CN110400513B - 一种多功能地理日照投影教学实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于教学装置技术领域，具体涉及一种多功能地理日照投影教学实验装置，包括底座、太阳模型和地球模型，底座上固定安装有纵向支撑杆，纵向支撑杆上安装有可转动的地球运行轨道，地球运行轨道的形状模拟地球绕太阳运行的轨道形状，太阳模型包括散光发光体、纵向旋转环、横向旋转环、直线光源和光源支撑柱；地球模型滑动安装在地球运行轨道上，地球模型既能沿地球运行轨道的轨道滑动、又能模拟真实的地球自转。本发明既可以模拟真实的地球绕太阳运动过程，又可模拟日照投影的装置，增加立体和动态效果。

Description

一种多功能地理日照投影教学实验装置

技术领域

本发明属于教学装置技术领域，具体涉及一种多功能地理日照投影教学实验装置。

背景技术

日照投影是地理教学的一个常见课程，我们知道，地球的自转方向在北半球为逆时针，南半球为顺时针，位于地球不同位置所接受的日照角度不同，所以会出现不同的投影，正确解读这些投影可以帮助学生及时了解地球与太阳之间的日照关系。日常生活中，由于地球上的建筑物高度不同，当其受到日照角度发生变化时，建筑物投影大小也会发生相应变化，掌握建筑物投影与日照角度之间的关系，对城市规划以及建筑采光设计等方面具有重要用途。

现有技术中，日照投影的教学多采用PPT图解方式，用两个圆形分别表示太阳和地球，图中注明地球与太阳的相对位置、地球上的经线、纬线、时间等参数，然后再在地球上画出投影面积，这种方式属于静态图示，缺乏立体的、动态的日照投影关系展示，学生理解起来费劲。

为了方便学生理解日照投影关系，需要开发一种既可以模拟真实的地球绕太阳运动过程，又可模拟日照投影的装置，增加立体和动态效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能地理日照投影教学实验装置，既可以模拟真实的地球绕太阳运动过程，又可模拟日照投影，增加立体和动态效果。

本发明提供了一种多功能地理日照投影教学实验装置，包括底座、太阳模型和地球模型，所述底座上固定安装有纵向支撑杆，所述纵向支撑杆上安装有可转动的地球运行轨道，所述地球运行轨道的形状模拟地球绕太阳运行的轨道形状，所述太阳模型包括散光发光体、纵向旋转环、横向旋转环、直线光源和光源支撑柱；所述横向旋转环转动连接在所述纵向支撑杆上，所述纵向旋转环套设且转动连接在所述横向旋转环上，所述光源支撑柱固定在所述横向旋转环上，所述散光发光体固定安装在所述光源支撑柱上，所述直线光源安装在所述纵向旋转环上；所述地球模型滑动安装在所述地球运行轨道上，所述地球模型既能沿所述地球运行轨道的轨道滑动、又能模拟真实的地球自转。

优选的，上述多功能地理日照投影教学实验装置，所述纵向旋转环套设且转动连接在所述横向旋转环外部，所述横向旋转环底部固定在所述纵向支撑杆顶部，所述散光发光体固定安装在所述光源支撑柱顶部。

优选的，上述多功能地理日照投影教学实验装置，所述直线光源与所述转纵向旋转环通过万向轴连接。

优选的，上述多功能地理日照投影教学实验装置，所述地球模型包括滑动体和球体模型，所述滑动体的底端与所述地球运行轨道滑动连接，顶端与所述球体模型转动连接。

优选的，上述多功能地理日照投影教学实验装置，所述直线光源的数量为两个且照射方向相反，所述底座上、位于所述太阳模型的侧方处安装有刻度板，两个所述直线光源的连线与所述球体模型到所述刻度板的垂线重合，其中一个所述直线光源照射到球体模型上，另一个所述直线光源的照射到刻度板上，且照射到球体模型上的直线光源到球体模型中心点的距离与照射到刻度板上的直线光源到刻度板的距离相等。

