圭表：

以下是 圭表 的 超详细制作指南，从原理到实操步骤，包含误差控制与数据记录方法，适合精准复刻古代天文测量工具：

一、圭表的核心原理

功能：通过测量正午太阳影长确定节气、计算黄赤交角，甚至推算地球半径（如埃拉托斯特尼实验）。

关键部件：

表（立杆）：垂直投影杆，高度影响影长灵敏度。

圭（刻度尺）：水平测量基准，需绝对平直。

二、材料与工具清单

进阶版（提高精度）

圭面升级：亚克力板激光刻线，减少热胀冷缩变形。

三、分步制作流程

步骤1：制作底座与圭尺

1 底座加固：

木板钻孔插入表杆（孔径略小于杆径，敲入后自紧）。

防倾斜技巧：在底座另一侧粘贴配重块（如电池）。

2 圭尺刻度：

用钢尺复印或直接打印刻度（推荐分度值1，总长≥60）。

防水处理：透明胶带全覆盖或喷涂清漆。

步骤2：垂直校准立杆

1 双验证法：

三角板法：用直角尺三边紧贴底座和立杆，缝隙≤05。

2 误差控制：

步骤3：整体水平校准

1 气泡水平仪：先调底座长边水平，再调圭尺方向。

2 自然验证法：

早晨放置圭表，标记影尖位置；午后影尖应回到同一点（若偏离需重调水平）。

四、使用方法与数据记录

1 正午影长测量

真太阳时计算：

操作流程：

1 提前10分钟开始，每分钟标记影尖位置。

2 取影长最短时刻为正式数据（精确到05）。

2 节气推算表

3 拓展实验

计算地球周长：

1 夏至日在两地（如北京广州）同步测量影长。

五、误差分析与修正

日晷：

制作一个简易日晷是一个有趣且能直观了解古人计时方式的项目。以下是详细步骤和科学原理的讲解：

一、日晷的类型选择

推荐制作水平式日晷（适合放置在地面或桌面），因为材料易得且制作简单。

二、材料准备

1 底座：硬纸板、木板或平整的塑料板（约20x20）。

2 晷针（表针）：吸管、竹签、铅笔（长度1015）。

3 工具：剪刀、胶水、量角器、指南针、记号笔。

4 装饰（可选）：颜料、贴纸。

三、制作步骤

1 制作晷盘（刻度盘）

在底座上画一个圆形或方形（代表晷盘）。

将晷盘分为24等份（对应24小时），每15°为一个时刻（360°÷24=15°）。

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注：实际只需画白天时段（如6:0018:00）。

2 固定晷针

在晷盘中心垂直插入晷针（如铅笔）。

3 校准方向

使用指南针：将晷盘的“12点”刻度线对准正北方（北半球）。

原理：日晷依靠太阳影子方向判断时间，正午时影子最短且指向正北。

4 标记时刻（进阶调整）

纬度修正：若想更精确，需根据当地纬度调整晷针角度（晷针与底座的夹角等于当地纬度）。

四、使用方法

1 放置地点：阳光充足的户外平坦处。

2 读数：观察晷针影子所指的刻度（如影子指向“10”即为上午10点）。

3 误差说明：

日晷显示的是真太阳时，与钟表时间（平太阳时）可能有±15分钟差异。

需考虑夏令时或时区修正。

五、科学原理

纬度影响：不同地区太阳高度角不同，需调整晷针倾斜度（赤道地区可用垂直晷针，高纬度地区需倾斜）。

赤道式日晷：晷盘倾斜与地球赤道平行，晷针平行于地轴（更适合中高纬度地区）。

注意事项

阴天或夜晚无法使用。

浑仪：

制作简易浑仪（古代天文测量仪器）是一个既能学习天文知识又能动手实践的项目。以下是详细步骤和原理讲解：

一、浑仪的功能与结构

浑仪用于测量天体的赤经、赤纬和地平坐标，核心部件包括：

