太陽視動儀的製作方法
2023-11-01 02:32:02 1
專利名稱：太陽視動儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種天文學儀器，尤其是一種觀察太陽視運動的儀器或日象。
(2)背景技術太陽輻射是決定地球大氣、水、生命活動變化的最主要動力，是人類賴以生存、發展的基本能源，它與人類息息相關。有史以來，人類就對它進行了不懈的探索，也創造了大量有關天體運行的儀器，如日圭、日晷、渾天儀、簡儀、天球儀、三球儀等。它們都是十分成功的，但是也存在一些問題，例如，渾天儀是以「渾天說」為理論依據的，該儀十分笨重、複雜，不易普及，主要用於觀測天體運行的情況。三球儀是以太陽為參照物來演示日、地、月的運行規律。天球儀是以地球為參照物來演示天體的運行規律。在我國天文儀器中，「象」指表演天體在天球面上視運動現象的儀器，例如「渾象」、「渾天象」、「水運儀象臺」等。
然而，太陽相對地球上觀察者的運動，也就是太陽的視運動，是更為直觀、重要的天體運行現象。太陽相對地球的視運動，決定了太陽對地球輻射的時空分布規律，決定了地球五帶的劃分與四季的形成，它與氣候及人類生活息息相關。所有地理教材、雜誌以及有關資料，在說明由於地球的公轉和自轉所引起的太陽視運動規律時，總是要用大量的圖片、插圖、掛圖，甚至電腦課件來說明和講解。這種平面的圖形，所能表達的空間關係是有限的，較為抽象，如果沒有較強的空間想像能力是難以理解的。它是人們進一步探究、學習的障礙，是學生學習地理、天文知識的一個大難點，為什麼呢？主要就是缺少形象、直觀的演示儀器。
CN2093683U號專利提供一種日晷測時指南玩具，採用日晷測時原理，由圓盤、針、指南針及相應的時間刻度組成，指南針可在一弧形槽內移動，以調整夏時制和冬季時間的時差。CN86202713U號專利公開了將太陽光反射到遠處太陽能收集器的一種反射式太陽跟蹤系統。該系統包括一個裝在帶驅動機械的組件上的反射器，驅動機械使反射器繞兩個軸轉動，以便補償太陽在高度方向及水平方位上的位置變化；一個感測器裝置，用於指向太陽，並產生供驅動機械的控制信號，使反射器相應於太陽運動，使光線總是反射到收集器，同時感測裝置也被運動，跟蹤太陽。本發明人在CN02291168.5號專利申請中提供一種以簡單、技巧、新穎的方法，直觀、形象、連續、動態地演示地球上任何緯度、季節，太陽的周日視運動規律，確定不同時刻太陽的視位置，並以此說明有關的地理知識、問題(如太陽高度、晝夜長短)等等，對地理教學，普及天文知識有使用和參考價值的太陽周日視運動演示儀。它設有用於模擬太陽的太陽球體、半時圈(或時圈，或赤經圈，用於帶動模擬太陽的太陽球體的轉動，為可轉動的半圓狀，它穿過太陽球體球心，球心可在半時圈上移動與定位)、半時圈固定旋鈕(位於時圈軸套上，用於控制半時圈的轉動與定位)、地球球體(用於模擬地球，球體內裝備一個小鋼球，通過小鋼球將地球吸引在地平面圓盤的圓心)、六時圈與天軸(六時圈是通過南天極與北天極同時又過東、西兩點的大圓、天軸，天軸是北天極和南天極的連線，天軸長度設為相當於天球半徑，其一端固定於六時圈內側相當於北天極處，天軸另一端指向地平面圓盤圓心。六時圈其上標有24節氣刻度和春分、秋分二分點，春分、秋分二分點始終處於水平方向，其與水平直徑垂直的直徑(天軸)的傾角可通過多軸片轉軸調節，可定位)、太陽時盤(設於軸上端與半時圈連接處的六時圈外側，太陽時盤設有同軸心的標準時盤和平太陽時盤，平太陽時盤上標有24小時刻度，12點在中天位，6點在六時圈位)、地平面圓盤(用於表示觀察者所在緯度地平面，可始終保持水平位置，圓心處設有強磁體用於吸住地球中的鋼珠。