十字窺管透明圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過(guò)物體在陽(yáng)光下的影子來(lái)測(cè)定時(shí)間、節(jié)氣的赤道式日晷。本發(fā)明十字窺管透明圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷，包括底座、調(diào)節(jié)與固定裝置、透明圓柱體、窺管、套環(huán)，透明圓柱體為空心部件，其側(cè)面上標(biāo)有一組時(shí)間母線與一組節(jié)氣圓圈，時(shí)間母線為透明圓柱體母線，節(jié)氣圓圈與透明圓柱體兩底平行，窺管為圓筒形，半徑較小且不透明，窺管從透明圓柱體兩底面中心穿出，內(nèi)設(shè)窺孔，正對(duì)北極星，窺管外位于透明圓柱體軸的中點(diǎn)處設(shè)有半徑略大于窺管半徑的不透明套環(huán)，窺管與套環(huán)組成十字形外觀。由窺管的影子所在的時(shí)間母線的刻度讀出時(shí)間，可以隨時(shí)由套環(huán)的影子所在的節(jié)氣圓圈刻度讀出節(jié)氣，而不必局限于正午時(shí)分。
【專利說(shuō)明】十字窺管透明圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明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(yáng)下的影子的位置測(cè)定時(shí)間與節(jié)氣的十字窺管透明圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)用于在陽(yáng)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(zhǎng)短測(cè)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(cè)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(yáng)下的影子投射到晷面上，由影子的方位讀出時(shí)間。我國(guó)特色的赤道式日晷只能測(cè)時(shí)間，不能測(cè)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(shí)間，失去其科學(xué)與教育價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種美觀、安裝簡(jiǎn)便、適用于赤道及赤道以北地區(qū)，在太陽(yáng)下能隨時(shí)測(cè)知時(shí)間與節(jié)氣的十字窺管圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷。
[0004]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:
[0005]一種十字窺管透明圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷，包括底座、調(diào)節(jié)與固定裝置、透明圓柱體、窺管、套環(huán)，所述透明圓柱體和窺管為空心部件，透明圓柱體由透明材料制成，窺管和套環(huán)由有色材料制成，窺管從透明圓柱體的兩底面中心穿出，套環(huán)位于窺管外側(cè)中間位置，套環(huán)的圓心與透明圓柱體的軸的中點(diǎn)重合，所述透明圓柱體兩底邊緣處固定在底座與調(diào)節(jié)與固定裝置上。
[0006]所述透明圓柱體兩底面中心分別為南極S與北極N，透明圓柱體側(cè)面上標(biāo)有一組時(shí)間母線，時(shí)間母線繞軸每旋轉(zhuǎn)15度表示I小時(shí)，每旋轉(zhuǎn)30度表示一個(gè)時(shí)辰，自南極S向北極N看，按逆時(shí)針?lè)较蜃陨舷蛳乱来螛?biāo)注:子/ O時(shí)、I時(shí)，丑/ 2時(shí)、3時(shí)，寅/ 4時(shí)、5時(shí)，卯/6時(shí)、7時(shí)，辰/ 8時(shí)、9時(shí)，巳/ 10時(shí)、11時(shí)，午/ 12時(shí)、13時(shí)，未/ 14時(shí)、15時(shí)，申/16時(shí)、17時(shí)，酉/ 18時(shí)、19時(shí)，戌/ 20時(shí)、21時(shí)，亥/ 22時(shí)、23時(shí)。
[0007]所述透明圓柱體上標(biāo)有一組節(jié)氣圓圈，節(jié)氣圓圈的每個(gè)圓面與透明圓柱體的兩底面平行且與時(shí)間母線互相垂直，透明圓柱體側(cè)面正中間的節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:春分/秋分，若透明圓柱體底面半徑為R，則自春分/秋分節(jié)氣圓圈向南極S方向依次在與其相距0.31R處的圓圈上標(biāo)注:清明/白露，與其相距0.61R處圓圈上標(biāo)注:谷雨/處暑，與其相距0.88R處圓圈上標(biāo)注:立夏/立秋，與其相距1.1R處圓圈上標(biāo)注:小滿/大暑，與其相距1.25R處圓圈上標(biāo)注:芒種/小暑，與其相距1.3R處圓圈上標(biāo)注:夏至；自春分/秋分節(jié)氣圓圈向北極N方向依次在與其相距0.31R處圓圈上標(biāo)注:驚蟄/寒露，與其相距0.61R處圓圈上標(biāo)注:雨水/霜降，與其相距0.88R處圓圈上標(biāo)注:立春/立冬，與其相距1.1R處圓圈上標(biāo)注:大寒/小雪，與其相距1.25處圓圈上標(biāo)注:小寒/大雪，與其相距1.3R處圓圈上標(biāo)注:冬至。[0008]窺管從透明圓柱體的兩極S與N處穿出，窺管為空心圓筒形部件，窺管內(nèi)設(shè)有窺孔。
