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        測(cè)量天體地平高度及方位角的天球儀

        2020-03-17 09:22:52張國(guó)新
        中國(guó)科技教育 2020年1期
        關(guān)鍵詞:極軸天球方位角

        張國(guó)新

        天球儀是天文教學(xué)、天文科普的儀器,是指導(dǎo)人們海陸空航行的儀器。人們利用它表述天球的各種坐標(biāo)、天體的視運(yùn)動(dòng)及求解一些實(shí)用天文問(wèn)題,它能非常直觀地幫助我們理解天體的運(yùn)動(dòng)運(yùn)行情況,很多難以理解的天文問(wèn)題,通過(guò)天球儀演示便迎刃而解,所以它備受天文愛(ài)好者喜愛(ài)。

        我在天文科普工作中經(jīng)常與天球儀打交道,與天球儀結(jié)下了不解之緣。上世紀(jì)80年代,那時(shí)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá),天球儀很難買到,所以我于1986年制作出了第1個(gè)天球儀用于教學(xué)。后來(lái),我又分別在2009年和2010年制作出了改進(jìn)后的天球儀。在天文科普講座中,受啟蒙的聽眾常常提問(wèn)或是指著天球儀問(wèn)某星在天上什么位置,如何找到。一般地,根據(jù)天球儀的演示能大致估計(jì)判斷給出天體的大約地平高度和方位角位置。我常常想,如果我能夠說(shuō)出某天體準(zhǔn)確的數(shù)量化值那多好??!所以,從2018年年初我便開始著手研制新型天球儀,經(jīng)過(guò)1年多的精心設(shè)計(jì)制作,一臺(tái)能夠測(cè)量天體地平高度及方位角的新型天球儀終于研制成功(圖1)。

        新型天球儀的組成

        新型天球儀的組成包括底座、立柱、支架、地球模型、地平面模型、地平面支撐、滑動(dòng)鎖套及頂絲、連接支撐軸、方位角盤、天體地平高度圈及方位角線球、天頂垂線、天球模型、子午圈、地平圈、天地球極軸等。

        新型天球儀的技術(shù)方案

        新型天球儀采用的技術(shù)方案結(jié)合圖2和圖3加以說(shuō)明。

        在天球模型內(nèi)設(shè)有圓形地平面模型,地平面模型上面設(shè)方位角盤,地平面模型下面設(shè)有地平面支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),在地平面支撐上設(shè)有滑動(dòng)鎖套及頂絲。地平面模型上設(shè)有天體地平高度圈及方位角線球,該球是個(gè)半球,它的邊口與地平面模型邊緣固定連接,其上設(shè)置的地平高度圈均平行地平面模型。

        在地球模型的赤道直徑兩端地平面模型東西方向安裝連接支撐軸,連接支撐軸固定在地平面模型上。在天體地平高度圈及方位角線球的正上方設(shè)天頂點(diǎn),在天頂點(diǎn)處設(shè)天頂垂線,天頂垂線垂直地平面模型,指向地球模型球心。在天赤道上設(shè)有按每小時(shí)分成的24個(gè)刻度,每小時(shí)刻度內(nèi)分成60個(gè)分刻度,每一刻度對(duì)應(yīng)1分鐘時(shí)間。在子午圈上0。位置與天赤道對(duì)應(yīng)位置設(shè)有天赤道時(shí)間讀取指針,在黃道上設(shè)太陽(yáng)每日位置標(biāo)識(shí)的刻度。在天體地平高度圈及方位角線球的球面上過(guò)天頂點(diǎn)沿大圓線下垂至地平面模型上的方位角盤邊緣刻度處設(shè)有方位角線,方位角線刻度數(shù)與方位角盤刻度數(shù)一致,方位角線所在平面垂直地平面模型。

        天地球極軸穿過(guò)地球模型和天球模型兩極。在地平高度圈及方位角線球上沿子午圈從地平面模型北點(diǎn)(北,標(biāo)注在地平圈上)起至天頂點(diǎn)開有0°~90°寬度等于極軸直徑的豁口,以便調(diào)節(jié)極軸滑動(dòng)到相應(yīng)的緯度部位。

