光电浑天仪的制作方法
专利名称：光电浑天仪的制作方法
技术领域：
本发明光电浑天仪涉及一种指示太阳相对于地球的运动规律，及地球上任意纬度 观测地一年四季太阳在观测地天球中的周日视运动轨迹、任意一天白昼任意时刻太阳在观 测地天球中的方位、太阳的日出日落方位、时间；本发明也可用于其他天体；本发明可用作 地理教学演示仪器。
背景技术：
浑天仪中国的传统发明之一，用来观测天体，但其操作使用不方便，难以动态、直 观地解析天体的运动规律，使用不便，以致于人们很少有见到古代浑天仪的实物。现代天象 仪是通过投影仪将天象投影到球形屋顶上，演示天体运动变化，只能在特定的教室里演示。
发明内容
为了克服传统浑天仪的操作不便、难以动态直观地观测和解析天体的运动规律的 缺点，以及现代天象仪对环境要求高、成本高、不能精确反映天体运动规律的不足。本发明 提供的光电浑天仪设置外球和内球，内外球上均标注两极、经线与纬线，两球球心重合、相 接，外球固定，内球可绕过球心的一条轴在外球内部旋转；内球球心处的投影仪绕固定在两 极的主轴旋转时可将太阳影像投影到内球球面上，辅轴与主轴垂直，主轴与辅轴相交于球 心，调节投影仪绕辅轴在主轴及光束确定的平面内作范围为(-23°沈，23° 26')的角 度调节，在内球球面上表现太阳直射点在南北回归线间运动，这样内球能直观反映太阳相 对于地球的运动轨迹，它是在赤道面内的大圆或与赤道面平行的小圆；将内球旋转相应角 度后，太阳影像在外球中的运动轨迹就是太阳在地球上相应纬度观测地处天球中的运动轨 迹；结合内外球，能从内球、外球的经纬度中直观地反映一年中每一天地球上任意纬度观测 地的太阳在天球上的运动规律(周日视运动轨迹)、及一天中某一时刻太阳在天球中的方 位、读出任意纬度地区任意一天的太阳出没方位和时间。本发明像地球仪那样小巧、便于携带。本发明解决其技术问题所采用的技术方案本发明由底座支架、相接相套同心的内球和外球、处于内球球心的小型可调节、旋 转激光投影仪构成。各部件特征如下外球如
图1，外球由水平大圆ENWS将其分为上下半球，上半球透明，表示观测地 所能观测的天空，称为天半球(或称为日半球)，其最高处D表示观测地天顶，天顶处开一 圆形小孔D。下半球半透明，表示观测地A所不能观测的天空，称为地半球(夜半球)，夜半 球最下方为天底；天半球与地半球相结处大圆ENWS为地平圈，地平圈上的E、S、W、N分别 表示观测地东、南、西、北方向，直线EW和NS过球心且互相垂直。以天顶和天底为两极，在 外球上标出类似于地球仪上的经线和纬线，经线以每隔15度标出(线密度越大，则观测越 准确，下同)，与直径EW垂直的正南经线DS为观测地经线，标注本地经度，向东各经线依次 标注+15度、+30度、……，向西经线依次标出-15度、-30度、……，正北方向经线DN为+180度与-180度合，纬线的标注与地球仪上的纬线标注一致，地平圈为0度，至天顶TD处 为90度，至天底为-90度。外球0固定在底座支架上，底座在地平圈上的E、W处与外球联 结，两联结点连线过球心0，外球两联结点E、W处各留有小孔，可插入内轴。内球如图2，内球为半透明球面，与地球仪类似，在内球上标出两极(北极N、南极 S)，经线、纬线、赤道线、南北回归线、南北极圈、在赤道圆上取一条直径的两端点分别表示 正东方向E与正西方向W。在与内球直径EW垂直的一条经线标注正午12时，向东每隔15 度依次标出11时、10时、9时、……，向西每隔15度依次标注13时、14时、……，东西向在 与EW垂直的另一条经线处重合，标注0时Λ4时。