[0009]在窺管位于兩極S與N的中點(diǎn)處設(shè)有套環(huán)，套環(huán)為有色部件，其套環(huán)半徑大于窺管半徑，窺管所在直線與套環(huán)所在平面垂直，窺管與套環(huán)組成十字形結(jié)構(gòu)。
[0010]由調(diào)節(jié)與固定裝置將透明圓柱體的兩底面邊緣處固定在底座上，調(diào)節(jié)與固定裝置用于在安裝時(shí)調(diào)節(jié)窺管的仰角大小，使窺孔正對(duì)北極星。
[0011]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明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)窺管的角度，使窺孔正對(duì)北極星，則窺管與地球地軸平行。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明十字窺管圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本發(fā)明十字窺管圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷的窺管示意圖；
[0014]圖3為本發(fā)明十字窺管圓柱形時(shí)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】
[0015]如圖1、圖2所示，本發(fā)明一種十字窺管圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷，包括底底座1、調(diào)節(jié)與固定裝置2、透明圓柱體3、窺管4、套環(huán)5，所述透明圓柱體3為空心部件，透明圓柱體3的兩底面中心分別為南極S與北極N，窺管4為不透明圓筒形部件，半徑較小，窺管4從透明圓柱體3的兩極穿出，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)中點(diǎn)處,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。所述透明圓柱體3固定在底座I上，由調(diào)節(jié)與固定裝置2調(diào)節(jié)窺管4的角度。透明圓柱體3上標(biāo)有一組時(shí)間母線7和一組節(jié)氣圓圈8，時(shí)間母線7每15度表示I小時(shí),每30度表示一個(gè)時(shí)辰。節(jié)氣圓圈8所在平面與時(shí)間母線7垂直，透明圓柱體側(cè)面正中間的節(jié)氣圓圈表示春分/秋分節(jié)氣，春分/秋分節(jié)氣圓圈面與套環(huán)5所在平面重合。透明圓柱體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(shí)調(diào)節(jié)窺管4的仰角大小。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明適合赤道以北地區(qū)測(cè)定時(shí)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調(diào)節(jié)窺管5的仰角，使窺孔6正對(duì)北極星，因?yàn)楸睒O星位于地球地軸所在直線上，所以安裝好的十字窺管透明圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷的窺管5所在直線與地球地軸平行，安裝時(shí)使透明圓柱體3的南極S在南面，北極N在北面。若透明圓柱體3底面半徑為R，則自春分/秋分節(jié)氣圓圈向南極S方向依次在與其相距0.3IR處的節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:清明/白露，與其相距0.61R處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:谷雨/處暑，與其相距0.88R處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:立夏/立秋，與其相距1.1R處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:小滿/大暑，與其相距1.25R處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:芒種/小暑，與其相距1.3R處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:夏至；自春分/秋分節(jié)氣節(jié)氣圓圈向北極N方向依次在與其相距0.3IR處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:驚蟄/寒露，與其相距
