Методика преподавания движения небесных светил
| << Предыдущая |
Учебные универсальные астрономические часы.
Учебные универсальные астрономические часы являются последним из трех приборов предлагаемой нами системы наглядных пособий для изучения вводных вопросов школьного курса астрономии.
Создание такого пособия оказалось необходимым потому, что вопросы измерения времени, которые являются наиболее важными и трудно понимаемыми школьниками, совершенно не иллюстрируются никакими пособиями, посвященными только этим вопросам.
При изучении систем счета времени в курсе астрономии иногда используются солнечные часы различного конструктивного исполнения. Они позволяют продемонстрировать школьникам качественную и количественную связь между видимым положением истинного Солнца на небосводе и значением истинного солнечного времени. Однако в такой демонстрации нуждаются и другие системы счета времени (среднесолнечная, звездная), переход к которым от истинного солнечного времени мы осуществляем с помощью соответствующих поправок.
Однако все вводимые поправки не отличаются наглядностью, а аналитический характер введения их затрудняет простое н четкое понимание вопросов измерения времени и соотношении между различными системами измерения его.
Предлагаемые учебные универсальные астрономические часы позволяют не только наглядно показать связь между движениями различных светил и измерением времени, но и, опираясь на знание экваториальных координат их, определить одновременно время в различных системах счета его. Этим самым раскрывается смысл вводимых аналитических поправок.
Следует ясно представлять, что учебные универсальные астрономические часы не преследуют точного количественного решения задач службы времени, но позволяют ясно понять смысл измерения времени и связей между его значениями в различных системах счета его. Это вспомогательный прибор, иллюстрирующий смысл измерения и связи времени и дающих их значения с достаточной для нужд школьной визуальной наблюдательной астрономии точностью.
Учебные универсальные часы могут найти широкое применение в школах, планетариях, народных обсерваториях - везде, где необходимо знакомство с системами счета времени в связи с суточными движениями небесных светил.
 |
| Рис. 5 |
Учебные универсальные астрономические часы имеют следующее устройство: (рис. 5): на основании (1) крепится стойка (2), в верхней части которой имеется паз для плашки (3), отверстие для винта установки широт (4) и выточка для крепления шкалы широт (5). Сквозь плашку проходит полая ось (6), на нижнем конце которой установлен электродвигатель с редуктором (7). На верхнем конце полой оси жестко закреплен круг часовых углов (8), изготовленной из органического стекла или другого прозрачного пластика. Внутри полой оси проходит ось часов (9), соединенная с электродвигателем и редуктором. Система электродвигатель-редуктор обеспечивает вращение оси часов со скоростью 1 об/сутки.
На оси часов вплотную к кругу часовых углов жестко закреплен круг прямых восхождений (10). Кроме того, на оси часов имеется шкала склонений (11) с двумя стрелками-указателями (12, 13).
Стрелка-указатель величин прямых восхождений и часовых углов светил (13) закреплена жестко у основания шкалы и, поэтому, может вращаться вместе с ней только вокруг оси часов, оставаясь все время в плоскости круга прямых восхождений.
Стрелка-указатель положения светила (12) подвижна относительно шкалы и может вращаться вокруг оси (14), оставаясь в плоскости шкалы склонений. Фиксирование её положения осуществляется её винтом (15).
Крепление шкалы склонений таково, что она вместе со стрелками-указателями может вращаться вокруг оси часов независимо от круга прямых восхождений. При работающем электродвигателе происходит синхронное вращение круга прямых восхождений в его плоскости и шкалы склонений со стрелками-указателями.
По краю круга часовых углов наклеен бортик (16), на котором проставлены величины часовых углов от 0 до 24 часов. Цифры проставляются таким образом, чтобы плоскость вращения оси часов вместе с плашкой вокруг винта установки широт проходила через цифры 0 и 12 часов.
На круге прямых восхождений нарисована шкала их от 0 до 24 часов. От центра круга к нулевому делению проведена стрелка (17), которая впоследствии будет ориентироваться в направлении точки весеннего равноденствия. По краю этого круга также наклеен бортик (18), на котором проставлены даты года. Они соответствуют прямым восхождениям среднего экваториального Солнца в эти моменты времени. В одинаковые календарные даты различных лет прямые восхождения среднего экваториального солнца отличаются незначительно, и в учебных целях этими различиями можно вполне пренебречь.
 |
| Рис. 6 |
На бортик круга прямых восхождений надевается плоская насадка (19) - рис. 6 - пластинка из прозрачного пластика. На ней крепится несколько стрелок, которые служат для отсчета различных значений времени: истинного солнечного, гражданского среднесолнечного (местного), поясного, декретного, московского, всемирного и т.д. по усмотрению педагога.
Стрелка Тср закрепляется примерно в центре насадки. Стрелка для отсчета истинного солнечного времени может перемещаться вдоль по краю насадки. Её установка в зависимости от величины уравнения времени на данную дату позволяет находить часовой угол истинного Солнца, а значит и истинное солнечное время. Возможно решение и обратной задачи - по наблюдаемому положению Солнца в определенный момент по декретному времени можно определить величину уравнения времени в интересующую нас дату.
Для любого пункта территории Советского Союза, в любое время суток и года разница между местным и декретным значениями времени есть величина постоянная. Её можно определить из соотношения:
D t = Tg - Tm = n2 + 12 - l
Как видно D t зависит только от номера часового пояса и от долготы населенного пункта. Для Москвы, например:
D t = 22 + 12 - 2ч 30м = 0ч 30м
Поэтому стрелка для отсчета декретного времени устанавливается для каждого пункта в определенном месте так, чтобы разница между показаниями стрелок Tg и Tm равнялась заранее вычисленной поправке D t для места наблюдения.
Совершенно аналогично крепится стрелка для отсчета всемирного времени. Можно дополнительно ввести указатели московского, поясного и др. значений времени.
Звездное время отсчитывается с помощью стрелки (20), укрепленной на бортике круга часовых углов. Отсчет производится по шкале прямых восхождений. Фактически эта стрелка показывает величину часового угла точки весеннего равноденствия, т.е. величину звездного времени.
Работа с часами.
Учебные универсальные астрономические часы для работы устанавливаются определенным образом. Прежде всего, с помощью винта установки широт и шкалы широт необходимо установить угол наклона оси часов к плоскости горизонта, равным географической широте населенного пункта, в котором проводятся наблюдения. Для Москвы, например, этот угол равен 56њ. Часы должны быть установлены таким образом, чтобы плоскость вращения оси часов вокруг винта установки широт совпадала с плоскостью небесного меридиана. Для этого на основании часов нарисованы две стрелки, обозначающие направления на север и на юг. Они позволяют с помощью компаса осуществить приближенное ориентирование часов. В этом случае ось часов окажется направленной на северный полюс мира, а плоскости кругов будут определять положение плоскости небесного экватора. Часы готовы к работе.
В определенный момент декретного времени (например, 10 часов) круг прямых восхождений устанавливается таким образом, чтобы стрелка показывала правильное время (в данном случае стрелка должна стоять против цифры 10 часов). Включается электродвигатель. В любой последующий момент времени часы дают возможность не только сразу узнать время в различных системах счета его, но и, что является для школы особенно важным, показать, каким образом эти значения времени связаны между собой и с видимыми суточными движениями звезд и Солнца. Это оказывается возможным благодаря наличию стрелок-указателей (они могут быть сориентированы в направлении истинного Солнца, среднего Солнца, среднего экваториального Солнца, точки весеннего равноденствия и т. д.) и правильной ориентировки часов по сторонам света.
В качестве часового привода в учебных универсальных астрономических часах может использоваться любой часовой механизм (в нашем случае - электродвигатель с редуктором).
Нетрудно видеть, что предлагаемые часы являются следующим шагом по пути усложнения сравнительно простой и понятной модели экваториальных координат. Введение дополнительных шкал позволило не только существенным образом упростить "привязку" пособия к небосводу, но и решать ряд интересных задач практического характера.
Действительно, для "привязки" модели экваториальных координат мы должны были знать направление либо на точку весеннего равноденствия, либо на какой-то объект с известными экваториальными координатами.
"Привязка" часов осуществляется гораздо проще - по известной дате и времени наблюдения. В этом плане можно провести далеко идущую аналогию их с подвижной картой звездного неба, "механизм" работы которой часы позволяют проследить не на плоскости, а в пространстве.
Поскольку на часах есть стрелка - указатели декретного, поясного, московского и т. д. значений времени, положение которых для данного населенного пункта определено заранее, то становится возможной - работа не только в наиболее удобной системе измерения времени, но и в любой другой. Это делает работу с часами более удобной по сравнению с подвижной картой звездного неба, которая позволяет работать в том виде, в которой она издается только в системе местного времени. Это не совсем удобно, ибо для некоторых мест территории Советского Союза разница между местным и декретным значениями времени может быть порядка одного часа.
Как известно, момент времени наблюдения может задаваться двояко: либо значение среднесолнечного времени в одной из систем счета его и датой наблюдения, либо только значением звездного времени. Принципиальных различий в работу с часами это не вносит, и поэтому в дальнейшем эти моменты мы не будем оговаривать особо.
Упражнения с часами.
1. Часы позволяют определить направление на любой объект с известными экваториальными координатами в любой момент времени. Для этого на шкале экваториальных координат часов устанавливается их значение для данного объекта. Круг часовых углов с правильно расположенными на нем стрелками времени необходимо вращать до тех пор, пока против соответствующей даты не встанет число, показывающее время в данный момент в заданной системе измерения его. Тогда стрелка-указатель положения светила покажет направление на него.
