天地仪总体结构.pdf

本发明公开了一种适用于中小学辅助教学并可普及到家庭的天地仪总体结构。天地仪将天球模型与地球模型有机组合在一起，使天球上的太阳做周年运动，而地球做自转运动，如实地表现了日地关系，因此能形象化地表演各种复杂的天文地理现象。天地仪使十分抽象的概念变得直观易懂，可用于辅导学生相关课程的学习，是教学和科学普及的有力工具。本发明设计合理，结构简单，生产成本低，适用面广，具有巨大的市场前景。

1，  一种天地仪，主要由地球(1)，天球(2)，极高环(5)和支架(6)组成；地球(1)放置在中空的透明天球(2)中心，天球(2)用极高环(5)支承，能绕赤轴(7)转动，极高环(5)放在支架(6)上，并可在支架(6)的圆弧槽内滑动以改变天极高度，其特征在于：在天球(2)上装有能绕黄道转动的黄道圈(4)。

2，  根据权利要求1所述的天地仪，其特征在于：在黄道圈(4)圆周上相距180°的两点处，分别固定太阳(8)和拨销(11)；拨销(11)伸入极高环(5)相应的槽内，使黄道圈(4)无法随意转动，使太阳(8)只能沿子午线上下移动。

3，  根据权利要求1或2所述的天地仪，其特征在于：在透明天球(2)内放置昼夜罩(3)，它始终以其前平面对向太阳(8)，前平面上开有一个圆孔，孔径比地球(1)的直径略大。

