一种月相演示仪的制作方法

：
1.本发明属于教学实验设备技术领域，具体涉及一种月相演示仪。


背景技术：

[0002]“月相和日月食”是日常生活中非常有趣的自然现象，也是地理教学中的重点内容。为了探究其成因，人们制作了教学仪器，来演示月相和日月食现象。目前，日月食演示仪较多，月相演示仪很少。月相，是地球上看到月亮被太阳照亮部分的称呼。人们肉眼可见，很直观。另外，文学作品里的“月有阴晴圆缺”，就是指“月相变化”。“十五的月亮十六圆”暗示月相和日期是一一对应的。
[0003]
为了准确演示月相变化，演示仪中就必须设计好地球、月亮轨道平面和轨道运动。我们知道，以太阳为不动的中心，地球绕太阳公转，周期为一个回归年，其轨道平面为黄道面。与此同时，月亮以地球为中心作周期运动，周期为29.5日，称之为一个朔望月，其轨道平面为白道面。黄、白道面不重合，而是成一角度，为5
°9′
。地球有自转，自转速度为15
°
/小时，转轴与黄道面成66
°
34
′
，所以赤道面与黄道面成23
°
26
′
。
[0004]
另外，每天月亮出现的时间会推迟，下山的时间也会推迟，月亮每天也在“月升月落”，但其时间范围目前还没有演示仪器来展示。


