六分儀（測(cè)量遠(yuǎn)方兩目標(biāo)之間夾角的儀器）
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六分儀
測(cè)量遠(yuǎn)方兩目標(biāo)之間夾角的儀器
六分儀用來(lái)測(cè)量遠(yuǎn)方兩個(gè)目標(biāo)之間夾角的光學(xué)儀器。通常用它測(cè)量某一時(shí)刻太陽(yáng)或其他天體與海平線或地平線的夾角﹐以便迅速得知海船或飛機(jī)所在位置的經(jīng)緯度。六分儀的原理是牛頓首先提出的。六分儀具有扇狀外形﹐其組成部分包括一架小望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)半透明半反射的固定平面鏡即地平鏡﹐一個(gè)與指標(biāo)相聯(lián)的活動(dòng)反射鏡即指標(biāo)鏡。六分儀的刻度弧為圓周的1/6。使用時(shí)﹐觀測(cè)者手持六分儀﹐轉(zhuǎn)動(dòng)指標(biāo)鏡﹐使在視場(chǎng)里同時(shí)出現(xiàn)的天體與海平線重合。根據(jù)指標(biāo)鏡的轉(zhuǎn)角可以讀出天體的高度角﹐其誤差約為±0.2°～±1°。在航空六分儀的視場(chǎng)里﹐有代替地平線的水準(zhǔn)器。這種六分儀一般還有讀數(shù)平均機(jī)構(gòu)。六分儀的特點(diǎn)是輕便﹐可以在擺動(dòng)著的物體如船舶上觀測(cè)。缺點(diǎn)是陰雨天不能使用。二十世紀(jì)四十年代以后﹐雖然出現(xiàn)了各種無(wú)線電定位法，但六分儀仍在廣泛應(yīng)用。
基本信息
| 中文名 | 六分儀 |
| 外文名 | sextant |
| 運(yùn)用領(lǐng)域 | 航海導(dǎo)航 |
| 拼音 | liufenyi |
| 發(fā)明者 | T·戈弗雷 約翰·哈德利 |
| 發(fā)明時(shí)間 | 1730年 |
收起
簡(jiǎn)介
在測(cè)繪和船舶通信導(dǎo)航中，是由分度弧、指標(biāo)臂、動(dòng)鏡、定鏡、望遠(yuǎn)鏡和測(cè)微輪組成，弧長(zhǎng)約為圓周的六分之一，用以觀察天體高度和目標(biāo)的水平角與垂直角的反射鏡類型的手持測(cè)角儀器。廣泛用于航海和航空中，用來(lái)確定觀測(cè)者的自身位置。六分儀的原理由伊薩克·牛頓提出，1732年，英國(guó)海軍開(kāi)始將原始儀器安裝在船艇上，因?yàn)楫?dāng)時(shí)最大測(cè)量角度是90度，因此被稱為八分儀。1757年，約翰·坎貝爾船長(zhǎng)將八分儀的測(cè)量夾角提高到120度，發(fā)展成為六分儀。其后六分儀的測(cè)量夾角雖然逐漸提升到144度，但是其名稱卻一直保持不變。
原理
六分儀所基于的原理很簡(jiǎn)單：光線的反射角等于入射角。實(shí)際上，六分儀也可以測(cè)量任意兩物體之間的夾角。其原理最初由牛頓（以及更早的胡克）提出；而固定式大型六分儀很早就由各大天文臺(tái)建造，供天體測(cè)量之用（如第谷在汶島建造的紀(jì)限儀、格林尼治天文臺(tái)的大六分儀等）。
六分儀
幾何光學(xué)中的反射定律