0.61R處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:雨水/霜降，與其相距0.88R處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:立春/立冬，與其相距1.1R處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:大寒/小雪，與其相距1.25處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:小寒/大雪，與其相距1.3R處節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:冬至。在透明圓柱體3靠天空一側(cè)的最上方的時(shí)間母線上標(biāo)注:子/0時(shí)；自南極S向北極N看，自子/ O時(shí)時(shí)間母線起，按逆時(shí)針?lè)较驎r(shí)間母線繞透明圓柱體3的軸每旋轉(zhuǎn)15度所得母線上依次標(biāo)注:1時(shí)、丑/ 2時(shí)、3時(shí)、寅/4時(shí)、5時(shí)、卯/ 6時(shí)、7時(shí)、辰/ 8時(shí)、9時(shí)、巳/ 10時(shí)、11時(shí)、午/ 12時(shí)、13時(shí)、未/ 14時(shí)、15時(shí)、申/ 16時(shí)、17時(shí)、酉/ 18時(shí)、19時(shí)、戌/ 20時(shí)、21時(shí)、亥/ 22時(shí)、23時(shí)。
[0017]太陽(yáng)光線穿過(guò)透明圓柱體3，將窺管4與套環(huán)5的影子投射到透明圓柱體3的側(cè)面上，由窺管5的影子所在的時(shí)間母線7的刻度讀出時(shí)間，由套環(huán)5的影子所在的節(jié)氣圓圈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(yáng)光照射時(shí)的任意時(shí)間讀出節(jié)氣，而不必局限于正午時(shí)分。
[0018]我們知道，按平太陽(yáng)時(shí)太陽(yáng)在地球上的直射緯度在一天中保持不變，但一天中太陽(yáng)直射點(diǎn)的經(jīng)度在不斷變化。若太陽(yáng)直射觀測(cè)地，則為地方時(shí)正午時(shí)分，太陽(yáng)直射點(diǎn)經(jīng)度每移動(dòng)15度的時(shí)間為I小時(shí)，自觀測(cè)地所在經(jīng)線開始，向東每隔15度依次為11時(shí)、10時(shí)、9時(shí)、8時(shí)等，向西每隔15度依次為13時(shí)、14時(shí)、15時(shí)等，而物體的影子的移動(dòng)方向與太陽(yáng)直射點(diǎn)的移動(dòng)方向正好相反。太陽(yáng)直射點(diǎn)緯度不同則節(jié)氣不同。
[0019]下面通過(guò)地球與太陽(yáng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行解析，以便理解上述技術(shù)方案。
[0020]地球與太陽(yáng)之間的位置關(guān)系與地球的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，地球的運(yùn)動(dòng)主要有兩種，繞過(guò)南北兩極的地軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。地球自轉(zhuǎn)從北往下看是逆時(shí)針?lè)较蚧蜃晕飨驏|方向，但地球上的人們習(xí)慣上認(rèn)為是太陽(yáng)繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽(yáng)在天空中自東向西運(yùn)動(dòng)，使一天中的時(shí)間不斷變化。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(dòng)使太陽(yáng)直射點(diǎn)在地球上南、北回歸線之間來(lái)回移動(dòng)，一年一個(gè)周期，導(dǎo)致地球上一年有四季變更或節(jié)氣變化。太陽(yáng)直射某地時(shí)，過(guò)該地經(jīng)線上的所有地區(qū)都是地方時(shí)正午12時(shí)。太陽(yáng)直射點(diǎn)的緯度不同，則節(jié)氣不同，如太陽(yáng)直射赤道時(shí)，為春分或秋分節(jié)氣，太陽(yáng)直射北回線時(shí)為夏至節(jié)氣。由于太陽(yáng)與地球之間的距離很遠(yuǎn)，所以太陽(yáng)光照到地球上每一個(gè)地方的光線都是互相平行的，即地球上任意地方的太陽(yáng)光線都與直射點(diǎn)的那束太陽(yáng)光線平行。因此可以用本方案所述的窺管4與套環(huán)5的影子投射到透明圓柱體3的側(cè)面上時(shí)間母線7與節(jié)氣圓圈8的刻度來(lái)度量太陽(yáng)的直射位置，從而測(cè)定時(shí)間與節(jié)氣。由于本方案中透明圓柱體3的軸與地軸平行，春分/秋分節(jié)氣圓圈面與赤道面平行，因此每隔15度的時(shí)間母線表示一小時(shí)，太陽(yáng)照射到本方案透明圓柱體3上的光線與透明圓柱體3上的春分/秋分節(jié)氣圓圈面所成的角度和太陽(yáng)直射緯度一致，由于太陽(yáng)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的影子在透明圓柱體3側(cè)面上某條節(jié)氣圓圈上運(yùn)動(dòng)。
[0021]本方案的優(yōu)點(diǎn)還在于無(wú)論太陽(yáng)直射南半球還是北半球，窺管4和套環(huán)5均會(huì)在透明圓柱體3的側(cè)面上有影子，而且套環(huán)5的影子在透明圓柱體3的側(cè)面上的軌跡是某條節(jié)氣圓圈，所以只要有陽(yáng)光，可以隨時(shí)讀出節(jié)氣，而不必局限于正午。