纬线度数标注同地球仪，在正午12时经 线与各纬线的交点处依次标注纬度，向北依次为北15度、北23度沈分、北30度、……、 北极N，向南依次为南15度、南23度沈分、南30度、……、南极S。投影仪如图3，投影仪呈小球状，投影仪的球心与内球和外球球心都重合，投影 仪的主轴NS固定在内球两极N、S上，在电机的驱动下可作无限制的逆时针旋转运动；辅轴 KL过球心且与主轴NS垂直，安装在辅轴KL上的双向电机可驱动投影仪绕辅轴KL转动，转 动角范围为-23度沈分到+23度沈分，见图3中Z H1OH2，投影仪上装有一激光发射器，激 光发射器发射的光束过球心且与辅轴KL垂直，当投影仪的主轴处在Z H1OH2的平分线处时， 光束也与主轴NS垂直。这样投影仪在绕主轴NS旋转时激光束投射到内球球面上就能演示 太阳绕地轴的运动，投影仪绕辅轴KL转动时可调节太阳直射点的纬度，从南回归线到北回 归线。图4是内球与投影仪的组装示意图。内球通过固定在内球E、W处的空心内轴从外球E、W处小孔伸出外球，如图3，内轴 上设置调节手柄和挡针，可调节内球绕内轴EW做正负90度旋转，内球标注正午12时的经 纬朝上。投影仪上的电源和控制线缆从空心内轴穿出内外球连接到底座支架上。底座支架如图5，底架支架用于固定外球及轴EW，为球心投影仪提供电源、转动 控制按钮、激光束开关控制。图6是底座、外球、内球组装示意图。本发明的原理及操作说明地球与太阳之间的位置关系与地球自身的运动有关。地球的运动主要有两种绕 过南北两极的地轴的自转运动和绕太阳的公转运动。地球自转从北往下看是逆时针(自 西向东)方向，人站在地球上，不觉得地球自转，只看到太阳在反方向(自东向西)绕地轴 旋转，每M小时旋转一圈，称为太阳的周日视运动。由于黄赤交角的存在，地球公转运动使 太阳直射点在地球上南北来回移动，移动范围为-23° 26'26'，一年一个周 期，导致地球上出现一年四季变更现象。从观测点确定太阳的位置可以用太阳与观测点连线的方位来表示，但有失直观， 由于太阳距离地球足够远，故人们假想观测点观测到的天空是球状的。以观察者为中心，以 足够远的距离为半径作一个球面，观察者所看到的太阳的位置就是太阳投影在这个球面上 的图像，天文学上称这样一个球面为天球。人们仰望天空时，直观感觉到与地平线相接的称 之为“天穹”的半个球面就是天球的一部分，称之为日半球，观测点正上方为天顶，地平线以 下的天空称之为夜半球。天球的球心是地球球面上的观测点，不同地点的天球是不同的。天 球半径为无穷大，不能度量天球大小，因此可以借助几何知识，太阳在天球上的位置可以通 过观测点处太阳光线与地平圈所成的角、与观测点处的经线圈(即正南方向)所成的角等 来表不。
由于太阳的实际视运动是在以地心为球心的天球面上运动，如二分(春分、秋分) 日太阳沿赤道面上的大圆运动，二至(冬至、夏至)日太阳在回归线上运动，运动轨迹为平 行于赤道的小圆。由于观测地与地心的差别，地球上不同纬度观测地观测到的太阳的周日 视运动轨迹不一定是与赤道面共面或平行的圆弧了，如夏至日全球除极昼极夜地区外，太 阳都是从东偏北方向升起，且赤道上偏角最小，南北纬度越高的地区日出偏角越大，北回归 线以北地区太阳从东北方向升起，正午时在南方天空上；北极地区出现极昼，南极地区出现 极夜现象等。