CN111681529A - 一种模拟演示四季变换的操作仪 - Google Patents
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Abstract
一种模拟演示四季变换的操作仪,包括电源、遮光罩、激光笔、菲涅尔透镜和地球仪,遮光罩右侧设有开口,电源设置在遮光罩内部中心,电源产生的光束将从开口射向菲涅尔透镜,电源设置在菲涅尔透镜的焦点上;所述地球仪包括球体、框架、底座和墨笔,球体活动设置在框架上,球体与框架的连接贯穿球体的中心,球体可绕着转轴旋转;框架设置在底座上,框架上设有墨笔,框架下部设有滑槽,底座的顶端可在滑槽内滑动,滑槽内设有三个固定位,最左侧为夏至位,中间为春秋分位,最右侧为冬至位。本发明整体装置简单,却能直观地显示地球自转公转导致的昼夜交替、四季变换下的南北回归线内太阳直射点的轨迹变换、南北极圈内的极昼极夜现象、昼夜晨昏线的显示以及与南北极圈的位置关系等地理现象,能使得学生自己动手操作,加深对此抽象知识的理解。
Description
技术领域
本发明涉及教学设备领域,具体涉及一种模拟演示四季变换的操作仪。
背景技术
在中学教学或科普宣传的过程中,有关于天文地理中的地球自转、地球绕太阳公转导致的地理现象的解释过于抽象,例如包含晨昏线、南北回归线、南北极圈、极昼极夜现象、太阳直射点等,因此需要一种演示操作仪用来供讲解学习或宣传用。
发明内容
根据背景技术提出的问题,本发明提供一种模拟演示四季变换的操作仪来解决,接下来对本发明做进一步地阐述。
一种模拟演示四季变换的操作仪,其特征在于:包括电源、遮光罩、激光笔、菲涅尔透镜和地球仪,遮光罩右侧设有开口,电源设置在遮光罩内部中心,电源产生的光束将从开口射向菲涅尔透镜,电源设置在菲涅尔透镜的焦点上;遮光罩内侧刷有黑漆,菲涅尔透镜产生的平行光射向地球仪;
所述地球仪包括球体、框架、底座和墨笔,球体活动设置在框架上,球体与框架的连接贯穿球体的中心,球体可绕着转轴旋转;框架设置在底座上,框架上设有墨笔,框架下部设有滑槽,底座的顶端可在滑槽内滑动,滑槽内设有三个固定位,最左侧为夏至位,中间为春秋分位,最右侧为冬至位。
当底座位于夏至位时,此时转轴与竖直方向的夹角为23.26°,模拟黄赤交角,此时地球仪模拟的地球的夏至时节;当底座位于春秋分位时,此时转轴竖直,此时地球仪模拟的时地球的春分以及秋分时节;当底座位于冬至位时,此时转轴与竖直方向的夹角也设置为23.26°,模拟黄赤交角,此时地球仪模拟的地球的冬至时节。
遮光罩开口的相对一侧设有激光笔,将激光笔射向菲涅尔透镜,调节菲涅尔透镜,使得菲涅尔透镜的中心对准激光点,此时激光束依旧经过菲涅尔透镜的中心射出,并照射在地球仪上。
对于位置的校准,将地球仪的框架移动到春秋分位,此时激光束折射在球体上的位置即模拟的太阳折射点,调节地球仪的位置,使得激光束投射在球体的最大径上,完成安装位置的校验。
有益效果:与现有技术相比,本发明整体装置简单,却能直观地显示地球自转公转导致的昼夜交替、四季变换下的南北回归线内太阳直射点的轨迹变换、南北极圈内的极昼极夜现象、昼夜晨昏线的显示以及与南北极圈的位置关系等地理现象,能使得学生自己动手操作,加深对此抽象知识的理解。
附图说明
图1:本发明的结构示意图;
图2:本发明的地球仪的结构示意图;
图3:本发明校准示意图;
图4:本发明模拟冬至时节的模拟示意图;
图5:本发明模拟春分以及秋分时节的模拟示意图;
图6:本发明模拟春分时节的模拟示意图;
图7:本发明模拟一年之中太阳直射点位置移动的模拟示意图;
图8:本发明模拟冬至日地球晨昏线位置情况的模拟示意图;
图中:电源1、遮光罩2、激光笔3、菲涅尔透镜4、地球仪5、球体51、框架52、底座54、墨笔55、滑槽56、夏至位57、春秋分位58、冬至位59、南回归线510、南极圈511、赤道513、北极圈512、北回归线514、轨迹线515、晨昏线516、电机6。
具体实施方式
下面结合附图1-8对本发明的实施例做具体阐述。
值得说明的是,说明书附图中的阴影部分为始终不发光的部位,也即始终不被光线照射的部位。
如附图1所示,一种模拟演示四季变换的操作仪,包括:电源1、遮光罩2、激光笔3、菲涅尔透镜4和地球仪5,遮光罩2右侧设有开口,电源1设置在遮光罩2内部中心,电源1产生的光束将从开口射向菲涅尔透镜4,电源1设置在菲涅尔透镜4的焦点上,电源1产生的光束透过菲涅尔透镜4形成平行光束,模拟平行的太阳光;遮光罩2内侧刷有黑漆,吸收电源1发射的光,不产生反射光束,避免发出不经过菲涅尔透镜4的焦点的光束射向菲涅尔透镜4,进而产生非平行光束;菲涅尔透镜4产生的平行光射向地球仪5,模拟平行的太阳光直射在地球表面。
如图2所示,地球仪5包括球体51、框架52、底座54和墨笔55;球体51活动设置在框架52上,球体51与框架52的连接贯穿球体51的中心,球体51可绕着转轴53旋转,转轴53相当于地球自转的转轴,模拟地球的自转。
框架52设置在底座54上,框架52上设有墨笔55,框架52下部设有滑槽56,底座54的顶端可在滑槽56内滑动,使用时底座54位置不动,框架52移动,从而使得转轴53与平行光的夹角变化,模拟一年四季地球绕太阳公转时地球自转轴的变化;滑槽56内设有三个固定位,最左侧为夏至位57,中间为春秋分位58,最右侧为冬至位59。
当底座54位于夏至位57时,此时转轴53与竖直方向的夹角为23.26°,模拟黄赤交角,此时地球仪5模拟的地球的夏至时节;当底座54位于春秋分位58时,此时转轴53竖直,此时地球仪5模拟的时地球的春分以及秋分时节;当底座54位于冬至位59时,此时转轴53与竖直方向的夹角也设置为23.26°,模拟黄赤交角,此时地球仪5模拟的地球的冬至时节。
为提高模拟装置的精确性,需对菲涅尔透镜4、玻璃罩5和地球仪5的位置进行精确的调节设置。
如图3所示,在遮光罩2开口的相对一侧设有激光笔3,将激光笔3射向菲涅尔透镜4,调节菲涅尔透镜4,使得菲涅尔透镜4的中心对准激光点,此时激光束依旧经过菲涅尔透镜4的中心射出。
将地球仪5的框架52移动到春秋分位58,此时激光束折射在球体51上的位置即模拟的太阳折射点,根据地理常识可知,春秋分位时,太阳直射点位于赤道上,即球体51的最大径上,调节地球仪5的位置,使得激光束投射在球体51的最大径上,完成安装位置的校验。
如附图4所示,模拟地球的冬至时节,此时太阳直射地球的南回归线,北半球昼短夜长,北极圈内出现极夜现象,北半球处于冬季;南半球昼长夜短,南极圈511出现极昼现象,南半球处于夏季。
此时,可将框架52位于冬至位59,转轴53与竖向所夹得角为23.26°(即黄赤交角),在开启电源1后,平行光直射在地球仪1上,可以看出,球体51顶部有一块不被照亮区域,即接收不到光束的区域,并且旋转球体,这块区域始终接收不到光束。
在球体51上部正对面向光束的一侧,有一个发光区域的最高点,用墨笔55的笔头点住此点,旋转球体51,逐步可得一条位于球体51上部的圆,即模拟地球的北极圈512。北极圈512内,随着球体51的自转,始终接收不到光束,即模拟地球在冬至时节北极圈内的极夜现象。
同时,在球体51的另一端,可以发现,有一块区域始终处于光束的照射下,不论球体51是否旋转,在球体51下半部背对光束的一侧,有一个不被照亮区域的最低点,用墨笔55的笔头点住此点,旋转球体51,逐步可得一条位于球体51上部的圆,即模拟地球的南极圈511。北极圈511内,始终处于光束照射下,即模拟地球在冬至时节南极圈内的极昼现象。
关闭电源1,将电源1旋转180°,打开激光笔2,此时可以在球体51上发现激光点,用墨笔55的笔头点在激光点位置,旋转球体51,墨笔55逐步描绘出激光点的移动位置,最终得到一个圆。激光点模拟的是太阳直射点的位置变化,可以发现,当框架52处于冬至位59时,激光点照射在地球仪51的最靠下处,模拟得到地球的南回归线510。
太阳直射点的位置是表示太阳光到地球的垂直距离,也即最短距离。太阳直射的距离越短,太阳光与大气的作用越少,太阳光穿越大气层损耗的能量越少,地球表面接收地热量也就越多。在太阳直射点的位置,太阳光被大气散射吸收的最少,照射地表最多。故在冬至时,北半球上越往北太阳直射角越小,接收的热能越少。所以,南半球的气温一年最高,北半球一年最低。
如附图5所示,模拟的是地球的春分以及秋分时节,此时太阳直射地球的赤道,全球昼夜平分;此时北半球处于春季,南半球处于秋季或北半球处于秋季,南半球处于春季。
将框架52移动至春秋分位58,此时转轴53竖直,垂直于平行光,平行光投射在球体51上,上下两部分被照亮的程度相同,模拟是地球春分以及秋分时节,南北半球接收地太阳光照是一致的。并且,可以看出,球体51面向平行光的左半部分全部处于光照下,背向平行光的右半部分全部不处于光照下,即模拟地球在春分以及秋分时节全球昼夜平分,不存在极昼极夜现象。
再关闭电源1,将电源1旋转180°,打卡激光笔2。地球仪5上出现激光点的位置,用墨笔55的笔头点住激光点,旋转球体51,逐步的可在球体51上得到一个圆,并且圆是球体51的最大截面的圆,此圆即赤道513,也即,模拟的春分以及秋分时节,太阳直射点位于赤道上,所以全球南北半球在接收太阳的热量是一致的。
如附图6所示,模拟的是地球的夏至时节,此时太阳直射地球的北回归线,北半球昼长夜短,北极圈内出现极昼现象,北半球处于夏季;南半球昼短夜长,南极圈出现极夜现象,南半球处于冬季。
将框架52移动至夏至位57,此时转轴53与竖直方向呈现锐角夹角,平行光投射在球体51上,可以看出,球体51的北极圈512内的区域内,荧光粉始终处于发光状态,即全部处于光照下,不论是否旋转球体51。即此时模拟的是地球冬至时节北半球北极圈内出现的极昼现象。
同时,在下半部分,南极圈511内的区域内,荧光粉始终处于不被照亮状态,即全部不处于光照下,不论是否旋转球体51。即此时模拟的是地球冬至时节南半球南极圈内出现的极液现象。并且,可以明显看出,球体51上半部分的发光面积明显大于下半部分,模拟在冬至时节,地球北半球昼长夜短,南半球昼短夜长的现象。
再关闭电源1,将电源1旋转180°,打卡激光笔2。地球仪5上出现激光点的位置,用墨笔55的笔头点住激光点,旋转球体51,逐步的可在球体51上得到一个圆,并且此圆位于球体51的上半部分。此圆即北回归线514,也即,模拟的夏至时节,太阳直射点位于北回归线上,所以地球北半球在接收太阳的热量是高于南半球的。表明地球北半球处于夏季,南半球处于冬季。
如附图7所示,模拟的是一年之中太阳直射点的位置移动情况。所述的框架62上设置有小型电机7,球体51连接在电机7的输出轴上,且球体51的转轴53与电机7的输出轴同轴;将激光笔2打开,将框架52移动至冬至位59,此时,激光点的投射位置处于南回归线510上,将墨笔55的笔头点在激光点上,缓慢匀速移动框架52,使之向春秋分位58慢慢移动,同时,缓慢匀速转动球体51,此时将在球体51上产生轨迹线。如此,缓慢均速的移动框架52,使之依次经过春秋分位58、夏至位57后反向在经过春秋分位58最后回到冬至位59,模拟一年之间四季的交替,在经过冬至位59、春秋分位58以及夏至位57时加重绘图力度,产生一个清晰的点。可在球体51上得到一条轨迹线515,此轨迹线即模拟一年四季交替变化时太阳直射点的位置移动情况,可以看出:冬至时,太阳直射点处于南回归线上;冬至之后逐步向北移动,在春分时节,太阳直射点位于赤道上;春分之后继续往北移动,在夏至时节,太阳直射点位于北回归线上;夏至之后,太阳直射点将向南移动,在秋分时节处于赤道上;之后继续向南移动,在冬至时节,又回到南回归线上,之后进入下一年的轮回。
如附图8所示,模拟的是冬至日地球晨昏线的位置情况。将框架52移动至冬至位59,将平行光照射到地球仪5上,由之前可知北极圈512内始终不存在光线照射而南极圈511内始终处于光照之下。由于光的照射,球体51的左侧面向平行光的一侧被照射,背对平行光的一侧不被照射,用墨笔55沿着亮与不亮的边缘划线,可得到一个圆,这个圆即晨昏线516,模拟地球晨昏线。可以发现,晨昏线516刚好与北极圈512、南极圈511相切,即证明在冬至日时,地球北极圈内出现极夜现象,南极圈内出现极昼现象。同理,在移动框架52至夏至位57时,依旧可以得到晨昏线516刚好与北极圈512、南极圈511相切,即证明在夏至日时,地球北极圈内出现极昼现象,南极圈内出现极夜现象。
本发明整体装置简单,却能直观地显示地球自转公转导致的昼夜交替、四季变换下的南北回归线内太阳直射点的轨迹变换、南北极圈内的极昼极夜现象、昼夜晨昏线的显示以及与南北极圈的位置关系等地理现象,能使得学生自己动手操作,加深对此抽象知识的理解。
以上所述的,仅为本发明的较佳实施例,并非用以限定本发明的范围,本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰,皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (9)
1.一种模拟演示四季变换的操作仪,其特征在于:包括电源(1)、遮光罩(2)、菲涅尔透镜(4)和地球仪(5),遮光罩(2)右侧设有开口,电源(1)设置在遮光罩(2)内部中心,电源(1)产生的光束将从开口射向菲涅尔透镜(4),电源(1)设置在菲涅尔透镜(4)的焦点上;遮光罩(2)内侧刷有黑漆,菲涅尔透镜(4)产生的平行光射向地球仪(5);
所述地球仪(5)包括球体(51)、框架(52)、底座(54)和墨笔(55),球体(51)活动设置在框架(52)上,球体(51)与框架(52)的连接贯穿球体(51)的中心,球体(51)可绕着转轴(53)旋转;框架(52)设置在底座(54)上,框架(52)上设有墨笔(55),框架(52)下部设有滑槽(56),底座(54)的顶端可在滑槽(56)内滑动,滑槽(56)内设有三个固定位,最左侧为夏至位(57),中间为春秋分位(58),最右侧为冬至位(59)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟演示四季变换的操作仪,其特征在于:当底座(54)位于夏至位(57)时,此时转轴(53)与竖直方向的夹角为23.26°,模拟黄赤交角,此时地球仪(5)模拟的地球的夏至时节;当底座(54)位于春秋分位(58)时,此时转轴(53)竖直,此时地球仪(5)模拟的时地球的春分以及秋分时节;当底座(54)位于冬至位(59)时,此时转轴(53)与竖直方向的夹角也设置为23.26°,模拟黄赤交角,此时地球仪(5)模拟的地球的冬至时节。
3.根据权利要求1所述的一种模拟演示四季变换的操作仪,其特征在于:所述遮光罩(2)开口的相对一侧设有激光笔(3),激光笔(3)射向菲涅尔透镜(4)的中心位置。
4.根据权利要求3所述的一种模拟演示四季变换的操作仪,其特征在于:对于位置的校准,将地球仪(5)的框架(52)移动到春秋分位(58),此时激光束折射在球体(51)上的位置即模拟的太阳折射点,调节地球仪(5)的位置,使得激光束投射在球体(51)的最大径上。
5.根据权利要求3所述的一种模拟演示四季变换的操作仪,其特征在于:地球冬至时节的模拟,
将框架(52)位于冬至位(59),转轴(53)与竖向所夹得角为23.26°,在开启电源(1)后,平行光直射在地球仪(1)上,球体(51)顶部有一块不被照亮区域,并且旋转球体,这块区域始终接收不到光束;在球体(51)上部正对面向光束的一侧,有一个发光区域的最高点,用墨笔(55)的笔头点住此点,旋转球体(51),逐步可得一条位于球体(51)上部的圆,即模拟得到地球的北极圈(512);同时,在球体(51)的另一端,可以发现,有一块区域始终处于光束的照射下,不论球体(51)是否旋转,在球体(51)下半部背对光束的一侧,有一个不被照亮区域的最低点,用墨笔(55)的笔头点住此点,旋转球体(51),逐步可得一条位于球体(51)上部的圆,即模拟地球的南极圈(511);
关闭电源(1),将电源(1)旋转180°,打开激光笔(2),此时可以在球体(51)上发现激光点,用墨笔(55)的笔头点在激光点位置,旋转球体(51),墨笔(55)逐步描绘出激光点的移动位置,最终得到一个圆,模拟得到地球的南回归线(511)。
6.根据权利要求3所述的一种模拟演示四季变换的操作仪,其特征在于:地球春分以及秋分时节的模拟,
将框架(52)移动至春秋分位(58),此时转轴(53)竖直,垂直于平行光,平行光投射在球体(51)上,上下两部分被照亮程度相同,球体(51)面向平行光的左半部分全部处于光照下,背向平行光的右半部分全部不处于光照下,即模拟地球在春分以及秋分时节全球昼夜平分,不存在极昼极夜现象;
再关闭电源(1),将电源(1)旋转180°,打卡激光笔(2)。地球仪(5)上出现激光点的位置,用墨笔(55)的笔头点住激光点,旋转球体(51),逐步的可在球体(51)上得到一个圆,并且圆是球体(51)的最大截面的圆,此圆即赤道(513),也即模拟的春分以及秋分时节,太阳直射点位于赤道上,所以全球南北半球在接收太阳的热量是一致的。
7.根据权利要求3所述的一种模拟演示四季变换的操作仪,其特征在于:地球夏至时节的模拟,
将框架(52)移动至夏至位(57),此时转轴(53)与竖直方向呈现锐角夹角,平行光投射在球体(51)上,可以看出,球体(51)的北极圈(512)内的区域始终处于被照亮状态,模拟的是地球冬至时节北半球北极圈内出现的极昼现象;同时在下半部分,南极圈(511)内的区域始终处于不被照亮状态,模拟的是地球冬至时节南半球南极圈内出现的极液现象;
再关闭电源(1),将电源(1)旋转180°,打卡激光笔(2),地球仪(5)上出现激光点的位置,用墨笔(55)的笔头点住激光点,旋转球体(51),逐步的可在球体(51)上得到一个圆,并且此圆位于球体(51)的上半部分,此圆即北回归线(514)。
8.根据权利要求3所述的一种模拟演示四季变换的操作仪,其特征在于:一年之中太阳直射点的位置移动情况的模拟,
所述的框架(62)上设置有小型电机(7),球体(51)连接在电机(7)的输出轴上,且球体(51)的转轴(53)与电机(7)的输出轴同轴;将激光笔(2)打开,将框架(52)移动至冬至位(59),此时,激光点的投射位置处于南回归线(510)上,将墨笔(55)的笔头点在激光点上,缓慢匀速移动框架(52),使之向春秋分位(58)慢慢移动,同时,缓慢匀速转动球体(51),此时将在球体(51)上产生轨迹线;由轨迹线可以看出冬至时,太阳直射点处于南回归线上,冬至之后逐步向北移动,在春分时节,太阳直射点位于赤道上,春分之后继续往北移动,在夏至时节,太阳直射点位于北回归线上,夏至之后,太阳直射点将向南移动,在秋分时节处于赤道上;之后继续向南移动,在冬至时节,又回到南回归线上,之后进入下一年的轮回。
9.根据权利要求3所述的一种模拟演示四季变换的操作仪,其特征在于:冬至日地球晨昏线的位置情况的模拟,
将框架(52)移动至冬至位(59),将平行光照射到地球仪(5)上,球体(51)的左侧面向平行光的一侧被照射,背对平行光的一侧不被照射,用墨笔(55)沿着亮与不亮的边缘划线,可得到一个圆,这个圆即晨昏线(516),可以发现,晨昏线(516)刚好与北极圈(512)、南极圈(511)相切。
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