專利名稱：天地儀總體結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種天體模型的總體結構，特別是‘天球—地球’組合模型的總體結構。
背景技術：
傳統的天球儀用于演示天球的周日視運動，有助于認識星空和學習天文坐標等天文知識。傳統的地球儀能幫助人們認識地球的全貌，演示地球的自轉運動，學習地球經緯度等地理知識。其實地球不是孤立存在，而是處于宇宙之中。例如天球的周日視運動，就是地球自轉運動的反映。離開了天球，就難以理解地球的公轉和進動所引起的太陽周年視運動和歲差現象。但至今為止，還沒有一種‘天球—地球’組合模型，能形象地演示其間復雜的相對運動關系，以便幫助人們從本質上理解由此產生的各種天文地理現象。發明內容本發明要解決的任務是按照‘天球—地球’在宇宙空間的實際狀態，構建一種形象化的，能反映其復雜的相對運動關系的，‘天球—地球’組合模型《天地儀》的總體結構。以幫助人們從本質上理解與此有關的各種天文地理現象。
本發明的目的是這樣實現的將直徑較小的地球放置在中空的透明天球中心，天球上裝有能繞黃道轉動的黃道圈。在黃道圈圓周上相距180°的兩點處，分別固定太陽和撥銷。天球用極高環支承，能繞赤軸轉動。極高環放在支架上，并可在支架的圓弧槽內滑動以改變天極高度。地球支承在獨立的自轉軸上，擰動自轉軸下端的手輪可使地球做周日運動。在透明天球內放置外形尺寸比天球內徑略小的晝夜罩，它是個半透明的中空容器。晝夜罩始終以其前平面對向太陽，前平面上開有一個圓孔，孔徑比地球的直徑略大。地球從晝夜罩的圓孔中露出一半，此一半地球的表面較亮，相當于白天。地球被晝夜罩遮蓋的另一半，只能通過半透明的晝夜罩才看得見，這使背對太陽的另一半地球的表面顯得昏暗，相當于夜晚。黃道圈上的撥銷伸入極高環相應的槽內，使黃道圈無法隨意轉動。但如果令天球繞赤軸轉動，則因黃道圈與赤軸之間有23.5°的赤黃交角，天球的轉動將迫使黃道圈起伏。因黃道圈的撥銷被限制在極高環的槽內，故黃道圈起伏時撥銷只能在極高環的槽內上下移動。極高環的槽相應于天文坐標子午圈的子段，那么黃道圈上與撥銷互成180°的太陽，也就只能被限制在子午圈的午段上下移動。當整個天球繞赤軸轉動，而太陽卻被迫滯留在子午圈上，這就是說太陽必然與天球產生相對運動，使太陽在天球黃道上的黃經位置變化，產生太陽的周年視運動。太陽與地球之間的相對運動關系，決定了地球上的晝夜和四季，以至時間和歷法，每一項都與我們的生活息息相關。因此利用《天地儀》提供的地球周日自轉運動，太陽的周年視運動和天極高度的變化等基本功能，就能形象地演示其間復雜的相對運動關系，以便幫助人們從本質上理解由此產生的各種天文地理現象。可見由于采用了新型的‘天球—地球’組合模型，本發明就解決了現有技術存在的問題。
下面將結合附圖的具體實施方式
，對本發明進一步詳細說明。
附圖1為第一種實施方式的天地儀總體結構示意圖。
附圖2為第二種實施方式的天地儀總體結構示意圖。
附圖3為第二種實施方式的天地儀中地球的局部結構示意圖。
具體實施例方式
第一種實施方式 本發明第一種實施方式的結構見附圖1直徑較小的地球1放置在中空的透明天球2的中心，天球2上裝有能在黃道上轉動的黃道圈4。在黃道圈4圓周上相對180°的兩點分別固定太陽8和撥銷11。天球2用極高環5支承，能繞赤軸7轉動。刻有極高角度的極高環5放在標有東西南北方向的支架6上，并可在支架6的圓弧槽內滑動以改變天極高度。地球1支承在與天球2的赤軸7重合的獨立自轉軸9上，擰動自轉軸9下端的手輪10可使地球做周日運動。手輪10上刻有地理經度刻度，以指示地球2的轉角。在天球2內放置外形尺寸比天球2內徑略小的晝夜罩3，它是個半透明的中空容器。晝夜罩3始終以其前平面對向太陽8，前平面上開有一個圓孔，孔徑比地球1的直徑略大。地球1從晝夜罩3的圓孔中露出一半，此一半地球1的表面較亮，相當于被太陽8直接照亮的白天。地球1被晝夜罩3遮蓋的另一半是背向太陽8的，只能通過半透明的晝夜罩3才看得見，這使背對太陽8的另一半地球1的表面顯得昏暗，相當于夜晚。