在不考虑太阳光线在穿过大气层时的折射、太阳的视面角、高山阻挡、海拔高度等 因素的影响下，相对于地球而言太阳是一个面光源，照射到地球上的太阳光是平行光线。地 球上某观测地的地平圈是地球球面上过该地的切面。为了分析太阳周日视运动规律，我们建立两个球坐标系来分析。如图7，以地心0为坐标原点，地轴为NS，以OS所在直线为χ轴，设过观测点A的 经线与赤道的交点G，直线OG所在直线为ζ轴，与过A点的经线圈垂直的直线与A地东面的 球面交于E点，以OE为y轴，建立球坐标系。则观测点A在坐标平面xOz内，坐标平面yOz 为赤道面。本球坐标系可用于研究太阳相对于地心的运动规律，太阳R的周日运动轨迹在 赤道圆上或平行于赤道的小圆上。如图8，以观测点A为坐标原点，A地地平圈的法线OA为ζ’轴，与A地经线圈相切 的直线为X’轴，以与过A的经线圈垂直的直线为f轴，建立球坐标系。则X’轴与f轴确 定的平面为A地地平圈，ζ’轴过地心，ζ’轴指示A地天顶D，y’轴与y轴平行，y’轴指示 A地正东方向，χ’轴指示A地正南方向。在本球坐标系可以方便地研究太阳相对于观测地 的方位。如图8，若天阳在R处直射地球，即此处太阳光线通过地心，由于太阳光线是平行 光线，故A地观察到的太阳光线AR’与OR平行，因此AR’和OR与两坐标系的坐标轴及坐标 平面所成的角度(即方位)均相等。故分析太阳在坐标系A-X’ y’ ζ’的方位时，可将该坐 标系平移使其原点A与地心0重合，即两个坐标系的坐标原点重合，且两个坐标系的y轴与 y’轴重合，如图9。设观测地A的纬度为为α，规定北纬为正，南纬为负，沿y轴负向观察坐 标平面xOz，逆时针旋转为正角，则将χ’轴和ζ’轴绕y轴(y’轴)旋转α角时两坐标系重 合；即考察OR在坐标系0-x’ r ζ’中的方位，只须将OR绕y轴旋转α角，这样OR在坐标 系Ο-xyz中方位就是原来的OR在坐标系0-x’ y’ ζ’中方位了。由于在以0为坐标原点的 坐标系Ο-xyz中，球心处观测到的太阳光线OR通过球心，因此可用从球心投影到内球球面 上的影像表示太阳。本新型实用设计中的内球的经纬度表示球坐标系Ο-xyz中的方位，外球的经纬度 表示球标系0-x ’ y ’ ζ ’中的方位。图1、图2、图3、图4中的TO与坐标轴y重合，ζ轴过外球 天顶D (即观测地天顶D)，外球大圆ENWS表示观测地地平圈，外球大圆NDS在坐标平面xOz 内；内球NS与轴χ’重合。内球标注正午12时的经线为过观测地的经线，它在坐标平面xOz 内，也在坐标平面χ’0ζ’内。可通过转动内球来调节观测点纬度，使观测点纬线通过外球天 顶D，则太阳光线OR在坐标系Ο-xyz的方位(即内球中的方位)也跟随调整为0-X’y’z’中 的方位(也即在外球中的方位)，由于整个内球的旋转，OR在坐标系Ο-xyz中的方位没有改 变，即太阳相对于地球球心的方位没有改变。这样，通过内球度量太阳相对于地心的运动，通过外球度量太阳相对于地球上不同观测点的运动，即通过两个球坐标系使这两个不同角 度观测的运动在光电浑天仪上同时直观显示出来。投影仪的主轴NS固定在内球的两极NS上，当其转动时可演示太阳相对于地球的 周日运动，当投影仪绕辅轴KL转动时可调节太阳射点在内球上的纬度。