1 子午环（测量南北方向）

2 赤道环（平行于地球赤道）

3 地平环（水平基准）

4 窥管（瞄准天体）

二、材料准备

1 支架：硬纸板、pvc管或木条（支撑结构）。

2 环形部件：一次性纸盘、铁丝或3d打印环（直径2030）。

3 窥管：吸管、笔管或卷纸筒（长1015）。

4 工具：剪刀、胶水、量角器、指南针、圆规。

5 转轴：牙签或细铁丝（模拟旋转轴）。

三、制作步骤

1 制作基础环架

子午环：垂直固定另一个纸盘，标出0°（天顶）至90°（地平线）的高度角。

赤道环：倾斜固定第三个纸盘，与地平环夹角等于当地纬度（如北京40°）。

2 组装支架

将三个环通过支架连接，确保：

地平环水平放置（用水泡水平仪校准）。

子午环对准正南北（用指南针校准）。

赤道环倾斜角度匹配纬度（用量角器调整）。

3 安装窥管

在赤道环上固定窥管，使其能绕中心旋转（用铁丝做转轴）。

窥管两端开小孔作为瞄准器。

四、校准与使用

1 校准方位：

夜间用北极星校准赤道环（北极星赤纬≈90°）。

2 测量天体：

转动窥管对准目标（如月亮），读取赤道环上的刻度（赤经/赤纬）。

或用地平环读取方位角（如日出时东方90°）。

五、简化设计（低成本方案）

3 用吸管做窥管，贴于环上自由转动。

六、科学原理

赤道坐标系：以地球赤道为基准，测量天体的赤经（类似经度）和赤纬（类似纬度）。

纬度关联：赤道环的倾斜角度需与观测者所在地纬度一致，才能对齐天球赤道。

七、注意事项

夜间观测效果更好（可测月亮、亮星）。

纸质结构易变形，建议用pvc管或木棍加固。

对比手机星图软件（如stelriu）验证测量结果。

八、教学延伸

1 历史背景：介绍张衡、郭守敬等古代天文学家改进浑仪的故事。

2 误差分析：讨论古代与现代天文测量的精度差异。

象限仪：

制作一个简易象限仪（古代用于测量天体高度的仪器）是一个结合天文、几何和手工的实践项目。以下是详细步骤和原理讲解：

一、象限仪的作用与原理

用途：测量天体的高度角（如太阳、月亮、星星相对于地平线的角度）。

原理：利用重力垂线和角度刻度盘，通过瞄准天体读取其仰角。

历史背景：象限仪是古代航海和天文观测的重要工具，改进后成为六分仪的前身。

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二、材料准备

1 主体框架：硬纸板、木板或塑料板（15x15）。

5 工具：剪刀、胶水、笔、指南针、打孔器。

三、制作步骤

1 制作刻度盘

替代方案：直接使用半圆量角器（只需用其0°~90°部分）。

2 安装窥管（瞄准器）

确保吸管与底边平行（可用胶水或胶带固定）。

3 悬挂铅垂线

四、校准与使用

1 校准水平：

将象限仪放在平稳表面，确保底边完全水平（可用水瓶气泡校准）。

2 测量天体高度：

白天测太阳：通过窥管对准太阳，读取铅垂线所指的刻度（如45°）。

夜间测星星：瞄准亮星（如北极星），同理读取角度。

注意：直接观测太阳可能伤眼，可在窥管末端贴半透明纸投影观察。

3 计算纬度（进阶）：

在夜晚测量北极星高度角，其角度近似等于当地纬度（如北京约40°）。

五、简化改进方案

1 便携式：用衣夹固定量角器，手机指南针app辅助校准方向。

2 数字升级：用手机倾斜仪app对比手动测量结果。

3 航海版：在底座加装指南针，便于测量方位角。

六、科学原理

重力基准：铅垂线始终指向地心，提供垂直参考。

