四季成因演示仪

四季成因演示仪西安市临潼区骊山中学八年级十一班刘源缘地球（英语：Earth）是太阳系八大行星之一，按离太阳由近及远的次序排为第三颗。它有一个天然卫星——月球，二者组成一个天体系统——地月系统。地球作为一个行星，远在46亿年以前起源于原始太阳星云。地球会与外层空间的其他天体相互作用，包括太阳和月球。地球是上百万生物的家园，包括人类，地球是目前宇宙中已知存在生命的唯一天体。地球赤道半径6378.137千米，极半径6356.752千米，平均半径约6371千米，赤道周长大约为40076千米，地球上71%为海洋，29%为陆地，所以太空上看地球呈蓝色。地球在宇宙中的位置在最近的一个世纪里，这一认识发生了根本性的拓展。起初，地球被认为是宇宙的中心，而当时对宇宙的认识只包括那些肉眼可见的行星和天球上看似固定不变的恒星。17世纪日心说被广泛接受，其后威廉•赫歇尔和其他天文学家通过观测发现太阳位于一个由恒星构成的盘状星系中。到了20世纪，对螺旋状星云的观测显示我们的银河系只是膨胀宇宙中的数十亿计的星系中的一个。宇宙是没有“中心”或者“边界”的，因此我们无法标出地球在整个宇宙中的绝对位置。地球位于可观测宇宙的中心，这是因为可观测性是由到地球的距离决定的。在各种尺度上，我们可以以特定的结构作为参照系来给出地球的相对位置，在这里，以太阳为参照，把太阳作为中心固定点。地球的运动包括自转和公转，由此产生了昼夜的交替、季节的变换。地球存在绕自转轴自西向东的自转，平均角速度为每小时转动15度。在地球赤道上，自转的线速度是每秒465米。天空中各种天体东升西落的现象都是地球自转的反映。人们最早利用地球自转作为计量时间的基准。自20世纪以来由于天文观测技术的发展，人们发现地球自转是不均的。1967年国际上开始建立比地球自转更为精确和稳定的原子时。由于原子时的建立和采用，地球自转中的各种变化相继被发现。天文学家已经知道地球自转速度存在长期减慢、不规则变化和周期性变化。地球自转的周期性变化主要包括周年周期的变化，月周期、半月周期变化以及近周日和半周日周期的变化。周年周期变化，也称为季节性变化，是20世纪30年代发现的，它表现为春天地球自转变慢，秋天地球自转加快，其中还带有半年周期的变化。周年变化的振幅为20～25毫秒，主要由风的季节性变化引起。半年变化的振幅为8～9毫秒，主要由太阳潮汐作用引起的。此外，月周期和半月周期变化的振幅约为±1毫秒，是由月亮潮汐力引起的。地球自转具有周日和半周日变化是在最近的十年中才被发现并得到证实的，振幅只有约0.1毫秒，主要是由月亮的周日、半周日潮汐作用引起的。地球公转的轨道是椭圆的，公转轨道半长径为149597870公里，轨道的偏心率为0.0167，公转的平均轨道速度为每秒29.79公里；公转的轨道面（黄道面）与地球赤道面的交角为23°27'，称为黄赤交角。地球自转产生了地球上的昼夜变化，地球公转及黄赤交角的存在造成了四季的交替。从地球上看，太阳沿黄道逆时针运动，黄道和赤道在天球上存在相距180°的两个交点，其中太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一点，称为春分点，与春分点相隔180°的另一点，称为秋分点，太阳分别在每年的春分（3月21日前后）和秋分（9月23日前后）通过春分点和秋分点。对居住的北半球的人来说，当太阳分别经过春分点和秋分点时，就意味着已是春季或是秋季时节。太阳通过春分点到达最北的那一点称为夏至点，与之相差180°的另一点称为冬至点，太阳分别于每年的6月22日前后和12月22日前后通过夏至点和冬至点。同样，对居住在北半球的人，当太阳在夏至点和冬至点附近，从天文学意义上，已进入夏季和冬季时节。上述情况，对于居住在南半球的人，则正好相反。地球的直径约12756千米，而地球绕日公转的轨道直径约294237923千米（按照轨道周长推算），比例关系约是1:23067；从便于操作、适合摆放的角度出发，公转轨道选择254毫米，如果按照真实比例，地球模型的直径只有大约0.011毫米，别说制作，即使想要看见也几乎不可能，所以只能改变模型比例，地球模型选用了直径40毫米的白色乒乓球，虽然显得夸张，但是不会影响原理的展示。地球并不是一个规则球体，而是一个两极部位略扁赤道稍鼓的不规则椭圆球体。地球的赤道半径约长6378.137Km，这点差别与地球的平均半径相比，十分微小，从宇宙空间看地球，仍可将它视为一个规则球体。如果按照这个比例制作一个半径为1米的地球仪，那么赤道半径仅仅比极半径长了大约3毫米，凭着人的肉眼是难以察觉出来的，因此在制作地球仪时总是将它做成规则球体。所以这里用乒乓球制作仿真度完全可以满足要求；地球绕日公转的轨道是椭圆，但是离心率只有0.016710219，视觉上也很接近圆形，用圆盘模拟黄道面基本没有问题；太阳使用白炽灯珠模拟，类似于点光源，照射效果与实际情况差不多。设计思路：因为地轴指向是固定的，如果把地球模型简单固定在转臂上，那么地轴将会随着固定座转动，与实际情况完全不同，所以要解决固定座方向锁定的问题。两个大小相同的同向皮带轮运动时，转动始终是同步的，所以这里以仿黄道盘作为固定基准，把一个皮带轮与盘同轴粘接固定在一起，就实现了地轴固定指向的仿真。因为公转的黄道面与地球赤道面存在23°27'的黄赤交角，所以要在垂直固定地轴的基座盘与旋转盘之间粘接一个倾斜23°27'的楔形垫。遇到问题及解决过程：实验时首次使用橡皮筋作为传动带，因为有较大的拉伸，导致同步误差很大，后改用粗棉线，为了防止打滑，采用整圈包裹，很好的解决了遇到的问题。附图说明：黄赤交角模拟垫；黄道模拟盘的制作；四季成因演示仪完成图；四季成因演示仪工作图。