人類使用日晷的時(shí)間非常久遠(yuǎn)，古巴比倫在6000多年前就開(kāi)始使用了，中國(guó)有明確記載的是在3000多年前的周朝。這種古代的時(shí)鐘精度一點(diǎn)不比后來(lái)的機(jī)械式鐘表差，而且不但能顯示一天之內(nèi)的時(shí)刻，還能顯示節(jié)氣和月份。當(dāng)然它的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，笨重而且看不到陽(yáng)光的時(shí)候不能用，比方陰天或晚上。
然后把它放在陽(yáng)光能直接照射到的地方，竹簽會(huì)在桶壁上投射一個(gè)影子。這個(gè)影子的位置是隨時(shí)間變化的，手里拿一塊表，每到正點(diǎn)的時(shí)候就用筆在桶壁上作一個(gè)標(biāo)記。比方這時(shí)候手表顯示的是上午“9”點(diǎn)，那么你就在影子的位置畫(huà)個(gè)標(biāo)記，寫(xiě)上“9”。注意紙桶的位置不能再變了，那么明天上午竹簽的影子再到你做的標(biāo)記“9”上的時(shí)候，此時(shí)的時(shí)間就是9點(diǎn)。
誰(shuí)也不能整個(gè)白天守在這東西旁邊做標(biāo)記，所以你大概要花上幾天的時(shí)間來(lái)做完所有的標(biāo)記，以后就可以用它來(lái)代替手表計(jì)時(shí)了。
通過(guò)上面簡(jiǎn)易日晷的制作，我們對(duì)日晷的工作原理有了一個(gè)大概的認(rèn)識(shí)，當(dāng)然真正的日晷要比這個(gè)復(fù)雜得多。要制作一個(gè)真正的日晷，還必須先了解一些天文學(xué)的知識(shí)。
這是一種赤道式日晷，我們?cè)诓┪镳^和古建筑群里看到的都是這種形式。之所以管它叫“赤道式”，是因?yàn)樗年斜P(pán)，就是那個(gè)有刻度的圓盤(pán)是與地球赤道面平行的，貫穿晷盤(pán)的指針與地軸平行并且指向正北。這樣就消除了因?yàn)榈厍蛐敝碜釉斐傻?，指針的投影運(yùn)動(dòng)的不均勻性，所以它的刻度盤(pán)跟現(xiàn)代鐘表盤(pán)一樣，刻度是均勻的。另外請(qǐng)注意晷盤(pán)兩面都有刻度，春分到秋分，即3月21日到9月22日期間從正面讀數(shù)，秋分到春分半年從背面讀數(shù)。
這是一種地平式日晷，圖上右面的部分是經(jīng)過(guò)藝術(shù)處理的，既是城市雕塑又是一座巨大的日晷，刻度刻在地面。這種日晷的刻度就是不均勻的，而且隨緯度而變化，即不同緯度地區(qū)的地平式日晷不能通用。
在鞋盒蓋子——現(xiàn)在已經(jīng)成為一張白紙板了——上面如此作圖。就是找圓心，用圓規(guī)畫(huà)2個(gè)同心圓，通過(guò)圓心畫(huà)水平線和垂直線。大圓下面的弧線是用三角板上的弧線工具畫(huà)的，弧線以外的部分將來(lái)要剪掉。
下面是完整的日晷晷盤(pán)圖樣，首先在通過(guò)圓心的水平線和垂直線上找出標(biāo)志性的刻度，最右面是6點(diǎn)，最左面是18點(diǎn)，最下面是12點(diǎn)，最上面是0點(diǎn)，其它時(shí)刻用圓規(guī)均分得來(lái)。
注意這是晷盤(pán)的正面，時(shí)間刻度沿順時(shí)針?lè)较蛴尚〉酱螅议g距均勻，與機(jī)械時(shí)鐘表盤(pán)唯一的區(qū)別是，這是24小時(shí)刻度的，當(dāng)然夜晚的時(shí)間不必標(biāo)記，因?yàn)橥砩鲜强床坏教?yáng)的！
下面是晷盤(pán)的反面圖樣，與正面的區(qū)別就是時(shí)間刻度沿逆時(shí)針?lè)较蛴尚〉酱蟆?/div>
