楚了，但是用我們的現代科學解釋就非常簡單了。我們只需要了看一下一年之中太陽周日視運行圖就明白了。用太陽的平行光原理就可以簡單證明了。
太陽周日視運動圖
為什麼日晷的晷針太長了?
我們可以看到太陽相對於赤道面高度不會大於23.5°。如果晷針的長度是日晷的半徑R，他的影子的長度 L≧R/tan(23.5°) ≧2.3R。冬至夏至影子最短，春分和秋分的時候晷針的影子是無限長。所以一年四季無論春夏秋冬，無論中午、早晨、晚上，晷針的影子不會小於日晷面的半徑。晷針短了我們才能看見二十四節氣的同心圓。
如果你認為這就是影子的神奇之處，這就是現代科學。可能你還不了解影子。影子比我們想像的要簡單很多很多!？
在地球上的任意一個地方，無論中國的上海、北京，成都；日本的東京；歐洲的倫敦，巴黎，羅馬；美國的紐約、華盛頓、洛杉磯，每一個地方都有自己的影子(建築物，樹木)，有的影子指向東方，有的影子指向西方，有指南的，有指北的。世界各地的人都可以用影子指示方向，指示時間。影子一直隨著太陽東升西落，從西指到東，一直在移動。
影子在移動麼，影子真的動了麼？
地球的影子
當你在太空中俯視地球，你會發現，無論你站世界的哪一個角落、哪一個地方，地球上所有地方的影子包括地球的影子，無論是早晨、中午、還是晚上，所有的影子不僅一動不動，而且所有的影子都指向一個方向。所有地方的影子都是一動不動的，只是地球在自轉。
請看下一章，影子裡的現代科學——日晷，如何使用地球儀。
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