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  戴森出生在英國萊斯特郡阿什比德拉祖什附近的米舍姆,是浸禮會牧師雷夫·沃森·戴森和弗朗西斯·多德維爾的兒子,在戴森年幼時全家搬至約克郡。在那兒,他進入哈利法克斯希思文法學校,後來獲得了布萊福德文理學校和劍橋大學三一學院獎學金,他在那裡學習了數學和天文學,1889年被分為第二牧馬人(數學成績名列第二者)。  1894年被他推薦擔任格林尼治天文臺高階助理職務,主要負責對天體進行分類編目,後在1905年發表。從1905至1910年,他被任命為蘇格蘭皇家天文學家,1910年至1933年晉升為皇家天文學家(兼英國皇家格林尼治天文臺臺長)。1928,他在天文臺引入一種新的自擺鐘-當時最準確的時鐘(肖爾特同步時鐘),並組織定期通過拉格比市郵政總局電臺發射格林尼治標準時間無線訊號。他還在1924年通過英國廣播公司介紹了“六個報時短音”分配情況。他曾擔任過數年英國鐘錶協會主席,並在1928年被授予金獎。  戴森以研究日食而著稱,是日冕和色球層光譜方面的權威。1919年曾組織了到巴西和普林西比島觀察日食的考察,在1918年停戰前他就樂觀地開始了考察準備工作。在1919年11月6日皇家學會和英國皇家天文學會聯合會議上,戴森提交了1919年5月29日的日食觀測報告,這些觀察證明了愛因斯坦關於引力對光會產生影響的理論,直到那時,科學界才徹底停止了對該理論的懷疑。  1939年戴森從澳大利亞旅遊返回英國時,病死於船上並被進行了海葬。

  1894年與帕列蒙·貝斯特的女兒卡羅琳·比塞特·貝斯特結婚,共生育了兩個兒子和六個女兒。

  雖然並不清楚弗蘭克·戴森和理論物理學家弗里曼·戴森有無親戚關係,但他倆的父輩-雷夫·沃森·戴森和喬治·戴森(作曲家)都來自姓氏起源地和同族最密集的西約克郡。戴森相信弗蘭克爵士激發了他對天文學的興趣:因為他們有相同的姓氏,當弗里曼·戴森一家人談論弗蘭克爵士的成就時,他還是一個年輕的男孩。
弗蘭克·沃生·戴森爵士(英語:Frank Watson Dyson,1868年-1月8日-1939年-5月25日),KBE、皇家學會會員、愛丁堡皇家學會院士,英國天文學家、皇家天文學家。他引入了英格蘭格林威治時間訊號(報時聲),併為證明愛因斯坦的廣義相對論起了重要的作用。