月相視運(yùn)動(dòng)演示儀

黃潔

研究背景

目前高一學(xué)生學(xué)習(xí)月相變化的知識(shí)會(huì)遇到許多困難。原因是多方面的，一則是該內(nèi)容本身就抽象不易理解；而另一方面，據(jù)我調(diào)查是由于現(xiàn)有的教具模型和動(dòng)畫存在著問題。問題可歸納為兩點(diǎn)：第一，一般的教具模型和動(dòng)畫均以太陽(yáng)為中心，能顯示太陽(yáng)、地球和月亮的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，但很難顯示三者位置和月相的關(guān)系；第二，我國(guó)大部分地區(qū)位于北半球中緯度地區(qū)，在生活中人們觀察月相的時(shí)候，往往面向南方，太陽(yáng)和月亮東升西落，但一般演示教具或視頻都嚴(yán)格按照左西右東的方向原則，因而增加了學(xué)生理解的難度。

所以我希望有一種能實(shí)時(shí)觀察太陽(yáng)、地球和月亮三者相對(duì)位置關(guān)系，同時(shí)還能觀察到月相的變化，并且既能左西右東、也能左東右西兩個(gè)方向顯示的教具模型。

發(fā)明原理

視運(yùn)動(dòng)是反映天體運(yùn)動(dòng)的表觀現(xiàn)象。例如，地球的周日運(yùn)動(dòng)就是一種視運(yùn)動(dòng)，它是反映地球繞軸自轉(zhuǎn)的一種表面現(xiàn)象；太陽(yáng)每年巡天一周的運(yùn)動(dòng)也是一種視運(yùn)動(dòng)，它是反映地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的一種表面現(xiàn)象。

地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期為365.2422天，因此，一個(gè)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)月則為：365.2422÷1230.43685天。而一個(gè)朔望月為29.53088天，2者比為30.43685：29.530881：1.03068。因此，從地球上觀察到的每天太陽(yáng)的東升西落比月亮快，具體時(shí)間差約為：0.03068×24×60=44.177分鐘。因?yàn)樘?yáng)的體積比地球和月亮都大得多；相對(duì)地球與月球之間的距離，太陽(yáng)的距離更為遙遠(yuǎn)。因此，太陽(yáng)光線可以認(rèn)為是一束巨大的平行光線，它可以照亮半個(gè)月球。但是由于太陽(yáng)和月球每天在天穹上的位置不同，因此在地球上觀察時(shí)，觀察者看到的月球表面明暗部分的角度發(fā)生差異，這就是月相發(fā)生變化的原因。

目前通用的歷法中，公歷為1個(gè)月30日或31日（2月除外），農(nóng)歷為30日或29日，因此我們采用最簡(jiǎn)的平均數(shù)，即：在1個(gè)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)月中，我們可以簡(jiǎn)單假設(shè)，每個(gè)月太陽(yáng)升落為30次，而月亮升落只有29次，月亮每天的起落時(shí)間都比前一天晚0.8小時(shí)，合48分鐘，2者的比和上文的數(shù)據(jù)很接近。

演示儀結(jié)構(gòu)

月相視運(yùn)動(dòng)演示儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1，它主要由4個(gè)部分組成。

模型的共軸軸承。30齒的齒輪組A帶動(dòng)內(nèi)軸，29齒的齒輪組B帶動(dòng)外軸，保證內(nèi)外兩軸的轉(zhuǎn)速比為30：29，也就是1個(gè)平均太陽(yáng)月中太陽(yáng)升落30次，月亮升落29次，共軸軸承的外軸上安裝了充當(dāng)太陽(yáng)的燈頭和激光燈，內(nèi)軸上安裝了充當(dāng)月亮的乒乓球，激光燈的作用是在面板上顯示太陽(yáng)的位置，即月亮和太陽(yáng)位置的時(shí)差，而在中心軸上則安裝了對(duì)準(zhǔn)月球模型的無(wú)線攝像頭，作為在地球上觀察月相的視角。

模型的觀察窗口（見圖2）。觀察窗口模擬生活中的天穹，可以平常的視角觀察日地月三者的位置關(guān)系。為方便起見，以地平線為起點(diǎn)，分別標(biāo)上相應(yīng)的時(shí)間刻度。代表太陽(yáng)的燈頭上的激光燈可以將光斑打在面板上，可以在觀察月亮?xí)r，隨時(shí)將太陽(yáng)位置（或時(shí)間）顯示出來(lái)。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可以帶動(dòng)共軸軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)，保證代表太陽(yáng)的轉(zhuǎn)桿和代表月亮的轉(zhuǎn)桿之間的轉(zhuǎn)速比也為30：29。

