CN118968877A - 二十四节气气象仪 - Google Patents

Abstract

二十四节气气象仪是一种天文历法气象演示设备，该发明特别涉及中国传统农历二十四节气七十二候气象及其演示方法；该仪器用于气象科普传播和教学，展示地球所处黄道十二宫的空间位置与二十四节气七十二候的物候变化，解释历法，解读二十四节气七十二候定义与成因，演示中小学教材中气候变化章节的问题；是气象科普场馆展览设备和中小学地理课堂教学的辅助工具；该演示仪包括天球体(含黄经度数黄道带和黄道十二宫星座)、地球及其公转自转动力传动系统、月球公转传动系统、太阳视运动及其所到达黄经度指示系统、二十四节气七十二候指示系统、月相演示系统、二十四节气七十二候物候图，从立体方位呈现星空星座和日地月位置与历法的关系。

Description

二十四节气气象仪

技术领域

本发明涉及一种历法、气象和地理教学演示设备，特别涉及中国农历二十四节气七十二候变换的物候变化图像教学演示及其演示方法。

背景技术

气象科普场馆需要四季成因和气候变化原因方面的模拟展示仪器，但市场主要以电子产品投影解说为主，尚无大型实体类模型产品；老百姓普遍对于二十四节气养生感兴趣，但对于七十二物候的变化规律并不完全掌握。

中小学地理教材中包含“天气和气候”“自然环境”等章节，为了配合教学演示，市场上有三球仪等教具演示日地月的运行规律，但这类演示仪没有天文历法方面的内容，不能满足教学所需，比如太阳到达黄经0°的空间展示。

发明内容

(一)用途

二十四节气气象仪用于气象科普传播，展示一年四季二十四节气七十二候的物候变化，演示地球在黄道十二宫中的位置变化，演示太阳直射光在地球南北回归线之间的运动变化，演示太阳地球月亮的相对位置变化并解释由此产生的自然现象；解读二十四节气七十二候定义与成因，解释古人观象授时所创立的历法和现代历法的科学性，解答并演示中小学教材中气候变化章节的课后练习题；是气象科普场馆和中小学地理课堂教学的辅助工具，能让学者直观了解天体运动变化规律及气候变化成因。

(二)构造

(1)天球体：以透明亚克力球印刷黄道带和黄道十二星座表示。

(2)模拟太阳光：以LED灯发光组件模拟太阳位置，太阳周年视运动在天球上的轨迹便是黄道。

(3)地球仪：10cm标准地球仪，可观察南北回归线、赤道和国际日期变更线。

(4)月球：中心平均高度和地球中心等高。月球绕地球公转轨道面(白道面)与黄道面夹角为5°9′。

(5)节气盘：表示一年四季和二十四个节气七十二候的名称、黄道位置和日期。

(6)月相盘：表明月相的位置和地球上的昼夜。

(7)黄道位置指针：指示太阳试运动的位置，即太阳到达黄经位置。

(8)节气物候指针：指示太阳试运动位置的节气名称日期。

(9)传动组件：绕底座传动支撑轴转动，反映1年公转12个月365天，由同步带轮和齿轮传动实现。

(10)移动托架：用以支撑整个仪器在天体罩中展示。

(11)二十四节气七十二候变换图：展示每个节气下的物候特征图，共96幅图。为主要展示内容。

(三)演示内容

1.地球的公转、自转：

地球围绕太阳逆时针旋转为公转，地球围绕地心轴由西向东逆时针旋转为自转。公转一周为一年(365.2422天)，自转一周一个昼夜。地轴与地球轨道面交角是23°26′，地球无论公转到什么位置，这个倾角是保持不变的。

2.太阳的视运动：

由于地球的自转，位于地球上的人观测太阳每天都是从东方升起，在西方落下；太阳视运动是以观测者为参考系，又依据观测者是否随地球自转，将视运动分为周日视运动和周年视运动；太阳的周日视运动就是东升西落或绕着地球运动；太阳周年视运动在天球上的轨迹便是黄道，是二十四节气定义的依据。

3.月球的公转：

月球与地球一起绕太阳公转，月亮圆缺的一个周期称为一个“朔望月”，阴历每月初一人们见不到月亮，称“朔日”，阴历的每月十五(或十六)是月亮最圆的一天，称“望日”；从朔日到下一次朔或从望日到下一次望日的时间间隔平均为29.53059天，所以，1年365天里大约有12.36个塑望日。

4.阳历、公历、阴历和农历：

(1)阳历，即太阳历，是根据太阳运行规律制定的历法，以地球绕太阳公转一周为一年，计共365天5小时48分46秒(一个回归年)，分摊给12个月，每个月平均是30.437天；

(2)公历属于阳历的一种，是将耶稣诞生年作为公元元年；阳历纪年精准，但一年365.24天，一个月30.437天，不是整数，无法应用于日常；公历把月和年都定为整数，平年365天，闰年366天，一年分做12个月，大月31天，小月30天，二月只有28天，四年的尾数积累起来共1天光景，加在第四年的二月里，这一年叫做闰年，故而闰年的二月有29天；公历历年平均长度与阳历回归年只有26秒之差；

(3)阴历以月亮圆缺一次的时间定做一个月，共29天半，大月定做30天，小月29天，一年12个月中，大小月大体上交替排列；阴历一年只有354天左右，阴历不考虑地球绕太阳的公转运行，因此使得四季的变化在阴历上就没有固定的时间，它不能反映季节；

(4)农历是阴阳合历，以阴历的月亮圆缺一次定做一个月(朔望月)，以朔日为初一日，又用加闰月的办法，使得平均每年的天数跟阳历回归年的天数相符，以调整四季；农历平年十二个月，仅354日，与阳历的回归年相比较少了11日，积3年少33日，故每3年置1闰月，尚余3日或4日，再积2年共余25日或26日，又置1闰月，平均计算，每19年置7个闰月，闰年13个月，平年则12个月，农历为我国独有的指导农业生产的历法，以二十四节气来分别。

5.二十四节气：

地球在黄道中公转，当太阳到达黄经0°时即定义为春分节气，从春分点起每移动15°便是一节气，移动一周360°就分为二十四节气；每个节气又有三侯，每侯五六天；农历节气物候是中国独有的历法，是农耕文明的伟大创举。

6.四季和寒署变化：

一年内，太阳直射点在地球南北回归线之间往返，从而引起正午太阳高度变化和昼夜长短变化，形成四季更替；在北半球，夏至时阳光直射在北回归线上，昼长夜短，气候炎热；冬至时阳光斜射北回归线，昼短夜长，气候寒冷；在春分秋分时日光直射在赤道上，南北半球光照情况相似，界于冬夏之间，故昼夜平分，且气候温和。

7.昼夜晨昏：

同一瞬间被阳光照亮的半个地球是白昼，没有被阳光照亮的半个地球是黑夜，昼半球和夜半球的分界线(圈)，叫做晨昏线(圈)；当某地从黑暗转向光明即“清晨”，正对太阳为“正午”，离开太阳转入黑暗是“黄昏”，从日出到日落就是“白天”；日落到日出的时间则为夜间；由于地球始终与黄道面倾斜着公转和自转，北半球冬季白昼短而夜间长、夏季则昼长夜短，南半球却与此相反，这都是光照时间的原因。

8.月相变化：

月相变化是由太阳、地球、月球的相对位置存在周期性变化引起的；月相变化的周期大约是一个月，即29.53天，称为一个朔望月；月相变化的顺序是：新月-蛾眉月-上弦月-盈凸-满月-亏凸-下弦月-残月-新月；新月时，月球位于地球和太阳之间，看不到月亮；然后月球逐渐露出明亮的月牙，称为峨眉月；接着是上弦月，出现在农历初七或初八，此时可以看到半边亮的月球；随后月球逐渐变为盈凸月，满月，此时整个月球都被照亮；满月过后，月球开始逐渐消瘦，变为亏凸月，下弦月，此时又只能看到半边亮的月球，但亮面朝向与上弦月相反；最后是残月，月球又逐渐变为一个峨眉形月牙，直至回到新月的位置，开始新一轮的月相变化。

9.日食和月食：

当月球运行至太阳与地球之间并处于一条直线上，月球就会挡住太阳射向地球的光，从而在地球上投下阴影，看似太阳被“遮蔽”，这种现象分为四种类型；日全食、日偏食、日环食和全环食；日食一定发生在朔日，即农历初一当日；

月食是当太阳、地球、月球三者在同一条直线上时，地球位于太阳和月球之间，导致月球进入地球的阴影中，从而使得原本被太阳光照亮的月球全部或部分无法被直射阳光照亮，使得位于地球的观测者无法看到普通的月相；月食包括月全食和月偏食，当整个月球进入地球的本影时，发生月全食，此时月球表面变成暗红色；而如果只有部分月球进入地球的本影，则发生月偏食；月食必定发生在“望”(即农历十五前后)。

10.黄道十二宫：

在天文学上，地球环绕太阳所经过的圆周轨迹即为黄道，将黄道每30度分为一段，总计为十二段，称为“黄道十二宫”；黄道十二宫表示太阳在黄道上的位置，太阳进入每一宫的时间基本上是固定的，每年3月21日前后太阳来到春分点，进入白羊宫；6月22日左右来到夏至点，进入巨蟹宫；9月23日前后来到秋分点，进入天秤宫；12月22日左右来到冬至点，进入摩羯宫；黄道十二宫与中国古代的二十四节气有着固定的对应关系。

附图说明

图1为“二十四节气气象仪装配图”

图2为“节气方位标识盘”

图3为“黄道带及黄道星座”

图4为“二十四节气七十二候变换图”

图5为“万向节支架”设计图

图6为“旋转横梁”设计图

图中零部件：(1)天球体；(2)黄道带及黄道十二宫；(3)二十四节气七十二候变换图；(4)移动托架；(5)移动轮组件；(6)电机底座；(7)直流减速电机；(8)导电滑环组件；(9)传动支撑轴；(10)碳刷；(11)电机齿轮；(12)偏心传动轴；(13)尼龙齿轮1；(14)同步带轮1；(15)同步带1；(16)同步带轮2；(17)转动滑动轴；(18)滚动轴承1；(19)塞打螺栓；(20)安装螺栓；(21)转动滑动轴间隔套；(22)滚动轴承2；(23)凸台齿轮2；(24)联轴器；(25)塔轮支柱；(26)塔轮；(27)铜齿轮；(28)小转动轴；(29)铜轴承；(30)万向节；(31)23.5°万向节支架；(32)月球；(33)节气物候指示牌；(34)地球；(35)节气方位标识盘；(36)同步带轮3；(37)旋转横梁滚动轴承3；(38)立柱轴间隔套；(39)滑环立柱；(40)六角长螺母；(41)厚垫片；(42)同步带2；(43)凸台齿轮1；(44)同步带轮4；(45)月相盘；(46)齿轮3；(47)齿轮变速支架；(48)旋转横梁；(49)太阳球安装支柱；(50)LED灯支架；(51)黄经度指示牌；(52)LED灯组件

具体实施方式

1.地球的公转、自转实施方式：

地球的公转与自转是通过机械传动实现的，地球在黄道带中公转1周则自转365转；

直流减速电机(7)的动能通过电机轴齿轮(11)传动到偏心轴齿轮(13)，然后通过偏心传动轴(12)带动旋转横梁(48)逆时针旋转，旋转横梁与电机底座(6)及固定在其上的传动支撑轴(9)形成相对运动；

旋转横梁(48)上，上固定同步带轮3(36)通过上同步带2(42)带动同步带轮4(44)与凸台齿轮1(43)组合轮，再通过凸台齿轮1(43)带动凸台齿轮2(23)和联轴器(24)，联轴器(24)上安装月球支撑杆带动月球旋转，实现了12倍变速；同时联轴器(24)与月相大变速齿轮3(46)相连接，带动30倍变速系统双层齿轮塔轮(26)、地球仪转动齿轮铜齿轮(27)、地轴、地球仪(34)，实现了1；365的传动变速。地轴又通过万向节支架(31)、万向节(30)、小转动轴(28)实现了23.5°倾斜传动；

横梁下，固定同步带轮(14)通过同步带1(15)与同步带轮2(16)形成相对运动，带动转动滑动轴(17)和通过螺栓固定在其上的齿轮变速支架(47)，实现1：1传动，使旋转横梁(48)每旋转1圈，齿轮变速支架(47)也旋转1圈，完成模拟1年内近地点与远地点的变换；

以上传动组件，同步带轮和同步带采用标准工业品，齿轮与轴承采用国标工业成品，轴类零部件与钣金类部件按发明者图纸生产，同步带与齿轮传动相结合是为了满足不同规格尺寸气象仪的设计方案。

2.太阳视运动实施方式：

太阳的视运动是在地球上观察太阳的运动变化，可以观测太阳日升日落，可以观测到太阳在天球上的轨迹即黄道，太阳到达的黄经度数就是二十四节气定义的依据；

本仪器的太阳视运动是由地球公转、自转(如前所述)，以及安装在旋转横梁(48)上的太阳球安装支柱(49)、LED灯支架(50)、LED灯组件(52)、直流供电电源等和黄经度指示牌(51)来完成的；比如从地球上观测到太阳到达黄经0°，即为24节气的春分点，进入春分三侯的第一候“玄鸟至”，即燕子从南方飞回北方(中国大部地区处于北半球)筑巢。

3.月球公转实施方式：

月球绕地球公转的方向是自西向东，月球随地球绕太阳公转1周为1年，月相盈亏的平均周期平均为29.53059天，但是我国农历上通常为每个月30天或29天，本仪器通过旋转横梁(48)上固定同步带轮3(36)，通过上同步带2(42)带动同步带轮4(44)与凸台齿轮1(43)组合轮，再通过凸台齿轮1(43)带动凸台齿轮2(23)和联轴器(24)，联轴器(24)上安装月球支撑杆带动月球旋转，实现了12倍变速，实现了塑望月的展示。

4.阳历、公历、阴历和农历验证方式：

(1)阳历，即太阳历，是根据太阳运行规律制定的历法，以地球绕太阳公转1周为1年，计共365天5小时48分46秒(一个回归年)，分摊给12个月，每个月平均是30.437天。

(2)公历属于阳历的一种，是将耶稣诞生年作为公元元年。阳历纪年精准，但一年365.24天，一个月30.437天，不是整数，无法应用于日常，公历把月和年都定为整数，平年365天，闰年366天，一年分做12个月，大月31天，小月30天，二月只有28天，四年的尾数积累起来共1天光景，加在第四年的二月里，这一年叫做闰年，故而闰年的二月有29天，公历历年平均长度与阳离子回归年只有26秒之差。

(3)阴历以月亮圆缺一次的时间定做一个月，共29天半，大月定做30天，小月29天，一年12个月中，大小月大体上交替排列；阴历一年只有354天左右，阴历不考虑地球绕太阳的公转运行，因此使得四季的变化在阴历上就没有固定的时间，它不能反映季节。

(4)农历是阴阳合历，以阴历的月亮圆缺一次定做一个月(朔望月)，以朔日为初一日，又用加闰月的办法，使得平均每年的天数跟阳历回归年的天数相符，以调整四季；农历平年十二个月，仅354日，与阳历的回归年相比较少了11日，积3年少33日，故每3年置1闰月，尚余3日或4日，再积2年共余25日或26日，又置1闰月，平均计算，每19年置7个闰月。闰年13个月，平年则12个月，农历为指导农业生产的历法，以二十四节气来分别；

以上历法内容是通过观测地球公转和自转，以及月相变化而制定的，在本仪器中都能通过地球、月球、太阳、黄道十二宫的相对位置，得到验证。

5.二十四节气验证方式：

24节气是以太阳到达黄经度数来定义的，比如太阳到达黄经90°时即为夏至节气，夏至这天，地球相对于太阳的位置是位于远日点，太阳直射地面的位置到达一年的最北端，几乎直射北回归线；

太阳到达黄经位置是由旋转横梁(48)带动安装在其上的太阳球安装支柱(49)、LED灯支架(50)、黄经度指示牌(51)、LED灯组件(52)、节气物候指示牌(33)来实现和标识的。比如黄经度指示牌(51)到达黄经90°时进入黄道十二宫的巨蟹座，对应的节气为夏至，每年6月22日前后，太阳会到达这个宫位，因此夏至点也被称为巨蟹座第一点。

6.四季和寒署变化实施方式：

地球围绕太阳公转一年回到原点，一年内，太阳直射点在地球南北回归线之间往返，从而引起正午太阳高度变化和昼夜长短变化，形成四季更替；太阳直射点在南北回归线之间移动，是通过地轴倾斜和地球公转、自转来体现的；本仪器中，铜齿轮(27)带动小转动轴(28)，通过23.5°万向节支架(31)带动万向节(30)传动，万向节带动地球仪(34)实现倾斜23.5°自转；这样LED灯组件(52)所发出的模拟太阳直射光就能在南北回归线之间移动，而太阳直射光是四季寒暑变化的直接原因。

7.昼夜晨昏实施方式：

地球自转是造成昼夜交替、日月星辰东升西落和时间差异的原因；本仪器LED灯组件(52)模拟太阳直射光照在地球(34)上，地球(34)自西向东自转，面向LED灯组件(52)的半个地球被阳光照射称为昼半球，而相对的另一半未被照亮的半球为夜半球；

地球自西向东的自转方向，使得昼夜分界线——晨昏线——在地球上不断地移动，从而产生了昼夜更替的现象；晨昏圈将纬线圈分成昼弧和夜弧，昼弧与夜弧的长短表示了该纬线圈昼夜长短的状况；地球的这种自转运动，不仅产生了昼夜交替，还导致了不同地区在不同时间经历日出和日落，从而形成了我们所体验的时间差异，这从本仪器的运行上都可以观察到。

8.月相变化的实施方式：

月相变化的顺序是：新月-蛾眉月-上弦月-盈凸月-满月-亏凸月-下弦月-残月-新月，周期是是29.53天，称为一个朔望月，是历法中历月和星期的来源；

月相变化是由月球围绕地球公转和随地球绕太阳公转引起的，本仪器中月球绕地球公转由直流减速电机(7)通过偏心轴齿轮(13)带动旋转横梁(48)，同时同步带轮3(36)通过同步带2(42)同步带轮4(44)凸台齿轮(43)传动凸台齿轮(23)到联轴器(24)，联轴器(24)上安装的月球支撑杆带动月球旋转，实现月球绕地球公转，实现了月相盘(45)上图示的月相变化。

9.日食和月食的实施方式：

演示日食时，通电控制月球(32)运行至模拟太阳LED灯组件(52)和地球(34)中间并在一条直线上，停止机械部件转动，可见月球遮蔽阳光在地球上形成阴影；同时因为月相盘(45)固定在旋转横梁(48)上，月相盘中的朔日正对阳光，实现了朔日(农历初一)日食的演示；

演示月食时，通电控制月球(32)运行至模拟太阳LED灯组件(52)和地球(34)的远端并在一条直线上，停止机械部件转动，可见地球遮蔽阳光在月球上的投射，同时因为月相盘(45)固定在旋转横梁(48)上，月相盘中的望日背对阳光，实现了望日(农历十五左右)月食的演示。

10.黄道十二宫的实施方式：

黄道带及黄道星座(33)在天球体黄道带上，天球体(1)固定在移动托架(4)上，黄道十二宫星座指示地球(34)、月球(32)和太阳在黄道带上的空间位置，也是农历二十四节气的划分依据。

Claims (8)

1.一种二十四节气气象仪，其特征在于，在模拟天球上标明黄道带、黄道十二宫星座、黄经度数以及地球位置，模拟太阳视运动所到达的黄经度数与节气的定义关系；以及用96幅典型物候图展示一年四季24节气72侯的物候气象；包括模拟天球、黄道带黄经及黄道十二宫图、机械传动系统、电子控制与灯光模拟指示系统、二十四节气七十二候展示图(96幅)；其中，所述模拟天球为亚克力圆球①，球体喷涂或张贴有黄道带及黄道十二宫星座③以及北斗七星等；所述电子控制与灯光模拟指示系统包括12V直流变压器、电源开关、旋转导电滑环组件⑧、碳刷⑩、模拟太阳光LED灯组件、太阳到达黄经度数指示灯、地球节气物候指示牌、太阳球安装支柱、LED灯支架、导线等；所述机械传动系统包括直流减速电机⑦、电机底座⑥、传动支撑轴⑨、电机轴齿轮、偏心传动轴、偏心轴齿轮、旋转横梁、旋转横梁滚动轴承3、立柱轴间隔套、滑环立柱、六角长螺母、厚垫片、下固定同步带轮1、同步带1、下旋转同步带轮2、上固定同步带轮3、上同步带2、同步带轮4与凸台齿轮1组合轮、传动轴塞打螺栓、销轴滚动轴承1、凸台齿轮2、联轴器、月相大变速齿轮3、双列滚动轴承2、转动滑动轴、转动滑动轴间隔套、30倍变速系统双层齿轮塔轮、塔轮支柱、地球仪转动齿轮铜齿轮、地轴、地球仪、齿轮变速支架、23.5°万向节支架、万向节、小转动轴、铜轴承、月球、月相盘、节气方位标识盘、移动托架④、移动轮组件⑤；所述黄道带与黄道十二宫图采用自行设计图；所述24节气72候展示图均为自选典型物候图。

2.根据权利要求1所述的二十四节气气象仪，其特征在于，所述模拟天球体①的球体喷涂黄道带及黄道十二宫星座②。

3.根据权利要求1所述的二十四节气气象仪，其特征在于，所述24节气72候展示图中的96幅七十二候变换图③。

4.根据权利要求1所述的二十四节气气象仪，其特征在于，所述机械传动系统中的23.5°万向节支架、万向节，用于实现地轴的倾斜和地球自转的传动。

5.根据权利要求1所述的二十四节气气象仪，其特征在于，所述电子控制与灯光模拟指示系统中的模拟太阳光LED灯组件用于模拟太阳光的变化。

6.根据权利要求1所述的二十四节气气象仪，其特征在于，形象展示太阳视运动位置的黄经度指示牌和相对应的节气位置的节气物候指示牌。

7.根据权利要求1所述的二十四节气气象仪，其特征在于，直流供电系统中为旋转部件防缠绕供电的导电滑环组件⑧和碳刷⑩。

8.根据权利要求1所述的二十四节气气象仪，其特征在于，用同步带轮与齿轮实现大速比变速，使仪器平稳匀速运行，并可因同步带传动的优势任意调整该仪器的规格以适应不同面积的展馆。