优选的，上述多功能地理日照投影教学实验装置，所述刻度板上设置有横向、纵向和斜向的刻度线，所述球体模型上设置有经线和纬线、并设置有相应经纬度。

优选的，上述多功能地理日照投影教学实验装置，所述滑动体的轴线与所述地球运行轨道所在平面所成角度为66～67度之间。

优选的，上述多功能地理日照投影教学实验装置，所述球体模型为空腔结构，并且其内部被沿径向设置的若干隔板分割成不同的区域腔，每个所述区域腔内均填充有建筑物模型块，所述建筑物模型块在所述区域腔内的插入深度可调节。

优选的，上述多功能地理日照投影教学实验装置，所述建筑物模型块为硬质材料制备，且所述建筑物模型块的外周包裹有乳胶或者橡胶套；或者所述建筑物模型块为橡皮泥。

优选的，上述多功能地理日照投影教学实验装置，所述纵向支撑杆上套接且螺接有旋转套筒，所述旋转套筒上对称的两个位置分别安装有平行于所述底座上表面的连接轴，所述连接轴位于所述旋转套筒和所述地球运行轨道之间。

与现有技术相比，本发明提供的多功能地理日照投影教学实验装置至少具有以下有益效果：

本发明利用太阳模型、地球模型、地球运行轨道来模拟真实环境中的日地位置关系和地球绕太阳公转现象。当开启散光发光体，关闭直线光源，人为控制地球模型沿地球运行轨道移动，学生可形象立体的观察并学习到球体模型上的光照投影变化。本发明利用直线光源、纵向旋转环和球体模型等能够模拟不同位置光线照射后的投影变化，当直线光源的角度可调时还可以模拟不同角度光线照射后的投影变化，附加横向旋转环后，直线光源位置可移动至太阳模型球面任意位置，可模拟光线照射位置和照射角度同时变化后的投影现象。两个直线光源、刻度板和地球模型配合使用后，通过刻度板可以看到对于同样的照射角度，曲面以及平面接收到投影变化的区别，帮助学生理解日照投影关系。本发明功能多，立体和动态效果好。

附图说明

图1是本发明多功能地理日照投影教学实验装置的结构示意图；

图2是本发明太阳模型与纵向支撑杆的连接示意图；

图3是本发明地球模型与地球运行轨道的连接示意图；

图4是本发明直线光源的照射原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

一种多功能地理日照投影教学实验装置，如图1所示，包括底座1、太阳模型和地球模型，底座1由平面板或者其他上表面平整的板材制成，底座1的作用是承受整个日照投影教学实验装置的重量，并使装置便于搬动，为了方便移动装置，还可以再底座1的底部安装万向轮；底座1上或者底座1上表面固定安装有纵向支撑杆2，纵向支撑杆2上安装有可转动的地球运行轨道3，地球运行轨道3的形状模拟地球绕太阳运行的轨道形状，接近椭圆形，纵向支撑杆2上套接且螺接有旋转套筒31，旋转套筒31上对称的两个位置分别安装有平行于底座1上表面的连接轴32，连接轴32位于旋转套筒31和地球运行轨道3之间，并且连接轴32的一端与旋转套筒31的外侧壁固定连接，另一端与地球运行轨道3之间通过转轴转动连接，上述连接方式使得地球运行轨道3既可在平行于底座1的平面内旋转，也可以以连接轴32为中心轴做上下翻转转动；太阳模型安装在纵向支撑杆2顶部、且其中心点位于地球运行轨道3上方，地球模型滑动安装在地球运行轨道3上，地球模型既能沿地球运行轨道3的轨道滑动、又能模拟真实的地球自转、还能相对于地球运行轨道3上下翻转。纵向支撑杆2的作用是承载太阳模型、连接轴32、旋转套筒31以及地球运行轨道3的重量，维持太阳模型的高度。之所以地球运行轨道3的高度低于太阳模型中心，是因为在本发明的装置中，太阳模型和地球模型都具有一定高度，为了模拟真实的地球绕太阳旋转过程，应尽量排除模型高度产生的日照高度和角度差。

