2025.4.17 探秘天地之中：古今天文与地理的对话(有待完善)

向日葵

　观星台景区位于登封市东南7.5公里的告城镇。观星台是中国现存最古老的天文台，也是世界文化遗产“天地之中”历史建筑群的核心组成部分，由元代科学家郭守敬于1279年主持修建，用于精确观测日影、星象，并制定《授时历》。观星台不仅是古代天文学的巅峰之作，更是融合建筑、数学、地理等多学科智慧的标志性遗产，堪称高中生研学实践的绝佳目的地。

观星台突出的科学价值有：

1. 天文成就：《授时历》测得一个回归年为365.2425天，与现行公历（格里高利历）仅差26秒，领先世界300余年。

2. 创新技术：郭守敬通过放大圭表尺寸（表高是传统五倍）和发明“影符”（利用小孔成像原理），将日影测量精度提升至2毫米以内，展现了元代天文学的技术突破。

3. 地理象征：周公测景台确立“天地之中”概念，成为古代天文活动的核心坐标。

天圆地方。景区内的大部分建筑都依“中”而建，中轴线子午大道上，自南向北依次坐落着照壁、山门、戟门、周公测景台、周公祠、郭守敬观星台、帝尧殿，这些建筑均被圆形的天元路环抱其间。

地平方向，观星台位于登封市东南方

子午大道~南北中轴线

周公测景台:

日出而作，日入而息。古人在夜晚看天象，到了白天，就要看自己的影子，并认识到影子的变化，就预示着时间的变化，进而形成了最早的测影。

“周公测景（通“影”）台”是西周文王四子、周公（姬旦）营建东都洛阳时，在登封告成（古称阳城）利用土圭、木杆进行测影，以土圭之法测日影、求地中、验四时季节变化的古天文仪器。唐玄宗开元十一年(723)年，太史监南宫说(悦)仿周公旧制，将原土台木表改为石台石表。周公测景台是我国古代天文历法圭表测影的重要实物见证。

立杆测影:日影长短与节气的关系

立杆测影定节气

圭表是度量日影长度的一种天文仪器，由“圭”和“表”两个部件组成，垂直于地面的直杆叫“表”，水平放置于地面上刻有刻度以测量影长的标尺叫“圭”。

最晚在春秋时期，人们就懂得了使用圭表来确定二至日的方法，即将正午表影最长的那一天定为“冬至”，正午表影最短的那一天定为“夏至”，古人通过圭表测量正午时日影的长度，先确定冬至和夏至，继而发展确定出二十四节气。

　　由表影到时间，即由长度概念转化为时间概念，可谓古人定时立法的前提。演变至今，我们所说的365天的一年，实际是指太阳连续两次通过春分点的时间间隔，因此称为太阳年，又称回归年。

　　如今的周公测景台为唐代遗存。公元721年，玄宗诏修新历；公元723年，太史监南宫说在周公测影旧址重建圭表，换为石质，为全国重要天文测量点。公元725年，僧一行据测量结果，汇算、编制《大衍历》。僧一行，俗名张遂，魏州昌乐（今濮阳市南乐县）人，唐朝著名天文学家和释学家，曾出家于嵩山会善寺。《大衍历》历法系统周密，比较准确地反映了日月五星等的运行规律，表明中国古代历法体系的成熟。

　　观星台坐落于周公测景台的北边，是一座高大的青砖石结构建筑，台高9.46米，连台顶小屋通高12.62米，台身上小下大，形似覆斗。台体上下有明显收分，反映了宋元时期的建筑特征，台北面中部砌一凹槽，其南壁上下垂直，高4丈，称高表，与台下石圭（量天尺）构成具有测影、观星和计时功能的综合性天文观测设施。

　　观星台的北壁正中，有一个直通上下的凹槽，这个凹槽就是观星台的石表，与石表底端相距36厘米，按子午方向垂直横躺着一根31.196米长的石柱，这便是观星台的石圭。当阳光从石表的顶端投射到石圭的表面，便可计算出太阳影子的长度，从而观测时间和季节的变化，因而，石圭也被形象地称作“量天尺”。

　周公测影台向北十余米，是形如覆斗的观星台，其体型高大，灰砖砌筑，是保存完好的元代初年所建的天文观测仪器，也是元代初年国家组织的规模空前的“四海测验”天文大测量活动的见证，当时在北到西伯利亚、南至南海、东至朝鲜半岛，西至川滇和河西走廊的27地建立了天文台和观测站，登封观星台就是由元代著名天文学家郭守敬主持建造的中心台。

　“历之本在于测验，而测验之器，莫先仪表。”郭守敬改进圭表，将表的高度增加到四十尺，即标准表高的五倍，因此也被称为“高表”。登封观星台的直壁和石圭便是郭守敬创造高表制度的实物例证。因为表高增加，表影长度也随之增加，增加了测量精度，不过与此同时也出现另一个问题，太阳投射出的影子反而变得粗而模糊。

　　基于左右对称的结构，观星台看上去貌若一个“中”字，横躺在地面上的石圭，就像是“中”字那笔直的一竖被扣了下来，台壁正中被扣出的凹槽就成了石表。

　　观星台是郭守敬按照“横梁式八尺表”的工作原理而建。在观星台东北侧，安放有一具依郭守敬创制原物复制的“横梁式八尺表”，便于游人直观地认识和理解观星台“量天尺”的奥秘与神奇。直立的石表上两条盘龙攀至顶端，共同举起一根平直的竿子，日光将竿子的影子投射到地面的石圭上，即可量得日影的长度。

