十字窺管透明的球體時間節(jié)氣日晷的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種通過由物體在陽光下的影子來測定時間、節(jié)氣的赤道式日晷。本實(shí)用新型十字窺管透明的球體形時間節(jié)氣日晷，包括底座、調(diào)節(jié)與固定裝置、透明的球體、窺管、套環(huán)，透明的球體為空心部件，球面上標(biāo)有一組時間經(jīng)圈與一組節(jié)氣緯圈，時間經(jīng)圈交于南北兩極，窺管為空心不透明圓筒形，半徑較小且穿過時間經(jīng)圈兩極，窺管內(nèi)設(shè)窺孔，正對北極星，套環(huán)不透明，套于窺管外，套環(huán)圓心位于透明的球體球心處，套環(huán)半徑略大于窺管半徑，窺管與套環(huán)組成十字形外觀。太陽光線將窺管的影子投射到透明的球體球面上，由其所在時間經(jīng)圈的刻度讀出時間，可以隨時由套環(huán)影子所在節(jié)氣緯圈的刻度讀出節(jié)氣，而不必局限于正午時分，本實(shí)用新型適用于赤道及赤道以北地區(qū)。
【專利說明】十字窺管透明的球體時間節(jié)氣日晷
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種天文演示儀器，特別是涉及一種運(yùn)用物體在太陽下的影子的位置測定時間與節(jié)氣的十字窺管透明的球體時間節(jié)氣日晷。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)用于在陽光下物體的影子的天文儀器主要有兩種:一種是石制的圭表，圭表是根據(jù)正午日影的長短測定季節(jié)、全年日數(shù)，可以推算歷法等，傳統(tǒng)圭表只有正午才能測量節(jié)氣；另一種是石制的日晷，日晷有東西日晷、水平日晷和赤道日晷等，其工作原理是根據(jù)晷針在太陽下的影子投射到晷面上，由影子的方位讀出時間。我國特色的赤道式日晷只能測時間，不能測節(jié)氣，而且傳統(tǒng)日晷的缺點(diǎn)是:形體較大，而且不易安裝，現(xiàn)代很多地方的日晷僅作為一種陳設(shè)，而不能準(zhǔn)確度量時間，失去其科學(xué)與教育價值。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種美觀、安裝簡便、適用于赤道及赤道以北地區(qū)，在太陽下能隨時測知時間與節(jié)氣的十字窺管透明的球體形時間節(jié)氣日晷。
[0004]本實(shí)用新型十字窺管透明球體時間節(jié)氣日晷，包括底座、調(diào)節(jié)與固定裝置、透明的球體、窺管、套環(huán)，所述透明的球體、窺管均為空心部件，其中透明的球體由透明材料制成，窺管與套環(huán)由不透明材料制成，所述透明的球體球面上標(biāo)有一組時間經(jīng)圈和一組節(jié)氣緯圈，時間經(jīng)圈交于南極S與北極N，時間經(jīng)圈每15度表示I小時，每30度表示一個時辰，在與觀測地地平面垂直的時間經(jīng)圈靠地面一側(cè)標(biāo)注:午/ 12時，靠天空一側(cè)標(biāo)注:子/ O時；自南極S向北極N看，自子/ O時時間經(jīng)圈起，按逆時針方向每隔15度依次標(biāo)注:1時、丑/2時、3時、寅/ 4時、5時、卯/ 6時、7時、辰/ 8時、9時、巳/ 10時、11時、午/ 12時、13時、未/ 14時、15時、申/ 16時、17時、酉/ 18時、19時、戌/ 20時、21時、亥/ 22時、23時。
[0005]透明的球體上的節(jié)氣緯圈面與時間經(jīng)圈面垂直,大圓緯圈表示春分/秋分時節(jié)，自春分/秋分節(jié)氣緯圈向南依次在5.9度緯圈處標(biāo)注:清明/白露，在11.47度緯圈處標(biāo)注:谷雨/處暑，在16.35度緯圈處標(biāo)注:立夏/立秋，在20.15度緯圈處標(biāo)注:小滿/大暑，在22.58度緯圈處標(biāo)注:芒種/小暑，在23.43度緯圈處標(biāo)注:夏至；自春分/秋分節(jié)氣緯圈向北依次在5.9度緯圈處標(biāo)注:驚蟄/寒露，在11.47度緯圈處標(biāo)注:雨水/霜降，在16.35度緯圈處標(biāo)注:立春/立冬，在20.15度緯圈處標(biāo)注:大寒/小雪，在22.58度緯圈處標(biāo)注:小寒/大雪，在23.43度緯圈處標(biāo)注:冬至。
