一种声光显示地球公转椭圆轨道智能测绘仪的制作方法

本发明涉及光学仪器、机械结构和智能领域。具体地说是利用小孔成像的原理，根据太阳通过小孔成的像(圆形光斑)，计算日地间距离，进一步绘制出一年里地球绕太阳公转的轨道。需要机械装置、声光显示和用单片机实行智能控制。

背景技术：

大多数人都知道：一年里地球绕太阳公转一圈，高中生都知道这个公转轨道圈是椭圆。太阳在椭圆的一个焦点上，即太阳与地球间距离是在变化的。然而，由于目前科学上测定太阳至地球距离的方法复杂、设备要求高，所以几乎所有大、中、小学生和社会大众都没有直接测定过日地间距离，更没有测定到日地间距离在变化的，更没有很直观地测定日地间变化着的距离。

为进一步确立亿万大众的唯物主义思想，迫切需要有一种易于普及的仪器直观地测出日地间的距离及变化的数据，从而亲手绘出椭圆轨道。但是至今未见相关论文、专利、产品问世。

技术实现要素：

本发明正是为上述需要而发明的一种声光显示地球公转椭圆轨道智能测绘仪，其特征是：由基板(1)，大筒(2)，带上盖的小筒(3)恰能插入大筒，标尺(4)，小孔(5)，半透明成像光屏(6)，遮光布(7)，像大小参照点(8)，观察像的窗口(9)，对准太阳参照环(10)，电动机(11)，丝杆(12)，螺母(13)，竖直插片(14)，凹槽(15)，三脚架上的水平转盘(16)构成。

声光显示使用的光敏元件固定于大筒内半透明成像光屏(6)上，电子电路和扬声器在小盒内，并固定于基板上。

智能作用使用的器件为单片机，并固定于基板上。

将竖直插片(14)插入凹槽(15)，拧上螺丝作转轴，大筒(2)和小筒(3)可绕转轴在竖直平面内转动对准太阳。

三角架上的水平转盘(16)可水平转动，使大筒、小筒对准太阳。

凹槽(15)与水平转盘(16)相固定。

(10)是对准太阳参照环，当右上环的影子与左下环完全重合时说明小筒(3)和大筒(2)已对准太阳。

太阳光通过小孔(5)在半透明成像光屏(6)上成太阳的像，即圆形光斑，太阳直径是可查到的已知值，圆形光斑直径可量出。

电动机(11)转动，带动丝杆(12)转动，螺母(13)与小筒(3)固定，丝杆(12)转动通过螺母(13)带动小筒(3)从大筒(2)中拉出或进一步插入，从而改变小孔(5)至半透明成像光屏(6)的距离，此距离可量出。按相似三角形对应线段成比例，计算出不同时刻地球和太阳间的距离，绘制出地球公转椭圆轨道。

丝杆转动限位环(23)固定在基板上，丝杆能在(23)内平稳转动。

大筒固定限位环(24)与基板固定，电动机(11)外壳与基板固定。

小筒滑动限位环(25)与基板固定，确保小筒(3)在环内精准滑动。

标尺(4)可直接显示小孔(5)至半透明成像光屏(6)的距离，要使光屏(6)上成的像直径为定值，由于太阳离地球距离一年内不断变化的，小筒插入大筒的深度必须变化。标尺上也可显示：通过计算得到的相应的小孔至太阳的距离。

在太阳所成像即圆形光斑周边上选取三点，安置微型光敏元件，与三个独立的电子电路构成三个光控讯响器，提示光斑大小范围。

电动机的正转和反转由单片机智能控制，预先设定程序电动机反复多次正转和反转，小筒反复往复运动，获取光斑大小最接近设定的值的时候小孔(5)至半透明成像光屏(6)间的距离，使测量值更精准。

本发明突出的实质性特点和显著进步是：

1、应用简单的小孔成像、相似三角形计算的方法和巧妙的易普及的机械结构，解决了测定日地间距离，绘制地球公转椭圆轨道。

2、依托基板，电动机、丝杆、螺帽结构带动小筒在大筒中十分平稳地伸缩，调整像(光斑)与小孔间距离，确保小筒、大筒对准太阳。

3、用肉眼观察光斑大小；使用光敏元件和电子电路从光控讯响器的发声判断：光斑(太阳的像)是否与设定的大小相同。光斑大小用声光两种显示判断更精确。

4、应用单片机实现智能控制：按预先设定的程序使小筒在大筒中反复往复运动，便于获取光斑大小最接近预定的大小的时刻(为了便于研究光斑大小调节为定值，变化的是像与小孔间距离)；便于多次读数取平均值，减小误差。

