元代杰出的科學(xué)家郭守敬,他具有多種學(xué)識和才能:在儀器制造、地形測量、農田水利、河道修建等領(lǐng)域都取得過(guò)卓越成就。他在天文儀器制造方面也有驚人的創(chuàng )造力,曾先后制作了簡(jiǎn)儀、仰儀、高表、候極儀、渾天象、景符、方日晷等12種新儀器。對傳統立表測影技術(shù)的改進(jìn)是他諸多成就之一。用圭表測影,表高八尺。夏至日陽(yáng)城(今河南登封告城鎮)正午日影長(cháng)一尺五寸是西周以來(lái)的古制,至元代歷時(shí)已兩千多年幾乎無(wú)人敢輕易作變更。為了提高測量日影的精確度,郭守敬大膽創(chuàng )新,勇于實(shí)踐。在古人測影的告城鎮建立了一座測影臺,立高表40尺,是傳統表高的五倍,這樣所測日影長(cháng)度的相對誤差便可以減少到1/5。為了取影方便,又在表的頂部架了一根橫粱。按常理加長(cháng)表高就能使日影變化更顯著(zhù),但是表增高后,照射在圭面上的日影又會(huì )虛而淡。為了克服高表影虛的缺陷。郭守敬設計了一件附屬儀器——影符。影符是根據針孔成像原理制成,即在一個(gè)小框架上安一個(gè)可以轉動(dòng)的銅片,中間開(kāi)一個(gè)小孔。當太陽(yáng)過(guò)子午線(xiàn)時(shí),把影符放直在水平的圭面上,南北移動(dòng)并轉動(dòng)銅片,使照射在圭表頂部橫粱上的日光。首先通過(guò)影符上的小孔再照射到圭面上,形成一個(gè)米粒大小,中間含有銅橫梁的太陽(yáng)倒像。當橫梁影正好平分日像時(shí)就得到了日面中心影長(cháng)。利用影符基本解決了由于高表造成“影虛而淡”的問(wèn)題,大大地發(fā)揮了高表測影的優(yōu)越性,從而達到提高測影準確度的目的。
郭守敬建造的測影臺,臺前有沿著(zhù)地面向北延伸的一條石圭,是用36塊方石拼接而成。圭面上有兩條平行的水槽,起著(zhù)水平作用,兩槽中間狹長(cháng)的圭面即是量度日影的圭表尺,亦稱(chēng)“量天尺”。尺全長(cháng)3129,4厘米,按《元史》所記,圭長(cháng)128尺,得元代量天尺為24.45厘米??梢?jiàn)郭守敬造天文儀器的專(zhuān)用尺,仍為隋唐以降的“小尺”。
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