郑文光先生认为：“星象观测和仪器的发明之间存在一定的关系，天文仪器的设计思想，往往是从星辰的运动得到启示的。”

天文仪器的出现也是天文观测结果要求精密化的必然结果，古人在观测过程中，为了能精确计算天体运行，制定出更精确的历法，发明改进观测仪器，以求得到更精确的天文数据。

古代的天学仪器大致可分为以下三类：圭表、漏刻和仪象。

壹｜圭表

在没有钟表的年代，人们很多时候白天用太阳的位置或是影子来判断时间。

古人最早认识的影子就是人影，就是自己的影子；

《史记·夏本纪》说大禹治水的时候，“以身为度”。

长期观测，古人发现这种变化有两种周期，一种是昼夜周期，一种是年周期。

后来古人发明了圭表。

根据《周髀算经》记载，“周髀长八尺，髀者，股也” ，髀就是表。

这就是说早期的表高为8尺，刚好相当于人的身高。

表是古人发明的度量日影长度的一种天文仪器，由“圭”和“表”两个部件组成，表就是树立在地上的竿子，在古书中表还称为竿，臬，髀等，有竿就能观察影子；

圭是放置在表北（因为中国大部都在北回归线北）有刻度的平板，可以直接读出正午表影的长度，也叫做量天尺。

据记载，三千年前，周公旦在河南登封县阳城设置过一种以测定日影长度来确定时间的仪器，称为圭表，这是世界上最早的计时器。

由于圭表测量数据对历法是很重要的参数，而客观环境和光线漫射都会影响精度，历代对表制作都在改进，力求数据精确；

宋 沈括

宋代科学家沈括于熙宁七年（1074年）提出两项改进：

一是将表置于一仅顶部有条缝隙的密室，减弱漫射影响；

在表影中再立一副表，使两表影端重合，使测量的影长更准确。

元代郭守敬也对表做了重大改进，一是增高表高达40尺；

因为我们知道表测精度是与表高成正比的；

后明代邢云路曾把表高增加到60尺；

也使他测得的回归年长度精确到365.24219日，使当时世界上最精密的数据，每年仅误差2.3秒；

二是郭守敬发明了景符；

利用小孔成像原理，使影长测量误差在两毫米内。

景符的原理是，使照射在圭表上的日光首先通过一个小孔，再射到圭面, 形成一个米粒大小的光点，它的边缘也很清楚，可以量取比较准确的影长。

解决了日影边缘的清晰问题，就可以加大表高来增加测量冬至时刻的精度。

河南登封观星台

以圭表测时，一直延至明清，南京紫金山天文台的一具圭表，是明代正统年间（1437－1442年）所造的。

测影的方法：立一根垂直于平地的标杆（一般长八尺），每天早、中、晚三次测量日影长度的变化，还要与漏刻和夜间北极星的位置相参照，每天日影最短的时刻，就是太阳上中天的时刻。

据古籍记载，圭表主要的作用是用来定方位和节气：

第一，测定天下之中，帝王作为天子，应该是知天的圣人，测天测时间，先测四方（表为中），而他所处的位置就是表的位置，便有天下之中的概念；

王者居中而治；

这也就是中原为什么是历代帝王必争的宝地。

天下之中在何处？

古籍称南北正中间夏至正午影长一尺五寸，就是天下之中。

这个天下之中在哪儿？

古人认为就在嵩山脚下登封阳城，这里号称“天地之中”。

当然现在看来这一观点不一定正确。

第二，精确地测定南方，从而可以定出东西、北方。

《周礼·冬官·考工记》记载了：白天参考验证太阳上中天时的影子，夜间参考验证北极星的位置，用以测定方位。

《周礼·冬官·考工记》、《周髀算经》都记载了：以表为圆心画出一个圆圈，并将日出和日落时表影与四周相交的两点记录下来，便可以通过连接两点的直线得到正东西的方向；

线的中点，跟表本身的连线，就是正南和正北。

古人对方位很重视。

我国处于北半球，太阳总是在南面运动；

坐北朝南就成为人们的生活习俗；

所以古代典籍中的方位记载都是上南下北，左东右西；

与现代的地图方位刚好是相反的。

古人也常用方位表示地位，身份的尊卑；

南面称王、北面称臣、左表示东方；

也表示地位低下；

右表示西方，也表示地位尊贵；

故以坐西向东为尊贵。

《史记廉蔺列传》：“以相如功大，拜为上卿，位在廉颇之右。”

我们平时常说的做东、东道主，就是因为东为下位，表示对客人的尊崇。

第三，圭表测定日影长度以定时间，定节令，定回归年。

利用一天中表影角度变化判断时刻，用影子最短可以定出午时，即一天时间的中点；

到现在我们还是把一个白昼分为上午和下午两半；

日晷就是在此基础上发明的。

从正午日影最短到日影最长，也可以定出夏至和冬至点，长期观测可以算出来回归年的长度，也就是现在我们说的一年365日。

《后汉书·律历志》云：“日发其端，周而为岁，然其景不变。四周，千四百六十一日而景复初。是则日行之终。以（四）周除（1461）日，得三百六十五又四分之一日，为岁之日数。”

从表影的角度还可以定出月份、季节、二十四节气。

太阳上中天的时刻，就是午时，此时日影直指正北，太阳在正南。

一年中午时日影最短的一天，即夏至；

日影最长的一天，即冬至。

从冬至到明年的冬至，就是一回归年。

从夏至到冬至间的平分点，就是秋分；

从冬至到夏至的平分点，就是春分；

这样分下去就可以得出二十四节气。

计时装置

日晷

日晷是圭表在计时上的应用，是人类古代利用日影测得时刻的一种计时仪器；

由晷针和晷面两部分组成，又称“日规”。

其原理就是利用太阳的投影方向来测定并划分时刻。

利用日晷计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明，这项发明被人类沿用达几千年之久。

日晷通常由指针和圆盘组成。

指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，起着圭表中立竿的作用，因此，晷针又叫“表”；

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；

这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。

晷面两面都有刻度，分子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二时辰；

每个时辰又等分为“时初”、“时正”，这正是一日24小时。

人类使用日晷的历史非常遥远，古巴比伦在远古时期的6000年前就开始使用了，我们现在能证明的中国是在3000多年前的周朝。

故宫日晷

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