如图2，从内球中知是A地地方时上午9时的太阳位置，其直射纬度数可从内球 上太阳R所在的纬线上读出，旋转内球使观测地A的纬线经过外球天顶D时，即将坐标系 Ο-xyz和OR绕y(y’ )轴旋转α角了，旋转后观测点处太阳R在坐标系0_x’ y’ ζ’中的方 位可从外球中的经度和纬度读出，即太阳R在坐标系0-x’ f ζ’中的方位可从外球的经度 和纬度读出，外球经度表示太阳与A地经线圈所成的角，纬度表示太阳与地平圈所成的角。当太阳直线某纬度时，从其运动轨迹圆与外球地平圈的交点处可读出日出方位， 由于在天球上，太阳运动的圆周不论大小均表示M小时，即不论太阳直射纬度多少，太阳 直射点在相隔15度的经线间移动的时间均为1时，当太阳直射观测点的经线时为A地地方 时正午12时，以此计算向东每15度依次为11时、10时……，向西依次为13时、14时……； 从日出时点的内球经线上可读出日出落时间，从而计算日照时间。参考文献1，苏宜，天文学新概论，华中科技大学出版社，2005，12 ；2，汪和平，球面距离公式的推导，中学理科(综合)，2005，12 ；3，汪和平，日照时间与季节、纬度的关系，上海中学数学，2006，6 ；4，汪和平，影子与季节、纬度的关系，中学数学，2008，9 ；5，汪和平，探究日影运动轨迹；中学数学月刊，2010，9。
权利要求
1. 一天中太阳相对于地球球心来说是绕地轴做圆周运动，太阳在天球中的运动轨迹 是在赤道面上的大圆或与赤道平行的小圆，但对于地球中不同纬度的观测点来说，太阳的 周日视运动轨迹不一定是与赤道面共面或平行圆弧了，为了直观地演示地球上不同纬度观 测地不同季节的太阳周日视运动规律，光电浑天仪设置外球和内球，内外球上均标注两极、 经线与纬线及相应刻度，即两个球坐标系，两球球心重合、球面内外相接，外球固定，内球可 绕过球心的一条轴在外球内部旋转；内球球心处的投影仪的旋转和调节使发射的激光束在 内球球面上演示一年四季太阳相对于地球球心的运动规律，从内球中可读出不同时间太阳 直射点的方位；将内球旋转观测地纬度对应的角度后，内球球面上的太阳影像在外球中的 运动轨迹就是太阳在地球上相应纬度观测地处天球中的运动轨迹，即观测地太阳周日视运 动轨迹，从而可以从外球球面的经纬度中读出观测地处太阳的方位；结合内球、外球的经纬 度，能直观地反映一年中每一天地球上任意纬度观测地的太阳在天球上的运动规律(周日 视运动轨迹)、及一天中某一时刻太阳在天球中的方位、读出任意纬度地区任意一天的太阳 出没方位和时间；请求保护本新型实用通过同心相套、内外相接、共轴的内、外球分别度 量太阳相对于地心的运动和太阳相对于地球上不同观测点的运动，即通过两个球坐标系使 这两个不同角度观测的运动在一个仪器上同时直观显示出来。
全文摘要
本发明电浑天仪，主要用作地理教学演示仪器。光电浑天仪由底座支架，相接相套同心共轴的内球和外球，处于内球心的小型可调节、旋转激光投影仪构成。内球与外球上均标出经、纬线及度数，通过内球球心处的投影仪的转动和调节可在演示太阳相对于地球的运动关系；通过转动内球到相应位置可从固定的外球中读出太阳相对于观测地的运动规律，即一年四季太阳在观测地天球中的周日视运动轨迹、任意一天白昼任意时刻太阳在观测地天球中的方位、日出方位、日照时间；通过太阳在内球与外球的对应位置可反映两种运动之间的关系，也可用于演示其他天体运动轨迹。
文档编号G09B27/06GK102136217SQ201110076178
公开日2011年7月27日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者汪和平 申请人:汪和平
技术领域：
