自製日晷完全教程——從原理到製作方法
人類使用日晷的時間非常久遠，古巴比倫在6000多年前就開始使用了，中國有明確記載的是在3000多年前的周朝。這種古代的時鐘精度一點不比後來的機械式鐘錶差，而且不但能顯示一天之內的時刻，還能顯示節氣和月份。當然它的缺點也是顯而易見的，笨重而且看不到陽光的時候不能用，比方陰天或晚上。 我們首先製作一個簡易的日晷，來感受一下這種儀器的工作原理。 要用到的東西：速食麵的紙桶、橡皮泥、竹籤和筆。
製作方法簡單到不能再簡單，用橡皮泥把竹籤固定在桶的中央，保證豎直向上。 然後把它放在陽光能直接照射到的地方，竹籤會在桶壁上投射一個影子。這個影子的位置是隨時間變化的，手裡拿一塊表，每到正點的時候就用筆在桶壁上作一個標記。比方這時候手錶顯示的是上午「9」點，那麼你就在影子的位置畫個標記，寫上「9」。注意紙桶的位置不能再變了，那麼明天上午竹籤的影子再到你做的標記「9」上的時候，此時的時間就是9點。 誰也不能整個白天守在這東西旁邊做標記，所以你大概要花上幾天的時間來做完所有的標記，以後就可以用它來代替手錶計時了。 通過上面簡易日晷的製作，我們對日晷的工作原理有了一個大概的認識，當然真正的日晷要比這個複雜得多。要製作一個真正的日晷，還必須先了解一些天文學的知識。
地球繞地軸自轉，同時繞太陽公轉。一天之內時間的變化是自轉造成的，由於相對太陽來說地球是「斜著身子」旋轉的，所以陽光的投影的變化也比較複雜。上面介紹的簡易日晷之所以選用速食麵的紙筒，是因為紙筒壁有一定的傾斜角度，陽光也是傾斜著照過來的，這樣竹籤在紙筒壁上的影子就相對均勻一些。請注意觀察你自己根據手錶的時間作出的標記，這些標記之間的間距也不是絕對均勻的，能說明太陽運行的複雜性。 真正的日晷主要有三種類型：赤道式、水平式（地平式）和垂直式
這是一種赤道式日晷，我們在博物館和古建築群里看到的都是這種形式。之所以管它叫「赤道式」，是因為它的晷盤，就是那個有刻度的圓盤是與地球赤道面平行的，貫穿晷盤的指針與地軸平行並且指向正北。這樣就消除了因為地球斜著身子造成的，指針的投影運動的不均勻性，所以它的刻度盤跟現代鐘錶盤一樣，刻度是均勻的。另外請注意晷盤兩面都有刻度，春分到秋分，即3月21日到9月22日期間從正面讀數，秋分到春分半年從背面讀數。
這是一種地平式日晷，圖上右面的部分是經過藝術處理的，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，即不同緯度地區的地平式日晷不能通用。
這牆壁上的是一種垂直式日晷，可以看出它的刻度也是不均勻的，而且日晷的表面朝向不同，刻度就要發生相應的變化。這種日晷在不同緯度地區之間也是不能通用的。 自己動手製作一個能夠精確計時的日晷難嗎？知道了原理之後就不難！下面我們分別製作這三種不同的日晷。 首先製作赤道式日晷。使用的材料：一個鞋盒和一些白紙，一根竹籤（烤肉串上的打磨一下），另外需要一些膠水或雙面膠帶。
需要的工具：剪刀、壁紙刀、圓規、指南針、水平儀、帶量角器的三角尺和一支筆。
首先把鞋盒的外表面粘上白紙，無他，為了美觀。盒蓋邊沿剪去，變成一張紙板，外面也用白紙糊起來。
沿鞋盒的長邊畫一條中心線，距邊沿1/3的位置畫一條垂直線，注意垂直線要延長到兩個側面。
在鞋盒蓋子——現在已經成為一張白紙板了——上面如此作圖。就是找圓心，用圓規畫2個同心圓，通過圓心畫水平線和垂直線。大圓下面的弧線是用三角板上的弧線工具畫的，弧線以外的部分將來要剪掉。
下面是完整的日晷晷盤圖樣，首先在通過圓心的水平線和垂直線上找出標誌性的刻度，最右面是6點，最左面是18點，最下面是12點，最上面是0點，其它時刻用圓規均分得來。