太阳模型的结构如图1-2所示，如下：包括散光发光体4、纵向旋转环41、横向旋转环42、直线光源43和光源支撑柱44；横向旋转环42转动连接在纵向支撑杆2上，并能围绕纵向支撑杆2的轴向转动，纵向旋转环41套设且转动连接在横向旋转环42上，二者相对旋转后形成的球形轨迹可模拟真实太阳形状，并且纵向旋转环41能相对于横向旋转环42上下转动；优选的，纵向旋转环41和横向旋转环42均为圆形；光源支撑柱44固定在横向旋转环42上，散光发光体4固定安装在光源支撑柱44上，散光发光体4为白炽灯、LED灯或者日光灯等具有散光发光性质的光源；优选的，散光发光体4为球形；优选的，散光发光体4的中心点与地球模型的中心点的连线与底座1上表面平行，从而散光发光体4照射到地球模型赤道位置的光线是垂直于地球赤道的；光源支撑柱44内安装有用于给散光发光体4供电的电池，该电池与散光发光体4电连接；直线光源43的数量为两个且光照方向相反，且对称分布在纵向旋转环41上，直线光源43采用激光、红外光或者其它现有技术直线光束，纵向旋转环41上安装有用于给直线光源43供电的电池，该电池与直线光源43电连接。散光发光体4用于模拟太阳发射的散光，当其照射到地球模型上，可看出地球模型上不同位置的投影变化；直线光源43用于直射地球模型，可以模拟不同角度光线在地球模型不同位置的投影变化。

地球模型的结构如图3所示，如下：包括滑动体5和球体模型51，滑动体5的底端安装有滑块，滑块与地球运行轨道3滑动连接，滑动体5的顶端安装有转动轴，滑动体5通过该转动轴与球体模型51转动连接，滑动体5的轴线能与球体模型51模拟的地轴重合，使球体模型51围绕滑动体5的轴线做圆周自转。优选的，滑动体5的轴线与地球运行轨道3所在平面所成角度为66～67度之间，这个角度接近真实环境中地轴与地球轨道面的夹角。优选的，滑动体5与地球运行轨道3所在平面所成角度为66°34′。球体模型51为空腔结构，并且其内部被沿径向设置的10-20个隔板分割成不同的区域腔，每个区域腔可模拟地球上不同的位置，每个区域腔内均填充有建筑物模型块52；建筑物模型块52为硬质材料制备的长方体、圆柱体、锥形体形状，或者为橡皮泥捏成的其他形状，其中如果采用硬质材料制备建筑物模型块52，则建筑物模型块52的外周包裹有乳胶或者橡胶套，以便于其插入到球体模型51的不同区域腔内，且设置了乳胶或者橡胶套后，利用其与空腔壁之间的摩擦力，可控制插入力度使建筑物模型块52插入不同深度；如果采用采用橡皮泥，不仅可捏出不同形状，可模拟不同形状的建筑物，橡皮泥本身的可塑性也使得便于控制其在空腔中的插入深度。

本发明利用太阳模型、地球模型、地球运行轨道3来模拟真实环境中的日地位置关系和地球绕太阳公转现象；当开启散光发光体4，关闭直线光源43，人为控制地球模型沿地球运行轨道3移动，学生可形象立体的观察并学习到球体模型51上的光照投影变化。如图4所示，当关闭散光发光体4，开启其中一个直线光源43并使该直线光源43的光线朝向球体模型51，上下翻转纵向旋转环41则直线光源43的位置上下移动变化，随着直线光源43位置发生变化，那么其照射到球体模型51上的光束位置也会发生变化，此时我们在旋转球体模型51使其自转，学生可以立体、动态的看到不同位置光线照射后的投影变化。

为了调节直线光源43照射的角度，我们将直线光源43与转纵向旋转环41通过万向轴连接，使得直线光源43的角度可调，旋转横向旋转环42则直线光源43的位置左右移动变化，我们同时旋转纵向旋转环41与旋转横向旋转环42则直线光源43位置可移动至太阳模型球面任意位置，学生可以立体、动态的看到不同角度、高度光线照射后的投影变化。

优选的，纵向旋转环41套设且转动连接在横向旋转环42外部，使横向旋转环42不阻挡直线光源43的运动轨迹，从而实现同方向连续转动；横向旋转环42底部固定在纵向支撑杆2顶部，使纵向支撑杆2不阻挡纵向旋转环41的转动轨迹，从而实现同方向连续转动；散光发光体4固定安装在光源支撑柱44顶部，以保证光源支撑柱44不阻挡散光发光体4散发出的光源。