本发明光电浑天仪涉及一种指示太阳相对于地球的运动规律，及地球上任意纬度 观测地一年四季太阳在观测地天球中的周日视运动轨迹、任意一天白昼任意时刻太阳在观 测地天球中的方位、太阳的日出日落方位、时间；本发明也可用于其他天体；本发明可用作 地理教学演示仪器。
背景技术：
浑天仪中国的传统发明之一，用来观测天体，但其操作使用不方便，难以动态、直 观地解析天体的运动规律，使用不便，以致于人们很少有见到古代浑天仪的实物。现代天象 仪是通过投影仪将天象投影到球形屋顶上，演示天体运动变化，只能在特定的教室里演示。
发明内容
为了克服传统浑天仪的操作不便、难以动态直观地观测和解析天体的运动规律的 缺点，以及现代天象仪对环境要求高、成本高、不能精确反映天体运动规律的不足。本发明 提供的光电浑天仪设置外球和内球，内外球上均标注两极、经线与纬线，两球球心重合、相 接，外球固定，内球可绕过球心的一条轴在外球内部旋转；内球球心处的投影仪绕固定在两 极的主轴旋转时可将太阳影像投影到内球球面上，辅轴与主轴垂直，主轴与辅轴相交于球 心，调节投影仪绕辅轴在主轴及光束确定的平面内作范围为(-23°沈，23° 26')的角 度调节，在内球球面上表现太阳直射点在南北回归线间运动，这样内球能直观反映太阳相 对于地球的运动轨迹，它是在赤道面内的大圆或与赤道面平行的小圆；将内球旋转相应角 度后，太阳影像在外球中的运动轨迹就是太阳在地球上相应纬度观测地处天球中的运动轨 迹；结合内外球，能从内球、外球的经纬度中直观地反映一年中每一天地球上任意纬度观测 地的太阳在天球上的运动规律(周日视运动轨迹)、及一天中某一时刻太阳在天球中的方 位、读出任意纬度地区任意一天的太阳出没方位和时间。本发明像地球仪那样小巧、便于携带。本发明解决其技术问题所采用的技术方案本发明由底座支架、相接相套同心的内球和外球、处于内球球心的小型可调节、旋 转激光投影仪构成。各部件特征如下外球如
图1，外球由水平大圆ENWS将其分为上下半球，上半球透明，表示观测地 所能观测的天空，称为天半球(或称为日半球)，其最高处D表示观测地天顶，天顶处开一 圆形小孔D。下半球半透明，表示观测地A所不能观测的天空，称为地半球(夜半球)，夜半 球最下方为天底；天半球与地半球相结处大圆ENWS为地平圈，地平圈上的E、S、W、N分别 表示观测地东、南、西、北方向，直线EW和NS过球心且互相垂直。以天顶和天底为两极，在 外球上标出类似于地球仪上的经线和纬线，经线以每隔15度标出(线密度越大，则观测越 准确，下同)，与直径EW垂直的正南经线DS为观测地经线，标注本地经度，向东各经线依次 标注+15度、+30度、……，向西经线依次标出-15度、-30度、……，正北方向经线DN为+180度与-180度合，纬线的标注与地球仪上的纬线标注一致，地平圈为0度，至天顶TD处 为90度，至天底为-90度。外球0固定在底座支架上，底座在地平圈上的E、W处与外球联 结，两联结点连线过球心0，外球两联结点E、W处各留有小孔，可插入内轴。内球如图2，内球为半透明球面，与地球仪类似，在内球上标出两极(北极N、南极 S)，经线、纬线、赤道线、南北回归线、南北极圈、在赤道圆上取一条直径的两端点分别表示 正东方向E与正西方向W。在与内球直径EW垂直的一条经线标注正午12时，向东每隔15 度依次标出11时、10时、9时、……，向西每隔15度依次标注13时、14时、……，东西向在 与EW垂直的另一条经线处重合，标注0时Λ4时。