应用场景：

古代航海：通过测量北极星高度确定纬度。

日影计算：结合日晷可推算时间。

七、误差与注意事项

1 铅垂线摆动：测量时保持仪器稳定，待垂线静止后读数。

2 大气折射：靠近地平线的天体测量值会略偏高（可忽略）。

3 材料限制：纸板易变形，建议用木板或塑料板提高精度。

八、教学与拓展

1 实验对比：用象限仪和手机测角app同时测量，分析误差原因。

2 历史联系：讲解哥伦布、麦哲伦等航海家如何使用类似仪器。

3 数学应用：结合三角函数计算建筑物或树木高度。

除圭表、日晷、浑仪和象限仪外，古代天文观测和测量还有许多有趣的简易仪器可以手工制作。以下是其他几种适合自制的古代科学仪器，附带功能说明和简易制作方法：

1 简仪（简化版浑仪）

功能：测量天体的赤道坐标（比浑仪结构更简单）

材料：硬纸板、吸管、铁丝、量角器

制作方法：

赤道环倾斜角度等于当地纬度（如北京40°）。

安装可旋转的窥管（吸管）瞄准天体，读取环上刻度。

功能：同时测量太阳高度角和方位角

材料：半圆量角器、指南针、垂线、竹签

制作方法：

将量角器垂直固定，中心悬挂铅垂线。

底部安装指南针确定正北。

用竹签在量角器上投影太阳影子，影子末端指向的角度即太阳高度。

3 正方案（古代测角仪）

功能：测量地面物体的仰角或水平夹角

材料：方形木板、量角器、瞄准器（吸管）

制作方法：

量角器圆心处安装可旋转的瞄准器（吸管）。

通过瞄准目标物体，读取吸管所指的角度。

4 星盘（astrobe，多功能天文计算器）

功能：计算恒星位置、时间、节气等

简易版材料：硬纸板、圆规、打印星图模板

制作方法：

1 剪两层圆形纸板：

底层（地盘）：刻地平坐标和节气刻度。

上层（网盘）：镂空显示主要恒星位置。

2 中心用纽扣或铆钉固定，可旋转对齐日期和时间。

3 通过旋转网盘模拟夜空，匹配当前日期和时间的星象。

5 水运仪象台（水力驱动天文钟模型）

功能：演示古代水力驱动的天文钟工作原理

材料：纸盒、滑轮（瓶盖）、细绳、塑料齿轮（玩具）

制作方法：

用纸盒做塔状结构，上层放置简化的星图盘。

下层用滑轮和重物模拟水力驱动（重物下落拉动绳子，带动星图旋转）。

6 漏刻（水钟计时器）

功能：利用水流速度计时

材料：塑料瓶、吸管、秒表、标尺

制作方法：

1 在矿泉水瓶底部钻小孔，插入吸管控制流速。

2 瓶内装水，记录水位下降固定高度所需时间（如1=10分钟）。

3 贴刻度条标出时间对应水位。

7 影表尺（测量日影长度）

功能：通过日影长度推算节气或时间

材料：木棍、卷尺、白纸

制作方法：

垂直固定木棍（圭表），每小时标记影长和方向。

记录夏至（最短影）、冬至（最长影）的数据。

结合三角函数计算太阳高度角。

8 窥几（简化版望远镜）

功能：放大观测月面或亮星

材料：两个凸透镜（老花镜片）、纸筒

制作方法：

将两个镜片分别固定在纸筒两端（间距=两透镜焦距之和）。

调整镜片距离直到看清远处物体（如月亮环形山）。

9 候风地动仪（地震预警模型）

功能：模拟检测地震波动

材料：纸杯、牙签、小球、橡皮泥

制作方法：

倒置纸杯作底座，杯口周围立8根牙签代表方向。

每根牙签顶端挂小球（橡皮泥固定）。

晃动底座时，对应方向的小球会掉落（需调整灵敏度）。

10 晷影仪（日影轨迹记录仪）

功能：记录全天太阳影子轨迹

材料：白纸、竹签、相机三脚架

制作方法：

固定白纸在地面，中央垂直插竹签。

