簡介
　　組合式日晷將常見的地平式日晷、赤道式日晷、垂直式日晷、節(jié)氣式日晷集為一身，通過更換晷面、晷針，調(diào)整晷面傾斜角度來實(shí)現(xiàn)不同的功能，還能通過在陽光下觀測晷針的影子來確認(rèn)時間、節(jié)氣以及探究一天中太陽影子變化規(guī)律，測量太陽高度角等。組合式日晷主要適用于小學(xué)的科學(xué)教學(xué)、中學(xué)天文地理的教學(xué)等。
　　組合式日晷能在老師講課時，讓學(xué)生更容易理解我國古代天文儀器——赤道日晷的原理以及使用方法，并且彌補(bǔ)了單一日晷的一些缺點(diǎn)。組合式日晷還解決了在室內(nèi)不能演示日晷的難題，增加了互動環(huán)節(jié)，讓學(xué)生能自己動手測量太陽高度角、畫晷影線。
　　設(shè)計方案
　　在課堂上接觸到日晷的知識后，我想進(jìn)一步探究其中的原理。日晷有好多種，但歸類起來可分為地平式日晷、赤道式日晷、垂直式日晷、節(jié)氣式日晷。我自己動手做了幾個不同類型日晷來觀察晷影變化和時間的關(guān)系，研究日晷的工作原理。但同時使用幾種日晷比較不方便，而且還必須有日光。能不能把它們組合在一起呢?我反復(fù)比較、畫圖，又請教老師，做了幾個方案后發(fā)現(xiàn)，如果晷面和晷針可以更換，就能在1個裝置上實(shí)現(xiàn)不同種類的日晷功能。
　　各種日晷主要的不同在于晷面、晷針以及晷面的傾斜角度。只要把這3個問題解決了，組合式日晷就能發(fā)明出來了。我和科學(xué)老師、爸爸討論過各種方案，也經(jīng)歷了一次次失敗，最終找到了1種好的方案：把晷面做成活動的，晷針做成可拆卸的；把各種晷針與晷面用螺栓、螺帽連接，可隨時更換；各種晷面畫在CD盤一樣大的紙上，粘貼在CD盤兩面，放在1個用合頁連接的可調(diào)節(jié)角度的基座上，再安裝上水平式指南針來調(diào)節(jié)方向和高低；裝上1個小電子鐘來比對時間，這樣1個組合式日晷就發(fā)明出來了。
　　在接下來反復(fù)試驗(yàn)的過程中，為了彌補(bǔ)不能在室內(nèi)演示的缺陷，又增加了早晚太陽運(yùn)行軌道和小手電；增加了空白晷面，可以動手記錄太陽影子的長短、方向。
　　“組合式日晷”使用前的準(zhǔn)備
　　組裝完畢的組合式日晷如圖1。調(diào)整組合式日晷方向，使晷面圓心和指南針?biāo)B成的線與南北方向線重合，圓心向南。同時根據(jù)水平儀，調(diào)整底板高低(可使用紙片來墊)，使組合式日晷處于水平位置。然后根據(jù)日晷的不同類型和室內(nèi)、室外的演示要求來調(diào)整晷面、太陽運(yùn)行軌跡的角度；按季節(jié)調(diào)整太陽直射點(diǎn)軌跡，更換不同的晷針。
　　日晷測量演示說明
　　地平式日晷
　　室外觀察：換上地平式日晷晷面，安裝上地平式日晷三角晷針，利用量角器、調(diào)整晷針角度，使晷針指向北天極。南京地區(qū)所處緯度為北緯32°，所對應(yīng)的晷針角度為90°—32°＝58°。通過在陽光下觀測晷針的影子來確認(rèn)時間。
　　室內(nèi)演示準(zhǔn)備工作與室外相同(除非特別說明，各種日晷室內(nèi)演示的準(zhǔn)備都與室外相同)。觀察時按季節(jié)調(diào)整太陽直射點(diǎn)軌跡，按正午太陽高度角調(diào)整太陽運(yùn)行軌跡高度角，移動小手電來觀察、演示。見圖2。
　　赤道式日晷
　　室外觀察：換上赤道式日晷晷面，安裝上赤道式日晷晷針，調(diào)整晷面傾斜角度，使晷針指向北天極。晷面傾斜角度為當(dāng)?shù)氐木暥鹊挠嘟恰Ｄ暇┚暥葹楸本?2°，所對應(yīng)的晷面傾斜角度為90°－32°＝58°。通過在陽光下觀測晷針的影子來確認(rèn)時間。由于從春分到秋分期間，太陽總是在天赤道的北側(cè)運(yùn)行，因此，晷針的影子投向晷面上方；從秋分到春分期間，太陽在天赤道的南側(cè)運(yùn)行，因此，晷針的影子投向晷面的下方。見圖3。