在天體的象與地平線重合時(shí)，該天體高度等于地平鏡與指標(biāo)鏡夾角的二倍。通過(guò)幾何光學(xué)中的反射定律，這一點(diǎn)可以很容易地被證明。而根據(jù)這一點(diǎn)來(lái)恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)圓弧標(biāo)尺上的刻度，就可以讓觀測(cè)者直接讀出天體高度。為提高讀數(shù)精度，實(shí)際的六分儀活動(dòng)臂上往往還附有鼓輪和游標(biāo)尺。六分儀的精度比較高，最高能達(dá)到10角秒，且輕便易用，所以它能夠迅速取代之前操作復(fù)雜的星盤(pán)，成為在海洋上測(cè)量地理坐標(biāo)的利器，也徹底解決了精確地確定海上航線這一困擾無(wú)數(shù)航海家的難題。1769年，庫(kù)克船長(zhǎng)就是在六分儀的幫助下成功抵達(dá)塔希提島觀測(cè)金星凌日的。
發(fā)展歷程
早期航海家在大海中沿航線航行時(shí)，需要不斷確定航船所處的位置，即船所處的經(jīng)度和緯度的交叉點(diǎn)。航海家為了弄清楚自己的船所處的緯度，需要有一種儀器，它能通過(guò)對(duì)地平線和中午的太陽(yáng)之間的夾角的測(cè)量，或通過(guò)對(duì)地平線和某顆固定星之間的夾角的測(cè)量來(lái)確定緯度。最初，水手用星盤(pán)來(lái)測(cè)量太陽(yáng)高度，但由于船的甲板是上下起伏的，這種儀器極難操作，而且不容易測(cè)算準(zhǔn)確。后來(lái)人們用直角儀取代了星盤(pán)。航海圖上的六分儀及兩腳規(guī)、量角器、平行尺等早期航海儀器
1730年，美國(guó)人T·戈弗雷（Thomas Godfrey）和英國(guó)人約翰·哈德利（John Hadley）分別獨(dú)自發(fā)明了八分儀。兩人都把設(shè)計(jì)方案提交英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，后者于1734年又提交了一個(gè)改進(jìn)方案，得到普遍采用。哈德利研制成功一種反射望遠(yuǎn)鏡，接著又制作了一種在海上測(cè)量角度的儀器。觀察者可通過(guò)一面鏡子同時(shí)看見(jiàn)地平線，它們之間的角度可用邊緣標(biāo)有刻度的象限儀測(cè)出，測(cè)角范圍可達(dá)90°，這樣就把簡(jiǎn)單的象限儀（測(cè)角范圍45°）所測(cè)量之高度增加了一倍，成為一種測(cè)緯度的理想儀器，該儀器另一優(yōu)點(diǎn)是它能使星辰天體的形象與地平線成一直線，而且所測(cè)讀數(shù)更為精確。由于它準(zhǔn)確、價(jià)格便宜、使用方便，極受航海人員歡迎，直到20世紀(jì)仍然作為測(cè)量天體高度確定緯度的方法。
1732年，英國(guó)海軍部把八分儀放在一只小艇中作試驗(yàn)，結(jié)果非常精確。可是八分儀的90°標(biāo)度用作測(cè)量月球與天體的角距，事實(shí)證明是非常不夠的，故約翰·伯德（John Bird）在18世紀(jì)50年代制作了一個(gè)完整的圓圈，其測(cè)量范圍可達(dá)360°，測(cè)量效果好，但很笨重，在海上使用極為不便。于是反射圈與八分儀之間采取折中方案，1757年，坎貝爾船長(zhǎng)以八分儀為模子，把測(cè)量范圍擴(kuò)大到120°，這就是六分儀，它是由一個(gè)三角形的架子組成，一邊是一個(gè)120°弧形板，上面有刻度和一個(gè)可移動(dòng)的指針。反射望遠(yuǎn)鏡將需測(cè)量的有夾角的兩天體反射到一起，人們就可以方便地測(cè)到角度并計(jì)算出該船處在的緯度。六分儀較之以往的測(cè)緯度的星盤(pán)、卡爾瑪和直角象限儀等的精度有較大的提高。