周邊有360°刻度，並標記E、W、S、N四方點，E、W方點下方為軸套，置於六時圈水平小支軸處，可用透明體如有機玻璃板製成)、緯度刻度半圈(固定於地平面圓盤的N、S處下方，其整體重心在支軸之下起重錘作用，緯度刻度半圈與六時圈上南天極的緯度指針可指示觀察者所處地平面的緯度)、轉軸(轉軸可設為多軸片式用於六時圈的定位，其上端接六時圈，轉軸的下端接支架的上端，支架的下端接底座)和緯度固定旋鈕(用於調節與固定轉軸)。參見圖1，2，太陽球體1設於半時圈2上，半球形磁體3用於將代表太陽光線方向的指針4吸在太陽球體1上。半時圈2和六時圈7、太陽時盤8由軸套5和半時圈固定件6固定在天軸9上。地球球體10通過強磁體可吸在地平面圓盤11的圓心，緯度刻度半圈12固定於地平面圓盤的南、北極處，由P』處緯度指示針可讀出緯度值，地平面圓盤處於目視水平方位。緯度固定旋鈕13用於緊松調節、定位轉軸14，可隨意調節緯度的高低。參見圖5，轉軸14採用多軸片式結構，與六時圈7固定的一端為3軸片，與支架15連接的一端為4軸片。支架15固定於底座16上。
上述太陽周日視運動演示儀存在以下兩個缺點1)六時圈上只有24節氣刻度，雖然準確，但是使用不便。這是由於通常人們不記節氣，而只記公曆日期，尤其對外國人來說，更是極少數人有24節氣的概念。
2)半時圈帶動「太陽」的周日運動，需用手動方式，演示時必須一邊用手撥動時圈，一邊講解。
(3)發明內容本實用新型的目的在於針對上述演示儀存在的問題，提供一種改進的既能反映太陽的周日視運動，又能反映太陽的周年視運動的太陽視動儀，或日象。
本實用新型設有用於模擬太陽的太陽球體、半時圈(或時圈，或赤經圈，用於帶動模擬太陽的太陽球體的轉動，為可轉動的半圓狀，它穿過太陽球體球心，球心可在半時圈上移動與定位)、半時圈固定旋鈕(位於時圈軸套上，用於控制半時圈的轉動與定位)、地球球體(用於模擬地球，球體內裝備一個小鋼球，通過小鋼球將地球吸引在地平面圓盤的圓心)、六時圈與天軸(六時圈是通過南天極與北天極同時又過東、西兩點的大圓、天軸，天軸是北天極和南天極的連線，天軸長度設為相當於天球半徑，其一端固定於六時圈內側相當於北天極處，天軸另一端指向地平面圓盤圓心。六時圈其上標有24節氣刻度和春分、秋分二分點，春分、秋分二分點始終處於水平方向，其與水平直徑垂直的直徑(天軸)的傾角可通過多軸片轉軸調節，可定位)、太陽時盤(設於軸上端與時圈連接處的六時圈外側，太陽時盤設有同軸心的標準時盤和平太陽時盤，平太陽時盤上標有24小時刻度，12點在中天位，6點在六時圈位)、地平面圓盤(用於表示觀察者所在緯度地平面，可始終保持水平位置，圓心處設有強磁體用於吸住地球中的鋼珠。周邊有360°刻度，並標記E、W、S、N四方點，E、W方點下方為軸套，置於六時圈水平小支軸處，可用透明體如有機玻璃板製成)、緯度刻度半圈(固定於地平面圓盤的N、S處下方，其整體重心在支軸之下起重錘作用，緯度刻度半圈與六時圈上南天極的緯度指針可指示觀察者所處地平面的緯度)、轉軸(轉軸可設為多軸片式用於六時圈的定位，其上端接六時圈，轉軸的下端接支架的上端，支架的下端接底座)和緯度固定旋鈕(用於調節與固定轉軸)。
在所說的六時圈外側(即在相當於24節氣刻度外側範圍內)設有公曆日期刻度(仍保留原有24節氣刻度)；在半時圈的一端下部接轉動裝置，轉動裝置包括電動機和傳動裝置，傳動裝置分別連接半時圈套軸和電動機。傳動裝置包括傳動輪組和傳動帶，電動機和半時圈分別與傳動輪組連接；傳動裝置也可為帶有離合裝置的減速器，電動機轉軸經過帶有離合裝置的減速器帶動半時圈和太陽轉動，太陽旋轉方向從東向西。當採用手動時，可拆下傳動帶或操作減速器中的離合器。
在六時圈外側所設的公曆日期刻度對應太陽赤緯的位置上，可每旬一個刻度。
