黃潔

研究背景

目前高一學(xué)生學(xué)習月相變化的知識會遇到許多困難。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)有的教具模型和動畫存在著問題。問題可歸納為兩點：第一，一般的教具模型和動畫均以太陽為中心，能顯示太陽、地球和月亮的運動關(guān)系，但很難顯示三者位置和月相的關(guān)系；第二，我國大部分地區(qū)位于北半球中緯度地區(qū)，在生活中人們觀察月相的時候，往往面向南方，太陽和月亮東升西落，但一般演示教具或視頻都嚴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時觀察太陽、地球和月亮三者相對位置關(guān)系，同時還能觀察到月相的變化，并且既能左西右東、也能左東右西兩個方向顯示的教具模型。

發(fā)明原理

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

地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)周期為365.2422天，因此，一個太陽視運動月則為：365.2422÷1230.43685天。而一個朔望月為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的東升西落比月亮快，具體時間差約為：0.03068×24×60=44.177分鐘。因為太陽的體積比地球和月亮都大得多；相對地球與月球之間的距離，太陽的距離更為遙遠。因此，太陽光線可以認為是一束巨大的平行光線，它可以照亮半個月球。但是由于太陽和月球每天在天穹上的位置不同，因此在地球上觀察時，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，因此我們采用最簡的平均數(shù)，即：在1個太陽視運動月中，我們可以簡單假設(shè)，每個月太陽升落為30次，而月亮升落只有29次，月亮每天的起落時間都比前一天晚0.8小時，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)

月相視運動演示儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1，它主要由4個部分組成。

模型的共軸軸承。30齒的齒輪組A帶動內(nèi)軸，29齒的齒輪組B帶動外軸，保證內(nèi)外兩軸的轉(zhuǎn)速比為30：29，也就是1個平均太陽月中太陽升落30次，月亮升落29次，共軸軸承的外軸上安裝了充當太陽的燈頭和激光燈，內(nèi)軸上安裝了充當月亮的乒乓球，激光燈的作用是在面板上顯示太陽的位置，即月亮和太陽位置的時差，而在中心軸上則安裝了對準月球模型的無線攝像頭，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，分別標上相應(yīng)的時間刻度。代表太陽的燈頭上的激光燈可以將光斑打在面板上，可以在觀察月亮時，隨時將太陽位置（或時間）顯示出來。轉(zhuǎn)動手柄可以帶動共軸軸承的轉(zhuǎn)動，保證代表太陽的轉(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，對準月球模型的無線攝像頭可以將不斷變化的月相實時在顯示屏顯示。

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

效果演示

當轉(zhuǎn)動手柄后，齒輪組帶動2個轉(zhuǎn)桿以30：29的轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)動，代表太陽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、月三者的運動位置關(guān)系，可以估算出農(nóng)歷某天月亮升起和降落的時間，同時通過在地球視角上的無線攝像頭，將月相畫面實時傳遞到顯示屏（見圖3）。另外根據(jù)月相、月亮的位置和時間可以推算農(nóng)歷日期。簡易公式如下：

（月出時間6）÷0.8≈農(nóng)歷日期。

該模型為觀察者提供了2個視界。

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，從左向右依次標上刻度，但要注意的是，這里的刻度并不僅僅指時間，同時也包括了太陽和月亮的方位，由此推算出二者起落的時差。

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

該模型中農(nóng)歷日期的估算有兩個方法，一種是直接從磁性計數(shù)器直接讀取，即轉(zhuǎn)動1圈為農(nóng)歷初一、轉(zhuǎn)動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間利用公式計算得出。

例1：月亮的升起時間大約為上午9點，對應(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。由此計算出的農(nóng)歷日期為初三或初四。

例2：月亮的升起時間大約為凌晨4：30，對應(yīng)的月相為殘月，并且結(jié)合日、地、月的位置關(guān)系可以推斷出此時的農(nóng)歷日期應(yīng)為農(nóng)歷下半月，具體日期可參照公式。由此計算出的農(nóng)歷日期為農(nóng)歷二十八。

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

改進方向

材料的選擇。選擇塑料材質(zhì)可以大大減輕裝置的重量。

動力的選擇?？梢钥紤]用電動機帶動，并用單片機控制太陽和月球模型的轉(zhuǎn)速，不僅可以讓其轉(zhuǎn)速比更精確，也可以大大減小整個模型的體積。

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

該項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，有很好的推廣價值。建議進一步完善制作工藝和市場推廣。endprint