　　室內(nèi)演示：按季節(jié)調(diào)整太陽直射點(diǎn)軌跡，按正午太陽高度角調(diào)整太陽運(yùn)行軌跡高度角，移動小手電來觀察、演示。從春分到秋分期間，晷針的影子投向晷面上方；從秋分到春分期間，晷針的影子投向晷面的下方。
　　垂直式日晷
　　室外觀察：換上垂直式日晷晷面，調(diào)整晷面傾斜角度，使晷面與地面垂直，使晷針指向南。通過在陽光下觀測晷針的影子來確認(rèn)時間。
　　室內(nèi)演示：按季節(jié)調(diào)整太陽直射點(diǎn)軌跡，按正午太陽高度角調(diào)整太陽運(yùn)行軌跡高度角，移動小手電來觀察、演示，見圖4。
　　節(jié)氣式日晷
　　室外觀察：換上赤道式日晷晷面，安裝上赤道式日晷晷針，調(diào)整晷面傾斜角度，使晷針指向北。晷面與地面的角度在春分與秋分時為當(dāng)?shù)氐木暥?，其余季?jié)依據(jù)節(jié)氣的不同而調(diào)整。通過在陽光下觀測晷針的影子來確認(rèn)時間。和赤道式日晷相比，它的晷影始終在面板上面，只看上面就可知時間。當(dāng)?shù)靥柛叨冉窃酱螅忻鎯A斜角度越大；當(dāng)?shù)靥柛叨冉窃叫。忻鎯A斜角度越小，夏至?xí)r最大，冬至?xí)r最小。
　　室內(nèi)演示：按季節(jié)調(diào)整太陽直射點(diǎn)軌跡，按正午太陽高度角調(diào)整太陽運(yùn)行軌跡高度角，移動小手電來觀察、演不。
　　測量太陽高度角
　　室外觀察：安裝上地平式日晷三角晷針，使晷針指向太陽。當(dāng)晷針的投影成一點(diǎn)時，晷針與晷面的夾角即太陽高度角。用量角器測量角度即可知太陽高度角。
　　室內(nèi)演示：準(zhǔn)備時安裝上地平式日晷三角晷針，使晷針指向小手電。按季節(jié)調(diào)整太陽直射點(diǎn)軌跡，按正午太陽高度角調(diào)整太陽運(yùn)行軌跡高度角，移動小手電來觀察、演示。當(dāng)晷針的投影成一點(diǎn)時，晷針與晷面的夾角即太陽高度角。用量角器測量角度即可知太陽高度角，見圖5。
　　測節(jié)氣
　　室外觀察：換上測節(jié)氣晷面、短晷針，晷針頂端所指的晷影線即所在時節(jié)的節(jié)氣。
　　室內(nèi)演示：按季節(jié)調(diào)整太陽直射點(diǎn)軌跡，按正午太陽高度角調(diào)整太陽運(yùn)行軌跡高度角，移動小手電來觀察、演示。晷針頂端所指的晷影線即所在時節(jié)的節(jié)氣。
　　自己動手畫晷影線
　　室外觀察：換上空白晷面，在1天中的不同時刻，點(diǎn)上晷針頂端所指的投影點(diǎn)，連成1條線就是本時節(jié)晷影線，不同的時節(jié)有不同的晷影線，見圖6。
　　室內(nèi)演示：按季節(jié)調(diào)整太陽直射點(diǎn)軌跡，按正午太陽高度角調(diào)整太陽運(yùn)行軌跡高度角，移動小手電來觀察、演示。在1天中的不同時刻，點(diǎn)上晷針頂端所指的投影點(diǎn)，連成1條線就是本時節(jié)晷影線，不同的時節(jié)有不同的晷影線。
　　室內(nèi)短時間內(nèi)演示全天、全年晷影運(yùn)行
　　裝上早晚太陽運(yùn)行軌道，打開小手電，沿模擬太陽運(yùn)行軌道運(yùn)行，即可演示早晚晷影變化軌跡。按季節(jié)調(diào)整太陽直射點(diǎn)軌跡，調(diào)整太陽運(yùn)行軌道角度即可演示全年晷影變化軌跡。
　　因?yàn)樘栠\(yùn)行軌跡和地理緯度關(guān)系計算相當(dāng)復(fù)雜，我在這里只能模擬它們的關(guān)系和運(yùn)行軌跡。而要讓它們在現(xiàn)實(shí)中還原，涉及到好多難解決的加工問題。在太陽運(yùn)行軌道上讓光影準(zhǔn)確定格定時難度很大，我只能盡力而為。如果能給我更多的時間，我會把它改進(jìn)得更