測(cè)量天體地平高度及方位角的天球儀

張國(guó)新

天球儀是天文教學(xué)、天文科普的儀器，是指導(dǎo)人們海陸空航行的儀器。人們利用它表述天球的各種坐標(biāo)、天體的視運(yùn)動(dòng)及求解一些實(shí)用天文問(wèn)題，它能非常直觀(guān)地幫助我們理解天體的運(yùn)動(dòng)運(yùn)行情況，很多難以理解的天文問(wèn)題，通過(guò)天球儀演示便迎刃而解，所以它備受天文愛(ài)好者喜愛(ài)。

我在天文科普工作中經(jīng)常與天球儀打交道，與天球儀結(jié)下了不解之緣。上世紀(jì)80年代，那時(shí)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，天球儀很難買(mǎi)到，所以我于1986年制作出了第1個(gè)天球儀用于教學(xué)。后來(lái)，我又分別在2009年和2010年制作出了改進(jìn)后的天球儀。在天文科普講座中，受啟蒙的聽(tīng)眾常常提問(wèn)或是指著天球儀問(wèn)某星在天上什么位置，如何找到。一般地，根據(jù)天球儀的演示能大致估計(jì)判斷給出天體的大約地平高度和方位角位置。我常常想，如果我能夠說(shuō)出某天體準(zhǔn)確的數(shù)量化值那多好?。∷?，從2018年年初我便開(kāi)始著手研制新型天球儀，經(jīng)過(guò)1年多的精心設(shè)計(jì)制作，一臺(tái)能夠測(cè)量天體地平高度及方位角的新型天球儀終于研制成功（圖1）。

新型天球儀的組成

新型天球儀的組成包括底座、立柱、支架、地球模型、地平面模型、地平面支撐、滑動(dòng)鎖套及頂絲、連接支撐軸、方位角盤(pán)、天體地平高度圈及方位角線(xiàn)球、天頂垂線(xiàn)、天球模型、子午圈、地平圈、天地球極軸等。

新型天球儀的技術(shù)方案

新型天球儀采用的技術(shù)方案結(jié)合圖2和圖3加以說(shuō)明。

在天球模型內(nèi)設(shè)有圓形地平面模型，地平面模型上面設(shè)方位角盤(pán)，地平面模型下面設(shè)有地平面支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在地平面支撐上設(shè)有滑動(dòng)鎖套及頂絲。地平面模型上設(shè)有天體地平高度圈及方位角線(xiàn)球，該球是個(gè)半球，它的邊口與地平面模型邊緣固定連接，其上設(shè)置的地平高度圈均平行地平面模型。

在地球模型的赤道直徑兩端地平面模型東西方向安裝連接支撐軸，連接支撐軸固定在地平面模型上。在天體地平高度圈及方位角線(xiàn)球的正上方設(shè)天頂點(diǎn)，在天頂點(diǎn)處設(shè)天頂垂線(xiàn)，天頂垂線(xiàn)垂直地平面模型，指向地球模型球心。在天赤道上設(shè)有按每小時(shí)分成的24個(gè)刻度，每小時(shí)刻度內(nèi)分成60個(gè)分刻度，每一刻度對(duì)應(yīng)1分鐘時(shí)間。在子午圈上0。位置與天赤道對(duì)應(yīng)位置設(shè)有天赤道時(shí)間讀取指針，在黃道上設(shè)太陽(yáng)每日位置標(biāo)識(shí)的刻度。在天體地平高度圈及方位角線(xiàn)球的球面上過(guò)天頂點(diǎn)沿大圓線(xiàn)下垂至地平面模型上的方位角盤(pán)邊緣刻度處設(shè)有方位角線(xiàn)，方位角線(xiàn)刻度數(shù)與方位角盤(pán)刻度數(shù)一致，方位角線(xiàn)所在平面垂直地平面模型。

天地球極軸穿過(guò)地球模型和天球模型兩極。在地平高度圈及方位角線(xiàn)球上沿子午圈從地平面模型北點(diǎn)（北，標(biāo)注在地平圈上）起至天頂點(diǎn)開(kāi)有0°～90°寬度等于極軸直徑的豁口，以便調(diào)節(jié)極軸滑動(dòng)到相應(yīng)的緯度部位。

