日晷的制作与使用的研究
摘要： 本研究着重于高一新生通过日晷的制作和使用，培养高中学生对高中地理的地球运动的理解，掌握利用日晷测定时间，日影方位判断，正午太阳高度计算等，从而培养高中学生的地理观测能力和实践能力。
关键词： 日晷 操场 拍照 记录
研究的背景： 此次课题研究是在深入学习和贯彻课程标准提出的实施中小学核心素养教育方针的背景下开展实施的，旨在培养学生理论联系实际，深入探究，团结合作的精神，提高学生实际动手能力，信息收集和处理的能力，培养具有创新能力的新型人才。
一 活动时间与地点： 2020年9月23日前后学校操场
二 活动对象： 高一1，2，19班
三 理论依据
当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢由西向东移动，以此来显示时刻，这就是日晷的计时原理。特别注意的是无论是赤道式日晷还是地平式日晷，其晷针与当地的地平夹角等于等于当地的地理纬度。例如：镇平县地理纬度为33度21分，则下面的指针与地面夹角也为33度21分。
四 课题活动内容
古代，在机械钟表出现之前，人们通过观察太阳来记录时间，比如太阳升到头顶最高的位置，时间就为正午了。实际上古时候的时间的概念就是来自太阳，例如我们把太阳连续两次升起之间的时间称为“一日”，即24小时。
一天中不同的时间段，阳光下物体投射在地面上的影子的长度和角度都不同，通过测量同一物体影子的变化，就能确定太阳的运行情况，从而得到精确的时间。这种测量时间的仪器被称作“太阳钟”，我国古代称之为“日晷”。
人类很久很久以前就开始使用日晷来记录时间了，在6000多年前古巴比伦开始使用，中国有明确记载的是在3000多年前的周朝。现在故宫还存放着日晷。这些古代的时钟精确度一点不比现在的机械式钟表差，而且既能显示一天之内的时刻，又能显示节气和月份。当然它也有缺点，笨重且没有阳光的时候就没有了用武之地，如阴天或晚上。
我们首先制作一个简易的日晷，来感受一下古代计时工具的工作原理。
要用到的东西：方便面的纸桶、橡皮泥、竹签和笔。
制作方法超级简单，用橡皮泥把竹签固定在桶的中央，保证竹签垂直向上。
而后把它放在阳光能直接照射到的地方，竹签的影子会投射在桶壁上。这个影子的位置是随时间变化而改变的，手里拿一块表，每到正点的时候就用笔在桶壁上作一个记记。比如手表显示的是上午“9”点，那么你就在影子的位置画个记号，而且标上“9”。注意纸桶的位置不能再变了，那么明天上午竹签的影子再到你做的标记“9”上的时候，此时的时间就是9点。
因为时间关系， 所以我们大概要几天可能做完所有的时间标记，那么这就是日晷了，就可以来代替手表计时了。
通过以上的简易日晷的制作，我们对日晷的工作原理有了一个大概的了解，当然真正的日晷要比这个复杂得多。那么制作一个真正的日晷需要的地理知识是什么？
地球绕地轴自转，同时绕太阳公转。一天之内时间的变化是自转造成的，由于相对太阳来说地球是“斜着身子”旋转的，所以阳光的投影的变化也比较复杂。上面介绍的简易日晷之所以选用方便面的纸筒，是因为纸筒壁有一定的倾斜角度，阳光也是倾斜着照过来的，这样竹签在纸筒壁上的影子就相对均匀一些。请注意观察你自己根据手表的时间作出的标记，这些标记之间的间距也不是绝对均匀的，能说明太阳运行的复杂性。
真正的日晷主要有三种类型：赤道式、水平式（地平式）和垂直式
上图是赤道式日晷是我们经常在博物馆和古建筑群里看到的，之所以叫“赤道式”，是因为它的晷盘，即有刻度的圆盘是与地球赤道面平行的，贯穿晷盘的指针与地轴平行并且指向正北。这样就消除了因为地球斜着身子造成的指针的投影运动的不均匀性，所以它的刻度盘跟现代钟表盘一样，刻度是均匀的。另外请注意晷盘两面都有刻度，春分到秋分，即3月21日到9月22日期间从正面读数，秋分到春分半年从背面读数。
上图是地平式日晷，图上右面的部分是经过艺术处理的，既是城市雕塑又是一座巨大的日晷，刻度刻在地面。这种日晷的刻度就是不均匀的，而且随纬度而变化，即不同纬度地区的地平式日晷不能通用。