纬线度数标注同地球仪，在正午12时经 线与各纬线的交点处依次标注纬度，向北依次为北15度、北23度沈分、北30度、……、 北极N，向南依次为南15度、南23度沈分、南30度、……、南极S。投影仪如图3，投影仪呈小球状，投影仪的球心与内球和外球球心都重合，投影 仪的主轴NS固定在内球两极N、S上，在电机的驱动下可作无限制的逆时针旋转运动；辅轴 KL过球心且与主轴NS垂直，安装在辅轴KL上的双向电机可驱动投影仪绕辅轴KL转动，转 动角范围为-23度沈分到+23度沈分，见图3中Z H1OH2，投影仪上装有一激光发射器，激 光发射器发射的光束过球心且与辅轴KL垂直，当投影仪的主轴处在Z H1OH2的平分线处时， 光束也与主轴NS垂直。这样投影仪在绕主轴NS旋转时激光束投射到内球球面上就能演示 太阳绕地轴的运动，投影仪绕辅轴KL转动时可调节太阳直射点的纬度，从南回归线到北回 归线。图4是内球与投影仪的组装示意图。内球通过固定在内球E、W处的空心内轴从外球E、W处小孔伸出外球，如图3，内轴 上设置调节手柄和挡针，可调节内球绕内轴EW做正负90度旋转，内球标注正午12时的经 纬朝上。投影仪上的电源和控制线缆从空心内轴穿出内外球连接到底座支架上。底座支架如图5，底架支架用于固定外球及轴EW，为球心投影仪提供电源、转动 控制按钮、激光束开关控制。图6是底座、外球、内球组装示意图。本发明的原理及操作说明地球与太阳之间的位置关系与地球自身的运动有关。地球的运动主要有两种绕 过南北两极的地轴的自转运动和绕太阳的公转运动。地球自转从北往下看是逆时针(自 西向东)方向，人站在地球上，不觉得地球自转，只看到太阳在反方向(自东向西)绕地轴 旋转，每M小时旋转一圈，称为太阳的周日视运动。由于黄赤交角的存在，地球公转运动使 太阳直射点在地球上南北来回移动，移动范围为-23° 26'26'，一年一个周 期，导致地球上出现一年四季变更现象。从观测点确定太阳的位置可以用太阳与观测点连线的方位来表示，但有失直观， 由于太阳距离地球足够远，故人们假想观测点观测到的天空是球状的。以观察者为中心，以 足够远的距离为半径作一个球面，观察者所看到的太阳的位置就是太阳投影在这个球面上 的图像，天文学上称这样一个球面为天球。人们仰望天空时，直观感觉到与地平线相接的称 之为“天穹”的半个球面就是天球的一部分，称之为日半球，观测点正上方为天顶，地平线以 下的天空称之为夜半球。天球的球心是地球球面上的观测点，不同地点的天球是不同的。天 球半径为无穷大，不能度量天球大小，因此可以借助几何知识，太阳在天球上的位置可以通 过观测点处太阳光线与地平圈所成的角、与观测点处的经线圈(即正南方向)所成的角等 来表不。
由于太阳的实际视运动是在以地心为球心的天球面上运动，如二分(春分、秋分) 日太阳沿赤道面上的大圆运动，二至(冬至、夏至)日太阳在回归线上运动，运动轨迹为平 行于赤道的小圆。由于观测地与地心的差别，地球上不同纬度观测地观测到的太阳的周日 视运动轨迹不一定是与赤道面共面或平行的圆弧了，如夏至日全球除极昼极夜地区外，太 阳都是从东偏北方向升起，且赤道上偏角最小，南北纬度越高的地区日出偏角越大，北回归 线以北地区太阳从东北方向升起，正午时在南方天空上；北极地区出现极昼，南极地区出现 极夜现象等。在不考虑太阳光线在穿过大气层时的折射、太阳的视面角、高山阻挡、海拔高度等 因素的影响下，相对于地球而言太阳是一个面光源，照射到地球上的太阳光是平行光线。