黃道圈4上的撥銷11伸入極高環5相應的槽內，使黃道圈4無法隨意轉動。但如果令天球2繞赤軸7轉動，則因黃道圈4與赤軸7之間有23.5°的赤黃交角，天球2的轉動將迫使黃道圈4起伏。但因黃道圈4的撥銷11被限制在極高環5的槽內，故黃道圈4起伏時，撥銷11只能在極高環5的槽內上下移動47°。極高環5的槽相應于天文坐標子午圈的子段，因此黃道圈4上與撥銷11互成180°的太陽8始終處于上中天，即在子午圈的午段上下移動47°。
極高環5的形狀可以是半圓，也可以是整圓。做成整圓可與完整的子午圈對應，但遮擋了視線，極高環5做成半圓或整圓各有優缺點。支架6上既可附加地平圈，也可不加地平圈。加了地平圈就增加了一套地平坐標，但同樣有遮擋視線的缺點。
由于整個天球2繞赤軸7轉動，而太陽8卻被迫滯留在子午圈上，可見太陽8必然與天球2產生相對運動，使太陽8在天球2黃道上的黃經位置變化，產生太陽8的周年視運動。如果令天球2由東向西繞赤軸7旋轉一周，則太陽8雖然未離開子午圈，但相對于天球2已由西向東沿黃道移動了360°，完成了一個周期的太陽周年視運動。
以上是本天地儀使用的‘地理模式’，其特點是太陽8在天球2上作周年視運動。雖然太陽8始終駐留在子午線上，但隨著天球2轉動一周，太陽8在子午線上的高度卻隨各個節氣不同，可以從冬至的最低，升到夏至的最高，又回到冬至的最低。
當太陽8的周年視運動處于不同節氣時，轉動手輪10使地球1自轉，就能觀察到永晝，永夜，晝夜交替，晝夜長短的季節變化和緯度變化，正午太陽高度的季節變化和緯度變化，太陽直射點的緯度變化，四季的形成等天文現象。也能深入理解地球的南北極，極圈，回歸線，赤道的物理意義。在觀察地球1在天球2內的自轉后，很容易理解在星空的周日視運動中，北極星為何在天空固定不動的道理。利用天球2上圍繞黃極的歲差圈刻度和陀螺儀原理，可以解釋歲差現象和極星的更替。一般人很難理解的恒星時和太陽時，地方時，區時，世界時，本初子午線，二分點，日期變更線等概念，都將在天地儀的‘地理模式’幫助下迎刃而解。
同時本天地儀也可以隨時調整成‘天文模式’使撥銷11從極高環5的槽中移出，例如把撥銷11折轉90度，就能轉換成與一般傳統天球儀相同的使用狀態。此時天球2的轉動不再是周年視運動，而變成了周日視運動—但這與地球1的周日自轉運動重復了。這種傳統的配置方法顯然浪費了資源—配置了天地兩個球，但都只能用來說明地球自轉這一件事。因此在這種使用狀態下，許多地理概念都無法演示，但這種‘天文模式’卻有利于學習認識星空。認星的操作方法可用A法或B法。
A法是(1)，方位和緯度校正—把天地儀按其支架6上注明的方位，調到與當地的實際方位相符。然后轉動極高環5，將天極高度也調到與當地的地理緯度相符。(2)，時間校正—這一步先要把地方時D換算成恒星時H。然后把天球2上以恒星時標注的赤經H轉到子午線處，此時天地儀的天球2上所顯示的星空，就與戶外的真實星空一致。