上图墙壁上的是垂直式日晷，它的刻度也是不均匀的，而且日晷的表面朝向不同，刻度就会随之发生相应的变化。所以这种日晷在不同纬度地区之间是不能通用的。
自己动手制作一个能够精确计时的日晷难吗？知道了原理后就相当容易了！下面我们分别制作这三种不同的日晷。
首先制作赤道式日晷。使用的材料：一个鞋盒和一些白纸，一根竹签（烤肉串上的打磨一下），另外需要一些胶水或双面胶带。
需要的工具：剪刀、壁纸刀、圆规、指南针、水平仪、带量角器的三角尺和一支笔。
首先为了美观把鞋盒的外表面贴上一张白纸，剪去盒盖边沿，变成一张纸板，为了漂亮外面同样也可以粘上白纸。
沿鞋盒的长边画一条中心线，距边沿1/3的位置画一条垂直线，注意垂直线要延长到两个侧面。
在鞋盒盖子——现在已经成为一张白纸板了——上面如此作图。就是找圆心，用圆规画2个同心圆，通过圆心画水平线和垂直线。大圆下面的弧线是用三角板上的弧线工具画的，弧线以外的部分将来要剪掉。
下面是完整的日晷晷盘图样，首先在通过圆心的水平线和垂直线上找出标志性的刻度，最右面是6点，最左面是18点，最下面是12点，最上面是0点，其它时刻用圆规均分得来。
注意这是晷盘的正面，时间刻度沿顺时针方向由小到大，且间距均匀，与机械时钟表盘唯一的区别是，这是24小时刻度的，当然夜晚的时间不必标记，因为晚上是看不到太阳的！
下面是晷盘的反面图样，与正面的区别就是时间刻度沿逆时针方向由小到大。
晷盘的两面都画好后，沿边缘剪掉多余的部分，再把竹签从圆心处穿过，如此日晷的主要部分——晷盘就制作完毕了。
下面我们来制作日晷的基座。在纸盒子侧面事先画好的垂线那里用量角器量出一个33度的角，这是镇平县的纬度。您家的纬度是多少，这个角就画成多少。纬度可以通过网上或GPS查出来。
沿着纸盒表面的线切一刀，再沿着侧面刚画好的斜线下切2厘米左右，总体效果相当于斜着在纸盒上“切”了一刀。
把晷盘下端插进基座的切口，这样晷盘跟垂直面的夹角就是33度，也就是镇平的纬度，跟水平面的夹角是（90-33）度。
将竹签插进晷盘的圆心，上端和下端留出同样的长度，用三角板校正，使竹签与晷盘面垂直。这根竹签正式的称呼叫“晷针”。
到这里一台赤道式日晷就算完成了！然而要想它正确指示时间，还需要费点周折。日晷的方向要指向正北，如图指南针的磁针与日晷基座上的中心线平行，指向正北。
然而指南针不是指向正南正北，指南针的方向与正南正北的方向之间有个叫磁偏角的夹角，例如镇平的磁偏角约为3度50分。而且不同地区的磁偏角大小也不尽相同，在精度要求高的场合，磁偏角要考虑进去。因为我们做的这个东西精度并不是很高，因此磁偏角的影响可以忽略不计。
用水平仪使基座水平。
经过方向与水平的调整，我们亲手制作的赤道式日晷终于可以工作了！现在它的晷盘与地球赤道平行，晷针与地轴平行且指向正北。这样一来，一天当中晷针在阳光下投射的影子，可以看做是在晷盘上匀速转动， 从而方便我们计时。
下面的日晷显示的时间为13点多一点。
需要说明的是，日晷上得到的时间是当地时间即地方时，与我们平时使用的北京时间有些差距（因为我们不在北京居住）。而且太阳和地球的运动也不是严格按照几何学的描述，因此好一点的日晷上面都有一个时间修正表格，用来参照得出更加准确的时间。对于我们一般人来说，不必对这个问题深究。有一个简便的修正时间的法子，就是在保证晷针指向和晷盘倾斜角度都不变的情况下，转动晷盘，使日晷的指示时间与您的手表显示的时间相同，这样您就拥有一个真正可以当成钟表用的日晷了！
课题活动准备
1.人员分组：建议分六组，每组6-8人（材料按组准备，总数根据各班人数不同准备）。
2.活动材料准备：地球仪1个。
本着环境保护的原则，材料尽可能选用废旧报纸或木板:筷子、指南针、剪刀、胶水一瓶、纸板（或木板）、直尺、圆规、量角器、手表（与北京时间校准）、计算器、粉笔、实验记录本、相机、小棍（比如铅笔、吸管、竹签等等）等。
秋分日前后，天气晴朗（正午12点时立竿见影）。
准备好制作材料；制作晷针与晷面；根据晷面大小把准备好的白纸剪好，平均分成24等份并标上数字；把标上数字的白纸粘贴在正反晷面，正反两面的数字要对齐；在日晷面的圆心处钻一个小孔，并把铁条削插入小孔，使铁条与地面成（南阳纬度）；到学校操场验证并记录实验数据。