注意這是晷盤的正面，時間刻度沿順時針方向由小到大，且間距均勻，與機械時鐘錶盤唯一的區別是，這是24小時刻度的，當然夜晚的時間不必標記，因為晚上是看不到太陽的！ 下面是晷盤的反面圖樣，與正面的區別就是時間刻度沿逆時針方向由小到大。
晷盤的兩面都畫好後，沿邊緣剪掉多餘的部分，再把竹籤從圓心處穿過，如此日晷的主要部分——晷盤就製作完畢了。
下面我們來製作日晷的基座。在紙盒子側面事先畫好的垂線那裡用量角器量出一個42.4度的角，這是瀋陽市的緯度。您家的緯度是多少，這個角就畫成多少。緯度可以在地圖上查，在網路上搜索，也可以用手機或汽車上的GPS導航儀測量。
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，再沿著側面剛畫好的斜線下切2厘米左右，總體效果相當於斜著在紙盒上「切」了一刀。
把晷盤下端插進基座的切口，這樣晷盤跟垂直面的夾角就是42.4度，也就是瀋陽的緯度，跟水平面的夾角是（90-42.4）度。
將竹籤插進晷盤的圓心，上端和下端留出同樣的長度，用三角板校正，使竹籤與晷盤面垂直。這根竹籤正式的稱呼叫「晷針」。
到這裡一台赤道式日晷就算完工了！當然要想讓它正確地指示時間，還需要再費點周折。日晷的方向要衝正北，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，指南針並不是指向正南正北，指南針的方向與正南正北的方向之間有個夾角，叫磁偏角，例如瀋陽的磁偏角為7度44分。而且不同地區的磁偏角大小也不盡相同，在精度要求高的場合，磁偏角要考慮進去。因為我們做的這個東西精度並不是很高，因此磁偏角的影響可以忽略不計。 用水平儀使基座水平。
經過方向與水平的調整，我們親手製作的赤道式日晷終於可以工作了！現在它的晷盤與地球赤道平行，晷針與地軸平行且指向正北。這樣一來，一天當中晷針在陽光下投射的影子，可以看做是在晷盤上勻速轉動， 從而方便我們計時。 下面的日晷顯示的時間為13點多一點。
需要說明的是，日晷上得到的時間是當地時間，準確點說是當地太陽時間，與我們普遍使用的北京時間有些差距（假如您不在北京居住）。而且太陽和地球的運動也不是嚴格按照幾何學的描述，因此好一點的日晷上面都有一個時間修正表格，用來參照得出更加準確的時間。對於我們一般人來說，不必對這個問題深究。有一個簡便的修正時間的法子，就是在保證晷針指向和晷盤傾斜角度都不變的情況下，轉動晷盤，使日晷的指示時間與您的手錶顯示的時間相同，這樣您就擁有一個真正可以當成鐘錶用的日晷了！ 我們第二個要製作的是水平式日晷，或者叫地平式日晷。這種日晷製作過程相對簡單，但是需要一些稍微複雜的計算。第一步是畫出晷盤圖樣。因為這種日晷的晷盤是水平的，不像赤道式那樣與赤道平行，因此不同時刻的間距是不同的。如下圖：
先用圓規畫一個大圓，通過圓心作水平線和垂直線。標誌性的時間刻度為，最左側18點，右側6點，最下方12點。假設某一時間刻度，比方說13點，與12點之間的夾角為 α ，太陽時角為t，當地緯度角為 Φ 。太陽時角是這樣定義的，太陽一天24小時運行360度，因此每一小時運行15度。設定正午12點的時候太陽時角為0度，因此13點的時角則是15度，14點30度，15點45度，以此類推。 這三個角度之間有個三角函數關係： tan α =tan t *sin Φ ，我們將t=15度，30度，45度……帶入，通過求反正切函數，就能得到13點，14點，15點……時刻所對應的角度 α 。12點另一側的11點，10點，9點……與12點之間的角度也符合上面公式，只是角度方向相反。 