        以上所述是天球儀在地球北半球使用時(shí)的情況,如果該天球儀在地球南半球使用,那么天球模型的南極點(diǎn)在地平面模型上面,互換地平圈上的南、北標(biāo)注使內(nèi)球豁口對(duì)準(zhǔn)地平圈上南點(diǎn)即可。地平面模型上的地平高度圈及方位角線球、方位角盤和天頂垂線,交相呼應(yīng),相得益彰。天球模型和地平高度圈及方位角線球用透明工程塑料制成。

        新型天球儀的使用方法

        使用時(shí),天球模型內(nèi)的天地球極軸與地平面模型所成的角要調(diào)節(jié)成與所演示的地理緯度一致。如果地理緯度是α,那么,天地球極軸與地平面模型的夾角就是α。調(diào)節(jié)時(shí),根據(jù)地平面模型下面的半圓環(huán)形地平面支撐上的角度刻線找好對(duì)應(yīng)的緯度位置值,把滑動(dòng)鎖套及頂絲滑動(dòng)到該位置擰緊固定,同時(shí)使地平面模型上面的天地球極軸滑動(dòng)到地平高度圈及方位角線球上的地平高度位置與地理緯度相等。然后,把天球模型的兩個(gè)半球的極點(diǎn)穿到天地球極軸上接合好固定,安裝到子午圈上,使天頂點(diǎn)與子午圈平面相重合。之后,把子午圈及其上裝置豎直地插入支架的3個(gè)卡口上,插入時(shí)對(duì)準(zhǔn)南北卡口,到位后,天球模型內(nèi)地平面模型與地平圈在同一平面。所在的地理緯度和經(jīng)度確定后,天體的位置與時(shí)間密切相關(guān),時(shí)間不同天體的地平高度和方位角也不同。由于地球每4分鐘均勻轉(zhuǎn)1°,相對(duì)于天球每4分鐘繞著極軸轉(zhuǎn)1°,這樣,就可以根據(jù)某緯度某經(jīng)度某一天體的出或沒(méi)時(shí)間,或中天時(shí)間用該天球儀模擬演示任意時(shí)間的星空。太陽(yáng)是我們的常見(jiàn)天體,它的出、沒(méi)、中天時(shí)刻非常容易查得,或根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度推算太陽(yáng)中天時(shí)間。這樣,就可以以太陽(yáng)的出或沒(méi)或中天時(shí)間推演任意天體在任意時(shí)間的地平高度和方位角。

        創(chuàng)新點(diǎn)

        在天球模型內(nèi)第一次設(shè)置了地平面模型、地平高度圈、方位角線、方位角盤、天頂垂線、地平面支撐、地球模型與地平面模型連接支撐軸等。在天球模型上精確標(biāo)注時(shí)間推演計(jì)數(shù)刻度和太陽(yáng)每日動(dòng)態(tài)位置。天球模型使用2個(gè)能夠方便分開和拼合的半球。

        天球模型內(nèi)設(shè)置的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),能夠調(diào)節(jié)天地球極軸與地平面模型成任意的夾角,適合在任意地理經(jīng)緯度位置演示天體位置的需要,精確確定天體地平高度和方位角數(shù)值,全球通用。

        小結(jié)

        新型天球儀能夠?qū)θ我馓祗w在任意時(shí)間、任意地理位置的地平高度和方位角作出精準(zhǔn)解答,使天文教學(xué)和天文科普如虎添翼。該項(xiàng)目申報(bào)發(fā)明專利國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局于2019年7月26日已公示。

        該項(xiàng)目獲得第34屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

        專家評(píng)語(yǔ)

        該項(xiàng)目制作了適合中小學(xué)天文學(xué)教學(xué)的可操作新型天球儀,將地球、星座等信息形象標(biāo)注在容易理解和操作的透明天球上,能夠有效進(jìn)行多種天文學(xué)知識(shí)的展示、教學(xué)和推演,提高學(xué)生學(xué)習(xí)天文學(xué)知識(shí)的興趣。項(xiàng)目具有較高水平,對(duì)傳統(tǒng)方法有實(shí)質(zhì)性改進(jìn),效果顯著,具有示范推廣價(jià)值,希望在制作工藝和演示手段方面作出改進(jìn)和提升。

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