小孔日影套的制作方法

1.本实用新型涉及测量技术领域，具体涉及一种日影观测装置。

背景技术：

2.日影观测是天文和地理学习中一个很重要的项目，是帮助学生形成日地空间认知的基础，地理中经纬线的设定、时区的划分等，都建立在它的基础之上。但实际观测时，存在竿子影端模糊、难以准确标记等问题，这是因为有大气、半影以及衍射等的干扰。而对于这个问题，现代人对它很少有特别的关注，大多是直接进行“立竿见影”的测量，而这样的测量如果是在冬季，偏差是非常大的(可达30％以上)，观测结果很没有说服力。
3.我国古天文学家们很早就关注到了竿影模糊问题，并进行了积极的改进。其中取得突破性成果的，是元代著名学者郭守敬，他将表高增加到五倍，并在表顶增设了一根架空的横梁，此外，也是最关键的，为了准确读取横梁中心的位置，他创制了一件特别的装置——景符，景符其实是一个以绕轴旋转、带有小孔的遮光片，架设在一个小底座(8)上，其工作原理是利用小孔成像，使太阳和横梁在圭面上呈现清晰的实像，实际观测到的是圭面上投射的米粒大小的太阳的像，其中穿过一根头发丝一样黑的横梁的像，可见，景符虽然构造简单，却大幅提高了圭表的测量精度。利用改制的圭表进行经年观测编制而成的《授时历》，于公元1281年实施，以365.2425日为一回归年，精度与公历(1582年《格里高利历》)相当，但比西方早了300多年，与近代观测值365.2422日仅差25.92秒。但是，经过仿制检验，郭守敬的圭表横梁和景符可以很好地进行正午影长的观测，若要进行全天观测，则存在很多问题，首先，由太阳视运动带来的视位置变化，使得观测中每一次记录横梁中点位置时，都必须转动横梁套，让横梁正对太阳，实际操作中由于没有参考点，很难检测是否对正，稍偏一点投影便会差出很多；其次，观测记录时，横梁中点位置也很难准确标定；所以，郭守敬的圭表横梁和景符对于全天观测，很不适用。
4.综上，在“立竿见影”的实际观测中，解决影端模糊问题，是进行观测务必解决的现实问题。

