經(jīng)緯儀|光學(xué)經(jīng)緯儀,電子經(jīng)緯儀的應用案例
經(jīng)緯儀|光學(xué)經(jīng)緯儀,電子經(jīng)緯儀的應用案例經(jīng)緯儀是望遠鏡的機械部分,使望遠鏡能指向不同方向。經(jīng)緯儀具有兩條互相垂直的轉軸,以調校望遠鏡的方位角及水平高度。此類(lèi)架臺結構簡(jiǎn)單,成本較低,主要配合地面望遠鏡(大地測量、觀(guān)鳥(niǎo)等用途)使用,若用來(lái)觀(guān)察天體,由于天體的日周運動(dòng)方向通常不與地平線(xiàn)垂直或平行,因此需要同時(shí)轉動(dòng)兩軸并隨時(shí)間變換轉速才能追蹤天體,不過(guò)視場(chǎng)中其它天體會(huì )相對于目標天體旋轉,除非加上抵消視場(chǎng)旋轉的機構,否則不適合用于長(cháng)時(shí)間曝光的天文攝影。
但由于電子科技的發(fā)展,上述問(wèn)題已獲得解決,而且經(jīng)緯儀使望遠鏡指向不同方向時(shí)的空間姿態(tài)改變*小,因此不少**天文臺的大口徑望遠鏡均使用經(jīng)緯儀,以減輕由機械變形所引起的精度下降。甚至一些天文愛(ài)好者自制的專(zhuān)門(mén)用于低倍率目視觀(guān)測的天文望遠鏡,
按精度分為2秒,5秒,6秒。按光學(xué)效果分為光學(xué)經(jīng)緯儀,電子經(jīng)緯儀,光學(xué)激光經(jīng)緯儀,電子激光經(jīng)緯儀。
在一些建設項目的工地上,我們會(huì )經(jīng)??吹揭恍┘夹g(shù)人員架著(zhù)一臺儀器在進(jìn)行測量工作,他們所使用的儀器就是經(jīng)緯儀。經(jīng)緯儀*初的發(fā)明與航海有著(zhù)密切的關(guān)系。在十五十六世紀,英國、法國等一些發(fā)達**,因為航海和戰爭的原因,需要繪制各種地圖、海圖。*早繪制地圖使用的是三角測量法,就是根據兩個(gè)已知點(diǎn)上的觀(guān)測結果,求出遠處第三點(diǎn)的位置,但由于沒(méi)有合適的儀器,導致角度測量手段有限,精度不高,由此繪制出的地形圖精度也不高。而經(jīng)緯儀的發(fā)明,提高了角度的觀(guān)測精度,同時(shí)簡(jiǎn)化了測量和計算的過(guò)程,也為繪制地圖提供了更**的數據。后來(lái)經(jīng)緯儀被廣泛地使用于各項工程建設的測量上。經(jīng)緯儀包括基座、度盤(pán)(水平度盤(pán)和豎直度盤(pán))和照準部三個(gè)部分?;脕?lái)支撐整個(gè)儀器。水平度盤(pán)用來(lái)測量水平角。照準部上有望遠鏡、水準管以及讀數裝置等等。
經(jīng)緯儀是測量工作中的主要測角儀器。由望遠鏡、水平度盤(pán)、豎直度盤(pán)、水準器、基座等組成。測量時(shí),將經(jīng)緯儀安置在三腳架上,用垂球或光學(xué)對點(diǎn)器將儀器中心對準地面測站點(diǎn)上,用水準器將儀器定平,用望遠鏡瞄準測量目標,用水平度盤(pán)和豎直度盤(pán)測定水平角和豎直角。按精度分為精密經(jīng)緯儀和普通經(jīng)緯儀;按讀數設備可分為光學(xué)經(jīng)緯儀和游標經(jīng)緯儀;按軸系構造分為復測經(jīng)緯儀和方向經(jīng)緯儀。此外,有可自動(dòng)按編碼穿孔記錄度盤(pán)讀數的編碼度盤(pán)經(jīng)緯儀;可連續自動(dòng)瞄準空中目標的自動(dòng)跟蹤經(jīng)緯儀;利用陀螺定向原理迅速獨立測定地面點(diǎn)方位的陀螺經(jīng)緯儀和激光經(jīng)緯儀;具有經(jīng)緯儀、子午儀和天頂儀三種作用的供天文觀(guān)測的全能經(jīng)緯儀;將攝影機與經(jīng)緯儀結合一起供地面攝影測量用的攝影經(jīng)緯儀等。
如何自制經(jīng)緯儀
一、赤經(jīng)及赤緯
在茫茫大海中,航行的船只遇到危險,求急救時(shí),**就是要讓救援的人知道船只的所在處,也就是說(shuō)要將船只所在的經(jīng)緯度告知救援的人。經(jīng)緯度不僅能在海洋上指出船只的位置。它的*大好處是能將一個(gè)物體的確實(shí)位置,很簡(jiǎn)潔地讓大家都能明了。同樣的,在無(wú)際無(wú)涯的夜空星海中,一旦發(fā)現了新的星體,你如何將它的正確位置,公諸于世呢?你是否想到應該有一種類(lèi)似經(jīng)緯度的度量系統,來(lái)標定星球位置,制作星圖呢?天文學(xué)家所使用的度量系統是赤經(jīng)(Rightascension)及赤緯(Declination),赤緯的單位是度(Degrees),赤經(jīng)單位是時(shí)(Hours)、分(Minutes),我們對這些也許并不熟悉,但要了解也并不難。
由于星辰距我們甚遠,單靠眼睛實(shí)在辨別不出它們之間的遠近差別,因此這些星球在我們看來(lái)都好像同樣遠近。我們就假想有一懸空之球殼罩住了整個(gè)地球,這個(gè)假想的球就叫做天球(Celestialsphere),而這些星星就固定在球殼內面,每次我們只能看到半個(gè)球面。因為地球自轉的結果,天球便好像由東至西不斷地繞著(zhù)我們旋轉,而天球北(南)極恰在地球地理北(南)極的正上空,天球赤道也恰在地球赤道的正上空,即位在二天極的中央。像地球一樣,我們將天球刻劃上了經(jīng)緯度,在天文學(xué)中這相當于地球緯(經(jīng))度的,便叫做赤緯(赤經(jīng))。從天極到天球赤道間,赤緯共分90°;而赤經(jīng)共分24時(shí),1時(shí)又分60分,即1h=60m=15°,這是因為地球或天球每小時(shí)旋轉15°而得名。
這套決定天體位置的方法,看起來(lái)相當復雜,但是它有許多好處。例如,天球不斷旋轉,所以星星的視位置不斷改變,像是由東至西橫過(guò)夜空;同時(shí),又因地球公轉結果,雖在同一時(shí)刻,隔幾天后,星星位置也稍稍偏西;或是你由北向南行走時(shí),星星對地平線(xiàn)之相對位置,也都有所改變。既然星星之視位置,如此善變,故要依照所見(jiàn)來(lái)說(shuō)明其位置,是相當困難的,只能藉著(zhù)赤經(jīng)、赤緯來(lái)說(shuō)明了,因為每一個(gè)星球恰與一組赤經(jīng)緯度相對應。但也由于星象瞬息萬(wàn)變,到底應如何去測量其赤經(jīng)及赤緯呢?
二、經(jīng)緯儀之制作
經(jīng)緯儀(Theodolite)是用來(lái)量度赤經(jīng)、赤緯的,它是一種具有許多天文望遠鏡特性的觀(guān)測裝置。
現在介紹一種簡(jiǎn)單的經(jīng)緯儀做法,所須材料列于表一,各材料之尺寸大小僅供參改,可自斟酌,但各零件之相關(guān)位置必須弄清。
制作之前先看看圖1,圖2,圖3,及作法:
1.用厚(3/8)"之三夾板,鋸下二個(gè)圓盤(pán),直徑比量角器(分度器)稍大約(1/2)"即可。以強力膠在每一圓盤(pán)上,黏上二塊量角器,量角器底邊中點(diǎn),須確實(shí)黏在圓盤(pán)中心上。(見(jiàn)圖2)。
2.把一個(gè)圓盤(pán)用二根螺絲釘,固定在D上,圓盤(pán)之圓心與90°之連線(xiàn),必須與D之中線(xiàn)重疊,在D之兩端各釘上一個(gè)螺絲圈,(注意不是釘在有圓盤(pán)的那一面,見(jiàn)圖2)視線(xiàn)便可通過(guò)兩個(gè)小圈觀(guān)察。
3.在另一圓盤(pán)圓心處,鑿一(1/4)"的洞,這洞要同時(shí)穿過(guò)A、C,(見(jiàn)圖3),用一螺絲穿過(guò)栓好,調整一下松緊程度,使C很容易旋轉。
4.從附于D之量角器圓心鑿洞,以木栓或螺絲將D、C旋緊。但D、C間要能轉動(dòng),不要固定。
5.用鐵片截取三個(gè)三角形,以螺絲釘或小釘子將它們附于C上,三角形之**必須平貼于量角器上。
6.以鉸鍊將A、B接好。(見(jiàn)圖1)
7.G、H上距一端(3/4)"處鑿一小洞,距此洞1"處起,沿每一木絳之中線(xiàn),鑿一寬(3/16)"之細縫,直到距另一端1"處。在小洞處以螺絲釘將G、H栓在A(yíng)之二邊,再用座鉆通過(guò)細縫將G、H栓在B之邊上,這是用來(lái)調整角度x的。釘螺絲或座鉆時(shí),應釘在適當位置,以致當調整至細縫末端時(shí),A、B能夠重合。
經(jīng)緯儀這時(shí)便可使用了。
三、經(jīng)緯儀之使用
將經(jīng)緯儀支在架子上,像椅子、像機三角架均可,目的只在使視線(xiàn)容易通過(guò)D之螺絲圈觀(guān)察。把經(jīng)緯儀面向南方放好,首先視臂D不要舉起,(即緯度表E指在零),調整B板之傾斜,使視線(xiàn)沿視臂看到地平線(xiàn),將B板固定在這位置,此時(shí)B板即保持水平,現在旋轉C、D觀(guān)察天體,則E即指示出天體之地平緯度(Altitude)。
現在將經(jīng)緯儀A板舉高至x角,x=90°-(測量地之緯度),例如,你在臺北測量,緯度大約25°3',角x就等于64°57';另一個(gè)法子是將視臂指向北極星,D保持在這方向,而移動(dòng)A板,使緯度表E之讀數為90°,此時(shí)A板即與B成x角了,當然你稍微想想便知道,可用這種方法來(lái)測量你所在地的緯度了,為什麼這樣子A與B就成x角呢?(注一)
仰望天極(即北極星處)時(shí)仰角即為你的緯度,因此當E讀數為零時(shí),將板A舉起x角后,視臂即指向天球赤道,為什么?(注二)調整x角之目的,在于求得星星對天球赤道面之仰角(即赤緯度),而不須顧慮到因觀(guān)測地之緯度不同,所引起之星星視位置之變化。此時(shí)由西至東旋轉視臂,便畫(huà)出了天球赤道位置。
為了測度赤經(jīng),你必經(jīng)將經(jīng)度表F刻成赤經(jīng)單位——時(shí),每隔15°為1時(shí),由零度起反時(shí)針?lè )较蚩獭?
現在移動(dòng)視臂注視南天之一已知星,從星圖、天文日歷或其它參考星源,決定此星之赤經(jīng)、赤緯,旋轉經(jīng)度表F,使C之指針指向適當之赤經(jīng)值。此時(shí)緯度表應即自動(dòng)指在了正確的赤緯值,否則儀器便有了偏差。將F固定住,現在旋轉C、D,把視臂指向另一星球,此時(shí)從E、F就可讀出,此星球之赤緯度、赤經(jīng)度了。在天球赤道以北之星球赤緯度為正,在天球赤道以南之星赤緯度為負,即E盤(pán)上朝開(kāi)口處之量角器度數為正,另一個(gè)為負。
例如:角宿大星(Spica),在四、五、六月夜空均可見(jiàn),它的赤經(jīng)度(R.A.)=13h23m37s,赤緯度(D.)=-11°00'19'',將視臂指向角宿大星,此時(shí)緯度表E讀數應約為-11°,調整經(jīng)度表F至13h23m37s?,F在旋轉視臂D,注視軒轅大星(Regulus),此時(shí)在E上就可讀出約12°06',F上約10h07m,于是知道軒轅大星之R.A.=10h07m,D.=12°06'。
再舉個(gè)例,在冬季夜空可見(jiàn)天狼星(Sirius)
R.A.約為6h44m,D.約為-16°40',將F調整至6h44m后,將視臂舉高約在25°赤緯度,再向西旋轉到赤經(jīng)度約為3h45m,此時(shí)通過(guò)D上之螺絲圈,你就可以看到昴宿(Pleiades)了。
在秋冬夜晚較早時(shí),在飛馬座(Pegasus)大正方形附近,可見(jiàn)朦朧亮帶,那是仙女座大星云(Andromeda),它是漩渦星云中**能被肉眼清晰看見(jiàn)的,你有興趣求求它的概略位置嗎?大約是R.A.=0h40m,D.=41°。
用這樣方法求赤經(jīng)、赤緯的好處,便在于不必顧慮到觀(guān)測時(shí)間不同,引起星球視位置改變的因素,為什麼?因為A板經(jīng)x角修正后,即與天球赤道面重合,E求得的是星星對A板(即天球赤道面)之仰角,自然就是赤緯度了。又天球雖然不斷旋轉,但各星星差不多全是極遠處之恒星,它們之間的相對位置均不變,我們已知一星之赤經(jīng)度,以此為準,自然便可由此星與他星之夾角,而求出另一星的赤經(jīng)度了,所以不論你在什麼緯度,什麼季節,什麼時(shí)間觀(guān)察,你所求得星星之赤經(jīng)、赤緯度數均不會(huì )有所差別。
一些參考星源列于表二。
許多偉大的實(shí)驗,它所需要的裝置,往往是相當簡(jiǎn)單的,所以你不要小看經(jīng)緯儀,很可能有**,你利用它標定出一顆從未為人發(fā)現的星球的位置,而馳名于世呢?
原文系摘自“Challenge of the Uriverse”117頁(yè)“Projects andExperiments”1962年由“National Science Teachers Association”出版。
原文僅說(shuō)明制作法,并不討論原理,譯者加入一些原理的簡(jiǎn)單說(shuō)明而成。
注一:見(jiàn)圖4,B板指向南方地平線(xiàn),D指向天球北極,A板與D垂直,∠Y即觀(guān)測地之緯度,因北極星距地球甚遠,故指向天球北極之D,與北極至地心之聯(lián)線(xiàn)平行,很容易的我們就可證出∠Z=∠Y,而∠x(chóng)+∠Z=90°,因此∠x(chóng)=90°-∠Z=90°-∠Y=90°-(觀(guān)測地之緯度)。
注二:E讀數為零時(shí),D與A平行,見(jiàn)圖4知,A與天球北極成直角,即指向天球赤道,故D也指向天球赤道。