晷盤(pán)的兩面都畫(huà)好后，沿邊緣剪掉多余的部分，再把竹簽從圓心處穿過(guò)，如此日晷的主要部分——晷盤(pán)就制作完畢了。
下面我們來(lái)制作日晷的基座。在紙盒子側(cè)面事先畫(huà)好的垂線那里用量角器量出一個(gè)42.4度的角，這是沈陽(yáng)市的緯度。您家的緯度是多少，這個(gè)角就畫(huà)成多少。緯度可以在地圖上查，在網(wǎng)絡(luò)上搜索，也可以用手機(jī)或汽車上的GPS導(dǎo)航儀測(cè)量。
下面是一些城市的緯度：
上海，北緯31度11分；南京，32度4分；杭州，30度15分；長(zhǎng)沙，28度12分；重慶29度12分；成都，30度40分；福州26度5分；廣州23度15分；昆明25度4分；北京39度55分；天津39度8分；青島36度4分；西安34度15分；烏魯木齊44度46分；拉薩28度40分；
沿著紙盒表面的線切一刀，再沿著側(cè)面剛畫(huà)好的斜線下切2厘米左右，總體效果相當(dāng)于斜著在紙盒上“切”了一刀。
把晷盤(pán)下端插進(jìn)基座的切口，這樣晷盤(pán)跟垂直面的夾角就是42.4度，也就是沈陽(yáng)的緯度，跟水平面的夾角是（90-42.4）度。
將竹簽插進(jìn)晷盤(pán)的圓心，上端和下端留出同樣的長(zhǎng)度，用三角板校正，使竹簽與晷盤(pán)面垂直。這根竹簽正式的稱呼叫“晷針”。
到這里一臺(tái)赤道式日晷就算完工了！當(dāng)然要想讓它正確地指示時(shí)間，還需要再費(fèi)點(diǎn)周折。日晷的方向要沖正北，如圖指南針的磁針與日晷基座上的中心線平行，指向正北。
需要指出的是，指南針并不是指向正南正北，指南針的方向與正南正北的方向之間有個(gè)夾角，叫磁偏角，例如沈陽(yáng)的磁偏角為7度44分。而且不同地區(qū)的磁偏角大小也不盡相同，在精度要求高的場(chǎng)合，磁偏角要考慮進(jìn)去。因?yàn)槲覀冏龅倪@個(gè)東西精度并不是很高，因此磁偏角的影響可以忽略不計(jì)。
用水平儀使基座水平。
經(jīng)過(guò)方向與水平的調(diào)整，我們親手制作的赤道式日晷終于可以工作了！現(xiàn)在它的晷盤(pán)與地球赤道平行，晷針與地軸平行且指向正北。這樣一來(lái)，一天當(dāng)中晷針在陽(yáng)光下投射的影子，可以看做是在晷盤(pán)上勻速轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而方便我們計(jì)時(shí)。
下面的日晷顯示的時(shí)間為13點(diǎn)多一點(diǎn)。
需要說(shuō)明的是，日晷上得到的時(shí)間是當(dāng)?shù)貢r(shí)間，準(zhǔn)確點(diǎn)說(shuō)是當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)間，與我們普遍使用的北京時(shí)間有些差距（假如您不在北京居?。?。而且太陽(yáng)和地球的運(yùn)動(dòng)也不是嚴(yán)格按照幾何學(xué)的描述，因此好一點(diǎn)的日晷上面都有一個(gè)時(shí)間修正表格，用來(lái)參照得出更加準(zhǔn)確的時(shí)間。對(duì)于我們一般人來(lái)說(shuō)，不必對(duì)這個(gè)問(wèn)題深究。有一個(gè)簡(jiǎn)便的修正時(shí)間的法子，就是在保證晷針指向和晷盤(pán)傾斜角度都不變的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)晷盤(pán)，使日晷的指示時(shí)間與您的手表顯示的時(shí)間相同，這樣您就擁有一個(gè)真正可以當(dāng)成鐘表用的日晷了！
