齐老师问了我一个问题:日晷盘面不平行于地面是不是必须的,在地面上立杆行不行?这个问题我考虑过一半,就是日晷盘面是赤道面,在此情况下用垂直于盘面(垂直于赤道面方向,也就是地球自转轴)的指针的影子可以计时。问题的另一半:在地面上立一根杆行不行?这个问题我考虑过部分,我知道的是上午6:00,中午12:00,下午18:00,用地面上的杆的影子可以表示时间,但是其它时间是什么情况还真没仔细考虑过。问题就是,地面上杆的影子的转动是匀速的么?
回答这个问题要搞清楚,什么是地面上杆的影子?对于日晷,指针的影子就是太阳和指针所成平面和日晷盘面的交线,也就是子午面和赤道面的交线。而对于地面上的杆,其影子是太阳和此杆所成平面和地面的交线。
概念清楚以后,这就是一个明确的几何问题。假设正午后子午面转过的角度(也就是日晷指针的影子转过的角度)是alpha,所考虑的地理纬度是delta,太阳直射圈的纬度是omega,太阳-地心连线转过的角度是mu。假设地面上杆的影子转过的角度是zeta,那么所需的方程为
cos^2zeta=frac{sin^2(delta-omega)cos^2mu}{sin^2mu+sin^2(delta-omega)cos^2mu}
其中mu可以用
tan(mu/2)=tan(alpha/2)cosomega
计算。
致谢:感谢齐老师提出这个问题,使我有机会认真思考。
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