专利名称:岁差天球仪的制作方法
本发明属天文教学仪器类。
目前学习天文知识的仪器主要有普通天球仪和地轴进行章动演示仪。普通天球仪可以用来观测任一地点在不同日期，不同时刻的星空景象，可求得某一天体的地平经度(方位角)和地平纬度(高度)，还可以测到一定日期太阳出没的时刻和方位，中天时刻的高度以及昼夜长短等。但是，由于其结构的局限性，以及地轴进动现象的存在，就不可能比较具体地显示出太阳、地球和天球间的关系，更不能演示出历史年代和今后岁月的星空景象。
地轴进动章动演示仪虽然能较生动地表示出天轴绕黄极的运动，以及在黄赤交角不变的情况下，春分点西移所形成的岁差现象，但却未具备普通天球仪的作用，使人用之有顾此失彼之感。
本发明的目的是在一台仪器上直观地表示地球、太阳、天球三者之间相互运动的关系以及春分点的西移因而表示的岁差现象。
岁差天球仪由天球、地球仪及其经纬网架、基座、活动坐标网架、半活动辅助弧五大部分组成。
天球(1)系一直径为30cm的透明有机玻璃球或其它透明球。球上绘有若干主要星座、黄道十二宫以及二十八宿及其名称。黄道(6)分成内外两圈，外圈和天球固定，上面刻有年代。表示天北极或春分点在天球上的一定位置，内圈和黄纬读数环联接可随地轴进动而旋转，上面则刻有二十四节气。天球整体固定在仪器基座上不能动。天球的上方中央为黄北极，下方的中央为黄南极(因为基座的障碍未能表示出来)。
地球仪(2)及其纬纬网架(3)安装在天球网的内部中央。以表示出地心天球的位置关系。经纬网架(3)是地球仪经纬网线的扩大，随地球仪的转动而转动，这样可透过天球仪看清经纬网线，从而便于观测天体在天球上赤经和赤纬，以及其它与经纬网有关的一切现象。地球仪(及其经纬网架)除能自转外，还能表示地轴的进动。进动时天轴(地轴的延长线)与天球的交点(即天北极)在天球仪上以黄北极为中心，以23°.5为半径作反时针方向(在天球仪外面向下看，则作顺时针方向)运动。与此同时，黄道上的二十四节气作同步进行。在进动过程中，黄道与赤道平面始终保持23°.5的交角，且可清晰看出黄赤两道的交点-春分点的西移，及其在黄道十二宫中位置的变化。
基座(11)用上下两个园形钢片中间夹一方匣焊接而成。匣内装有控制地球仪(及其经纬网架)自转和地轴进动的齿轮，用雨刮(12)和四节1.5V的电池(17)作为传动部分的动力。基座面上有电源开关(9)，控制自转、进动的转换掣(8)，调速电位器(19)，换向开关(20)，微调(21)。打开电源开关(9)，按下转换掣(8)和转换掣一体的齿轮(10)和齿轮(14)啮合，通过轴(15)带动齿轮(7)转动，继而传递到齿轮(22)上，使和齿轮(22)配合的地轴转动，也即地球仪发生自转。当提起转换掣(8)，齿轮(10)和齿轮(13)啮合，而齿轮(13)是和空心轴(16)紧配合的，从而使空心轴(16)转动，空心轴又和黄纬读数环(23)联接，使天轴线绕北极转动，即地轴的进动。实心轴(15)是套在空心轴(16)中的。微调(21)的作用是使春分点准确地对准所需年代或所需要的经度对准刻划所代表的日期。调速电位器(19)可调节地球仪自转和地轴进动的速度。换向开关(20)可改变地球自转和地轴进动的方向，使之能更方便地对准春分点的位置。
活动坐标网架(4)结构与地球仪上半球经纬网架相同，大小恰恰罩在天球上。当网架的极点与观测地点的天顶一致时，则其主圈可视作该测点的地平圈，用之可以读出任一天体的地平经度、地平纬度;当其主圈与黄道一致时，可以读出任一天体的黄经和黄纬;当主圈与赤道一致时，更有助于求得任一天体的赤经和赤纬。如果使该主圈与黄道平面相交5°9′，则该圈亦可视作月亮公转的轨迹-白道。半活动辅助弧(5)由三瓣组成，呈“山”字形，安置在天球的下方，可绕基座主轴旋转。中瓣上端有一小灯泡，以示太阳的所在位置，其余两瓣各与中瓣相距96°，与活动坐标网架相配合，以示不同日期和时刻晨昏圈的约略位置。此外，辅助弧还可以配合紧贴南半部经纬网架的黄纬读数环，读出黄道以南天体的黄经、黄纬。