技术实现要素：

[0005]
本发明目的在于提供一种月相演示仪，演示一个朔望月中，月相的变化规律，以及“月升月落”的时间范围。
[0006]
为此，本发明采用如下技术方案：包括地球仪、月球轨道系统、手电筒、摄像头、智能手机；其中，所述月球轨道系统包括月相盘3、时间盘4、指针5、旋转轴6、横杆7、悬臂8、乒乓球9；实验中，乒乓球9通过旋转轴6绕地球2旋转，手电筒13水平照射乒乓球9，被照亮的部分用摄像头11拍摄，手机12显示图像，演示地面人观察到的月相。本发明通过月相盘3、时间盘4、指针5演示不同日期的月相形貌，以及演示月升月落的时间范围。
[0007]
进一步优选地，上述地球2绕自转轴21转动，赤道线23与所述自转轴垂直，且与水平面(地球公转黄道面)夹角为θ1＝23
°
26
′
。
[0008]
进一步优选地，上述旋转轴6与竖直方向夹角为θ2＝5
°9′
，横梁7垂直于旋转轴6，与悬臂8也垂直，乒乓球9绕地球2转动的平面，就是月球的公转平面，即白道面。
[0009]
进一步优选地，上述月相盘3固定在地球仪的半圆弧框上，盘上设计每根直径线间隔12度；上述横杆7绕旋转轴6转动，通过参考月相盘3，用于演示乒乓球(模拟月球)绕地球公转的角速度为12
°
/日。
[0010]
进一步优选地，上述月相盘3的上方设置一个时间盘4，盘上每根直径线间隔15度，与地球仪的经线相对应，表示地球自转角速度为15
°
/小时。
[0011]
进一步优选地，上述横杆7的上方，固定一个指针5，两者相垂直，对比指针5和时间盘4，可以演示每天月升月落的时间范围。
[0012]
进一步优选地，上述手电筒模拟太阳光，照射乒乓球9，手电筒的位置和高度可以自由调节。
[0013]
进一步优选地，上述摄像头11放置在地球2表面附近，用于拍摄被照亮的乒乓球表面区域，摄像头的高度和位置可调节。
[0014]
进一步优选地，上述智能手机12与摄像头蓝牙连接，用于显示图像，从而演示地面人观察到的月相。
[0015]
本发明的有益效果是：设置水平面为地球公转轨道平面，即黄道面，在此基础上，设计地球自转轴方向，赤道面和月球公转的白道面，精确演示各轨道结构和夹角；通过月球轨道系统的月相盘，时间盘以及指针，来判断月相日期和“月升月落”的时刻；采用手电筒模拟太阳光，照亮乒乓球表面；通过摄像头观察，在智能手机上显示乒乓球(月球)被照亮的部分，演示月相的变化。本发明结构简单，物理图像清晰，现象直观，演示时学生可以参与其中，非常适合地理课堂的演示教学。
附图说明：
[0016]
图1为本发明的整体结构示意图；
[0017]
图2为地球结构示意图；
[0018]
图3为月相盘结构示意图；
[0019]
图4为时间盘结构示意图；
[0020]
图5为月球轨道系统中部分结构示意图；
[0021]
图6为月球俯视结构示意图；
[0022]
图7为月球正面结构示意图；
[0023]
图8为不同日期月相形态示意图；
[0024]
图9为蛾眉月时的仪器结构示意图；
[0025]
图10为蛾眉月时的月相出现时间范围示意图；
[0026]
图11为本演示仪拍摄的不同日期的月相图与实际月相图；
[0027]
图12为上凸月时的仪器结构示意图；
[0028]
图13为上凸月时的月相出现时间范围示意图；
[0029]
图14为本演示仪拍摄的月相图与实际月相图(正月初十的不同时刻)；
[0030]
图中：1.地球仪支架、2.地球、3.月相盘、4.时间盘、5.指针、6.旋转杆、7.横杆、8.悬臂、9.乒乓球、10.摄像头底座、11.摄像头、12.智能手机、13.手电筒、14.手电筒底座、21.地球自转轴、22.黄道面、23.赤道面、24.地球经线、31.日期直径线，32.四季名称，33.月相名称，41.小时直径线，42.时刻名称。
具体实施方式：
[0031]
下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
[0032]
本发明提供的一种月相演示仪，其结构如图1所示。地球绕自转轴匀速转动，同时月球绕地球公转，手电筒模拟太阳光，水平照射乒乓球；地球表面处的摄像头拍摄乒乓球被照亮的区域，演示月相。具体演示步骤如下：
[0033]
1.地球自转：首先规定水平面为地球公转黄道面，地球2绕自转轴21转动，赤道线
23与所述自转轴垂直，所以与黄道面的夹角为θ1＝23
°
26
′
；另外如图2所示，地球上设计经线，每条间隔θ4＝15度，表示地球自转角速度为15
°
/小时，
[0034]
2.月球公转：月球轨道系统中的旋转轴6与竖直方向夹角为θ2＝5
°9′
，横梁7垂直于旋转轴6，与悬臂8也垂直，乒乓球9绕地球2转动的平面，就是月球的公转平面，即白道面；另外，如图3所示，月相盘3为透明有机玻璃制作，固定在地球仪的半圆弧框上，盘上设计每根直径线间隔θ3＝12度；上述横杆7绕旋转轴6转动，通过参考月相盘3，用于演示乒乓球(模拟月球)绕地球公转的角速度为12
°
/日。