地 球上某观测地的地平圈是地球球面上过该地的切面。为了分析太阳周日视运动规律，我们建立两个球坐标系来分析。如图7，以地心0为坐标原点，地轴为NS，以OS所在直线为χ轴，设过观测点A的 经线与赤道的交点G，直线OG所在直线为ζ轴，与过A点的经线圈垂直的直线与A地东面的 球面交于E点，以OE为y轴，建立球坐标系。则观测点A在坐标平面xOz内，坐标平面yOz 为赤道面。本球坐标系可用于研究太阳相对于地心的运动规律，太阳R的周日运动轨迹在 赤道圆上或平行于赤道的小圆上。如图8，以观测点A为坐标原点，A地地平圈的法线OA为ζ’轴，与A地经线圈相切 的直线为X’轴，以与过A的经线圈垂直的直线为f轴，建立球坐标系。则X’轴与f轴确 定的平面为A地地平圈，ζ’轴过地心，ζ’轴指示A地天顶D，y’轴与y轴平行，y’轴指示 A地正东方向，χ’轴指示A地正南方向。在本球坐标系可以方便地研究太阳相对于观测地 的方位。如图8，若天阳在R处直射地球，即此处太阳光线通过地心，由于太阳光线是平行 光线，故A地观察到的太阳光线AR’与OR平行，因此AR’和OR与两坐标系的坐标轴及坐标 平面所成的角度(即方位)均相等。故分析太阳在坐标系A-X’ y’ ζ’的方位时，可将该坐 标系平移使其原点A与地心0重合，即两个坐标系的坐标原点重合，且两个坐标系的y轴与 y’轴重合，如图9。设观测地A的纬度为为α，规定北纬为正，南纬为负，沿y轴负向观察坐 标平面xOz，逆时针旋转为正角，则将χ’轴和ζ’轴绕y轴(y’轴)旋转α角时两坐标系重 合；即考察OR在坐标系0-x’ r ζ’中的方位，只须将OR绕y轴旋转α角，这样OR在坐标 系Ο-xyz中方位就是原来的OR在坐标系0-x’ y’ ζ’中方位了。由于在以0为坐标原点的 坐标系Ο-xyz中，球心处观测到的太阳光线OR通过球心，因此可用从球心投影到内球球面 上的影像表示太阳。本新型实用设计中的内球的经纬度表示球坐标系Ο-xyz中的方位，外球的经纬度 表示球标系0-x ’ y ’ ζ ’中的方位。图1、图2、图3、图4中的TO与坐标轴y重合，ζ轴过外球 天顶D (即观测地天顶D)，外球大圆ENWS表示观测地地平圈，外球大圆NDS在坐标平面xOz 内；内球NS与轴χ’重合。内球标注正午12时的经线为过观测地的经线，它在坐标平面xOz 内，也在坐标平面χ’0ζ’内。可通过转动内球来调节观测点纬度，使观测点纬线通过外球天 顶D，则太阳光线OR在坐标系Ο-xyz的方位(即内球中的方位)也跟随调整为0-X’y’z’中 的方位(也即在外球中的方位)，由于整个内球的旋转，OR在坐标系Ο-xyz中的方位没有改 变，即太阳相对于地球球心的方位没有改变。这样，通过内球度量太阳相对于地心的运动，通过外球度量太阳相对于地球上不同观测点的运动，即通过两个球坐标系使这两个不同角 度观测的运动在光电浑天仪上同时直观显示出来。投影仪的主轴NS固定在内球的两极NS上，当其转动时可演示太阳相对于地球的 周日运动，当投影仪绕辅轴KL转动时可调节太阳射点在内球上的纬度。如图2，从内球中知是A地地方时上午9时的太阳位置，其直射纬度数可从内球 上太阳R所在的纬线上读出，旋转内球使观测地A的纬线经过外球天顶D时，即将坐标系 Ο-xyz和OR绕y(y’ )轴旋转α角了，旋转后观测点处太阳R在坐标系0_x’ y’ ζ’中的方 位可从外球中的经度和纬度读出，即太阳R在坐标系0-x’ f ζ’中的方位可从外球的经度 和纬度读出，外球经度表示太阳与A地经线圈所成的角，纬度表示太阳与地平圈所成的角。