4，  根据权利要求1或2或3所述的天地仪，其特征在于：拨销(11)可从极高环(5)内移出，从而解除对黄道圈(5)的旋转限制。

5，  根据权利要求1或2或3或4所述的天地仪，其特征在于：从地球(1)内部对半透明的地球(1)表面，照射出一个标志观察点位置的小光斑。

天地仪总体结构
技术领域  本发明涉及一种天体模型的总体结构，特别是‘天球—地球’组合模型的总体结构。
背景技术  传统的天球仪用于演示天球的周日视运动，有助于认识星空和学习天文坐标等天文知识。传统的地球仪能帮助人们认识地球的全貌，演示地球的自转运动，学习地球经纬度等地理知识。其实地球不是孤立存在，而是处于宇宙之中。例如天球的周日视运动，就是地球自转运动的反映。离开了天球，就难以理解地球的公转和进动所引起的太阳周年视运动和岁差现象。但至今为止，还没有一种‘天球—地球’组合模型，能形象地演示其间复杂的相对运动关系，以便帮助人们从本质上理解由此产生的各种天文地理现象。发明内容本发明要解决的任务是：按照‘天球—地球’在宇宙空间的实际状态，构建一种形象化的，能反映其复杂的相对运动关系的，‘天球—地球’组合模型《天地仪》的总体结构。以帮助人们从本质上理解与此有关的各种天文地理现象。
本发明的目的是这样实现的：将直径较小的地球放置在中空的透明天球中心，天球上装有能绕黄道转动的黄道圈。在黄道圈圆周上相距180°的两点处，分别固定太阳和拨销。天球用极高环支承，能绕赤轴转动。极高环放在支架上，并可在支架的圆弧槽内滑动以改变天极高度。地球支承在独立的自转轴上，拧动自转轴下端的手轮可使地球做周日运动。在透明天球内放置外形尺寸比天球内径略小的昼夜罩，它是个半透明的中空容器。昼夜罩始终以其前平面对向太阳，前平面上开有一个圆孔，孔径比地球的直径略大。地球从昼夜罩的圆孔中露出一半，此一半地球的表面较亮，相当于白天。地球被昼夜罩遮盖的另一半，只能通过半透明的昼夜罩才看得见，这使背对太阳的另一半地球的表面显得昏暗，相当于夜晚。黄道圈上的拨销伸入极高环相应的槽内，使黄道圈无法随意转动。但如果令天球绕赤轴转动，则因黄道圈与赤轴之间有23.5°的赤黄交角，天球的转动将迫使黄道圈起伏。因黄道圈的拨销被限制在极高环的槽内，故黄道圈起伏时拨销只能在极高环的槽内上下移动。极高环的槽相应于天文坐标子午圈的子段，那么黄道圈上与拨销互成180°的太阳，也就只能被限制在子午圈的午段上下移动。当整个天球绕赤轴转动，而太阳却被迫滞留在子午圈上，这就是说太阳必然与天球产生相对运动，使太阳在天球黄道上的黄经位置变化，产生太阳的周年视运动。太阳与地球之间的相对运动关系，决定了地球上的昼夜和四季，以至时间和历法，每一项都与我们的生活息息相关。因此利用《天地仪》提供的地球周日自转运动，太阳的周年视运动和天极高度的变化等基本功能，就能形象地演示其间复杂的相对运动关系，以便帮助人们从本质上理解由此产生的各种天文地理现象。可见由于采用了新型的‘天球—地球’组合模型，本发明就解决了现有技术存在的问题。
附图说明  下面将结合附图的具体实施方式，对本发明进一步详细说明。
附图1为第一种实施方式的天地仪总体结构示意图。
附图2为第二种实施方式的天地仪总体结构示意图。
附图3为第二种实施方式的天地仪中地球的局部结构示意图。
具体实施方式
第一种实施方式  本发明第一种实施方式的结构见附图1：直径较小的地球1放置在中空的透明天球2的中心，天球2上装有能在黄道上转动的黄道圈4。在黄道圈4圆周上相对180°的两点分别固定太阳8和拨销11。天球2用极高环5支承，能绕赤轴7转动。刻有极高角度的极高环5放在标有东西南北方向的支架6上，并可在支架6的圆弧槽内滑动以改变天极高度。地球1支承在与天球2的赤轴7重合的独立自转轴9上，拧动自转轴9下端的手轮10可使地球做周日运动。手轮10上刻有地理经度刻度，以指示地球2的转角。在天球2内放置外形尺寸比天球2内径略小的昼夜罩3，它是个半透明的中空容器。昼夜罩3始终以其前平面对向太阳8，前平面上开有一个圆孔，孔径比地球1的直径略大。地球1从昼夜罩3的圆孔中露出一半，此一半地球1的表面较亮，相当于被太阳8直接照亮的白天。地球1被昼夜罩3遮盖的另一半是背向太阳8的，只能通过半透明的昼夜罩3才看得见，这使背对太阳8的另一半地球1的表面显得昏暗，相当于夜晚。
黄道圈4上的拨销11伸入极高环5相应的槽内，使黄道圈4无法随意转动。但如果令天球2绕赤轴7转动，则因黄道圈4与赤轴7之间有23.5°的赤黄交角，天球2的转动将迫使黄道圈4起伏。但因黄道圈4的拨销11被限制在极高环5的槽内，故黄道圈4起伏时，拨销11只能在极高环5的槽内上下移动47°。极高环5的槽相应于天文坐标子午圈的子段，因此黄道圈4上与拨销11互成180°的太阳8始终处于上中天，即在子午圈的午段上下移动47°。