所說的半時圈固定旋鈕的螺紋為縱向切弦，在軸套與半時圈間設異形墊片。再將半時圈固定旋鈕旋上，這樣異形墊片只能軸向移動，固定或放鬆時圈軸片而不會隨軸片轉動。
本實用新型可附設有指南針、半圓量角器，以便測量太陽高度角及方位角。
本實用新型的用途說明如下1、演示任何緯度，任何節氣的太陽周日視運動軌跡，包括極晝極夜現象。
2、演示任何緯度，任何節氣，任何時刻的太陽視位置、太陽高度，以及正午太陽高度。
3、演示任何緯度，任何節氣，某日的日出日落時刻，晝夜長短以及太陽與正東、西方的夾角。(太陽出沒的方位角)。
太陽的周年視運動，五帶劃分，四季形成，可由本實用新型演示。
紫金山天文檯曆算室，每年都向全國發布當年太陽表、日出日沒時刻表，該表格記載每天0h日心視赤緯α、視赤緯δ、視黃緯λ及時差η的數值。表格雖然能準確地提供特定時刻、特定位置的數值。若要求出本地(某經度、某緯度、某時刻)太陽視位置的數值，則必須查當地的緯度、當日太陽赤緯及太陽時角，通過3個三角方程聯立以及一系列比例內插法進行計算求出，十分麻煩。
本實用新型可用簡明的操作方法直觀、連續、立體、迅速、形象地提供上述內容。經實踐證實，本實用新型在一定誤差範圍內與理論數據相當吻合(不考慮章動、攝動、歲差蒙氣差等等影響因素)，解決了抽象的太陽周日視運動的演示問題，對突破地理教學的難點，提高學生的空間想像能力和普及天文知識具有現實意義。
(4)
圖1為CN0229168.5號專利申請的結構示意圖。
圖2為CN0229168.5號專利申請的結構側視圖。
圖3為本實用新型的部分結構示意圖。
圖4為本實用新型的部分結構側視圖。
圖5為本實用新型的轉動裝置結構示意圖。
圖6為本實用新型的六時圈公曆日期刻度示意圖。
(5)具體實施方式
本實用新型在圖1，2的基礎上作了改進，參見圖3～6，所說的六時圈7外側(即在相當於24節氣刻度外側範圍內)設有公曆日期刻度(仍保留原有24節氣刻度)；在半時圈2的一端下部接轉動裝置，轉動裝置包括電動機17和傳動裝置，傳動裝置分別連接半時圈套軸和電動機。傳動裝置包括傳動輪組(18、19)和傳動帶20，電動機17和半時圈2分別與傳動輪組連接；傳動裝置也可為帶有離合裝置的減速器，電動機轉軸經過帶有離合裝置的減速器帶動半時圈和太陽轉動，太陽旋轉方向從東向西。當採用手動時，可拆下傳動帶或操作減速器中的離合器。
在六時圈外側所設的公曆日期刻度對應太陽赤緯的位置上，可每旬一個刻度。
所說的時圈固定旋鈕的螺紋可為縱向切弦，在軸套與半時圈間設異形墊片。再將時圈固定旋鈕旋上，這樣異形墊片只能軸向移動，固定或放鬆時圈軸片而不會隨軸片轉動。
呈圓形的六時圈7上標有相應的24個節氣，用圓點表示，六時圈上24節氣刻度值(太陽赤緯)δ及對應節氣詳見表1。從春分開始，太陽在黃道上運動，黃經每隔15°一個節氣。每個節氣對應太陽赤緯δ的計算公式Sinδ＝SinαSinλ，其中δ-赤緯，λ-黃經，α-黃赤夾角，α＝23°26』，Sinα＝0.3977，Sinδ＝0.3977 Sinα。
表1
本實用新型的使用方法簡介如下1、讓地平面圓盤的N指向北方，調節緯度固定旋鈕，使天軸PP』與水平方向夾角等於當地緯度(可從天軸與半圓緯度刻度圈的交點讀出)，地平面圓盤處於水平位置。將地球上對應的觀察者所在的位置吸在地平面圓盤下方的磁體上，並使地球地軸與天軸平行，則水平的地平面圓盤即表示觀察者所在的地平面。
2、稍稍轉動太陽球體，鬆動後沿時圈移到六時圈上對應的節氣刻度位置，再轉動小球即可將「太陽」固定在時圈上，然後轉動時圈即可演示某節氣太陽的視運動，轉動方向從東向西，轉動時「太陽」的運動軌跡即為太陽視運動軌跡。
3、調整時圈固定鈕，轉動時圈到相應時盤的對應時間刻度上。此時「太陽」的位置就是該時刻太陽的視位置。