B法是(1)，方位和緯度校正—與A法相同。(2)，周年校正—撥動天球2上的黃道圈4把太陽8轉到黃道上當天的月，日位置。(3)，時間校正—讀出太陽8與子午線之間的角度(赤經相差15°，對應時間1小時)。因為天球2的周日視運動是自東向西旋轉，當太陽8在上中天對準子午線時是地方時D中午12時，依次類推，把天球2上的太陽8，與子午線的夾角轉到觀察地點的地方時D—至此天地儀的天球2上所顯示的星空，已與戶外的真實星空一致。(4)，地球自轉校正—轉動手輪10把地球1上的觀察點轉到子午線上，此時地球1與天球2的相對位置關系也正確了。使用B法不須換算恒星時H。
由上可見，本天地儀的優勢首先在于它具有獨特的‘地理模式’功能。它令太陽8滯留在子午線上，把天球2的旋轉，變成了太陽8的周年視運動—反映地球1的公轉，而轉動手輪10可使地球做周日運動—表現地球1的自轉。由于在同一個天體模型中，同時把地球1的公轉和自轉都演示出來，這就使我們可以利用這臺天地儀充分演示復雜的日—地關系。同時本天地儀也可以方便地轉換為‘天文模式’，因為它比起一般天球儀多了一個能在黃道上轉動的太陽8，顯然其認星功能比一般天球儀強。
第二種實施方式 本發明第二種實施方式的結構基本上與第一種實施方式相同，見附圖2。其差別僅在于地球1的內部結構，見差別部分的附圖3。
第二種實施方式的目的，是要在地球1的表面標志出觀察點。方法是從地球1的內部，用紅色LED發光二極管在半透明的地球表面照射一個小光斑。小光斑的位置可以由用戶自行設定，因此要一套二自由度的調整機構。附圖3表現了某一種二自由度的調整機構。
由附圖3可見地球1的內部結構半透明的地球1固定在自轉軸9上，紅色LED發光二極管12架在球心附近。俯仰機構15通過俯仰輪14改變二極管12的俯仰角。方位輪13直接轉動二極管12的方位角。通過調節俯仰輪14和方位輪13，可以把紅色光點照射到地球1表面的任何指定位置。
地球1表面的觀察點標志，有利于研究該點具體的天文地理現象。
同理，也可從太陽8處用發光二極管在地球表面照射一個代表太陽直射點的小光斑。
權利要求
1，一種天地儀，主要由地球(1)，天球(2)，極高環(5)和支架(6)組成；地球(1)放置在中空的透明天球(2)中心，天球(2)用極高環(5)支承，能繞赤軸(7)轉動，極高環(5)放在支架(6)上，并可在支架(6)的圓弧槽內滑動以改變天極高度，其特征在于在天球(2)上裝有能繞黃道轉動的黃道圈(4)。
2，根據權利要求1所述的天地儀，其特征在于在黃道圈(4)圓周上相距180°的兩點處，分別固定太陽(8)和撥銷(11)；撥銷(11)伸入極高環(5)相應的槽內，使黃道圈(4)無法隨意轉動，使太陽(8)只能沿子午線上下移動。
3，根據權利要求1或2所述的天地儀，其特征在于在透明天球(2)內放置晝夜罩(3)，它始終以其前平面對向太陽(8)，前平面上開有一個圓孔，孔徑比地球(1)的直徑略大。
4，根據權利要求1或2或3所述的天地儀，其特征在于撥銷(11)可從極高環(5)內移出，從而解除對黃道圈(5)的旋轉限制。
5，根據權利要求1或2或3或4所述的天地儀，其特征在于從地球(1)內部對半透明的地球(1)表面，照射出一個標志觀察點位置的小光斑。
全文摘要
本發明公開了一種適用于中小學輔助教學并可普及到家庭的天地儀總體結構。天地儀將天球模型與地球模型有機組合在一起，使天球上的太陽做周年運動，而地球做自轉運動，如實地表現了日地關系，因此能形象化地表演各種復雜的天文地理現象。天地儀使十分抽象的概念變得直觀易懂，可用于輔導學生相關課程的學習，是教學和科學普及的有力工具。本發明設計合理，結構簡單，生產成本低，適用面廣，具有巨大的市場前景。
文檔編號G09B27/00GK1963890SQ200510117620
公開日2007年5月16日 申請日期2005年11月7日 優先權日2005年11月7日
發明者伍牧, 伍少昊 申請人:伍少昊