以上所述是天球儀在地球北半球使用時(shí)的情況，如果該天球儀在地球南半球使用，那么天球模型的南極點(diǎn)在地平面模型上面，互換地平圈上的南、北標(biāo)注使內(nèi)球豁口對(duì)準(zhǔn)地平圈上南點(diǎn)即可。地平面模型上的地平高度圈及方位角線(xiàn)球、方位角盤(pán)和天頂垂線(xiàn)，交相呼應(yīng)，相得益彰。天球模型和地平高度圈及方位角線(xiàn)球用透明工程塑料制成。

新型天球儀的使用方法

使用時(shí)，天球模型內(nèi)的天地球極軸與地平面模型所成的角要調(diào)節(jié)成與所演示的地理緯度一致。如果地理緯度是α，那么，天地球極軸與地平面模型的夾角就是α。調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)地平面模型下面的半圓環(huán)形地平面支撐上的角度刻線(xiàn)找好對(duì)應(yīng)的緯度位置值，把滑動(dòng)鎖套及頂絲滑動(dòng)到該位置擰緊固定，同時(shí)使地平面模型上面的天地球極軸滑動(dòng)到地平高度圈及方位角線(xiàn)球上的地平高度位置與地理緯度相等。然后，把天球模型的兩個(gè)半球的極點(diǎn)穿到天地球極軸上接合好固定，安裝到子午圈上，使天頂點(diǎn)與子午圈平面相重合。之后，把子午圈及其上裝置豎直地插入支架的3個(gè)卡口上，插入時(shí)對(duì)準(zhǔn)南北卡口，到位后，天球模型內(nèi)地平面模型與地平圈在同一平面。所在的地理緯度和經(jīng)度確定后，天體的位置與時(shí)間密切相關(guān)，時(shí)間不同天體的地平高度和方位角也不同。由于地球每4分鐘均勻轉(zhuǎn)1°，相對(duì)于天球每4分鐘繞著極軸轉(zhuǎn)1°，這樣，就可以根據(jù)某緯度某經(jīng)度某一天體的出或沒(méi)時(shí)間，或中天時(shí)間用該天球儀模擬演示任意時(shí)間的星空。太陽(yáng)是我們的常見(jiàn)天體，它的出、沒(méi)、中天時(shí)刻非常容易查得，或根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度推算太陽(yáng)中天時(shí)間。這樣，就可以以太陽(yáng)的出或沒(méi)或中天時(shí)間推演任意天體在任意時(shí)間的地平高度和方位角。

創(chuàng)新點(diǎn)

在天球模型內(nèi)第一次設(shè)置了地平面模型、地平高度圈、方位角線(xiàn)、方位角盤(pán)、天頂垂線(xiàn)、地平面支撐、地球模型與地平面模型連接支撐軸等。在天球模型上精確標(biāo)注時(shí)間推演計(jì)數(shù)刻度和太陽(yáng)每日動(dòng)態(tài)位置。天球模型使用2個(gè)能夠方便分開(kāi)和拼合的半球。

天球模型內(nèi)設(shè)置的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能夠調(diào)節(jié)天地球極軸與地平面模型成任意的夾角，適合在任意地理經(jīng)緯度位置演示天體位置的需要，精確確定天體地平高度和方位角數(shù)值，全球通用。

小結(jié)

新型天球儀能夠?qū)θ我馓祗w在任意時(shí)間、任意地理位置的地平高度和方位角作出精準(zhǔn)解答，使天文教學(xué)和天文科普如虎添翼。該項(xiàng)目申報(bào)發(fā)明專(zhuān)利國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局于2019年7月26日已公示。

該項(xiàng)目獲得第34屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類(lèi)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目制作了適合中小學(xué)天文學(xué)教學(xué)的可操作新型天球儀，將地球、星座等信息形象標(biāo)注在容易理解和操作的透明天球上，能夠有效進(jìn)行多種天文學(xué)知識(shí)的展示、教學(xué)和推演，提高學(xué)生學(xué)習(xí)天文學(xué)知識(shí)的興趣。項(xiàng)目具有較高水平，對(duì)傳統(tǒng)方法有實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，效果顯著，具有示范推廣價(jià)值，希望在制作工藝和演示手段方面作出改進(jìn)和提升。