每小时标记影子顶端位置，连接各点得日影曲线。

分析不同季节的曲线差异（如冬至、夏至轨迹）。

选择建议

天文入门：日晷、象限仪、简仪

时间测量：漏刻、水运仪象台

地理实验：影表尺、仰仪

物理拓展：窥几（光学）、候风地动仪（力学）

这些项目均可用废旧材料制作，适合中小学科学课或家庭亲子实验。通过动手实践，能直观理解古人的智慧与现代科学的联系！

总结四种简易天文仪器的 详细制作步骤，包含材料选择、精准校准方法及使用技巧，动手实践：

一、圭表（测量节气与正午太阳高度）

材料与工具

刻度尺（圭）：钢尺或打印刻度纸（精确到1）

其他：直角尺、双面胶、铅垂线（验证垂直）

制作步骤

1 固定立杆：

在底座一端垂直固定立杆，用直角尺确保两者夹角为90°。

验证方法：悬挂铅垂线贴近立杆，检查是否完全重合。

2 贴刻度尺：

从立杆底部开始，沿底座粘贴刻度尺（建议最小刻度1）。

3 校准水平：

在底座下垫纸片调整，用气泡水平仪确保圭面完全水平。

使用技巧

最佳测量时间：当地真太阳时12:00（可通过时区换算或天文app确定）。

数据记录：连续记录一周正午影长，最短日即为夏至，最长日为冬至。

二、日晷（赤道式，精准计时）

材料与工具

角度辅助：量角器、当地纬度数据（如北京40°）

其他：指南针、丙烯颜料（防雨）

制作步骤

1 制作晷盘：

注意：赤道式日晷两面均需刻度（夏半年用上盘，冬半年用下盘）。

2 固定晷针：

3 校准方位：

用指南针将晷针指向正北（地磁偏角需修正，如北京偏西55°）。

使用技巧

误差来源：

未考虑时差（真太阳时与平太阳时相差±15分钟）。

解决方案：制作“时差校正表”（可查天文年历）。

耐用性：刷防水涂料可户外长期使用。

三、浑仪（简化版三环结构）

材料与工具

支架：3铁丝（总长15）或pvc管

环体：4个直径不同的圆环（赤道、子午、地平、黄道环）

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工具：尖嘴钳、热熔胶、量角器

附件：激光笔（替代窥管）

制作步骤

1 弯曲圆环：

赤道环（最大）：直径30，标0°360°（间隔10°）。

2 组装支架：

用铁丝搭建三脚架，顶部用热熔胶固定环体。

3 窥管替代：

激光笔固定在赤道环上，可旋转对准天体。

使用技巧

校准北极星：

2 旋转赤道环，使激光指向北极星，此时赤道环0°对应春分点方向。

教学应用：演示太阳周年视运动（黄道环倾角235°）。

四、象限仪（测星体高度角）

材料与工具

主体：透明量角器（直径15以上）

其他：手机夹（固定到三脚架）

制作步骤

1 强化量角器：

将量角器粘在硬纸板上，剪去多余部分。

2 制作瞄准器：

在量角器直边粘两根交叉吸管，形成简易“觇孔”。

3 悬挂铅垂线：

在量角器圆心钻孔，穿棉线并挂螺母（确保自由摆动）。

使用技巧

测量示例（北极星）：

1 通过吸管瞄准北极星。

误差控制：

避免风力干扰（可用挡风板）。

夜间测量时用红光手电照明刻度（保护夜视能力）。

通用注意事项

1 材料替代：

2 数字化升级：

用手机app（如“skyview”）辅助校准方位角或验证数据。

3 教学扩展：

动手提示：首次制作建议用快递纸箱试做，成本低于5元！ 完成后可尝试用手机测角app（如theodolite）交叉验证数据精度。

建议去网上看视频制作，可能会更详细一些，这些更多的是给你们增加一种兴趣