古时，人们发现影子的长短、方向有一定的变化规律：正午时太阳的影子总是投向正北方向。于是，人们在平地上直立一根竿子或石柱来观察影子的变化，并在地面平放一把尺子来测量影子的长度和方向。三千年前，西周丞相周公旦在河南登封县设置了这样一个通过测定日影长度来确定时间的仪器——圭表。
圭表是中国古老而简单的一种天文仪器，它由表和圭两个部分组成。表是垂直立于圭南端的标杆或石柱，圭是正南正北平放的尺，汉以后改为铜制。据记载，最早使用的是表，观察其从日出到日落的影子变化，之后才出现了圭。古代圭表多用于判断方向、测定季节、划分季节和推算历法，在农业生产发展中起着重要的作用。
最初，圭表用于测定方向，在空旷的平地上树立一表，以它为中心在地面画圆周，再测出日出、日落时表的影子与圆周的交点，然后将它们连接起来，由此可以确定东西方向。除了确定方向的功用之外，圭表还可以通过观察测量一天之中表影方向的变化来判断时刻，通过观测表的影子角度的变化，判断日出、日中到日落，以定出一天之内的时间。这种“表”加上一个刻有放射状时刻线的圆形石盘，就演变发展成后来的日晷。
除此之外，圭表还可以通过表测出正午时影子的长短以确定节气。比如我国早在周代时就已经使用圭表来确定冬至和夏至。因为地球绕太阳公转，所以每天正午时表的影子的长短也会随之变化，每年夏至日时，正午时的表影最短；冬至日正午时的表影最长，根据影子的变化规律，可以测出二十四节气。同时也可以利用圭表推求回归年的长度。连续两次测得表影最长值或最短值之间的相隔天数就是一年的周期数，即回归年的天数。春秋末期时，古人就利用圭表测量日影的方法，测定出365.25 日的回归年长度。
如果试着仔细观察物体的影子，我们会发现随着物体高度的增加，它影子的边缘就会变得越模糊，这就导致精确测量影子的长度变得更困难。如果不能准确地测量影长，就会影响圭表的使用。清朝人们借鉴元代天文学家郭守敬发明的景符原理，为这个重要问题提供了解决方法。把铜叶置于表的上端，再在其中间开个圆孔，利用小孔成像的原理就可以使得正午时太阳的像投射到圭面，从而获得影子更为清晰的边缘，提高圭表的测量精度。
圭表作为中华文明的代表之一，在天文学史上有着重要作用和贡献。
文章转自：科普中国-科学原理一点通