[0006]窺管從透明的球體南極S與北極N處穿出，窺管半徑較小，窺管內(nèi)設(shè)窺孔，窺管經(jīng)過透明的球體球心位置且與節(jié)氣緯圈面垂直，窺管外側(cè)中間位置設(shè)有套環(huán)，套環(huán)的圓心與透明的球體球心重合。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型適用于赤道及赤道以北地區(qū)，在夜間安裝，由調(diào)節(jié)與固定裝置調(diào)節(jié)窺管角度，使窺管的窺孔正對北極星，則窺管與地球地軸平行?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0008]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖2為本實(shí)用新型十字窺管球形時間節(jié)氣日晷的窺管示意圖；
[0010]圖3為本實(shí)用新型十字窺管球形時間節(jié)氣日晷的節(jié)氣緯圈度數(shù)計(jì)算原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖1-3所示，本實(shí)用新型一種十字窺管球形時間節(jié)氣日晷，包括底底座1、調(diào)節(jié)與固定裝置2、透明的球體3、窺管4、套環(huán)5，所述透明的球體3為空心部件，窺管4為不透明部件，半徑較小，窺管4內(nèi)設(shè)有窺孔6，套環(huán)5固定在窺管4的外側(cè)中間位置，套環(huán)5的圓心與透明的球體3的球心重合，套環(huán)5由不透明材料制作，其半徑略大于窺管4的半徑，窺管4所在直線與套環(huán)5所在平面互相垂直，構(gòu)成十字形外觀。透明的球體3球面上標(biāo)有一組時間經(jīng)圈7和一組節(jié)氣緯圈8，時間經(jīng)圈7交于兩極，分別為南極S和北極N，時間經(jīng)圈7每15度表示I小時，每30度表示一個時辰。節(jié)氣緯圈8所在平面與時間經(jīng)圈7所在平面垂直，節(jié)氣緯圈8中的大圓緯圈表示春分/秋分節(jié)氣，春分/秋分節(jié)氣緯圈面與套環(huán)5所在平面重合。窺管4從透明的球體3的南極S與北極N穿出，窺管5經(jīng)過透明的球體3的球心位置且與節(jié)氣緯圈8中的緯圈所在平面垂直。透明的球體3的兩極部位由調(diào)節(jié)與固定裝置2將其固定在底座I上，調(diào)節(jié)與固定裝置2用于在安裝時調(diào)節(jié)窺管4的仰角大小。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型適合赤道以北地區(qū)測定時間與節(jié)氣，安裝方便，在晴朗的夜間，由調(diào)節(jié)與固定裝置2使窺管4的窺孔6正對北極星，因?yàn)楸睒O星位于地球地軸所在直線上，因此安裝好的十字窺管透明的球體時間節(jié)氣日晷的窺管4所在直線與地球地軸平行，安裝時使透明的球體3的南極S在南面，北極N在北面。透明的球體3自春分/秋分節(jié)氣緯圈向南極S方向依次在5.9度緯圈處標(biāo)注:清明/白露，在11.47度緯圈處標(biāo)注:谷雨/處暑，在16.35度緯圈處標(biāo)注:立夏/立秋，在20.15度緯圈處標(biāo)注:小滿/大暑，在22.58度緯圈處標(biāo)注:芒種/小暑，在23.43度緯圈處標(biāo)注:夏至；自春分/秋分節(jié)氣緯圈向北極N方向依次在5.9度緯圈處標(biāo)注:驚蟄/寒露，在11.47度緯圈處標(biāo)注:雨水/霜降，在16.35度緯圈處標(biāo)注:立春/立冬，在20.15度緯圈處標(biāo)注:大寒/小雪，在22.58度緯圈處標(biāo)注:小寒/大雪，在23.43度緯圈處標(biāo)注:冬至。在與觀測地地平面垂直的時間經(jīng)圈靠地面一側(cè)標(biāo)注:午/ 12時，靠天空一側(cè)標(biāo)注:子/ O時；自南向北看，自子/ O時時間經(jīng)圈起，按逆時針方向每隔15度依次標(biāo)注:1時、丑/ 2時、3時、寅/ 4時、5時、卯/ 6時、7時、辰/ 8時、9時、巳/ 10時、11時、午/ 12時、13時、未/ 14時、15時、申/ 16時、17時、酉/ 18時、19時、戌/ 20時、21時、亥/22時、23時。
