冬至
我国自古以农业立国，十分重视四季气象变化，远在春秋时代，就定出仲春、仲夏、仲秋和仲冬等四个节气，即后来的春分、夏至、秋分和冬至来划分春、夏、秋、冬四個季節。为什麽二十四个节气中最早确定的是这四个节气呢？因为不必进行高深的数学计算，只要利用简单的天文仪器就可以确定这四个节气。
当太阳直射到地球的南北纬度23度26分这两条纬度线，就不再在继续朝南或北移动，而是调头朝反方向，所以这两条纬度线分别叫做南回归线和北回归线。太阳刚好直射在南回归线上的一天，对北半球来说（下同，南半球相反）是冬至這一天，季节处于冬季，白天最短，黑夜最长。冬至过后，太阳慢慢地由南回归线向北回归线移动，北半球的白天慢慢加长，而夜晚渐渐缩短。当太阳刚好直射在赤道上的时候就到了春分节气，这一天的白天和夜晚一样长。太阳继续向北回归线移动，到了直射北回归线就是夏至节气那一天，季节处于夏季，白天最长，黑夜最短。太阳掉头向南回归线移动，再经过赤道的一天就是秋分节气，白天和夜晚又一样长。
远古时的人们，日出而作，日没而息，从太阳每天有规律地东升西落，直观地感觉到了太阳与时间的关系，开始以太阳在天空中的位置来确定时间。但是长时间抬头仰望太阳不仅会伤害眼睛影响视力，也无法把太阳在天空中的精确位置确定下来。后来先民们看到，旷野上孤立生长的树木每天的日影随着太阳东升西落，从向西倾斜最大变到向东倾斜最大，长度也由日出时很长，正午时最短，日落时又变长的变化规律，而且每天正午的日影方向一年四季都是固定不变的。后来据说是五千年前的黄帝发明了指南针，所指的正北方向和日影正午的方向几乎完全一样。显然观察日影要比直接观察太阳方便得多，安全得多。
一年四季同一地点、同一时刻日影的长度并不相同，大家都有这样的经验，只不过没有作仔细的观察记录罢了。住在北半球的中国人，自古以来盖房子就喜欢坐北朝南，阳光可以终年通过窗户进入屋内。阳光进屋的长度四季不一样，需要阳光的冬季最长，不要阳光的夏季最短，春季和秋季则处在中间位置。但是要精确地得到一年中每一天日影长度的细微变化并不容易，对于没有精确计时仪器的古人更是困难。因为无法决定确是同一时刻的话，对不同日子不是同一时刻的日影长度进行比较是没有意义的。
好在古人发现了每天正午的日影方向都是固定不变的，并且都是一天所有时间的日影长度中最短的时刻，就可以想办法记录每天正午的日影长度，并进行比较。古人就根据这一原理，发明了一种叫做“圭表”的仪器，每一天观察正午的日影长度。据历史记载，三千年前西周王朝建立的时候，总揽王朝政务的周公旦就已经在河南登封市设置过圭表，世界上同样用途的天文仪器中，这应当是最早的，而圭表的最初发明应该更早一些。
观察发现，所记录下每天的日影长度是循环变化的，尽管每一天都和前一天不同，经过365天，又回到原来的位置，就把这个循环周期就叫做一年。这样就确定了一年的天数是365天，现代更科学的名称叫做一个回归年或阳历年，更精确的周期是365.2422天。
前面说过，我国历史上对这个周期的称呼有过几次变化。尧舜时称为“载”，夏代称为“岁”，商代称为“祀”，直到周代以后才称为“年”，中间只有唐玄宗时再次使用了“载”这个字。这大概是唐玄宗因为开元之治，唐皇朝空前强盛，有些飘飘然起来，大臣中又有李林甫之流马屁精，奉承他的统治可与尧舜时代媲美，于是把年号改为天宝，用“载”字代替“年”字。
继而观察到最长的日影长度总是固定出现在冬季某一天，从这一天起天气越来越冷；最短的日影长度总是固定出现在夏季另一天，并且从此开始天气越来越热，所以就分别把这两天叫做冬至和夏至。而日影长度为冬至和夏至的平均值，分别出现在春季和秋季过了一半的那两天，就把它们叫做春分和秋分。于是春分、夏至、秋分和冬至这四个节气就确定了，这已经到了公元前7世纪的春秋时期。
圭表是什麽样子的？圭表由垂直的表和水平的圭组成。表是一根石柱，一般高八尺；圭是一块南北方向平铺在地面上石板制成的尺子，与立表垂直。尺子的一头连着表基，另一头则伸向正北方向，上面有刻度。中国现存最早的圭表是一九六五年在江苏仪征的一座东汉中叶墓葬中出土的一件便携式的铜圭表，它由19.2厘米的表和34.39 厘米长的圭构成。圭表之间有枢轴相连，可将表平放于匣内，圭表合装一体，启合自如，携带方便。古代便携式圭表多以铜制。
周公当年设置的圭表位于今天河南登封告成镇北面，至今保存有唐玄宗开元十一年（723）建在周公当年设置的圭表原址的测影台，又名“周公测景台”。台用青石制作，分台座和石柱两部分：台座上大下小，呈梯形锥体，石柱为表，台座为圭。圭表测时的精度是与表的长度成正比的。元世祖至元十三年（1276），杰出的科学家郭守敬在周公测景台南二百米处设计并建造了一座观星台。它由一座9.46米高的高台和从台体北壁凹槽里向北平铺的长长的建筑组成，这个高台相当于坚固的表，平铺观星台北面地上的是通长为31.19米的“量天尺”即石圭。这个硕大的“圭表”使测量精度大大提高。
当年的观星台上可能还有观测星象等设施，包括郭守敬创制新的天文仪器有沈括浮漏、正方案、仰仪、景符、日晷等。郭守敬是一位非常了不起的科学家，登封观星台建成后又在全国其它二十六个地方建立了天文台和观测站，登封观星台是当时的中心观测站。接着和王恂等人组织了规模空前的天文大地测量，经过几年的辛勤观测推算，终于在至元十八年（1281）编制出当时世界上最先进的历法；《授时历》。《授时历》求得的回归年周期为365.2425日，即365天5时49分12秒，与当今世界上许多国家使用的阳历一秒不差，但《授时历》比它早二百四十七年。与现代科学推算的回归年期相比，《授时历》仅差26秒，即多了0.0003日。郭守敬还组织领导开通现在的京杭大运河，是元明清三个朝代南粮北运的经济命脉。
和“圭表”类似，也是利用阳光下物体投影测量时间的另一种古代天文仪器叫“日晷”，又称“日规”。“日”指“太阳”，“晷”表示“影子”，“日晷”原来的意思是“太阳的影子”。与圭表不同的，日晷是根据一天中从太阳升起到降落地平线，物体影子方向的变化，确定白天的不同时刻，是一种最早的计时器，故宫院落里就放置有一架“日晷”。日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，起着圭表中立竿的作用，因此，晷针又叫“表”；石制的圆盘叫做“晷面”，按晷面放置的方向，日晷可分为赤道、水平、垂直等型式。我国古代的日晷几乎都是赤道式的，晷面安放在石台上，呈南高北低。石台的倾斜度决定放置的方向，晷面两面都有几道同心圆，内圈分十二格，每格分别刻子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥，表示十二时辰，外圈刻度更密，把每个时辰又等分为若干个更小的时间单位，一圈下来正好是一天二十四小时。紫禁城中的日晷是赤道式的，晷针平行于地球自转轴，上端指北，下端指南；晷面平行于赤道，赤道式的名称就来源于此。春