[0022]下面結(jié)合圖3說(shuō)明各節(jié)氣太陽(yáng)直射緯度數(shù)的確定方法，如圖3，可視黃道為圓，地球在黃道上繞太陽(yáng)每移動(dòng)15度角為一個(gè)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(yáng)位于黃道圓心F點(diǎn)處,若地球位于黃道面上E點(diǎn)處,設(shè)E點(diǎn)在赤道上的正射影為D點(diǎn)，過(guò)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(yáng)離開二分日的角度，設(shè)角EFD為Ω，則Ω為太陽(yáng)在地球上直射點(diǎn)的緯度數(shù)，由圖3中的幾何模型知sin Ω =sin23.43.sin θ，由公式R.tan Ω計(jì)算出各節(jié)氣圓圈面與春分/秋分圓圈面之間距離。[0023]以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(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圓柱形時(shí)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)、透明圓柱體(3)、窺管(4)、套環(huán)(5)，所述透明圓柱體(3)和窺管(4)為空心部件，透明圓柱體(3)由透明材料制成，窺管(4)和套環(huán)(5)由有色材料制成，窺管(4)從透明圓柱體(3)的兩底面中心穿出，套環(huán)(5)位于窺管(4)外側(cè)中間位置，套環(huán)(5)的圓心與透明圓柱體(3)的軸的中點(diǎn)重合，所述透明圓柱體(3)兩底邊緣處固定在底座(I)與調(diào)節(jié)與固定裝置⑵上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字窺管透明圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷，其特征在于:所述透明圓柱體(3)兩底面中心分別為南極S與北極N，透明圓柱體(3)側(cè)面上標(biāo)有一組時(shí)間母線(7)，時(shí)間母線(7)繞軸每旋轉(zhuǎn)15度表示I小時(shí)，每旋轉(zhuǎn)30度表示一個(gè)時(shí)辰，自南極S向北極N看，按逆時(shí)針?lè)较蜃陨舷蛳乱来螛?biāo)注:子/ O時(shí)、I時(shí)，丑/ 2時(shí)、3時(shí)，寅/時(shí)、5時(shí)，卯/6時(shí)、7時(shí)，辰/ 8時(shí)、9時(shí)，巳/ 10時(shí)、11時(shí)，午/ 12時(shí)、13時(shí)，未/ 14時(shí)、15時(shí)，申/ 16時(shí)、17時(shí)，酉/ 18時(shí)、19時(shí)，戌/ 20時(shí)、21時(shí)，亥/ 22時(shí)、23時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的十字窺管透明圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷，其特征在于:所述透明圓柱體(3)上標(biāo)有一組節(jié)氣圓圈(8)，節(jié)氣圓圈(8)的每個(gè)圓面與透明圓柱體(3)的兩底面平行且與時(shí)間母線(7)互相垂直，透明圓柱體(3)側(cè)面正中間的節(jié)氣圓圈上標(biāo)注:春分/秋分，若透明圓柱體(3)底面半徑為R，則自春分/秋分節(jié)氣圓圈向南極S方向依次在與其相距0.31R處的圓圈上標(biāo)注:清明/白露，與其相距0.61R處圓圈上標(biāo)注:谷雨/處暑，與其相距0.88R處圓圈上標(biāo)注:立夏/立秋，與其相距1.1R處圓圈上標(biāo)注:小滿/大暑，與其相距1.25R處圓圈上標(biāo)注:芒種/小暑，與其相距1.3R處圓圈上標(biāo)注:夏至；自春分/秋分節(jié)氣圓圈向北極N方向依次在與其相距0.3IR處圓圈上標(biāo)注:驚蟄/寒露，與其相距0.6IR處圓圈上標(biāo)注:雨水/霜降，與其相距0.88R處圓圈上標(biāo)注:立春/立冬，與其相距1.1R處圓圈上標(biāo)注:大寒/小雪，與其相距1.25處圓圈上標(biāo)注:小寒/大雪，與其相距1.3R處圓圈上標(biāo)注:冬至。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的十字窺管透明圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷，其特征在于:窺管(4)從透明圓柱體(3)的兩極S與N處穿出，窺管(4)為空心圓筒形部件，窺管(4)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圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷，其特征在于:在窺管(4)位于兩極S與N的中點(diǎn)處設(shè)有套環(huán)(5)，套環(huán)(5)為有色部件，其套環(huán)半徑大于窺管(4)半徑，窺管(4)所在直線與套環(huán)(5)所在平面垂直，窺管(4)與套環(huán)(5)組成十字形結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的十字窺管透明圓柱形時(shí)間節(jié)氣日晷，其特征在于:由調(diào)節(jié)與固定裝置(2)將透明圓柱體(3)的兩底面邊緣處固定在底座(I)上，調(diào)節(jié)與固定裝置(2)用于在安裝時(shí)調(diào)節(jié)窺管(4)的仰角大小，使窺孔(6)距對(duì)北極星。
【文檔編號(hào)】G09B19/12GK103513566SQ201310495031
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】汪匯川 申請(qǐng)人:汪匯川