[0035]
3.太阳光照射：手电筒13模拟太阳光，照射乒乓球9，手电筒底座13为一伸缩杆，其位置和高度可以自由调节，以保证手电筒13始终“水平直射”乒乓球9。
[0036]
4.月相日期判断：如图3所示，月相盘3上标注日期直径线31，四季名称32和月相名称33；当横杆7旋转到某一日期直径线31时，即可计算出此时的月相日期(如初一新月日，初六峨眉月日)。
[0037]
5.日升日落时间范围判断：设置时间盘，白天以日出6：00，日落18：00为标准(太阳光直射到的地球半球的时间范围)，如图4所示；接着根据上述横杆7的位置，得知指针5的方向(如图5所示)，即可以计算出“月升月落”的时间范围。
[0038]
6.月相形貌判断：月球自转与公转周期相同，所以地球上的人们只能看到月亮的“正面”，背面看不到，即使背面被太阳光照射，人们也看不到，所以乒乓球从上到下分成四部分，a、b、c、d，如俯视图图6所示。乒乓球的正面(相对地球的面)则为a、b面，如图7所示。图8为一个朔望月中新月、蛾眉月、上弦月、上凸月、满月、下凸月、下弦月、残月时的月相示意图。
[0039]
7.摄像头拍摄月相：将摄像头11放置在地球2表面附近，摄像头底座10为一伸缩杆，其高度和位置可自由调节；智能手机12与摄像头蓝牙连接，用于显示图像，从而演示地面人观察到的月相。
[0040]
实施例一(演示一朔望月中的月相变化)
[0041]
将本发明应用于观测新月，蛾眉月，上弦月，上凸月，满月、下凸月、下弦月、残月的形态。以正月初六为例，具体测量步骤如下：
[0042]
1.如图1所示，正月初六时，太阳直射南半球的南回归线附近，打开手电筒13，调节手电筒底座14的伸缩杆，使之水平向左照射地球2。
[0043]
2.固定月相盘3，转动横杆7，使乒乓球(月球)与地、日成一条直线，且在地球和太阳的中间，此时表示为一朔望月周期的开始(新月日，初一)，地月方位角记为“0度”。
[0044]
3.转动横杆7，使之“逆时针”转到月相盘3中第6条日期直径线的上方，表示“初六”，此时地月方位角为60度，如图9所示(初六与初一相差5天，故12
×
5＝60)。相对于地球自转的时差，近似为4小时(60
÷
15＝4)，如图9中的指针5所示。图中时间盘4省略了小时直径线41。
[0045]
4.桌面上，水平移动手电筒底座13，使之水平向左照射乒乓球9。
[0046]
5.乒乓球9的反射光线，照射到地球仪的“半个表面”，如图9中的两条虚线所示；指针5与这两条虚线构成的区域，是人们可以用肉眼观察到月相的地表区域。
[0047]
6.以南京地区(经线东8区)早上6：00看到日出为起始点，18：00为日落点，转动时间盘4使之对应，如图9中时间盘的状态所示。
[0048]
7.此时，可以判断出“月升月落”的时间范围，如图10所示。图中6：00-18：00为南京地区的白天，用i区域表示；指针5的所指范围，10：00-22：00为南京地区看到“月升月落”的时间范围，用ii区域表示；仅仅考虑夜晚能够看到月亮，所以18：00-22：00为南京地区人们看到月相的时间范围，用iii区域表示。
[0049]
8.调节摄像头11的高度，并移动位置，使之放置在南京地区22：00时的附近，观测的月相显示在智能手机12中。
[0050]
9.图11为演示仪拍摄的月相，与实际拍摄的照片进行对比，月相形貌基本符合，说明本发明可以演示初六的月亮形貌。
[0051]
10.采用同样的步骤演示初三，初八，初十的月相，仅需改变步骤3中的参数，即将横杆7“逆时针”划过月相盘的第3，第8，第10条日期直径线，此时地月方位角为24度或84度或108度。摄像头拍摄南京地区19：00或22：00的月相，同样显示在图11中，与实际拍摄的照片也进行了对比。
[0052]
11.可见，从新月开始，月相的面积逐渐变大，月球亮面为西边，可以推断，到达满月后则逐渐变小，月球亮面为东边。这正是月球绕地球公转，月球反射太阳光到达地面，被地面的人们肉眼看到的月亮形貌。
[0053]
实施例二(演示一天24小时中的月相变化)
[0054]
将本发明应用于观测月相“不同时刻”的变化。以农历正月初十(上凸月)的16：00，19：00，22：00，23：00为例，具体测量步骤如下：
[0055]
1.如图1所示，正月初十时，太阳直射南半球的南回归线附近，打开手电筒13，调节手电筒底座14的伸缩杆，使之水平向左照射地球2。
[0056]
2.固定月相盘3，转动横杆7，使乒乓球(月球)与地、日成一条直线，且在地球和太阳的中间，此时表示为一朔望月周期的开始(新月日，初一)，地月方位角记为“0度”。
[0057]
3.转动横杆7，使之“逆时针”转到月相盘3中第10条日期直径线的上方，表示“初十”，此时地月方位角为108度，如图12所示(初十与初一相差9天，故12
×
9＝108)。相对于地球自转的时差，近似为7小时12分(108
÷
15＝7.2)，如图9中的指针5所示。图中时间盘4省略了小时直径线41。
