專利名稱:歲差天球儀的制作方法
本發(fā)明屬天文教學(xué)儀器類。
目前學(xué)習(xí)天文知識的儀器主要有普通天球儀和地軸進(jìn)行章動演示儀。普通天球儀可以用來觀測任一地點在不同日期，不同時刻的星空景象，可求得某一天體的地平經(jīng)度(方位角)和地平緯度(高度)，還可以測到一定日期太陽出沒的時刻和方位，中天時刻的高度以及晝夜長短等。但是，由于其結(jié)構(gòu)的局限性，以及地軸進(jìn)動現(xiàn)象的存在，就不可能比較具體地顯示出太陽、地球和天球間的關(guān)系，更不能演示出歷史年代和今后歲月的星空景象。
地軸進(jìn)動章動演示儀雖然能較生動地表示出天軸繞黃極的運動，以及在黃赤交角不變的情況下，春分點西移所形成的歲差現(xiàn)象，但卻未具備普通天球儀的作用，使人用之有顧此失彼之感。
本發(fā)明的目的是在一臺儀器上直觀地表示地球、太陽、天球三者之間相互運動的關(guān)系以及春分點的西移因而表示的歲差現(xiàn)象。
歲差天球儀由天球、地球儀及其經(jīng)緯網(wǎng)架、基座、活動坐標(biāo)網(wǎng)架、半活動輔助弧五大部分組成。
天球(1)系一直徑為30cm的透明有機玻璃球或其它透明球。球上繪有若干主要星座、黃道十二宮以及二十八宿及其名稱。黃道(6)分成內(nèi)外兩圈，外圈和天球固定，上面刻有年代。表示天北極或春分點在天球上的一定位置，內(nèi)圈和黃緯讀數(shù)環(huán)聯(lián)接可隨地軸進(jìn)動而旋轉(zhuǎn)，上面則刻有二十四節(jié)氣。天球整體固定在儀器基座上不能動。天球的上方中央為黃北極，下方的中央為黃南極(因為基座的障礙未能表示出來)。
地球儀(2)及其緯緯網(wǎng)架(3)安裝在天球網(wǎng)的內(nèi)部中央。以表示出地心天球的位置關(guān)系。經(jīng)緯網(wǎng)架(3)是地球儀經(jīng)緯網(wǎng)線的擴大，隨地球儀的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，這樣可透過天球儀看清經(jīng)緯網(wǎng)線，從而便于觀測天體在天球上赤經(jīng)和赤緯，以及其它與經(jīng)緯網(wǎng)有關(guān)的一切現(xiàn)象。地球儀(及其經(jīng)緯網(wǎng)架)除能自轉(zhuǎn)外，還能表示地軸的進(jìn)動。進(jìn)動時天軸(地軸的延長線)與天球的交點(即天北極)在天球儀上以黃北極為中心，以23°.5為半徑作反時針方向(在天球儀外面向下看，則作順時針方向)運動。與此同時，黃道上的二十四節(jié)氣作同步進(jìn)行。在進(jìn)動過程中，黃道與赤道平面始終保持23°.5的交角，且可清晰看出黃赤兩道的交點-春分點的西移，及其在黃道十二宮中位置的變化。
基座(11)用上下兩個園形鋼片中間夾一方匣焊接而成。匣內(nèi)裝有控制地球儀(及其經(jīng)緯網(wǎng)架)自轉(zhuǎn)和地軸進(jìn)動的齒輪，用雨刮(12)和四節(jié)1.5V的電池(17)作為傳動部分的動力。基座面上有電源開關(guān)(9)，控制自轉(zhuǎn)、進(jìn)動的轉(zhuǎn)換掣(8)，調(diào)速電位器(19)，換向開關(guān)(20)，微調(diào)(21)。打開電源開關(guān)(9)，按下轉(zhuǎn)換掣(8)和轉(zhuǎn)換掣一體的齒輪(10)和齒輪(14)嚙合，通過軸(15)帶動齒輪(7)轉(zhuǎn)動，繼而傳遞到齒輪(22)上，使和齒輪(22)配合的地軸轉(zhuǎn)動，也即地球儀發(fā)生自轉(zhuǎn)。