4、將半球形鐵磁體吸於「太陽」上，使光線箭頭指向地球體球心0，金屬線即太陽入射到觀察者的光線。用量角器可測量任意時刻太陽高度。
5、時圈轉至子午圈上時(上中天)，用量角器可量出正午太陽高度。
6、調節PP』方向等於另一個緯度，可演示另一個緯度上太陽視運動情況，如赤道，南北回歸線，南北極圈，南北極的極晝極夜現象等。
7、轉動時圈，當「太陽」從地平面圓盤「上升」或「下降」時，查相應時盤刻度，可知日出日落時刻，從而判斷的晝夜長短。
8、調節時圈的「太陽」到相應節氣刻度上，可進一步演示不同緯度上不同節氣的太陽視運動情況。
在六時圈的側面對應於太陽赤緯的位置上，加刻公曆日期，每旬一個刻度。以查2003年太陽表中每月上、中、下旬第1天太陽的赤緯與值。如2月1日、2月11日、2月21日、3月1日等。方法是查赤緯值後按刻度比例計算，夏至6月22日赤緯最大23.6°，長11.2mm，參見表2。其餘日期可用插值法估計。在六時圈相應外側位置標註日期刻度；其優點是十分方便，如有人不懂或忘記「節氣」，則按公曆確定即可。此辦法雖然不夠準確，24節氣位置固定，而公曆日期在天文上沒有固定位置，每年有一、兩天的變化，但是對於定性演示儀器來說，已完全夠用。(注意在二至日較密，二分日較疏。上、下半年分別刻於六時圈的左右半圈外)理論上可刻1年365天，但為了簡便明了，只刻36格(每旬1個刻度)。
表2 2003年太陽表赤緯值(選摘)
(刻於右半圈)(刻於左半圈)注公曆日期與24節氣刻度每年都有一兩天誤差，但不影響演示的效果。
由電動機帶動半時圈及太陽轉動。可使用220V交流同步電動機，5r/min，從北看順時針轉動。用皮帶或齒輪傳動，轉速比5∶1。這樣太陽繞天軸轉動1r/min，有足夠時間講解。電動機的固定位置設有多軸片或轉軸動軸片外。電源開關可置於底座上，導線經支架內引出。
權利要求1.太陽視動儀，設有用於模擬太陽的太陽球體、半時圈、半時圈固定旋鈕、地球球體、六時圈與天軸、太陽時盤、地平面圓盤、緯度刻度半圈、轉軸和緯度固定旋鈕，其特徵在於在所說的六時圈外側相當於24節氣刻度外側範圍內設有公曆日期刻度；在半時圈的一端下部接轉動裝置，轉動裝置包括電動機和傳動裝置，傳動裝置分別連接半時圈套軸和電動機。
2.如權利要求1所述的太陽視動儀，其特徵在於傳動裝置包括傳動輪組和傳動帶，電動機和半時圈分別與傳動輪組連接。
3.如權利要求1所述的太陽視動儀，其特徵在於傳動裝置為帶有離合裝置的減速器，電動機轉軸接帶有離合裝置的減速器。
4.如權利要求1所述的太陽視動儀，其特徵在於在六時圈外側所設的公曆日期刻度對應太陽赤緯的位置上，可每旬一個刻度。
5.如權利要求1所述的太陽視動儀，其特徵在於所說的半時圈固定旋鈕的螺紋為縱向切弦，在軸套與半時圈間設異形墊片。
專利摘要涉及一種觀察太陽視運動的儀器或日象。設有用於模擬太陽的太陽球體、半時圈、半時圈固定旋鈕、地球球體、六時圈與天軸、太陽時盤、地平面圓盤、緯度刻度半圈、轉軸和緯度固定旋鈕，在所說的六時圈外側相當於24節氣刻度外側範圍內設有公曆日期刻度；在半時圈的一端下部接轉動裝置，轉動裝置包括電動機和傳動裝置，傳動裝置分別連接半時圈套軸和電動機。可用簡明的操作方法直觀、連續、立體、迅速、形象地提供上述內容。經實踐證實，在一定誤差範圍內與理論數據相當吻合(不考慮章動、攝動、歲差蒙氣差等等影響因素)，解決了抽象的太陽周日視運動的演示問題，對突破地理教學的難點，提高學生的空間想像能力和普及天文知識具有現實意義。
文檔編號G09B27/00GK2657137SQ20032011646
公開日2004年11月17日 申請日期2003年11月8日 優先權日2003年11月8日
發明者練仰賢, 練小帆 申請人:練仰賢