[0058]
4.桌面上，水平移动手电筒底座13，使之水平向左照射乒乓球9。
[0059]
5.乒乓球9的反射光线，照射到地球仪的“半个表面”，如图12中的两条虚线所示；指针5与这两条虚线构成的区域，是人们可以用肉眼观察到月相的地表区域。
[0060]
6.以南京地区(经线东8区)早上6：00看到日出为起始点，18：00为日落点，转动时间盘4使之对应，如图12中时间盘的状态所示。
[0061]
7.此时，可以判断出“月升月落”的时间范围，如图13所示。图中6：00-18：00为南京地区的白天，用i区域表示；指针5的所指范围，13.12-1：12为南京地区看到“月升月落”的时间范围，用ii区域表示；仅仅考虑夜晚能够看到月亮，所以18：00-1：12为南京地区人们看到月相的时间范围，用iii区域表示。
[0062]
8.调节摄像头11的高度，并移动位置，使之放置在南京地区19：00附近，观测的月相显示在智能手机12中。
[0063]
12.图14为演示仪拍摄的月相，与实际拍摄的照片进行对比，月相形貌基本符合，说明本发明可以演示初十的月亮形貌。
[0064]
9.采用同样的步骤演示该日的其它时刻的月相。改变步骤8中摄像头拍摄南京地区16：00或22：00或23：00的月相，同样显示在图14中，与实际拍摄的照片也进行了对比。
[0065]
10.可见，正月初十时的月相，已经是大半个月亮的表面，再过几日就是满月(十六)。另外16：00时，天空能够看到月亮，其原因为冬季太阳照射南京(北半球)较弱，太阳落山较早。同时我们还要注意到，正月初十时的月亮出现在“正中天”的时间为19：12，所以在此之前拍摄的月相“在东方”，之后的月相“在西方”，月相相同，但月相图案随时间顺时针转动。这也是与演示仪拍摄的图像不一致的原因所在，在教学时可以设置问题，加深学生对月相的理解和掌握。
[0066]
以上所述仅是本发明的两种实施例，并非限制本发明的专利范围，故依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种月相演示仪，其特征在于，包括地球仪、月球轨道系统、手电筒、摄像头、智能手机；其中，所述月球轨道系统包括月相盘3、时间盘4、指针5、旋转轴6、横杆7、悬臂8、乒乓球9；实验中，乒乓球9通过旋转轴6绕地球2旋转，手电筒13水平照射乒乓球9，被照亮的部分用摄像头11拍摄，手机12显示图像，演示地面人观察到的月相；本发明通过月相盘3、时间盘4、指针5演示不同日期的月相形貌，以及演示月升月落的时间范围。2.根据权利要求1所述的一种月相演示仪，其特征在于，所述地球2绕自转轴21转动，赤道线23与所述自转轴垂直，且与水平面(地球公转黄道面)夹角为θ1＝23
°
26
′
。3.根据权利要求1所述的一种月相演示仪，其特征在于，所述旋转轴6与竖直方向夹角为θ2＝5
°9′
，横梁7垂直于旋转轴6，与悬臂8也垂直，乒乓球9绕地球2转动的平面，就是月球的公转平面，即白道面。4.根据权利要求1所述的一种月相演示仪，其特征在于，所述月相盘3固定在地球仪的半圆弧框上，盘上设计每根直径线间隔12度；所述横杆7绕旋转轴6转动，通过参考月相盘3，用于演示乒乓球(模拟月球)绕地球公转的角速度为12
°
/日。5.根据权利要求1或4所述的一种月相演示仪，其特征在于，所述月相盘3的上方设置一个时间盘4，盘上每根直径线间隔15度，与地球仪的经线相对应，表示地球自转角速度为15
°
/小时。6.根据权利要求1或4所述的一种月相演示仪，其特征在于，所述横杆7的上方，固定一个指针5，两者相垂直，对比指针5和时间盘4，可以演示每天月升月落的时间范围。7.根据权利要求1所述的一种月相演示仪，其特征在于，所述手电筒13模拟太阳光，照射乒乓球9，手电筒的位置和高度可以自由调节。8.根据权利要求1或7所述的一种月相演示仪，其特征在于，所述摄像头11放置在地球2表面附近，用于拍摄被照亮的乒乓球表面区域，摄像头的高度和位置可调节。9.根据权利要求1或8所述的一种月相演示仪，其特征在于，所述智能手机12与摄像头蓝牙连接，用于显示图像，从而演示地面人观察到的月相。

技术总结
本发明公开了一种月相演示仪，包括地球仪、月球轨道系统、手电筒、摄像头、智能手机，所述月球轨道系统包括月相盘3、时间盘4、指针5、旋转轴6、横杆7、悬臂8、乒乓球9。实验中乒乓球9通过旋转轴6绕地球2旋转，手电筒13水平照射乒乓球9，被照亮的部分用摄像头11拍摄，手机12显示图像，演示地面人观察到的月相。本发明通过月相盘3、时间盘4、指针5演示不同日期的月相形貌，以及演示月升月落的时间范围。具有物理图像清晰，现象直观，学生参与性强的特点，适合地理课堂演示教学。理课堂演示教学。理课堂演示教学。


技术研发人员：芮融愚 夏菁 臧锋
受保护的技术使用者：南京市第一中学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/28