[0013]太陽光線穿過透明的球體3，將窺管4與套環(huán)5的影子投射到透明的球體3的球面上，由窺管5的影子所在的時間經(jīng)線7的刻度讀出時間，由套環(huán)5的影子所在節(jié)氣緯圈8的刻度讀出節(jié)氣。與現(xiàn)在技術(shù)相比，本方案能在有陽光照射時的任意時間讀出節(jié)氣，而不必局限于正午時分。
[0014]我們知道，按平太陽時太陽在地球上的直射緯度在一天中保持不變，但一天中太陽直射點(diǎn)的經(jīng)度在不斷變化。若太陽直射觀測地，則為地方時正午時分，太陽直射點(diǎn)經(jīng)度每移動15度的時間為I小時，自觀測地所在經(jīng)線開始，向東每隔15度依次為11時、10時、9時、8時等，向西每隔15度依次為13時、14時、15時等，而物體的影子的移動方向與太陽直射點(diǎn)的移動方向正好相反。太陽直射點(diǎn)緯度不同則節(jié)氣不同。
[0015]本方案的優(yōu)點(diǎn)還在于無論太陽直射南半球還是北半球，窺管4與套環(huán)5在太陽下均會在球面上有影子而不遮擋。
[0016]下面通過地球與太陽的相對運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行解析，以便理解上述技術(shù)方案。
[0017]地球與太陽之間的位置關(guān)系與地球的運(yùn)動有關(guān)，地球的運(yùn)動主要有兩種，繞過南北兩極的地軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動和繞太陽的公轉(zhuǎn)運(yùn)動。地球自轉(zhuǎn)從北往下看是逆時針方向或自西向東方向，但地球上的人們習(xí)慣上認(rèn)為是太陽繞地球轉(zhuǎn)動，太陽在天空中自東向西運(yùn)動，使一天中的時間不斷變化，太陽直射點(diǎn)所在經(jīng)度每移動15度為一小時，太陽直射某地時，過該地經(jīng)線上的所有地區(qū)都是地方時正午12時。由于地球繞太公轉(zhuǎn)的黃道面與地球的赤道面之間有23.43度夾角，這樣地球在黃道上的運(yùn)動使太陽直射點(diǎn)在地球上南、北回歸線之間來回移動，一年一個周期，導(dǎo)致地球上一年有四季的變更或節(jié)氣變化。太陽直射點(diǎn)的緯度不同，則節(jié)氣不同，如太陽直射赤道時，為春分或秋分節(jié)氣，太陽直射北回線時為夏至節(jié)氣，一般可以認(rèn)為一天中太陽直射點(diǎn)的緯度不變。由于太陽與地球之間的距離很遠(yuǎn)，所以太陽光照到地球上每一個地方的光線都是互相平行的，即地球上任意地方的太陽光線都與直射點(diǎn)的那束太陽光線平行。由于本方案中透明的球體3內(nèi)的窺管4與地軸平行，春分/秋分節(jié)氣緯圈面與赤道面平行，太陽照射到本方案透明的球體3上的光線與透明的球體3上的春分/秋分節(jié)氣緯圈面所成的角度和太陽直射點(diǎn)緯度一致，由于太陽在一天中的直射緯度是不變的，所以一天中本方案套環(huán)5的影子沿透明的球體3球在上某條節(jié)氣緯圈運(yùn)動，因此可以用本方案所述的套環(huán)5的影子投射到透明的球體3的球面上節(jié)氣緯圈8的刻度來度量太陽的直射位置，從而測定節(jié)氣。太陽光線照射到本方案透明的球體3球面上時間經(jīng)圈與太陽光線在地球上直射點(diǎn)經(jīng)線相對應(yīng)，可以用本方案所述的窺管4的影子投射到透明的球體3的球面上時間經(jīng)圈8的刻度來度量太陽的直射經(jīng)度，從而測定時間。
[0018]下面結(jié)合圖3說明各節(jié)氣太陽直射緯度數(shù)的確定方法，如圖3，地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道為黃道，可視黃道為圓，地球在黃道上繞太陽每移動15度角為一個節(jié)氣。黃道面與地球赤道面成23.43度的角，黃道面與赤道面交于AB,太陽位于黃道圓心F點(diǎn)處,若地球位于黃道上E點(diǎn)處，設(shè)E點(diǎn)在赤道面上的正射影為D點(diǎn)，過D點(diǎn)作DC垂直于AB，垂足為C，連結(jié)EC，設(shè)角AFE為Θ，則Θ為太陽離開二分日的角度，設(shè)角EFD為Ω，則Ω為太陽在地球上直射點(diǎn)的諱度數(shù)，由圖3中的幾何模型知sinQ=sin23.43.sin θ，由此公式計(jì)算出節(jié)氣諱圈標(biāo)注的緯度數(shù)。