　“横梁式八尺表”是按元代天文学家郭守敬创制原物复制，元初在使用时有改动，在当时全国27个观测点中，多为八尺表测影，其特征是由原来的立竿式圭表测量太阳上边缘之影，改进为测量太阳中分之影，使测量效果更精细更科学。

横梁式八尺表是按照元代天文学家郭守敬创制的原物复制的。郭守敬在“圭表”的基础上进行了改进和创新，他在“表”上方加了一根架空的横梁，并在“圭”面上放置一个可移动的景符（有小孔的铜片），利用这种改进后的“圭

表”、他精确推算出了二十四节气和一回归年的天数。

郭守敬的改进使得圭表不仅能够测量日影长度，还能通过小孔成像技术更精确地观测天象和节气变化。这种创新不仅在当时具有重要科学价值，也为后世的天文研究提供了重要工具和方法。

“横梁式八尺表”的横梁

　元朝初年，由郭守敬主持，在“东至高丽，西极滇池，南逾朱崖，北尽铁勒”的举国范围内，进行了一场规模空前的“四海测验”。“四海测验”在全国共设置了27个观测点，观星台和元大都等处的6个观测点是其中的中心观测点。

为了使“四海测验”能取得完美的科学成果，郭守敬共向27个观测点派出了14名监侯官。郭守敬和14名监侯官带领一班人在天南海北“昼参日影，夜观极星，以正朝夕”。

郭守敬雕像东侧，是一座仙鹤造型的日晷。流线型的仙鹤，身体稳立于地，头颈昂然向天，双翅向后舒展张开，与脊背共同形成一个半圆的弧圈，势若“欲向苍天问自由”的造型。仙鹤日晷属赤道形日晷，日晷时刻线均匀地分布在仙鹤后背弧圈造型的赤道环上，晷针顶端指向北天极，底端指向南天极，倾斜角度与所处地理位置的纬度相同。阳光之下，晷针的影子落在哪条刻度线上，对应时间即为当地的太阳时时刻。仙鹤日晷以优雅的艺术张力呈现出美好的科学愿望。

　对中学生而言，登封观星台的独特资源是开展天文学科普和研学的理想之地，可开展的活动有:

模块一：古法天文探秘

1. 观星台导览与讲解

核心内容：参观周公测影台与元代观星台，学习圭表测影原理。通过实物观察，了解元代郭守敬如何利用巨型圭表（量天尺）和“影符”提高日影测量精度，制定《授时历》（误差仅26秒/年）。

互动提问：为什么日影长短能划分节气？为何登封被称为“天地之中”？

2. 动手体验：日晷制作与节气模拟

实验内容：

使用简易材料（硬纸板、竹签、量角器）制作日晷模型，能说明日晷的工作的原理，并学会应用。

在观星台石圭旁实测日影，记录不同时间点的影长，推算当前节气（如春分、秋分）。

科学延伸：对比古代圭表与现代天文台测量方法的差异，讨论误差来源。

模块二：地理科学实验

1. 地球运动与经纬度测量

实验内容：

地球自转实验：利用傅科摆原理，通过自制摆锤观察地球自转效应（需简易摆锤与沙盘）。

经纬度实践：结合观星台“天地之中”的地理意义（北纬34°、东经113°），使用GPS设备实测当地经纬度，对比古代“地中”概念的合理性。

2. 太阳能与气候变化

实验内容：

制作简易太阳能灶（铝箔纸、纸盒、温度计），探究太阳高度角对光能吸收的影响。

结合《授时历》中“太阳年”数据（365.2425天），讨论现代气候变化对节气的影响。

模块三：融合古今的团队挑战

1. “四海测验”模拟任务

任务背景：重现元代郭守敬的“四海测验”科学行动，在全国27个观测点测定天文数据。

挑战内容：

分组模拟不同纬度观测点，利用日晷模型和影子长度计算当地纬度。

结合现代地图，分析数据误差并绘制“简化版”地球纬度分布图。

2. 创意展示：天文地理手作展

- 学生以小组为单位，用自然材料（黏土、树枝）制作“观星台模型”或“地球圈层结构图”，并讲解设计理念。

活动亮点

1.跨学科融合：将古代圭表测影与现代地理经纬度测量结合，体现科学与文化的传承。

2. 精准对标课标：

地理：地球运动、经纬网、太阳能利用（对应初中地理课程标准）。

物理：光学实验、力学原理（摆锤实验）。

3. 非遗技术体验：通过“影符”模拟实验（小孔成像原理），理解元代科学家如何解决日影虚淡问题。

　　观星台的玄机太多太多，值得学生们一一探究……

考考你: 看图思考……

2020年高考数学试题(山东)卷第4题：

4.日晷是中国古代用来测定时间的仪器，利用与晷面的垂直的晷针投射到晷面的影子来测定时间。把地球看成一个球（球心记为O)，地球上一点A的纬度是指OA与地球赤道所在平面所成角，点A处的水平面是指过点A且与0A垂直的平面，在点A处放置一个日晷,若晷面与赤道所在平面平行,点A处的纬度为北纬40°，则晷针与点A处的水平面所成角为

A.20° B. 40° C.50° D.90°