当太阳直线某纬度时，从其运动轨迹圆与外球地平圈的交点处可读出日出方位， 由于在天球上，太阳运动的圆周不论大小均表示M小时，即不论太阳直射纬度多少，太阳 直射点在相隔15度的经线间移动的时间均为1时，当太阳直射观测点的经线时为A地地方 时正午12时，以此计算向东每15度依次为11时、10时……，向西依次为13时、14时……； 从日出时点的内球经线上可读出日出落时间，从而计算日照时间。参考文献1，苏宜，天文学新概论，华中科技大学出版社，2005，12 ；2，汪和平，球面距离公式的推导，中学理科(综合)，2005，12 ；3，汪和平，日照时间与季节、纬度的关系，上海中学数学，2006，6 ；4，汪和平，影子与季节、纬度的关系，中学数学，2008，9 ；5，汪和平，探究日影运动轨迹；中学数学月刊，2010，9。
权利要求
1. 一天中太阳相对于地球球心来说是绕地轴做圆周运动，太阳在天球中的运动轨迹 是在赤道面上的大圆或与赤道平行的小圆，但对于地球中不同纬度的观测点来说，太阳的 周日视运动轨迹不一定是与赤道面共面或平行圆弧了，为了直观地演示地球上不同纬度观 测地不同季节的太阳周日视运动规律，光电浑天仪设置外球和内球，内外球上均标注两极、 经线与纬线及相应刻度，即两个球坐标系，两球球心重合、球面内外相接，外球固定，内球可 绕过球心的一条轴在外球内部旋转；内球球心处的投影仪的旋转和调节使发射的激光束在 内球球面上演示一年四季太阳相对于地球球心的运动规律，从内球中可读出不同时间太阳 直射点的方位；将内球旋转观测地纬度对应的角度后，内球球面上的太阳影像在外球中的 运动轨迹就是太阳在地球上相应纬度观测地处天球中的运动轨迹，即观测地太阳周日视运 动轨迹，从而可以从外球球面的经纬度中读出观测地处太阳的方位；结合内球、外球的经纬 度，能直观地反映一年中每一天地球上任意纬度观测地的太阳在天球上的运动规律(周日 视运动轨迹)、及一天中某一时刻太阳在天球中的方位、读出任意纬度地区任意一天的太阳 出没方位和时间；请求保护本新型实用通过同心相套、内外相接、共轴的内、外球分别度 量太阳相对于地心的运动和太阳相对于地球上不同观测点的运动，即通过两个球坐标系使 这两个不同角度观测的运动在一个仪器上同时直观显示出来。
全文摘要
本发明电浑天仪，主要用作地理教学演示仪器。光电浑天仪由底座支架，相接相套同心共轴的内球和外球，处于内球心的小型可调节、旋转激光投影仪构成。内球与外球上均标出经、纬线及度数，通过内球球心处的投影仪的转动和调节可在演示太阳相对于地球的运动关系；通过转动内球到相应位置可从固定的外球中读出太阳相对于观测地的运动规律，即一年四季太阳在观测地天球中的周日视运动轨迹、任意一天白昼任意时刻太阳在观测地天球中的方位、日出方位、日照时间；通过太阳在内球与外球的对应位置可反映两种运动之间的关系，也可用于演示其他天体运动轨迹。
文档编号G09B27/06GK102136217SQ201110076178
公开日2011年7月27日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者汪和平 申请人:汪和平
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