还可以将本发明进一步简化，做成更为简单的岁差天球仪。也即去掉基座内的传动装置用手动控制代替机械传动部分。那么只要在天球下部挖一个洞，用手拨动地球的自转，同时用旋扭控制地轴的进动，这样整个岁差天球仪的尺寸也可做小些，可使本发明结构更加简单，更利于普及推广。
岁差天球仪可以直观地表示地球、太阳、天球三者相互运动的关系，以及因地球自转而引起的若干天文现象，使人对日月星晨东升西落，一年四季中太阳的出没位置和中天高度变化、四季成因、节气更替、昼夜长短变化等自然现象一目了然。同时可借助活动坐标网架演示地理坐标和天球坐标间的简易换算关系。若不计恒星的自行，由于地轴的进动，可观测到在黄赤交角不变的情况下所引起的天极、二分、二至和二十四节气在黄道十二宫和恒星间的变迁轨迹。还可看出恒星的黄经、赤经、赤纬所发生的变化。由于天球上标有北斗、二十八宿等我国传统星象，并在黄道上标有二十四节气，故可使历史上任何年代和日期以及未来任何年月的星空景象展现在眼前，使学者可以对照分析古天文图和古文中叙述的古代星空景象。也即本发明和普通天球仪相比，具有功能上的扩大，时间上的延展这样一种性质。
图1是岁差天球仪示意图。
图2是不带传动装置的岁差天球仪示意图。
图3是电路图结合岁差天球仪使用方法进行举例。
1.求恒星的赤经和赤纬。
在岁差天球仪上，恒星的赤经，赤纬均可透过天球仪，根据经纬网架求得。赤经以春分点为0h，向东计算;赤纬以赤道为0°，向南向北计算，北为“+”，南为“-”。
例如当仪器上的春分点对准黄道上1986年刻划时，透过天球仪，可以读得织女星的赤经为18h40m，赤纬约为+38°45′，牛郎星星赤经约为19h50m，赤纬约为+8°50′。
恒星的赤经、赤纬因地轴的进动而变化。当地轴进动，春分点对准12400年时，织女星的赤经约为1h30m，牛郎星的赤经约为5h30m;赤纬分别为+82°与+51°30′。如果春分点在公元前2700年(即-2700年)的位置时，织女星和牛郎星的赤经几乎相等，赤纬分别约为46°20′和+6°。
2.求太阳的黄经、黄纬和赤经、赤纬。由于太阳视运动的轨道始终在黄道上，而黄道的黄纬为0°，所以太阳无论何年、何月、何日的黄纬都是0°。
春分点的黄经为0°，二十四节气为黄道的二十四分点，各分点有一定的黄经度数。在公历中太阳行经各分点大致有一定的日期，故按太阳在黄道二十四分点中的位置，可以大致推算出它一年内任何月日的黄经度数。
如已知太阳某日的黄经，透过天球仪找出太阳直射点的经线，由春分点沿赤道向东取至此经线的弧距，即为太阳的赤经。
3.求已知视太阳时的现象(1)北京1986年谷雨节太阳位于黄经30°，子夜时刻黄经210°(30+180°)上中天，开动岁差天球仪，使春分点对准黄道上的1986年，旋转地球仪，让北京所在的地理经度(116°19′E)对准黄道210°然后将活动坐标网架罩在天球仪上，令活动网架的极点对准北京的天顶(即经纬网架上地理经度116°19′E与40°E的交点)。此刻活动网架的极点及其大圈则分别代表北京的天顶和地平圈，所欲求的天象就展现在地平圈的上方。
(2)求纪元前1000年小满(5月21日)子夜北京的天象。已知小满节太阳位于黄经60°，子夜时刻黄经240°(60°+180°)上中天，开动岁差球仪，先使春分点对准黄道上的-1000年，然后依照上述方法找出北京的天顶和地平圈，即可求得小满节子夜时刻北京的星空景象。