當(dāng)提起轉(zhuǎn)換掣(8)，齒輪(10)和齒輪(13)嚙合，而齒輪(13)是和空心軸(16)緊配合的，從而使空心軸(16)轉(zhuǎn)動，空心軸又和黃緯讀數(shù)環(huán)(23)聯(lián)接，使天軸線繞北極轉(zhuǎn)動，即地軸的進(jìn)動。實心軸(15)是套在空心軸(16)中的。微調(diào)(21)的作用是使春分點準(zhǔn)確地對準(zhǔn)所需年代或所需要的經(jīng)度對準(zhǔn)刻劃所代表的日期。調(diào)速電位器(19)可調(diào)節(jié)地球儀自轉(zhuǎn)和地軸進(jìn)動的速度。換向開關(guān)(20)可改變地球自轉(zhuǎn)和地軸進(jìn)動的方向，使之能更方便地對準(zhǔn)春分點的位置。
活動坐標(biāo)網(wǎng)架(4)結(jié)構(gòu)與地球儀上半球經(jīng)緯網(wǎng)架相同，大小恰恰罩在天球上。當(dāng)網(wǎng)架的極點與觀測地點的天頂一致時，則其主圈可視作該測點的地平圈，用之可以讀出任一天體的地平經(jīng)度、地平緯度;當(dāng)其主圈與黃道一致時，可以讀出任一天體的黃經(jīng)和黃緯;當(dāng)主圈與赤道一致時，更有助于求得任一天體的赤經(jīng)和赤緯。如果使該主圈與黃道平面相交5°9′，則該圈亦可視作月亮公轉(zhuǎn)的軌跡-白道。半活動輔助弧(5)由三瓣組成，呈“山”字形，安置在天球的下方，可繞基座主軸旋轉(zhuǎn)。中瓣上端有一小燈泡，以示太陽的所在位置，其余兩瓣各與中瓣相距96°，與活動坐標(biāo)網(wǎng)架相配合，以示不同日期和時刻晨昏圈的約略位置。此外，輔助弧還可以配合緊貼南半部經(jīng)緯網(wǎng)架的黃緯讀數(shù)環(huán)，讀出黃道以南天體的黃經(jīng)、黃緯。
還可以將本發(fā)明進(jìn)一步簡化，做成更為簡單的歲差天球儀。也即去掉基座內(nèi)的傳動裝置用手動控制代替機械傳動部分。那么只要在天球下部挖一個洞，用手撥動地球的自轉(zhuǎn)，同時用旋扭控制地軸的進(jìn)動，這樣整個歲差天球儀的尺寸也可做小些，可使本發(fā)明結(jié)構(gòu)更加簡單，更利于普及推廣。
歲差天球儀可以直觀地表示地球、太陽、天球三者相互運動的關(guān)系，以及因地球自轉(zhuǎn)而引起的若干天文現(xiàn)象，使人對日月星晨東升西落，一年四季中太陽的出沒位置和中天高度變化、四季成因、節(jié)氣更替、晝夜長短變化等自然現(xiàn)象一目了然。同時可借助活動坐標(biāo)網(wǎng)架演示地理坐標(biāo)和天球坐標(biāo)間的簡易換算關(guān)系。若不計恒星的自行，由于地軸的進(jìn)動，可觀測到在黃赤交角不變的情況下所引起的天極、二分、二至和二十四節(jié)氣在黃道十二宮和恒星間的變遷軌跡。還可看出恒星的黃經(jīng)、赤經(jīng)、赤緯所發(fā)生的變化。由于天球上標(biāo)有北斗、二十八宿等我國傳統(tǒng)星象，并在黃道上標(biāo)有二十四節(jié)氣，故可使歷史上任何年代和日期以及未來任何年月的星空景象展現(xiàn)在眼前，使學(xué)者可以對照分析古天文圖和古文中敘述的古代星空景象。也即本發(fā)明和普通天球儀相比，具有功能上的擴大，時間上的延展這樣一種性質(zhì)。
圖1是歲差天球儀示意圖。
圖2是不帶傳動裝置的歲差天球儀示意圖。
圖3是電路圖結(jié)合歲差天球儀使用方法進(jìn)行舉例。
1.求恒星的赤經(jīng)和赤緯。
在歲差天球儀上，恒星的赤經(jīng)，赤緯均可透過天球儀，根據(jù)經(jīng)緯網(wǎng)架求得。赤經(jīng)以春分點為0h，向東計算;赤緯以赤道為0°，向南向北計算，北為“+”，南為“-”。
例如當(dāng)儀器上的春分點對準(zhǔn)黃道上1986年刻劃時，透過天球儀，可以讀得織女星的赤經(jīng)為18h40m，赤緯約為+38°45′，牛郎星星赤經(jīng)約為19h50m，赤緯約為+8°50′。
恒星的赤經(jīng)、赤緯因地軸的進(jìn)動而變化。當(dāng)?shù)剌S進(jìn)動，春分點對準(zhǔn)12400年時，織女星的赤經(jīng)約為1h30m，牛郎星的赤經(jīng)約為5h30m;赤緯分別為+82°與+51°30′。如果春分點在公元前2700年(即-2700年)的位置時，織女星和牛郎星的赤經(jīng)幾乎相等，赤緯分別約為46°20′和+6°。
2.求太陽的黃經(jīng)、黃緯和赤經(jīng)、赤緯。由于太陽視運動的軌道始終在黃道上，而黃道的黃緯為0°，所以太陽無論何年、何月、何日的黃緯都是0°。
春分點的黃經(jīng)為0°，二十四節(jié)氣為黃道的二十四分點，各分點有一定的黃經(jīng)度數(shù)。在公歷中太陽行經(jīng)各分點大致有一定的日期，故按太陽在黃道二十四分點中的位置，可以大致推算出它一年內(nèi)任何月日的黃經(jīng)度數(shù)。
如已知太陽某日的黃經(jīng)，透過天球儀找出太陽直射點的經(jīng)線，由春分點沿赤道向東取至此經(jīng)線的弧距，即為太陽的赤經(jīng)。
3.求已知視太陽時的現(xiàn)象(1)北京1986年谷雨節(jié)太陽位于黃經(jīng)30°，子夜時刻黃經(jīng)210°(30+180°)上中天，開動歲差天球儀，使春分點對準(zhǔn)黃道上的1986年，旋轉(zhuǎn)地球儀，讓北京所在的地理經(jīng)度(116°19′E)對準(zhǔn)黃道210°然后將活動坐標(biāo)網(wǎng)架罩在天球儀上，令活動網(wǎng)架的極點對準(zhǔn)北京的天頂(即經(jīng)緯網(wǎng)架上地理經(jīng)度116°19′E與40°E的交點)。此刻活動網(wǎng)架的極點及其大圈則分別代表北京的天頂和地平圈，所欲求的天象就展現(xiàn)在地平圈的上方。
(2)求紀(jì)元前1000年小滿(5月21日)子夜北京的天象。已知小滿節(jié)太陽位于黃經(jīng)60°，子夜時刻黃經(jīng)240°(60°+180°)上中天，開動歲差球儀，先使春分點對準(zhǔn)黃道上的-1000年，然后依照上述方法找出北京的天頂和地平圈，即可求得小滿節(jié)子夜時刻北京的星空景象。
4.求一定恒星時的天象。所謂恒星時，指的是春分點對觀測地點子午圈所張的時角。由于地球的自轉(zhuǎn)，同一地點不同的恒星時，有不同的天象;由于地軸的進(jìn)動，在不同的年代，同一地點，同一恒星時，也有不同的天象。例如(1)求北京1986年恒星時18h40m的天象。開動儀器使春分點對準(zhǔn)黃道上1986年的刻劃后，罩上活動活動坐標(biāo)網(wǎng)架，將極點對準(zhǔn)天球儀的天北極，并使其中任一經(jīng)線圈與二分圈一致，然后由春分點沿赤道向東在活動坐標(biāo)網(wǎng)架上找出18h40m的時圈位置。旋轉(zhuǎn)地球儀，令北京所在的經(jīng)線對準(zhǔn)已找出的18h40m時圈，再移動活動坐標(biāo)網(wǎng)架，將其極點置于北京天頂?shù)奈恢?，此刻在活動坐?biāo)網(wǎng)架大圈的上方，即為所求的天域-織女星出現(xiàn)在天頂附近。
(2)求北京公元前7000年恒星時18h40m的天象。按照上述方法得到的天象與1986年大不相同，那時著名的仙后星座在北京天頂偏南的天空上閃爍著，而織女星并無蹤影。