2. Учебные часы позволяют определить время восхода, кульминации светила, если известны его экваториальные координаты. Для этого на шкале экваториальных координат устанавливаем их значения и вращаем круг часовых углов до тех пор, пока стрелка-указатель положения светила не будет лежать в плоскости горизонта или в плоскости небесного меридиана. В первом случае в зависимости от её направления против даты отсчитываем время восхода или захода, во втором случае - время кульминации. Исходя из этого, можно определить время нахождения светила над горизонтом (для солнца - продолжительность дня) или под горизонтом (продолжительность ночи)
3. Учебные универсальные астрономические часы позволяют определять величину уравнения по наблюдаемому положению Солнца в определенный момент времени в какой-либо из систем счета его.
Поскольку h = tср – t¤
то для определения величины уравнения времени нам необходимо найти часовые углы истинного и среднего солнц. Величину tср мы считываем по шкале часовых углов против стрелки Тср на предварительно установленных на момент наблюдения часах. Для того чтобы определить t¤ , направляем стрелку-указатель положения светила прямо на Солнце (это удобнее и точнее всего можно сделать, наблюдая за величиной тени от стрелки). Тогда величину t¤ также можно отсчитать по шкале часовых углов. Разница найденных значений tср и t¤ и дает величину уравнения времени на данную дату.
4. Можно предложить ряд интересных упражнений на совместную работу с двумя приборами: моделью горизонтальных координат и учебными универсальными астрономическими часами. Одновременная работа с этими приборами позволяет по известным экваториальным координатам объекта определить его горизонтальные координаты в определенный момент времени. Для этого с помощью часов находим направление на интересующий нас объект в данное время. Затем стрелку-указатель рядом стоящей и правильно сориентированной по сторонам света модели горизонтальных координат устанавливаем параллельно стрелке-указателю часов. Понятно, что такая установка не будет особенно точной. Но этого и не требуется. Предлагаемые пособия призваны наглядно проиллюстрировать данные вопросы и приближенно решать их, а точное решение таких задач выходят за рамки курса астрономии в средней школе.
Возможно решение и обратной задачи - по известным горизонтальным координатам в какой-то момент времени или по наблюдаемому положению объекта можно опрели лить экваториальные координаты и отождествить его (если объект наблюдения был неизвестен) по звездной карте или атласу. Для решения этой задачи при помощи правильно установленной модели горизонтальных координат определяем направление на объект во время наблюдения. Стрелка-указатель часов, установленных на момент наблюдения, направляется параллельно стрелке—указателю модели горизонтальных координат. По имеющимся на часах шкалам экваториальных координат отсчитываем величину прямого восхождения и склонения.
Если направление на светило известно (светило наблюдаемо), то для решения задачи нет необходимости привлекать модель горизонтальных координат. Стрелка-указатель установленных на момент наблюдения часов сразу направляется на светило и по шкалам их производится отсчет величин прямого восхождения и склонения.
Если момент наблюдения задан величиной звездного времени, то задача решается совершенно аналогично. Установка часов на момент наблюдения производится вращением круга часовых углов до тех пор, пока против стрелки для отсчета звездного времени не окажется нужная цифра.
Работу с часами можно сделать гораздо более интересной и удобной, если на плоскости круга прямых восхождений нарисовать или наклеить карту звездного неба. Нетрудно показать, что конфигурации созвездий должны быть на такой карте зеркальными по отношению к видимым.
Учебные универсальные астрономические часы по объему иллюстрируемых вопросов несколько выходят за пределы действующей школьной программы. Это легко понять, если проанализировать особенности иллюстрирования темы "Измерение времени". Смысл этих иллюстраций заключается в том, чтобы ученик понял, как знание закономерностей видимых движений небесных светил делает возможным организацию службы времени. Для этого мы должны показать, ему, как какое-то положение светила связано с определенным значением времени. При этом такие иллюстрации в любых системах счета времени будут происходить совершенно одинаково. Различие будет в светиле, видимое положение которого служит мерой времени в данной шкале.
Если бы мы изготовили пособие, иллюстрирующие вопросы измерения времени только в рамках программы (среднесолнечные сутки, среднесолнечное время), то конструкция его была бы немногим проще. Поэтому мы сочли возможным изготовление универсальных часов.
Педагогический эксперимент показал, что особенно эффективной демонстрация У.У.А. часов бывает после того, как ученики познакомились и поработали с моделями горизонтальных и экваториальных координат. В принципе это достаточно понятно, так как все три прибора построены на единой методологической основе.
| << Предыдущая |
|
Публикации с ключевыми словами:
диссертация - курс астрономии - солнечная система - педагогический эксперимент - подвижная карта - астрономические часы - модель - видимое движение - звездное небо - программа средней школы - учебная программа - наглядные пособия - школьный курс астрономии - движение планет - учебные пособия - преподавание астрономии - методика преподавания - астрономическое образование
Публикации со словами: диссертация - курс астрономии - солнечная система - педагогический эксперимент - подвижная карта - астрономические часы - модель - видимое движение - звездное небо - программа средней школы - учебная программа - наглядные пособия - школьный курс астрономии - движение планет - учебные пособия - преподавание астрономии - методика преподавания - астрономическое образование | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
