能顯示晝夜的地球儀

◎背景

地球儀是顯示地球地理狀況、各國及地區位置分布的工具，也是中小學科學課教學中經常用到的教學儀器，還是培養兒童對科學興趣的不可多得的玩具。縱觀地球儀的發展，從紙質平面、立體到目前市面上可見到的各種實木、寶石、古典工藝、磁懸浮地球儀，它們主要的差別都只是在外觀，功能卻大同小異。這些不同的地球儀在日常生活和辦公裝飾方面有很大的市場，但在學校教學方面卻只能起到有限的作用。

地球并不是獨立存在的，它不但自轉，還繞著太陽作一年一個周期的公轉，這就形成了我們年復一年感受到的春夏秋冬和每天的日出日落。市面上現有的地球儀能反映地球的自轉，可是卻不能反映出地球自轉時，某一位置和太陽之間的關系，換句話說就是不能實時了解世界各地的晝夜分布情況，不易使學生理解地球晝夜變化的形成原因。

◎項目內容

本發明為了解決實時模擬太陽光照形成地球的晝夜狀態，提供一種顯示晝夜的地球儀，用于了解地球上不同地區的晝夜情況。

Θ總體結構

這種顯示晝夜的地球儀，包括底座、支架、可固定在支架兩端的二心轉軸、可繞正心轉軸轉動的黑白背景球體、可繞斜心轉軸轉動的透明圖面球體。支架安裝在底座上，二心轉軸安裝在支架兩端，黑白背景球體安裝在二心轉軸的正心轉軸上，透明圖面球體安裝在二心轉軸的斜心轉軸上。二心轉軸有兩個軸向的中心轉軸，即：與水平面垂直的過球心的正心轉軸和與水平面成66.5。角的過球心的斜心轉軸，上面分別設有定位黑白背景球體和定位透明圖面球體的凸起以及用于將此軸固定在支架上的對應孔。黑白背景球體安裝在正心轉軸上，可以繞正心轉軸轉動，并沿軸線將球分成黑色和白色兩個半球。地球儀球體由透明材料制成，地理圖案用透明顏料繪制在空心的球體表面上，由兩個半球對合在斜心轉軸上，此球可以繞斜心轉軸轉動，能像普通地球儀一樣使用。

圖l所示為本發明裝置結構示意圖。這種地球儀由底座l、支架2、二心轉軸3、透明圖面球體4、黑白背景球體5組成，支架2安裝在底座l上，二心轉軸3通過螺絲安裝在支架兩端21、22對應孔上，黑白背景球體5安裝在二心轉軸3的正心轉軸上（圖中的56為黑白界線），透明圖面球體4安裝在二心轉軸3的斜心轉軸上。

由于透明圖面球體及其上的地理圖案是透明的，要靠背景襯托出圖案，里面的黑白背景球體能襯托出晝夜效果，白背景下的球體圖案清晰明亮，代表該地區處于白天狀態；黑背景下的球體圖案暗淡無光，代表該地區處于黑夜狀態，地球的晝夜狀態因此得到展示。黑白背景球體可以根據需要轉動，使用者可以根據地球與太陽的設想位置關系，將黑白背景球體轉到目的位置，從而體現不同的晝夜狀態。

Θ二心轉軸

二心轉軸結構如圖2所示。二心轉軸改變了普通地球儀只有一個軸向的中心轉軸結構，成了有兩個軸向的轉軸，即：與水平面垂直的正心轉軸和與水平面成66.5度角的斜心轉軸。二心轉軸3上面設有定位黑白背景球體的凸起33、34，定位透明圖面球體的凸起35、36，用于將此軸固定在支架上的孔31、32。安裝時，將二心轉軸3上的孔31、32與支架上的孔對上，裝上對應的螺絲或插銷，二心轉軸3就可以固定在支架上了。二心轉軸3可以一次成形也可以根據制作的工藝需要，采用分段制作的方法，分若干段制作完成后再連接而成，只要足夠牢固就行。

Θ黑白背景球體

黑白背景球體由兩個半球組成，兩半球分別涂成黑色和白色，各自接口處開有用于插接的凹凸槽，兩半球插接在二心轉軸的正心轉軸上，半球上插接處用粘合劑粘牢；各半球與二心轉軸接觸處都預留有與二心轉軸大小對應的半圓缺口，這樣黑白背景球體5可以繞二心轉軸的正心轉軸轉動，黑白背景球體安裝在二心轉軸上的狀態見圖3。為了體現傍晚和清晨，黑白交界處也可設置適當寬度的漸變色。

Θ透明圖面球體

透明圖面球體由兩個半球組成，半球接口處開有用于插接的凹凸槽，兩半球由透明材料制成，兩半球插接在二心轉軸的斜心轉軸上，半球上插接處用粘合劑粘牢；各半球與二心轉軸接觸處都預留有與二心轉軸大小對應的半圓缺口，這樣制成的透明圖面球體可以繞二心轉軸的斜心轉軸轉動，地理圖案用透明的顏料畫在透明圖面球體的內表面或外表面上。為了能夠撥動轉透明圖面球體里面的黑白背景球體，在透明圖面球體上開一個小孔，可以從此小孔通入撥銷，撥動里面的黑白背景球體旋轉。

地球儀成品見圖4。

◎本項目的創新亮點及改進方向

本發明用簡易的方法解決了普通地球儀不易展現地球晝夜狀態的問題，結構簡單，操作方便，擴大了地球儀的教學功能，易于人們掌握地球晝夜形成的知識，是一種功能更加全面、更具科學意義的教學和室內裝飾用具。

本發明巧妙地利用了透明的地理圖案，通過背景的襯托使地球儀無需借助球外光源就可模擬太陽光照形成的地球春夏秋冬秋四季和極晝極夜形成的狀態，使每一時刻地球的這些狀態一目了然，攻克了教學難點，擴大了現有地球儀的教學功能，逼真地展示了地球在宇宙中的狀態。

本發明經過幾年的制作，樣品已在教學過程中使用。由于有了這件教具的輔助，學生過去用三五個課時也不容易掌握的知識，現在只用短短的10分鐘就能輕而易舉地掌握。有了這件教具，學生不但易于掌握知識，而且會激發他們對天文學的濃厚興趣。本發明經歷了手動、磁動到現在的電動等不同階段，現在已初步制作了電動遙控的樣品，現在的透明地球圖案還是手工制作的粗樣，下一階段將申請版權印刷透明圖案，制成一款能面市的地球儀新產品，為普及天文知識，為人們了解地球的狀況作出貢獻。

該項目獲得第29屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科技發明類一等獎。

專家評語

如何把一些不容易掌握的知識讓學生快速理解、掌握并產生興趣，本發明給出了一個很好的解答：一個能顯示晝夜的地球儀.能特別直觀地反映出各地晝夜的分布情況、時區的關系、極晝極夜現象等大量地理學知識，逼真地展示了地球在宇宙中的狀態。