顯示屏。顯示屏安裝在中心軸上，對(duì)準(zhǔn)月球模型的無(wú)線攝像頭可以將不斷變化的月相實(shí)時(shí)在顯示屏顯示。

計(jì)數(shù)器。通過安裝在模型上的磁性計(jì)數(shù)器直接讀取農(nóng)歷日期。即轉(zhuǎn)動(dòng)1圈為農(nóng)歷初一，轉(zhuǎn)動(dòng)2圈為農(nóng)歷初二。

效果演示

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄后，齒輪組帶動(dòng)2個(gè)轉(zhuǎn)桿以30：29的轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)動(dòng)，代表太陽(yáng)的燈頭將光線照射在月球模型上，通過觀察窗口，可以發(fā)現(xiàn)日、地、月三者的運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系，可以估算出農(nóng)歷某天月亮升起和降落的時(shí)間，同時(shí)通過在地球視角上的無(wú)線攝像頭，將月相畫面實(shí)時(shí)傳遞到顯示屏（見圖3）。另外根據(jù)月相、月亮的位置和時(shí)間可以推算農(nóng)歷日期。簡(jiǎn)易公式如下：

（月出時(shí)間6）÷0.8≈農(nóng)歷日期。

該模型為觀察者提供了2個(gè)視界。

天穹，也就是模型的觀察窗口，如圖2所示。該窗口是以地平線為起點(diǎn)，從左向右依次標(biāo)上刻度，但要注意的是，這里的刻度并不僅僅指時(shí)間，同時(shí)也包括了太陽(yáng)和月亮的方位，由此推算出二者起落的時(shí)差。

月相。這里的月相，主要依靠安裝在中心軸上的無(wú)線攝像頭將轉(zhuǎn)動(dòng)過程中月亮的陰晴圓缺實(shí)時(shí)傳輸?shù)斤@示屏上。

該模型中農(nóng)歷日期的估算有兩個(gè)方法，一種是直接從磁性計(jì)數(shù)器直接讀取，即轉(zhuǎn)動(dòng)1圈為農(nóng)歷初一、轉(zhuǎn)動(dòng)2圈為農(nóng)歷初二，另外一種則是通過月相與月亮升起的時(shí)間利用公式計(jì)算得出。

例1：月亮的升起時(shí)間大約為上午9點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的月相為新月，并且結(jié)合日、地、月的位置關(guān)系可以推斷出此時(shí)的農(nóng)歷日期應(yīng)為農(nóng)歷上半月，具體日期可參照前述公式。由此計(jì)算出的農(nóng)歷日期為初三或初四。

例2：月亮的升起時(shí)間大約為凌晨4：30，對(duì)應(yīng)的月相為殘?jiān)拢⑶医Y(jié)合日、地、月的位置關(guān)系可以推斷出此時(shí)的農(nóng)歷日期應(yīng)為農(nóng)歷下半月，具體日期可參照公式。由此計(jì)算出的農(nóng)歷日期為農(nóng)歷二十八。

以上實(shí)例體現(xiàn)出演示儀的功能主要有4個(gè)：直觀顯示月相的變化過程，顯示日、地、月三者的相對(duì)位置，能夠觀察出月亮每天起落的時(shí)間，能夠同時(shí)根據(jù)月相及月亮升起的時(shí)間計(jì)算出農(nóng)歷日期。

改進(jìn)方向

材料的選擇。選擇塑料材質(zhì)可以大大減輕裝置的重量。

動(dòng)力的選擇。可以考慮用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，并用單片機(jī)控制太陽(yáng)和月球模型的轉(zhuǎn)速，不僅可以讓其轉(zhuǎn)速比更精確，也可以大大減小整個(gè)模型的體積。

該項(xiàng)目獲得第30屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科技發(fā)明類一等獎(jiǎng)。

該項(xiàng)目研究了一種可以幫助學(xué)生理解月相變化的演示儀。演示儀能很好地觀察月相的變化，有很好的科學(xué)性和一定的創(chuàng)新性，有很好的推廣價(jià)值。建議進(jìn)一步完善制作工藝和市場(chǎng)推廣。endprint