优选的，如图1所示，底座1上、位于太阳模型的侧方处安装有刻度板6，两个直线光源43的照射方向对称，两个直线光源43的连线与球体模型51到刻度板6的垂线重合，其中一个直线光源43照射到球体模型51上，另一个直线光源43的照射到刻度板6上，且照射到球体模型51上的直线光源43到球体模型51中心点的距离与照射到刻度板6上的直线光源43到刻度板6的距离相等。通过刻度板6可以看到对于同样的照射角度曲面以及平面接收到投影变化的区别，帮助学生理解日照投影关系，加深印象。刻度板6上设置有横向、纵向和斜向的刻度线，球体模型51上设置有经线和纬线、并设置有相应经纬度，有数据帮助进行投影比较，效果更明显。

需要说明的是，在本发明中，“上、下、顶、底”方位指的是图1中直接展示的方位。

需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种多功能地理日照投影教学实验装置，其特征在于，包括底座（1）、太阳模型和地球模型，所述底座（1）上固定安装有纵向支撑杆（2），所述纵向支撑杆（2）上安装有可转动的地球运行轨道（3），所述地球运行轨道（3）的形状模拟地球绕太阳运行的轨道形状，所述太阳模型包括散光发光体（4）、纵向旋转环（41）、横向旋转环（42）、直线光源（43）和光源支撑柱（44）；所述横向旋转环（42）转动连接在所述纵向支撑杆（2）上，所述纵向旋转环（41）套设且转动连接在所述横向旋转环（42）上，所述光源支撑柱（44）固定在所述横向旋转环（42）上，所述散光发光体（4）固定安装在所述光源支撑柱（44）上，所述直线光源（43）安装在所述纵向旋转环（41）上；所述地球模型滑动安装在所述地球运行轨道（3）上，所述地球模型既能沿所述地球运行轨道（3）的轨道滑动、又能模拟真实的地球自转；

所述地球模型包括滑动体（5）和球体模型（51），所述滑动体（5）的底端与所述地球运行轨道（3）滑动连接，顶端与所述球体模型（51）转动连接；所述直线光源（43）的数量为两个且照射方向相反，所述底座（1）上、位于所述太阳模型的侧方处安装有刻度板（6），两个所述直线光源（43）的连线、与所述球体模型（51）到所述刻度板（6）的垂线重合，其中一个所述直线光源（43）照射到所述球体模型（51）上，另一个所述直线光源（43）的照射到所述刻度板（6）上，且照射到所述球体模型（51）上的直线光源（43）到所述球体模型（51）中心点的距离与照射到所述刻度板（6）上的直线光源（43）到所述刻度板（6）的距离相等；

所述刻度板（6）上设置有横向、纵向和斜向的刻度线，所述球体模型（51）上设置有经线和纬线、并设置有相应经纬度。

2.根据权利要求1所述的多功能地理日照投影教学实验装置，其特征在于，所述纵向旋转环（41）套设且转动连接在所述横向旋转环（42）外部，所述横向旋转环（42）底部固定在所述纵向支撑杆（2）顶部，所述散光发光体（4）固定安装在所述光源支撑柱（44）顶部。

3.根据权利要求1或2所述的多功能地理日照投影教学实验装置，其特征在于，所述直线光源（43）与所述纵向旋转环（41）通过万向轴连接。

4.根据权利要求1所述的多功能地理日照投影教学实验装置，其特征在于，所述滑动体（5）的轴线与所述地球运行轨道（3）所在平面所成角度为66 ~ 67度之间。

5.根据权利要求4所述的多功能地理日照投影教学实验装置，其特征在于，所述球体模型（51）为空腔结构，并且其内部被沿径向设置的若干隔板分割成不同的区域腔，每个所述区域腔内均填充有建筑物模型块（52），所述建筑物模型块（52）在所述区域腔内的插入深度可调节。

6.根据权利要求5所述的多功能地理日照投影教学实验装置，其特征在于，所述建筑物模型块（52）为硬质材料制备，且所述建筑物模型块（52）的外周包裹有乳胶或者橡胶套；或者所述建筑物模型块（52）为橡皮泥。

7.根据权利要求1所述的多功能地理日照投影教学实验装置，其特征在于，所述纵向支撑杆（2）上套接且螺接有旋转套筒（31），所述旋转套筒（31）上对称的两个位置分别安装有平行于所述底座（1）上表面的连接轴（32），所述连接轴（32）位于所述旋转套筒（31）和所述地球运行轨道（3）之间。

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