瀋陽的緯度Φ =42.4度為已知，下面是我求出的當地水平式日晷的各時刻角度： 5/19 6/18 7/17 8/16 9/15 10/14 11/13 12 (時間) t 105 90 75 60 45 30 15 0 (太陽時角) α 111.7 90 68.3 49.4 34.0 21.3 10.2 0 (各時刻對應的角度) 計算這些數據需要一個科學計算器，或者使用WINDOWS自帶的計算器，在「開始」-「程序」裡面選擇「計算器」，計算器「查看」選項裡面選擇「科學型」，就能夠使用了。 下面是我用量角器和直尺按照上述表格畫出的水平式日晷的晷盤圖樣，能夠明顯看出時間刻度不是均勻的。
下面我們來製作這個日晷的晷針。如下圖，將A4紙摺疊，在上面畫一個直角三角形，底邊與斜邊的夾角為當地的緯度，我用的是瀋陽的緯度42.4度。
不錯，水平式日晷的晷針一般不是一根竹籤那種的針形，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，注意標有「留邊」的那條邊要稍微多留出一點，為了用膠水粘接方便。晷針粘接好後，這個日晷就算完成了。
利用指南針使日晷對準正北方向，此時三角形晷針的斜邊與地軸平行。
當有陽光直射下來的時候，就可以讀時間了。
讀數的時候以晷針斜邊的陰影為準，上圖為13點多。其實這種日晷的製作非常簡單，唯一的難點就是晷盤刻度的計算部分。如果你不會計算，又不怕麻煩的話，可以這樣：先畫好圓，確定圓心和過圓心的垂線，然後粘上晷針，擺正方向，手裡拿塊手錶，每到正點的時候用鉛筆標上，這樣花上一整天的功夫，也可以得到一個計時精確的地平式日晷了。而且這樣確定的晷盤有個好處， 就是讀出的時間是北京時間，可以當真正的鐘錶使用。 地平式日晷可能是人類最早發明的日晷，因為它跟地上插根竹竿看日影那種原始的計時方式最接近，第一種赤道式日晷則應該是人類了解了太陽運動規律之後的產物了。 最後我們再來做一個面向南方的垂直式日晷。如下圖，因為晷盤面與地面垂直，面向南方，因此東方是18點，西方是6點。同樣設當地緯度為Φ，太陽時角為t，某一時刻與圓心的連線跟正午12點的連線夾角為α ，則這三個角度之間的關係為：tanα=tant*cosΦ
我們同樣使用瀋陽的緯度Φ =42.4度，下面是計算出的結果： 6/18 7/17 8/16 9/15 10/14 11/13 12 (時間) t 90 75 60 45 30 15 0 (太陽時角) α 90 70.1 60 36.4 23.1 11.2 0 (各時刻對應的角度） 根據上面的計算結果，用直尺和量角器畫出完整的晷盤。
下面製作晷針。注意晷盤是垂直的，因此三角形的晷針與垂直面結合的一邊要留出粘貼用的邊，此邊相對的一角角度為當地緯度。三角形裡面還畫了個淺淺的弧線，將來要按次弧線剪下，為的是給晷針增加些美感。
剪好的晷針。根據三角關係，標註的角度是當地緯度的餘角。
完成的南向垂直式日晷，利用磁針使晷盤面朝向正南。為了把晷盤畫精確一些、清楚一些， 結果它比鞋盒大了，很不美觀，呵呵。晷針也有些大，象老外的長鼻子，很醜。
把它放在陽光下讀取時間。
因為北半球的房屋一般都是朝南的，因此這種南向垂直式日晷可以直接刻在正面的牆壁上，即方便人們出入的時候看世界，也不佔空間，因此這種日晷恐怕是古代最受歡迎的日晷了。 同樣也可以不經過計算，用現代的計時工具來確定晷盤的刻度，如今誰家牆壁上刻這樣一個東西，絕對吸引眼球。 日晷的種類還有許多，在文章的最後，我們簡單介紹一些。 投影式日晷：
書卷式極向日晷：
半圓柱型日晷：
雙環垂直式日晷：
赤道環式日晷：
球體日晷：
子午式日晷：
推薦閱讀：
※干支互通原理
※八字相剋相合、相生相剋的原理是什麼？
※《周易》成書原理（一）_
※計步器的工作原理是怎樣的？
※汽車空調製冷部份結構與原理(二)