极高环5的形状可以是半圆，也可以是整圆。做成整圆可与完整的子午圈对应，但遮挡了视线，极高环5做成半圆或整圆各有优缺点。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标，但同样有遮挡视线的缺点。
由于整个天球2绕赤轴7转动，而太阳8却被迫滞留在子午圈上，可见太阳8必然与天球2产生相对运动，使太阳8在天球2黄道上的黄经位置变化，产生太阳8的周年视运动。如果令天球2由东向西绕赤轴7旋转一周，则太阳8虽然未离开子午圈，但相对于天球2已由西向东沿黄道移动了360°，完成了一个周期的太阳周年视运动。
以上是本天地仪使用的‘地理模式’，其特点是：太阳8在天球2上作周年视运动。虽然太阳8始终驻留在子午线上，但随着天球2转动一周，太阳8在子午线上的高度却随各个节气不同，可以从冬至的最低，升到夏至的最高，又回到冬至的最低。
当太阳8的周年视运动处于不同节气时，转动手轮10使地球1自转，就能观察到永昼，永夜，昼夜交替，昼夜长短的季节变化和纬度变化，正午太阳高度的季节变化和纬度变化，太阳直射点的纬度变化，四季的形成等天文现象。也能深入理解地球的南北极，极圈，回归线，赤道的物理意义。在观察地球1在天球2内的自转后，很容易理解在星空的周日视运动中，北极星为何在天空固定不动的道理。利用天球2上围绕黄极的岁差圈刻度和陀螺仪原理，可以解释岁差现象和极星的更替。一般人很难理解的恒星时和太阳时，地方时，区时，世界时，本初子午线，二分点，日期变更线等概念，都将在天地仪的‘地理模式’帮助下迎刃而解。
同时本天地仪也可以随时调整成‘天文模式’：使拨销11从极高环5的槽中移出，例如把拨销11折转90度，就能转换成与一般传统天球仪相同的使用状态。此时天球2的转动不再是周年视运动，而变成了周日视运动—但这与地球1的周日自转运动重复了。这种传统的配置方法显然浪费了资源—配置了天地两个球，但都只能用来说明地球自转这一件事。因此在这种使用状态下，许多地理概念都无法演示，但这种‘天文模式’却有利于学习认识星空。认星的操作方法可用A法或B法。
A法是：(1)，方位和纬度校正—把天地仪按其支架6上注明的方位，调到与当地的实际方位相符。然后转动极高环5，将天极高度也调到与当地的地理纬度相符。(2)，时间校正—这一步先要把地方时D换算成恒星时H。然后把天球2上以恒星时标注的赤经H转到子午线处，此时天地仪的天球2上所显示的星空，就与户外的真实星空一致。
B法是：(1)，方位和纬度校正—与A法相同。(2)，周年校正—拨动天球2上的黄道圈4把太阳8转到黄道上当天的月，日位置。(3)，时间校正—读出太阳8与子午线之间的角度(赤经相差15°，对应时间1小时)。因为天球2的周日视运动是自东向西旋转，当太阳8在上中天对准子午线时是地方时D中午12时，依次类推，把天球2上的太阳8，与子午线的夹角转到观察地点的地方时D—至此天地仪的天球2上所显示的星空，已与户外的真实星空一致。(4)，地球自转校正—转动手轮10把地球1上的观察点转到子午线上，此时地球1与天球2的相对位置关系也正确了。使用B法不须换算恒星时H。
由上可见，本天地仪的优势首先在于它具有独特的‘地理模式’功能。它令太阳8滞留在子午线上，把天球2的旋转，变成了太阳8的周年视运动—反映地球1的公转，而转动手轮10可使地球做周日运动—表现地球1的自转。由于在同一个天体模型中，同时把地球1的公转和自转都演示出来，这就使我们可以利用这台天地仪充分演示复杂的日—地关系。同时本天地仪也可以方便地转换为‘天文模式’，因为它比起一般天球仪多了一个能在黄道上转动的太阳8，显然其认星功能比一般天球仪强。
第二种实施方式  本发明第二种实施方式的结构基本上与第一种实施方式相同，见附图2。其差别仅在于地球1的内部结构，见差别部分的附图3。
第二种实施方式的目的，是要在地球1的表面标志出观察点。方法是从地球1的内部，用红色LED发光二极管在半透明的地球表面照射一个小光斑。小光斑的位置可以由用户自行设定，因此要一套二自由度的调整机构。附图3表现了某一种二自由度的调整机构。
由附图3可见地球1的内部结构：半透明的地球1固定在自转轴9上，红色LED发光二极管12架在球心附近。俯仰机构15通过俯仰轮14改变二极管12的俯仰角。方位轮13直接转动二极管12的方位角。通过调节俯仰轮14和方位轮13，可以把红色光点照射到地球1表面的任何指定位置。
地球1表面的观察点标志，有利于研究该点具体的天文地理现象。
同理，也可从太阳8处用发光二极管在地球表面照射一个代表太阳直射点的小光斑。