5.求1986年夏至日北京正午的太陽高度以及這一天日出、日沒的方位角和晝夜長短。夏至日太陽位于夏至點，按照前述方法安置好1986年夏至日北京正午時刻的地平圈。此刻在儀器上可以看出太陽位于地平圈上約73°.5。根據(jù)當(dāng)天太陽的赤緯+23°.5，透過天球儀沿經(jīng)緯網(wǎng)架上北回歸線，找出該線與活動坐標(biāo)網(wǎng)架大圈(此刻為北京的地平圈)的兩個交點(即日出沒點)。由兩點的位置，可知這天日出、日沒的方位角分別為239°與121°(南點為0°)。兩點與子午圈所在的經(jīng)度間隔約為7時30分，可知夏至日北京晝長約為15小時，夜長約為9小時(不考慮晨昏蒙影)。
權(quán)利要求
1.一種歲差天球儀，其特征是歲差天球儀由天球(1)、地球儀(2)及其經(jīng)緯網(wǎng)架(3)、其座(11)、活動坐標(biāo)網(wǎng)架(4)、半活動輔助弧(5)五大部分組成。地球儀(2)及其經(jīng)緯網(wǎng)架(3)安置在天球(1)中央，通過軸(15)、(16)和基座(11)相聯(lián)；天球(1)則固定在基座(11)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述歲差天球儀，其特征是天球(1)用透明材料制成的薄殼球體，其上繪有若干主要星座，黃道十二宮以及二十八宿及其名稱。黃道分內(nèi)外兩圈，外圈固定在天球上，上面刻有年代;內(nèi)圈通過黃緯讀數(shù)環(huán)(23)和基座(11)相聯(lián)，可隨地軸進(jìn)動而轉(zhuǎn)動，上面刻有二十四節(jié)氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述歲差天球儀，其特征是代表地球儀經(jīng)緯網(wǎng)線擴大的經(jīng)緯網(wǎng)架(3)是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它和地球儀(2)固定在一個軸上。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述歲差天球儀，其特征是基座(11)內(nèi)可安置控制地球儀(2)自轉(zhuǎn)和地軸進(jìn)動的傳動裝置，基座(11)面上安電源開關(guān)(9)，自轉(zhuǎn)進(jìn)動轉(zhuǎn)換掣(8)、調(diào)速電位器(19)、換向開關(guān)(20)和微調(diào)(21)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述歲差天球儀，其特征是活動坐標(biāo)網(wǎng)架(4)是能表示經(jīng)緯度的半球形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其大小恰好能罩在天球(1)上。半活動輔助弧(5)有三瓣，安置在天球下方，可繞基座主軸旋轉(zhuǎn)。中瓣上端有一只表示太陽的小燈泡，其余兩瓣和中瓣相距96°。
專利摘要
可生動直觀地表示地球、天球、太陽三者相互運動關(guān)系以及地球自轉(zhuǎn)所引起的若干天文現(xiàn)象的歲差天球儀，由天球、地球儀及其經(jīng)緯網(wǎng)架、基座、活動坐標(biāo)網(wǎng)架、半活動輔助弧五部分組成，能方便地看到歷史上任何年代及未來的星空景象。不僅可作為學(xué)習(xí)普通天文知識的良好工具，且對解決考古和古漢語中涉及的天文問題起到重要參考作用。
文檔編號G09B27/06GK87103511SQ87103511
公開日1988年11月30日 申請日期1987年5月12日
發(fā)明者袁昭, 馬林 申請人:湖北大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan