CN212208731U - 一种地球自转公转模拟演示仪 - Google Patents

Abstract

一种地球自转公转模拟演示仪，包括电源、遮光罩、菲涅尔透镜、玻璃罩和地球仪，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，电源产生的光束透过菲涅尔透镜形成平行光束；菲涅尔透镜产生的平行光射向玻璃罩，玻璃罩位于正对着地球仪左侧的位置并且玻璃罩与地球仪的相对位置固定。本实用新型整体装置简单，却能直观地显示地球自转公转导致的各种地理现象；尤其是将公转、黄赤交角、自转等多重因素导致的四季气候变化尤其是太阳直射点与温度的变化的关系以荧光粉的发光强度直观展示，加深学员的理解。

Description

一种地球自转公转模拟演示仪

技术领域

本实用新型涉及教学设备领域，具体涉及一种地球自转公转模拟演示仪。

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514、南北极圈、极昼极夜现象、太阳直射点等，尤其是对于夏热冬冷主要由于太阳直射点的变换以及地球与太阳距离远近导致的则更为抽象，为加深学员的理解，因此需要一种演示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，本实用新型提供一种地球自转公转模拟演示仪来解决，接下来对本实用新型做进一步地阐述。

一种地球自转公转模拟演示仪，其特征在于：包括电源、遮光罩、菲涅尔透镜、玻璃罩和地球仪，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，电源产生的光束透过菲涅尔透镜形成平行光束；菲涅尔透镜产生的平行光射向玻璃罩，玻璃罩位于正对着地球仪左侧的位置并且玻璃罩与地球仪的相对位置固定；地球仪包括球体、框架和底座，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，框架下部设有滑槽，底座的顶端可在滑槽内滑动，使用时底座位置不动，框架移动，从而使得转轴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；球体表层覆盖有一层荧光粉，用以感知是否有光照射以及光照的强度，所述的球体表面还刻画有南回归线、南极圈、赤道、北极圈、北回归线；所述玻璃罩中空，其内部密封存有模拟大气的混合物气体。

遮光罩内侧刷有黑漆，吸收电源发射的光，不产生反射光束，避免发出不经过菲涅尔透镜的焦点的光束射向菲涅尔透镜，进而产生非平行光束。

在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，菲涅尔透镜的中心对准激光点。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型整体装置简单，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；更重要的是，将公转、黄赤交角、自转等多重因素导致的四季气候变化尤其是太阳直射点与温度的变化的关系以荧光粉的发光强度直观展示，加深学员的理解；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：本实用新型的结构示意图；

图2：本实用新型的地球仪的结构示意图；

图3：本实用新型校准示意图；

图4：本实用新型模拟冬至时节的模拟示意图；

图5：本实用新型模拟春分以及秋分时节的模拟示意图；

图6：本实用新型模拟春分时节的模拟示意图；

图7：本实用新型模拟一年之中太阳直射点位置移动的模拟示意图；

图8：本实用新型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、玻璃罩5、地球仪6、球体 61、框架62、转轴63、底座64、墨笔66、滑槽66、夏至位67、春秋分位68、冬至位69、南回归线610、南极圈611、赤道613、北极圈612、北回归线614、轨迹线615、晨昏线616、电机7。

具体实施方式

下面结合附图1-8对本实用新型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，一种地球自转公转模拟演示仪，包括：电源1、遮光罩2、激光笔3、菲涅尔透镜4、玻璃罩5和地球仪6，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产生的平行光射向玻璃罩5，玻璃罩5位于正对着地球仪6左侧的位置并且玻璃罩5与地球仪6的相对位置固定，模拟太阳光直射在地球表面。

如图2所示，地球仪6包括球体61、框架62和底座64；球体61活动设置在框架62上，球体61表层覆盖有一层荧光粉，用以感知是否有光照射以及光照的强度，球体61 与框架62的连接贯穿球体61的中心，球体61可绕着转轴63旋转，转轴63相当于地球自转的转轴，模拟地球的自转。

框架62设置在底座64上，框架62上设有墨笔65，框架62下部设有滑槽66，底座64的顶端可在滑槽66内滑动，使用时底座64位置不动，框架62移动，从而使得转轴 63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66内设有三个固定位，最左侧为夏至位67，中间为春秋分位68，最右侧为冬至位69。

所述的球体61表面刻画有南回归线610、南极圈611、赤道613、北极圈612、北回归线514，且与实际地理概念的含义是一致的。

所述球体61表层覆盖有一层荧光粉，荧光粉被光照射后，光子照射后被荧光粉电子吸收，内部电子发生跃迁等一些系列反应并发出电磁波，即产生光，且光强越大，荧光粉发光越强，通过球体61表层荧光粉的发光强度表征地球表面接受太阳能的多少。

所述玻璃罩5中空，其内部密封存有模拟大气的混合物气体，玻璃罩5对来自菲涅尔透镜4的平行光产生作用，经过玻璃罩5折射的光将射向地球仪6，全反射的光将远离地球仪6，因玻璃罩5与地球仪6的相对位置固定，在地球仪6转动中，平行光被玻璃罩5 作用后发生散射、折射以及全反射等，使得越远离玻璃罩5的地球仪6表面获取的平行光越少，模拟了实际中因地球公转和黄赤交角导致的地球南北半球与太阳的远近不同进而导致了接受太阳光的存在很大的区别的现象。

球体61上覆盖荧光粉，用以感知光强，光强模拟太阳光强度，由实际可知四季变换的主要特征太阳光强度的变换导致的气温的变化。现通过荧光粉感知光照强度，荧光粉发光亮度越高，表明光照越强，对应的气温越高。

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6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6的框架62移动到春秋分位68，此时激光束折射在球体61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，实际中地球两极略扁而中部略凸的椭球体，即此时太阳直射点位于球体61的最大径即赤道上，调节地球仪6的位置，使得激光束投射在球体61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，南极圈出现极昼现象，南半球处于夏季。

此时，可将框架62位于冬至位69，转轴63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6上，可以看出，球体61顶部有一块不发光区域，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，此区域的边缘即北极圈612，模拟了地球的北极圈612内，随着球体61的自转，始终接收不到光束，即地球在冬至时节北极圈内的极夜现象。同时，在球体61的另一端，可以发现，有一块区域始终处于光束的照射下并发光的区域，不论球体61是否旋转，此区域的边界即南极圈611，北极圈612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3，此时可以在球体61上发现激光点，旋转球体61，激光点逐步移动，且其移动轨迹即为南回归线610。

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，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积每秒钟接受的太阳辐射，每平方米大约1367瓦，垂直入射的时候，这1367瓦落在一平米的地面上，当太阳高度30度的时候，这1367落在两平米的地面上或者反过来说，每平方米只接收到一半的热功率。因此，太阳直射点是影响冬天和夏天接受光强的主要原因。

在冬至位69时，下半球的发光面积远大于上半球，且光线投射在下半球的角度也远大于上半球的角度，同时再经过玻璃罩5的强化作用，因此下半球的发光强度远大于上半球，通过发光强度，模拟了在冬至时，南半球处于夏季而北半球处于冬季。

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62移动至春秋分位68，此时转轴63竖直，垂直于平行光，平行光投射在球体61上，上下两半球荧光粉的亮度相同，表明上下两半部分接收地光照强度是一样的，即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61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3。地球仪6上出现激光点的位置，旋转球体61，激光点将沿着赤道613移动，模拟了春分以及秋分时节，太阳直射点位于赤道上，且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514，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62移动至夏至位67，此时转轴63与竖直方向呈现锐角夹角，平行光投射在球体61上，可以看出，球体61的北极圈612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61，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，在下半球，南极圈611内的区域内，荧光粉始终处于不发光状态，即全部不处于光照下，不论是否旋转球体61。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61上半部分的发光面积和发光强度明显大于下半部分，模拟在冬至时节，地球北半球昼长夜短，南半球昼短夜长且北半球为夏季南半球为冬季的现象。