我們第二個(gè)要制作的是水平式日晷，或者叫地平式日晷。這種日晷制作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但是需要一些稍微復(fù)雜的計(jì)算。第一步是畫(huà)出晷盤(pán)圖樣。因?yàn)檫@種日晷的晷盤(pán)是水平的，不像赤道式那樣與赤道平行，因此不同時(shí)刻的間距是不同的。如下圖：
先用圓規(guī)畫(huà)一個(gè)大圓，通過(guò)圓心作水平線和垂直線。標(biāo)志性的時(shí)間刻度為，最左側(cè)18點(diǎn)，右側(cè)6點(diǎn)，最下方12點(diǎn)。假設(shè)某一時(shí)間刻度，比方說(shuō)13點(diǎn)，與12點(diǎn)之間的夾角為 α ，太陽(yáng)時(shí)角為t，當(dāng)?shù)鼐暥冉菫? Φ 。太陽(yáng)時(shí)角是這樣定義的，太陽(yáng)一天24小時(shí)運(yùn)行360度，因此每一小時(shí)運(yùn)行15度。設(shè)定正午12點(diǎn)的時(shí)候太陽(yáng)時(shí)角為0度，因此13點(diǎn)的時(shí)角則是15度，14點(diǎn)30度，15點(diǎn)45度，以此類推。
這三個(gè)角度之間有個(gè)三角函數(shù)關(guān)系： tan α =tan t *sin Φ ，我們將t=15度，30度，45度……帶入，通過(guò)求反正切函數(shù)，就能得到13點(diǎn)，14點(diǎn)，15點(diǎn)……時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的角度 α 。12點(diǎn)另一側(cè)的11點(diǎn)，10點(diǎn)，9點(diǎn)……與12點(diǎn)之間的角度也符合上面公式，只是角度方向相反。
沈陽(yáng)的緯度Φ =42.4度為已知，下面是我求出的當(dāng)?shù)厮绞饺贞械母鲿r(shí)刻角度：
5/19 6/18 7/17 8/16 9/15 10/14 11/13 12 (時(shí)間)
t 105 90 75 60 45 30 15 0 (太陽(yáng)時(shí)角)
α 111.7 90 68.3 49.4 34.0 21.3 10.2 0 (各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的角度)
計(jì)算這些數(shù)據(jù)需要一個(gè)科學(xué)計(jì)算器，或者使用WINDOWS自帶的計(jì)算器，在“開(kāi)始”-“程序”里面選擇“計(jì)算器”，計(jì)算器“查看”選項(xiàng)里面選擇“科學(xué)型”，就能夠使用了。
下面是我用量角器和直尺按照上述表格畫(huà)出的水平式日晷的晷盤(pán)圖樣，能夠明顯看出時(shí)間刻度不是均勻的。
下面我們來(lái)制作這個(gè)日晷的晷針。如下圖，將A4紙折疊，在上面畫(huà)一個(gè)直角三角形，底邊與斜邊的夾角為當(dāng)?shù)氐木暥龋矣玫氖巧蜿?yáng)的緯度42.4度。
不錯(cuò)，水平式日晷的晷針一般不是一根竹簽?zāi)欠N的針形，而是利用這種三角形的斜邊，如此晷針傾斜的角度很好掌握。用剪刀沿線剪下，注意標(biāo)有“留邊”的那條邊要稍微多留出一點(diǎn)，為了用膠水粘接方便。晷針粘接好后，這個(gè)日晷就算完成了。
利用指南針使日晷對(duì)準(zhǔn)正北方向，此時(shí)三角形晷針的斜邊與地軸平行。