[0019]以上所述的實(shí)施例僅僅是對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對本實(shí)用新型的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實(shí)用新型設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實(shí)用新型權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種十字窺管透明的球體時間節(jié)氣日晷，其特征在于:包括底座(I)、調(diào)節(jié)與固定裝置(2)、透明的球體(3)、窺管(4)、套環(huán)(5)，所述透明的球體(3)和窺管(4)為空心部件，透明的球體⑶由透明材料制成，窺管⑷和套環(huán)(5)由有色材料制成，透明的球體(3)的球面上標(biāo)有一組時間經(jīng)線(7)，時間經(jīng)線(7)交于兩極，分別標(biāo)為南極S與北極N，窺管(4)從透明的球體⑶的兩極穿出，套環(huán)(5)位于窺管⑷中間，套環(huán)(5)的圓心與透明的球體(3)的球心重合，透明的球體(3)的兩極邊上設(shè)有調(diào)節(jié)與固定裝置(2)，所述的透明的球體(3)由調(diào)節(jié)與固定裝置將其固定在底座(I)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字窺管透明的球體時間節(jié)氣日晷，其特征在于:所述的時間經(jīng)線(7)上每15度表示I小時，每30度表示一個時辰，自南極S向北極N看，按逆時針方向自上向下依次標(biāo)注:子/ O時、I時、丑/ 2時、3時、寅/ 4時、5時、卯/ 6時、7時、辰/8時、9時、巳/ 10時、11時、午/ 12時、13時、未/ 14時、15時、申/ 16時、17時、酉/ 18時、19時、戌/ 20時、21時、亥/ 22時、23時。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的十字窺管透明的球體時間節(jié)氣日晷，其特征在于:所述透明的球體(3)的球面上標(biāo)有一組節(jié)氣緯圈(8)，節(jié)氣緯圈(8)的圓面與時間經(jīng)圈(7)的圓面互相垂直，節(jié)氣緯圈(8)的大圓上標(biāo)注:春分/秋分，春分/秋分緯圈為O度緯圈，自春分/秋分節(jié)氣緯圈向南極S方向依次在5.9度緯圈處標(biāo)注:清明/白露，在11.47度緯圈處標(biāo)注:谷雨/處暑，在16.35度緯圈處標(biāo)注:立夏/立秋，在20.15度緯圈處標(biāo)注:小滿/大暑，在22.58度緯圈處標(biāo)注:芒種/小暑，在23.43度緯圈處標(biāo)注:夏至；自春分/秋分節(jié)氣緯圈向北極N方向依次在5.9度緯圈處標(biāo)注:驚蟄/寒露，在11.47度緯圈處標(biāo)注:雨水/霜降，在16.35度緯圈處標(biāo)注:立春/立冬，在20.15度緯圈處標(biāo)注:大寒/小雪，在22.58度緯圈處標(biāo)注:小寒/大雪，在23.43度緯圈處標(biāo)注:冬至。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的十字窺管透明的球體時間節(jié)氣日晷，其特征在于:窺管(4)經(jīng)過透明的球體(3)的球心位置且與節(jié)氣緯圈(8)所在平面垂直，窺管(4)的圓筒內(nèi)設(shè)有窺孔(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的十字窺管透明的球體時間節(jié)氣日晷，其特征在于:所述套環(huán)(5)的半徑大于窺管(4)的半徑，窺管(4)所在直線與套環(huán)(5)所在平面互相垂直，套環(huán)(5)與窺管(4)組成十字形結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G04B49/00GK203587982SQ201320649355
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】汪和平 申請人:汪和平