再关闭电源1，将电源1旋转180°，打卡激光笔3，地球仪6上出现激光点的位置，旋转球体61，激光点逐步沿着北回归线514移动，也即模拟的夏至时节，太阳直射点位于北回归线514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61连接在电机7的输出轴上，且球体 61的转轴63与电机7的输出轴同轴；将激光笔3打开，将框架62移动至冬至位69，此时，激光点的投射位置处于南回归线610上，再将墨笔65的笔头点在激光点上，缓慢匀速移动框架62，使之向春秋分位68慢慢移动，同时，缓慢匀速转动球体61，此时将在球体61上产生轨迹线。如此，缓慢均速的移动框架62，使之依次经过春秋分位68、夏至位67后反向在经过春秋分位68最后回到冬至位69，模拟一年之间四季的交替。球体61上清晰地显示出激光点的移动轨迹线615，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514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。

所述的框架62上悬吊有一墨笔65，将框架62移动至冬至位69，将平行光照射到地球仪6上，由之前可知北极圈612内荧光粉始终不亮而南极圈611内荧光粉始终发光。由于光的照射，球体61的左侧面向平行光的一侧发亮，背对平行光的一侧不亮，用墨笔65 沿着发亮与不发亮的边缘划线，可得到一个圆，这个圆即晨昏线616，模拟地球晨昏线。

可以发现，晨昏线616刚好与北极圈612、南极圈611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62至夏至位67时，依旧可以得到晨昏线616刚好与北极圈612、南极圈611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。

值得说明的是，本实施例作为一个最佳的实施例，但其他的一个实施例中，可以不设置玻璃罩5，即仅仅讨论太阳折射角这一个最终的影响因素也是可行的。

本实用新型整体装置简单，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514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；更重要的是，将公转、黄赤交角、自转等多重因素导致的四季气候变化尤其是太阳直射点与温度的变化的关系以荧光粉的发光强度直观展示，加深学员的理解；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，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型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，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (3)

1.一种地球自转公转模拟演示仪，其特征在于：包括电源(1)、遮光罩(2)、菲涅尔透镜(4)、玻璃罩(5)和地球仪(6)，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；菲涅尔透镜(4)产生的平行光射向玻璃罩(5)，玻璃罩(5)位于正对着地球仪(6)左侧的位置并且玻璃罩(5)与地球仪(6)的相对位置固定；

地球仪(6)包括球体(61)、框架(62)和底座(64)，球体(61)活动设置在框架(62)上，球体(61)与框架(62)的连接组件贯穿球体(61)的中心，球体(61)可绕着转轴(63)旋转；框架(62)设置在底座(64)上，框架(62)下部设有滑槽(66)，底座(64)的顶端可在滑槽(66)内滑动，使用时底座(64)位置不动，框架(62)移动，从而使得转轴(63)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(66)内设有三个固定位，最左侧为夏至位(67)，中间为春秋分位(68)，最右侧为冬至位(69)；

球体(61)表层覆盖有一层荧光粉，用以感知是否有光照射以及光照的强度，所述的球体(61)表面还刻画有南回归线(610)、南极圈(611)、赤道(613)、北极圈(612)、北回归线(514)；

所述玻璃罩(5)中空，其内部密封存有模拟大气的混合物气体。

2.根据权利要求1所述的一种地球自转公转模拟演示仪，其特征在于：所述遮光罩(2)内侧刷有黑漆，吸收电源(1)发射的光，不产生反射光束。

3.根据权利要求2所述的一种地球自转公转模拟演示仪，其特征在于：所述在遮光罩(2)开口的相对一侧设有激光笔(3)，激光笔(3)产生射向菲涅尔透镜(4)的激光束，菲涅尔透镜(4)的中心对准激光点。

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