當(dāng)有陽(yáng)光直射下來(lái)的時(shí)候，就可以讀時(shí)間了。
讀數(shù)的時(shí)候以晷針斜邊的陰影為準(zhǔn)，上圖為13點(diǎn)多。其實(shí)這種日晷的制作非常簡(jiǎn)單，唯一的難點(diǎn)就是晷盤(pán)刻度的計(jì)算部分。如果你不會(huì)計(jì)算，又不怕麻煩的話，可以這樣：先畫(huà)好圓，確定圓心和過(guò)圓心的垂線，然后粘上晷針，擺正方向，手里拿塊手表，每到正點(diǎn)的時(shí)候用鉛筆標(biāo)上，這樣花上一整天的功夫，也可以得到一個(gè)計(jì)時(shí)精確的地平式日晷了。而且這樣確定的晷盤(pán)有個(gè)好處， 就是讀出的時(shí)間是北京時(shí)間，可以當(dāng)真正的鐘表使用。
地平式日晷可能是人類最早發(fā)明的日晷，因?yàn)樗厣喜甯窀涂慈沼澳欠N原始的計(jì)時(shí)方式最接近，第一種赤道式日晷則應(yīng)該是人類了解了太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律之后的產(chǎn)物了。
最后我們?cè)賮?lái)做一個(gè)面向南方的垂直式日晷。如下圖，因?yàn)殛斜P(pán)面與地面垂直，面向南方，因此東方是18點(diǎn)，西方是6點(diǎn)。同樣設(shè)當(dāng)?shù)鼐暥葹棣?，太?yáng)時(shí)角為t，某一時(shí)刻與圓心的連線跟正午12點(diǎn)的連線夾角為α ，則這三個(gè)角度之間的關(guān)系為：tanα=tant*cosΦ
我們同樣使用沈陽(yáng)的緯度Φ =42.4度，下面是計(jì)算出的結(jié)果：
6/18 7/17 8/16 9/15 10/14 11/13 12 (時(shí)間)
t 90 75 60 45 30 15 0 (太陽(yáng)時(shí)角)
α 90 70.1 60 36.4 23.1 11.2 0 (各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的角度）
根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，用直尺和量角器畫(huà)出完整的晷盤(pán)。
下面制作晷針。注意晷盤(pán)是垂直的，因此三角形的晷針與垂直面結(jié)合的一邊要留出粘貼用的邊，此邊相對(duì)的一角角度為當(dāng)?shù)鼐暥?。三角形里面還畫(huà)了個(gè)淺淺的弧線，將來(lái)要按次弧線剪下，為的是給晷針增加些美感。
剪好的晷針。根據(jù)三角關(guān)系，標(biāo)注的角度是當(dāng)?shù)鼐暥鹊挠嘟恰?nbsp;
完成的南向垂直式日晷，利用磁針使晷盤(pán)面朝向正南。為了把晷盤(pán)畫(huà)精確一些、清楚一些， 結(jié)果它比鞋盒大了，很不美觀，呵呵。晷針也有些大，象老外的長(zhǎng)鼻子，很丑。
把它放在陽(yáng)光下讀取時(shí)間。
因?yàn)楸卑肭虻姆课菀话愣际浅系?，因此這種南向垂直式日晷可以直接刻在正面的墻壁上，即方便人們出入的時(shí)候看世界，也不占空間，因此這種日晷恐怕是古代最受歡迎的日晷了。
同樣也可以不經(jīng)過(guò)計(jì)算，用現(xiàn)代的計(jì)時(shí)工具來(lái)確定晷盤(pán)的刻度，如今誰(shuí)家墻壁上刻這樣一個(gè)東西，絕對(duì)吸引眼球。
日晷的種類還有許多，在文章的最后，我們簡(jiǎn)單介紹一些。
投影式日晷：
書(shū)卷式極向日晷：
半圓柱型日晷：
雙環(huán)垂直式日晷：
赤道環(huán)式日晷：
球體日晷：
子午式日晷：