技术实现要素：

5.本实用新型的目的是解决前述技术问题，提供一种小孔日影套。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
7.一种小孔日影套，包括孔片、转杆、支架、卡扣、量角器、转轴和杆套，其中：
8.支架的下端连接有转轴，转轴能够与杆套转动配合；
9.支架的上部为u型结构，该u型结构的一侧为开设有锯齿孔的第一侧板、另一侧为开设有通孔的第二侧板；支架的下部为斜杆，该斜杆的上端连接于u型结构的底部；
10.量角器的下部连接于第二侧板，量角器与第二侧板位于同一平面，且第二侧板的通孔位于量角器的中心点；
11.孔片的中心设有圆形孔；孔片的下边缘连接在转杆的中部；
12.转杆穿过支架的锯齿孔和通孔，且转杆和孔片均垂直于量角器；转杆靠近锯齿孔一端固定连接有卡扣；
13.卡扣设置有一圈锯齿，该锯齿能够与锯齿孔配合使卡扣临时固定在支架内。
14.可选地，当孔片被锁紧、向量角器方向偏转与水平面成40度夹角时，孔片上圆形孔的中心过杆套的轴心。
15.可选地，还包括底座和立杆，其中：
16.底座用于支撑整个装置，立杆的下端插入底座的中心，立杆的上端套设杆套。
17.可选地，立杆的高度设置为15-30厘米。
18.可选地，
19.孔片是长15毫米、宽10毫米、厚2毫米的长方体；
20.孔片上圆形孔的孔径为1.6-2.4毫米。
21.可选地，
22.杆套是顶部开设有凹槽、底部开设有圆锥形孔的圆柱体；
23.转轴是圆柱体与球体的组合体；
24.转轴的球体能够在杆套的凹槽内周向转动。
25.可选地，杆套的外径为10毫米，杆套内圆锥形孔的内径为8毫米。
26.可选地，转轴的圆柱体部分半径为2毫米、球体部分半径为3毫米。
27.可选地，量角器的外径为29毫米、内经为19毫米、厚度为2毫米。
28.上述实用新型中的一个实施例具有如下优点或有益效果：适于全天日影观测，利用带有圆形孔(51)的孔片(5)和量角器(4)等结构，较大地提高了日影测量的精度，同时又很好地降低了观测记录的难度，实现了全天观测。
附图说明
29.图1是本实用新型提供的小孔日影套的部分爆炸结构图；
30.图2是本实用新型提供的小孔日影套的示意图一；
31.图3是本实用新型提供的小孔日影套的示意图二；
32.图4是本实用新型提供的小孔日影套的示意图三；
33.图5是本实用新型提供的小孔日影套的示意图四；
34.图6是本实用新型提供的小孔日影套的支架的示意图；
35.图7是应用实施例的影长与时间曲线的示意图；
36.图8是对比实施例的影长与时间曲线的示意图。
37.图中，
38.1-支架；11-u型结构；111-第一侧板；112-锯齿孔；113-第二侧板；114-通孔；12-斜杆；2-杆套；3-转轴；4-量角器；5-孔片；51-圆形孔；6-转杆；7-卡扣；71-锯齿；8-底座；9-立杆。
具体实施方式
39.以下结合附图对本实用新型的示范性实施例做出说明，其中包括本实用新型实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应
当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本实用新型的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
40.日影观测，看起来非常简单，然而其中却蕴含着丰富的科学内涵。例如：观测中看到太阳东升西落，根据运动的相对性原理，转换为地球“自转+公转”的合运动，切实理解运动的“相对性”；而多日观测中，观察太阳高度和日照长度的变化，便会自然体会太阳的周年视运动与纬度的关系，以及不同纬度的节气特点等；而由杆影最短时刻得到的地方时12点与北京时间的不同，则让学生自觉思考经度的划分问题。此外，数据分析中涉及到丰富的数学知识，如平行线的性质、相似三角形的性质、三角函数的计算等，数轴与坐标系等，帮助学生在真实场景中建立数学模型，深刻领会数学的来源与应用。而深入探究中引发的地球公转轨道的椭圆形问题——开普勒三定律——历法的演化
……
，逐步延伸到高中地理和物理的领域，为学生提供了一个开阔而综合的探究平台。简单而直观的日影观测，将古今串联，向多领域纵深发展，是非常难得的适于各年龄段孩子的实践性学习。
41.为了实现全天观测，本实用新型将横梁改为了小孔，让阳光直接通过小孔投影于水平面，立杆(9)不太高、小孔不太大，投影下来的光斑就不会太大，记录光斑中点位置，作为立杆(9)顶端的投影位置即可。孔的位置应在孔片(5)与水平面夹角等于当地纬度时，刚好处于杆套(2)的中轴线上。支架(1)侧面有量角器(4)，与孔片(5)始终垂直，可用来测量孔片(5)与水平面的夹角，还能够辅助检验孔片(5)是否与太阳正对。每次观测记录时，旋转上部的支架(1)，使孔片(5)与杆套(2)共线、同时量角器(4)的投影为一条直线，此时孔片(5)即已正对太阳，这样一来，大大提高了测量的精度，同时又很好地降低了观测记录的难度。
42.如图1-5所示，本实用新型实施例提供的一种小孔日影套，包括支架(1)、杆套(2)、转轴(3)、量角器(4)、孔片(5)、转杆(6)和卡扣(7)。
43.继续参见图1-6，支架(1)的下端连接有转轴(3)，转轴(3)能够与杆套(2)配合，使支架(1)连接在杆套(2)上并可以在杆套(2)上转动。支架(1)的上部为u型结构(11)，该u型结构(11)的一侧为开设有锯齿孔(112)的第一侧板(111)、另一侧为开设有通孔(114)的第二侧板(113)；支架(1)的下部为斜杆(12)，该斜杆(12)的上端连接在u型结构(11)的底部、下端连接转轴(3)。量角器(4)的下部连接于第二侧板(113)，量角器(4)与第二侧板(113)位于同一平面，且第二侧板(113)的通孔(114)位于量角器(4)的中心点。孔片(5)的中心设有圆形孔(51)；孔片(5)的下边缘连接在转杆(6)的中部。转杆(6)两侧分别从支架(1)的锯齿孔(112)和通孔(114)穿过，且转杆(6)和孔片(5)均垂直于量角器(4)；转杆(6)靠近锯齿孔(112)一端固定连接有卡扣(7)。卡扣(7)上设置了一圈锯齿(71)，锯齿(71)能够与锯齿孔(112)配合使卡扣(7)临时固定在支架(1)内。在调整孔片(5)的角度时，将卡扣(7)横向拉动，使锯齿(71)从锯齿孔(112)中抽出，再转动转杆(6)，最后再将卡扣(7)横向拉动，使锯齿(71)进入锯齿孔(112)内。
44.在本实用新型实施例中，杆套(2)是顶部开设有凹槽、底部开设有圆锥形孔的圆柱体。杆套(2)的圆锥形孔紧密包裹住立杆(9)的上端部。转轴(3)是圆柱体与球体的组合体，转轴(3)的球体能够在杆套(2)的凹槽内周向转动。
45.此外，对于孔片(5)的圆形孔(51)的孔径，因为孔径的大小决定了进光量，若孔径太小，光斑晦暗难以辨识；若孔径太大，光斑很大难以确定中心，误差较大。因此，在得到清晰光斑的前提下，孔径越小越好。适宜的最小孔径，随光照强度而改变，光照强烈的夏季，适
宜使用更小的孔径。以北京为例，夏至前后，1.6毫米孔即可；而冬至前后，需要达到2.4毫米。孔片(5)上圆形孔(51)的孔径为1.6-2.4毫米。
46.以及，对于孔片(5)的圆形孔(51)的位置，当孔片(5)被锁紧、向量角器(4)方向偏转与水平面成40度夹角时，孔中心刚好过杆套(2)的轴心。同时，孔片(5)与杆套(2)的间隙足够大，确保太阳通过小孔的投影不会被下部遮挡。
47.继续参见图1、4、5，本实用新型实施例的一种小孔日影套还可以包括底座(8)和立杆(9)。底座(8)用于支撑整个装置，立杆(9)的下端插入底座(8)的中心，使立杆(9)竖直连接在底座(8)上。杆套(2)套设于立杆(9)的上端。
48.如果立杆(9)太高(光斑大而晦暗)或太低会降低观测精度，作为一种优选的实施方式，立杆(9)的高度设置为15-30厘米，这一高度更适于学生用硬纸板等制作的小观测平台。
49.在本实用新型实施例中，除小孔的孔径大小、以及孔片(5)和量角器(4)的厚度(不要太薄)以外，其它部分尺寸无特别要求。作为一种优选的实施方式，杆套(2)的外径可以为10毫米，杆套(2)内圆锥形孔的内径可以为8毫米。孔片(5)可以设置为长方体，其具体尺寸为：长15毫米、宽10毫米、厚2毫米。量角器(4)的具体尺寸可以为：外径29毫米、内经19毫米、厚度2毫米。转轴(3)的具体尺寸可以为：圆柱体部分半径为2毫米、球体部分半径为3毫米。
50.本实用新型实施例的一种小孔日影套的测影原理为：阳光通过小孔投射“光斑”于水平板面(或水平地面)。每天测量调整孔片(5)角度，让光斑尽量呈圆形(每次测量先调好固定。光斑通常会呈椭圆，仍记录其中心位置即可)每次记录时需转动支架(1)，使孔片(5)正对太阳，记录光斑中心位置，以此确定太阳方位及高度的变化。
51.本实用新型实施例的一种小孔日影套的使用方法为：与传统的“立杆(9)测影”的具体操作相同，只是每一次记录光斑位置时，需要旋转杆套(2)上部的支架(1)部分，使孔片(5)正对太阳，记录投影于水平观测平台的光斑的中点。辨别小孔日影套是否正对太阳的方法，是观察孔片(5)与立杆(9)是否共线、同时量角器(4)是否刚好投影为直线。
52.应用实施例
53.选择高度为22.9厘米的立杆(9)，测量日期2021年5月6日(几乎在春分与夏至的中间、太阳直射点纬度约为北纬11.7度)，测量地纬度为39.74651度(纬度测量误差为(39.9-39.7)/39.9＝0.5％)。在阳光下竖起小孔日影套，测量光斑中心到立杆(9)的水平长度，不同时间的影子长度如表1所示，基于表1绘制的影长与时间曲线如图7所示，可以看出这种测量方式可以连出弧形平滑曲线——地球运转轨迹的投影。
54.表1
55.[0056][0057]
对比实施例
[0058]
以“立杆测影”的直接观测为参照。选择竹竿长度24.6厘米，测量日期2021年3月24日(春分后第4天、太阳直射点纬度约为北纬1度)，测量地纬度为51.88861度(纬度测量误差为(51.9-39.9)/39.9＝30％)。在阳光下竖起竹竿，测量竹竿的影子长度，测量到的不同时间的影子长度如表2所示，基于表2绘制的影长(即影子长度)与时间曲线如图8所示，可以看出这种测量方式根本无法连出弧形平滑曲线——地球运转轨迹的投影。
[0059]
表2
[0060][0061]
图7和图8中的曲线是根据表1和表2进行数学描点绘制的，通过对比分析可以发现，采用本实用新型的小孔日影套进行测量，曲线平滑提高非常明显，更接近实际的地球运转轨迹的投影。
[0062]
根据以上描述可以看出，本实用新型实施例提供的小孔日影套，适于全天日影观测，利用带有圆形孔(51)的孔片(5)和量角器(4)等结构，较大地提高了日影测量的精度，同时又很好地降低了观测记录的难度，实现了全天观测。
[0063]
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种小孔日影套，其特征在于，包括支架(1)、杆套(2)、转轴(3)、量角器(4)、孔片(5)、转杆(6)和卡扣(7)，其中：支架(1)的下端连接有转轴(3)，转轴(3)能够与杆套(2)转动配合；支架(1)的上部为u型结构(11)，u型结构(11)的一侧为开设有锯齿孔(112)的第一侧板(111)、另一侧为开设有通孔(114)的第二侧板(113)；支架(1)的下部为斜杆(12)，该斜杆(12)的上端连接于u型结构(11)的底部；量角器(4)的下部连接于第二侧板(113)，量角器(4)与第二侧板(113)位于同一平面，且第二侧板(113)的通孔(114)位于量角器(4)的中心点；孔片(5)的中心设有圆形孔(51)；孔片(5)的下边缘连接在转杆(6)的中部；转杆(6)穿过支架(1)的锯齿孔(112)和通孔(114)，且转杆(6)和孔片(5)均垂直于量角器(4)；转杆(6)靠近锯齿孔(112)一端固定连接有卡扣(7)；卡扣(7)设置有一圈锯齿(71)，锯齿(71)能够与锯齿孔(112)配合使卡扣(7)临时固定在支架(1)内。2.根据权利要求1所述的小孔日影套，其特征在于，当孔片(5)被锁紧、向量角器(4)方向偏转与水平面成40度夹角时，孔片(5)上圆形孔(51)的中心过杆套(2)的轴心。3.根据权利要求1所述的小孔日影套，其特征在于，还包括底座(8)和立杆(9)，其中：底座(8)用于支撑整个装置，立杆(9)的下端插入底座(8)的中心，立杆(9)的上端套设杆套(2)。4.根据权利要求3所述的小孔日影套，其特征在于，立杆(9)的高度设置为15-30厘米。5.根据权利要求1所述的小孔日影套，其特征在于，孔片(5)是长15毫米、宽10毫米、厚2毫米的长方体；孔片(5)上圆形孔(51)的孔径为1.6-2.4毫米。6.根据权利要求1所述的小孔日影套，其特征在于，杆套(2)是顶部开设有凹槽、底部开设有圆锥形孔的圆柱体；转轴(3)是圆柱体与球体的组合体；转轴(3)的球体能够在杆套(2)的凹槽内周向转动。7.根据权利要求6所述的小孔日影套，其特征在于，杆套(2)的外径为10毫米，杆套(2)内圆锥形孔的内径为8毫米。8.根据权利要求6所述的小孔日影套，其特征在于，转轴(3)的圆柱体部分半径为2毫米、球体部分半径为3毫米。9.根据权利要求1所述的小孔日影套，其特征在于，量角器(4)的外径为29毫米、内经为19毫米、厚度为2毫米。

技术总结

本实用新型公开了一种小孔日影套，涉及测量技术领域。该小孔日影套包括：支架的下端连接有转轴，转轴能够与杆套转动配合；支架的上部为U型结构，U型结构的一侧开设有锯齿孔、另一侧开设有通孔；支架的下部为斜杆，斜杆的上端连接于U型结构的底部、下端连接转轴；量角器的下部连接于第二侧板，第二侧板的通孔位于量角器的中心点；孔片的中心设有圆形孔；孔片的下边缘连接在转杆的中部；转杆穿过支架的锯齿孔和通孔，转杆靠近锯齿孔一端固定连接有卡扣；卡扣设置有一圈锯齿，该锯齿能够与锯齿孔配合使卡扣临时固定在支架内。该小孔日影套适于全天日影观测，较大地提高了日影测量的精度，同时又很好地降低了观测记录的难度，实现了全天观测。了全天观测。了全天观测。