最初的六分儀外形較大，而且采用銅材制作，十分沉重，領(lǐng)航員不得不把它的下端固定在自己的腰帶上，才能保持穩(wěn)定。后來(lái)改用木材制作，雖然重量輕了，但是體積仍然較大。這其中的原因很明顯：六分儀的測(cè)量準(zhǔn)確與否，與刻度劃分是否精確密切相關(guān)，而早期工業(yè)水平有限，難以在小型刻度盤(pán)上精確地劃分刻度，因此只能做得很大；18世紀(jì)末，英國(guó)工匠拉姆斯頓發(fā)明了可以精確劃分刻度的“分位儀”，才真正解決了這一問(wèn)題，為此英國(guó)經(jīng)度委員會(huì)還專門(mén)發(fā)給他675英鎊的獎(jiǎng)金，這在當(dāng)時(shí)是相當(dāng)可觀的一筆“巨款”，至此，六分儀真正實(shí)現(xiàn)了小型化。
使用方法
使用六分儀測(cè)量經(jīng)緯度的前提條件是當(dāng)前時(shí)間已知。先用六分儀測(cè)量出某天體（一般用太陽(yáng)）上中天時(shí)的地平高度，再查閱天文年歷了解當(dāng)天該天體的赤道坐標(biāo)，只需代入公式：
cos z = sin φ sin δ + cos φ cos δ cos t
就可以得出該地的緯度φ。式中z是天體天頂距（90度減去地平高度），δ是天體的赤緯，t是時(shí)角，可以由地方恒星時(shí)與天體赤經(jīng)相減得出，恒星時(shí)也可以通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得到。如果是由太陽(yáng)位置計(jì)算地理緯度，更簡(jiǎn)便的算法是：
φ = z + δ
六分儀的結(jié)構(gòu)和光學(xué)原理
ΔABC中 ω=β－ɑ
ΔABD中 h=2β－2ɑ
∴ h=2ω
至于經(jīng)度的測(cè)量，可以通過(guò)比較太陽(yáng)上中天時(shí)地方時(shí)（由查閱天文年歷得出）與出發(fā)地的時(shí)間之差得出。
六分儀最大的缺點(diǎn)是受天氣的影響較大，不能在陰雨天使用。而制造過(guò)程中會(huì)無(wú)可避免地引入機(jī)械誤差，這也成了限制六分儀精度的一個(gè)因素。有一定經(jīng)驗(yàn)的觀測(cè)者在正常條件下白天單一觀測(cè)的均方誤差為±0.7′～±1.0′。增加觀測(cè)次數(shù)取平均值，則其均方誤差降為單一觀測(cè)值的，n為次數(shù)，一般取3、5、7次。天體高度最好為15°～65°。此外，六分儀也可在沿岸航行時(shí)用于觀測(cè)兩個(gè)地面物標(biāo)之間水平夾角，用以在海圖上定位。
歷史上，六分儀除了在航海方面發(fā)揮了重大作用外，還曾幫助天文學(xué)家編制高精度星表。而星表的編制也促進(jìn)了航海的發(fā)展，同時(shí)還給地理坐標(biāo)的測(cè)量帶來(lái)了重大進(jìn)步。另外還有航空用六分儀，結(jié)構(gòu)與航海用六分儀基本相同，但望遠(yuǎn)鏡視野中的地平線由水準(zhǔn)線代替。現(xiàn)在也有電子六分儀生產(chǎn)。
相關(guān)信息
法國(guó)的“法蘭西”號(hào)大型客輪在惡劣天氣時(shí)使用先進(jìn)的電子導(dǎo)航儀器控制自動(dòng)行駛。但在特殊情況下仍需要六分儀來(lái)輔助判斷方位。
新世紀(jì)福音戰(zhàn)士（EVA）中的 六分儀
參考資料
[1]
六分儀 · 中國(guó)化工儀器網(wǎng)[引用日期2016-11-25]
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