5、像与小孔间距离直接从标尺读出，太阳至小孔距离(日地间距离)也可直接从标尺读出(日地距离通过计算对应地显示在标尺上)。

附图说明

图1：本发明整体结构图

图2：本发明相似三角形示意图(太阳在离地球较处)

(17)表示太阳直径，(18)表示太阳的像(即光斑)直径，(19)表示日地间距离，(20)表示像与小孔间距离。太阳直径视为不变可查到，某一天测量后，比例式中只有日地距离一个未知数可求出。

图3：本发明相似三角形示意图(太阳在离地球较近处)

太阳直径没有变，为研究方便调节到像(光斑)大小保持不变，日地间距离变为(21)小于(19)，测绘仪上显示像(光斑)至小孔的距离(22)一定小于(20)

具体实施方式

本发明是一种声光显示地球公转椭圆轨道智能测绘仪。

应用小孔成像的原理，太阳光经小孔在成像光屏上成圆形光斑，即太阳的像。从小孔至光屏需密封在圆筒内，圆筒底部用半透明光屏，圆筒顶部有密封盖，盖上开有小孔。观察像的区域用遮光布挡住筒外太阳光，在遮光布内看光斑更清晰，也可以在观察像的窗口观看光斑。

太阳的直径、光斑的直径、及两直径端点与小孔连线构成两个相似的三角形。太阳直径为定值，光斑直径可量出，光斑与小孔间距离可量出，实际上从标尺读出，对应线段成比例，计算出太阳至小孔即太阳至地球的距离。测量和计算出不同日期日地间距离，绘制出地球公转椭圆轨道。

实际测绘时，调节到不同日期像的大小保持不变便于研究，由于太阳大小不变，而日地间距离在变，所以必调节小孔至成像光屏的距离，所以用小筒插入大筒的不同深度来调节小孔至成像光屏的距离。

制作：基板(1)，大筒(2)通过固定环(24)固定在基板(1)上，带上盖的小筒(3)恰能插入大筒，小筒恰能在大筒中滑动，小筒恰能在滑动环(25)内滑动，滑动环(25)固定在基板上，以上结构确保大筒稳固、小筒滑动精准。

加工小孔(5)。

制作标尺(4)，直接显示小筒拉伸至不同位置小孔至光屏的距离。在设定像即光斑大小不变的情况下研究，因此在标尺上直接标明对应的计算得出的太阳至小孔的距离。因太阳

直径为已知的定值，光斑直径可量出且调节至定值，小孔至光屏距离可量出，比例式中只有日地间距离为未知数，一定可算出。

制作：半透明成像光屏(6)，遮光布(7)，像大小参照点(8)，观察像的窗口(9)，对准太阳参照环(10)，

将电动机(11)固定在基板上，安装丝杆(12)，丝杆上安装螺母(13)，螺母外侧固定在小筒(3)上，电动机带通丝杆转动，丝杆转动通过螺母带动小筒做伸缩式直线运动。

竖直插片(14)，插入凹槽(15)，竖插片的孔和凹槽的孔对准并插入螺丝作转轴。螺丝拧上螺帽。

选用足夠高度和坚固的三脚架，使三脚架上的水平转盘(16)能在水平平面内转动。

竖直转动、水平转动使大筒(2)、小筒(3)对准太阳。

制作对准太阳参照环(10)，当右上环的影子与左下环完全重合时说明小筒(3)和大筒(2)已对准太阳。

安装丝杆转动限位环(23)，并将(23)外侧固定在基板上，丝杆能在(23)内平稳转动。

安装大筒固定限位环(24)，(24)与基板固定。

在大筒(2)内太阳所成像即圆形光斑周边可选取三点，分别安置微型光敏元件，例如光敏电阻，并分别与三个独立的电子电路构成三个光控讯响器，发出不同频率的声音和不同颜色的LED发光提示光斑大小范围。电子电路和扬声器在小盒内并固定于基板上。

电动机的正转和反转由单片机智能控制，预先设定的程序反复多次正转和反转，小筒在大筒内反复多次往复运动，从而获取光斑(太阳的像)的大小最接近设定值时小孔(5)至光屏(6)的距离的值，算出日地间距离，使测量精准。也可以多次测量算出平均值，减小误差。

根据一年中不同日期测量出的日地间距离，绘制地球公转椭圆轨道。