课题研究过程
2、日晷又称“日规”，我国古代利用日影测得时刻的一种计时仪器。其通常由铜制的指针和石制的圆盘组成，铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于天赤道面，晷针的上端指向北天极，下端指向南天级（参见下图）。常见的日晷种类有赤道式日晷与水平式日晷。
3 讲解日晷计时原理。
当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢由西向东移动，以此来显示时刻，这就是日晷的计时原理。
4 课题探究
让学生在制作日晷前查找资料与探究以下问题，并把答案写在实验指导手册上面，从而培养了学生的问题探究能力与团队协作能力等。
日晷除了可以计时外，还有哪些功能?1通过太阳视运动时，太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面相应的时间刻度，达到测试目的；
2通过正午时晷针影子指向的时间刻度，可以计算北京时间与当地时间的差异；
3可以通过正午时的影长计算当地正午太阳高度；
（1）日晷的晷针指向什么方位，晷针与地面的夹角多大？
（2）赤道式日晷与水平式日晷的差别？
（3）制作赤道式日晷与水平式日晷，晷面、晷针方向应该怎样？
2020年9月23日（秋分日）前后，天气晴朗，学校高一年级的同学们在下午放学后兴致勃勃地来到学校操场进行地理课外日晷的测量与使用活动。将做好的日晷安装在校园操场（注意角度与方向），验证在阳光下看指针阴影，并用手表时间一起拍照（要求利用课余时间每天至少五次，上午与下午各2次，中午1次）。并把测量数据记录在实验指导手册上面的实验记录表内。
两周后将进行小组成果汇报（每组汇报时间不能超过10分钟，对优秀小组将进行奖励）。汇报内容为问题探究题，如何分工制作、如何收集资料、如何测定时间、遇到什么困难、有什么改进的建议、实践体会等及时记录在实验指导手册上面。
2.总结实验原理：
日晷为什么可以指示时间呢？这是因为地球自转几乎是均匀的，在地球上看，太阳的运动也是均匀的。
所以人们可以利用指针的影子来确定时间。地球在自转的同时，还在绕太阳公转。地球的自转轴并不垂直于公转平面，为了使不同季节同一时间的影子都指向同一个方向，日晷的指针需要平行于地球自转轴。这也就是为什么日晷的指针是倾斜的。
本课题是选自湘教版地理必修1第一章中第三节地球的运动。课题是检验学生学习了时差及时间计算、日出方位等后，对理论知识进行应用的一节实践活动案例学习。由于时间计算、日影方位判断、正午太阳高度计算等知识是高中地理的难点，学生很难理解与掌握。此外，高中地理以课堂学习为主，很少有机会进行实验实践学习，学生对地理实验实践课具有很大的兴趣，所以想通过实践学习后让学生掌握时间计算、理解地方时差、并会根据日晷来计算正午太阳高度等其他知识。为此，我选择了我国具有两千多年的传统计时器“日晷”这一内容，帮助学生对时间计算与地方时差、日影方位等知识的理解。
本节实践活动课中，制作日晷比较简单，但是做的比较精确具有一定的难度，因为不同的纬度位置，日晷的晷针与当地的地平夹角等于当地的地理地理纬度，这个知识点需要引导学生借助几何知识去证明。几何知识去证明。其次，是测量时日晷的安装方向以及实验数据的记录与计算问题。为此，我特意设计了一个实验指导手册，让学生根据指导手册内容去学习测量时日晷的安装。
这次实验活动让学生加深了对课本知识的理解，增加了对地理学科的兴趣，认识到了地理不仅是在课堂学习知识，在生活中随时随处也可以学习的。虽然在太阳底下会使人的肤色会变深，但被内心充斥着舒畅感和满足感，那种参与的快乐是不言而喻的，既增加了学生对地理的兴趣，有锻炼了学生的动手能力。
作者简介：刘琳双 ，女，1995年毕业于南阳师专，中学一级教师。长年担任高中地理教学工作。
潜心钻研教学，创新教育理念，把握高考方向，积极投身教科研，学科成绩名列前茅。
执教格言：用智慧去播种，用汗水去浇灌，用粉笔去耕耘，用心灵去滋润