4.求一定恒星时的天象。所谓恒星时，指的是春分点对观测地点子午圈所张的时角。由于地球的自转，同一地点不同的恒星时，有不同的天象;由于地轴的进动，在不同的年代，同一地点，同一恒星时，也有不同的天象。例如(1)求北京1986年恒星时18h40m的天象。开动仪器使春分点对准黄道上1986年的刻划后，罩上活动活动坐标网架，将极点对准天球仪的天北极，并使其中任一经线圈与二分圈一致，然后由春分点沿赤道向东在活动坐标网架上找出18h40m的时圈位置。旋转地球仪，令北京所在的经线对准已找出的18h40m时圈，再移动活动坐标网架，将其极点置于北京天顶的位置，此刻在活动坐标网架大圈的上方，即为所求的天域-织女星出现在天顶附近。
(2)求北京公元前7000年恒星时18h40m的天象。按照上述方法得到的天象与1986年大不相同，那时著名的仙后星座在北京天顶偏南的天空上闪烁着，而织女星并无踪影。
5.求1986年夏至日北京正午的太阳高度以及这一天日出、日没的方位角和昼夜长短。夏至日太阳位于夏至点，按照前述方法安置好1986年夏至日北京正午时刻的地平圈。此刻在仪器上可以看出太阳位于地平圈上约73°.5。根据当天太阳的赤纬+23°.5，透过天球仪沿经纬网架上北回归线，找出该线与活动坐标网架大圈(此刻为北京的地平圈)的两个交点(即日出没点)。由两点的位置，可知这天日出、日没的方位角分别为239°与121°(南点为0°)。两点与子午圈所在的经度间隔约为7时30分，可知夏至日北京昼长约为15小时，夜长约为9小时(不考虑晨昏蒙影)。
权利要求
1.一种岁差天球仪，其特征是岁差天球仪由天球(1)、地球仪(2)及其经纬网架(3)、其座(11)、活动坐标网架(4)、半活动辅助弧(5)五大部分组成。地球仪(2)及其经纬网架(3)安置在天球(1)中央，通过轴(15)、(16)和基座(11)相联；天球(1)则固定在基座(11)上。
2.根据权利要求
1所述岁差天球仪，其特征是天球(1)用透明材料制成的薄壳球体，其上绘有若干主要星座，黄道十二宫以及二十八宿及其名称。黄道分内外两圈，外圈固定在天球上，上面刻有年代;内圈通过黄纬读数环(23)和基座(11)相联，可随地轴进动而转动，上面刻有二十四节气。
3.根据权利要求
1所述岁差天球仪，其特征是代表地球仪经纬网线扩大的经纬网架(3)是一种网状结构，它和地球仪(2)固定在一个轴上。
4.根据权利要求
1所述岁差天球仪，其特征是基座(11)内可安置控制地球仪(2)自转和地轴进动的传动装置，基座(11)面上安电源开关(9)，自转进动转换掣(8)、调速电位器(19)、换向开关(20)和微调(21)。
5.根据权利要求
1所述岁差天球仪，其特征是活动坐标网架(4)是能表示经纬度的半球形网状结构，其大小恰好能罩在天球(1)上。半活动辅助弧(5)有三瓣，安置在天球下方，可绕基座主轴旋转。中瓣上端有一只表示太阳的小灯泡，其余两瓣和中瓣相距96°。
专利摘要
可生动直观地表示地球、天球、太阳三者相互运动关系以及地球自转所引起的若干天文现象的岁差天球仪，由天球、地球仪及其经纬网架、基座、活动坐标网架、半活动辅助弧五部分组成，能方便地看到历史上任何年代及未来的星空景象。不仅可作为学习普通天文知识的良好工具，且对解决考古和古汉语中涉及的天文问题起到重要参考作用。
文档编号G09B27/06GK87103511SQ87103511
公开日1988年11月30日 申请日期1987年5月12日
发明者袁昭, 马林 申请人:湖北大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan