地理多用途测量仪的制作方法

1.地理多用途测量仪是用于地理教学和地理观测活动的测量仪器，主要观测太阳直射点的纬度、太阳高度（含正午太阳高度）、地理方位（含南北方位）、正午时刻、测量地磁偏角，测算经度、纬度。


背景技术：

2.开展地理观测，是中学地理教育教学的一项重要内容，其中包括实验观测太阳直射点的纬度、太阳高度（含正午太阳高度）、地理方位（含南北方位）、正午时刻、测量地磁偏角，测算经度、纬度，并进一步深化和拓展。但是，目前中学地理教育教学活动中，没有既能科学观测方位，又能观测太阳高度的教学仪器运用。2020年12月11日，国家知识产权局授予我的实用新型专利“一种方位、太阳高度观测仪”，专利号是zl 202020581136.7，授权公告号是cn 212133633 u；2021年11月5日，国家知识产权局授予我的实用新型专利“教学型地理六用途观测仪”，专利号是zl 202120406764.6 ，授权公告号是cn 214624206 u（下称“两实用新型”）。
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两实用新型”首创同时科学观测方位和太阳高度，在该领域其结构和技术方案领先，但通过教学实验实践，发现“两实用新型”结构和技术方案有下列10个缺陷：采用调节底座下边的3个螺钿，同时转动连接支架，观察铅锤与铅锤投射轨迹正对，还要观察铅锤与支撑杆背面的铅锤对照线正对，从而实现底座以及方位刻度盘的水平，实现太阳高度测量单元与地面垂直；采用第三螺丝，第四螺丝，将太阳高度刻度盘背面紧贴支撑杆正面并固定，实现太阳高度刻度盘与地面垂直，确保太阳高度刻度盘中间的 0
°
刻线水平和90
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刻线与地面垂直，方法和过程繁杂，没有误差调节，没有修正方法，操作性差，误差较大，影响实用性；设置第四螺丝和第四螺母影响方位盘的垂直调节；观察口偏小，观察太阳高度指针指示的太阳高度读数不方便；遮光板偏小，遮光效果不好；十字接光点显光效果差，设计十字没有实用价值；支撑杆背面设计铅锤对照线没有实用价值；铅锤设计在太阳高度盘后面，其使用价值没有被充分利用；测量地磁偏角需另外准备指南针不方便；“两实用新型”均忽略了观测太阳直射点纬度的用途和操作方法。以上缺陷导致“两实用新型”操作性差，精确性差，实用性差，不能广泛运用于地理教育教学和中学生、青少年地理观测活动中。


技术实现要素：

3.地理多用途测量仪吸收了“两实用新型”的优点，克服了上述缺陷，作了重大改进和创新：地理多用途测量仪包括方位测量单元和太阳高度测量单元两部分；方位测量单元包括：底座1为圆形，底座1边沿等距设置3个贯通底座1，可上下伸缩，用以调节底座1水平的螺钿2，所述螺钿2旁边嵌水平泡28，用以观察底座1是否水平，所述底座1中心线上垂直设置贯通底座1的中空的连接套管6，所述连接套管6近底座1处，从下至上套设绕连接套管6转动的圆形方位盘3和方位指针5，方位盘3的边沿刻东、南、西、北方位及方位度数，刻度细而醒目，间隔0.5
°
，区分度高，中间设置圆形的铅锤投影轨迹4，在方
位盘3的方位“南”到中心的连线的中段位置，嵌入带方位及刻度的指南针29，用以测量地磁偏角；太阳高度测量单元包括：连接支架7由a、b、c三部分铸为一个整体， a部分是圆柱体形的转动轴，下端设置卡位的第四螺母18，连接支架7 的b部分是长方体形的支撑杆，正面与a部分中心线垂直，距离a部分中心线等于太阳高度盘的厚度，所述 b部分正面中心线下端的设计位置，设置第三螺母22，通过对应的第三螺丝21，把太阳高度盘8固定在连接支架7 的b部分正面，所述第三螺丝21后段，在太阳高度盘8背面与连接支架7 的b部分正面之间，设置垫片23，用以调节太阳高度盘8及其正面与地面垂直；所述连接支架7 的b部分背面正对c部分后端处，设置第一螺母16，第一螺丝17拧入第一螺母16内，所述连接支架7的 c部分是圆柱体形，前端内设置第二螺母15，拧进第二螺丝13，同时卡住系铅锤垫片14、卡位垫圈12、观测支架9以及太阳高度盘8，并把观测支架9和太阳高度盘8套在连接支架7的c部分上；所述系铅锤垫片14正下方设置系铅锤线的小孔，系铅锤27；所述太阳高度盘8是一个圆盘，正面设置通过中心的0
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水平线和90
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垂直线，正面边沿设置以水平线为0
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以垂直线为90
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的太阳高度度数，刻度细而醒目，间隔0.5
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，区分度高；所述太阳高度盘8正面的90
°
垂直线与连接支架7a部分的中心线，二线合一，在太阳高度盘8正面90
°
垂直线两旁，对应连接支架7 的b部分第三螺母22位置，设置弧形孔槽24，通过对应的第三螺丝21，把太阳高度盘8固定在连接支架7 的b部分正面；所述观测支架9是长条形，中心后面设置观测支架套筒，套在连接支架7的c部分上，360
°
转动，转动面涂润滑剂。观测支架9的一端设置观察口20，观察口20中间，设置太阳高度指针19，该端设置垂直于观测支架9的遮光板25，遮光板25前端中间设置进光孔10，所述观测支架9的另一端，正对遮光板25设置垂直于观测支架9的接光板26，接光板26正对进光孔10处，设置圆形接光点11，内涂显光材料；地理多用途测量仪通过连接支架7 的a部分转动轴，插入连接套管6内， 360
°
转动，转动面涂润滑剂，尾端拧入卡位的第四螺母18，把太阳高度测量单元和方位测量单元连接为一个整体；地理多用途测量仪的太阳高度盘8正面的90
°
垂直线、连接支架7的 a部分的中心线、连接套管6的中心线和底座1的中心线，四线合一，该直线垂直于连接支架7 的b部分的正面，太阳高度盘8紧贴连接支架7的b部分的正面；地理多用途测量仪的调节和修正结构是：如果制作精度未达到设计要求，导致太阳高度盘8及其正面没有与地面垂直，就在太阳高度盘8背面与连接支架7的b部分正面之间的第三螺丝21后段上，增加或减少垫片23；如果制造精度未达到设计要求，导致太阳高度盘8正面的90
°
垂直线没有与地面垂直，就小幅转动太阳高度盘8，使系铅锤27的线与太阳高度盘8正面的90
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垂直线正对；如果观测太阳高度时，系铅锤27的线与太阳高度盘8正面的90
°
垂直线还有偏角，就加减该偏角，——太阳高度和偏角在90
°
垂直线的同侧就减，太阳高度和偏角在90
°
垂直线的两侧就加——从而修正太阳高度；地理多用途测量仪，其特征在于：螺钿2，方位指针5，第二螺丝13，第二螺母15，第一螺母16，第一螺丝17，第四螺母18， 第三螺丝21， 第三螺母22，铅锤27，以上部件均采用金属；底座1，连接套管6，连接支架7，观测支架9，太阳高度指针19，遮光板25，接光板26，指南针29，以上部件均采用金属或高强度耐磨工程塑料；方位盘3，太阳高度盘8，卡位垫圈12，系铅锤垫片14,垫片23，水平泡28，以上部件均采用高强度耐磨工程塑料，表面不反光；
地理多用途测量仪与“两实用新型”相比，有下列11项重大改进和创新：采用调节底座1边沿的3个螺钿2，同时观察水平泡28，更容易使底座1及方位盘3达到水平；转动连接支架7，观察铅锤27与底座铅锤投影轨迹4正对，系铅锤27的线与太阳高度盘8正面的90
°
垂直线正对，更容易使太阳高度测量单元，包括太阳高度盘8及其正面、90
°
垂直线，以及观测支架9所在的平面均与地面垂直；如果制作精度未达到设计要求，导致太阳高度盘8及其正面没有与地面垂直，就在太阳高度盘8背面与连接支架7的b部分正面之间的第三螺丝21后段上，增加或减少垫片23；如果制造精度未达到设计要求，导致太阳高度盘8正面的90
°
垂直线没有与地面垂直，就小幅转动太阳高度盘8，使系铅锤27的线与太阳高度盘8正面的90
°
垂直线正对；如果观测太阳高度时，系铅锤27的线与太阳高度盘8正面的90
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垂直线还有偏角，就加减该偏角，——太阳高度和偏角在90
°
垂直线的同侧就减，太阳高度和偏角在90
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垂直线的两侧就加——从而修正太阳高度；增大遮光板25和接光板26的面积，给圆形接光点11涂显光材料，观测太阳光更容易；增大观察口，观察太阳高度指针指示的太阳高度读数更方便；在方位盘3的方位“南”到中心的连线的中段位置，嵌入带方位及刻度的指南针29，测量地磁偏角更方便；连接支架7的b部分截去c部分以上的部分，包括第四螺丝和第四螺母；连接支架7的b部分背面不再设计铅锤对照线；增加观测太阳直射点纬度的用途和操作方法。通过以上重大改进和创新，地理多用途测量仪克服了“两实用新型”的前述缺陷，提高了观测的精度，操作性更强，观测更加简单方便，更有实用性，更有利于运用在地理教育教学和中学生、青少年地理观测活动中。
4.地理多用途测量仪的优势特点：1.首创性.首创利用正午太阳高度科学测定地理南北方位，当太阳高度达到一天中最大，即正午太阳高度，测定此时太阳所在的方位，即本地理多用途测量仪太阳高度盘8正面所在平面对向太阳的方位，就是此地的正南方或正北方——太阳直射点以北地区太阳处于正南方，太阳直射点以南地区太阳处于正北方，夏半年每天正午的太阳直射点的纬度，采用在地方时6点和18点，用本地理多用途测量仪的方位指针5测量的太阳偏离正东和正西的方位及度数的平均值；冬半年或全年每天正午的太阳直射点的纬度可以查阅天文资料。此时将本地理多用途测量仪的方位盘3的方位“南”或“北”——太阳直射点以北地区将方位盘3的方位“南”，太阳直射点以南地区将方位盘3的方位“北”——与太阳此时所在的方位，即本地理多用途测量仪太阳高度盘8正面所在平面对向太阳的方位，对正并固定，误差可以通过多天测量求平均值减小。特别避免一般方位仪器采用指南针指示的地磁南北方位作为地理南北方位,科学地规避了地磁偏角之误差。首创同时科学观测太阳高度、地理方位、正午时刻、太阳直射点纬度和测算当地经度、纬度以及测量当地当时的地磁偏角；2.科学性.严格遵循地理科学原理，实现上述多用途地理观测，设置了调节和修正结构，设计更加精巧合理，制作简易，工艺简单，操作更方便，观测直观，精度更高；3.实用性. 地理多用途测量仪有七项用途，适用于全世界地理教育教学和学生、青少年地理观测活动。目前我国中学地理教学活动中，没有能同时科学观测方位、测量太阳高度的教学仪器，地理多用途测量仪填补了这一领域的空白；初中七年级上册《地理》教材（星球地图出版社），第一章活动课“太阳光直射、斜射对地面获得热量的影响”，要求学生观察并归纳“一天之中，太阳高度与地面热量多少的关系”和“一年之中，正午太阳高度大小对不同季节气温高低的影响”；高中教材《地理（1）》必
修（人教版），第一章第三节，地球的运动，其中“太阳直射点的移动”，“昼夜交替和时差”，“昼夜长短和正午太阳高度的变化”，这些知识点都是中学地理教育教学的重点和难点。在这些地理教育教学及实验观测活动中，使用本地理多用途测量仪，可以非常简便直观、定量观测并记录太阳高度，进而测量正午太阳高度、正午时刻、南北方位等地理方位、太阳直射点的纬度、地磁偏角，测算经度、纬度，如果学生长期观测并归纳，可以总结出并验证：一天之中太阳高度、一年之中正午太阳高度的变化规律；当地纬度=90
°‑
当地当日正午太阳高度与当日太阳直射点纬度的差；夏半年地方时6点或18点，用方位指针5测量太阳偏离正东和正西的方位及度数就是此时太阳直射点的纬度，二者的平均值，就是当天正午太阳直射点的纬度。学生更容易理解、掌握和运用太阳高度、经度、纬度、地球自转、公转、时区、地方时等中学地理重点、难点知识，并进一步拓展和深化。本地理多用途测量仪还可以用作学生、青少年地理观测活动，有利于激发他们地理观测和学习地理科学的兴趣，有利于提升他们的地理科学素养和动手动脑等实践操作能力，有利于培养他们科学探索的精神。
5.工作原理：将本地理多用途测量仪置于观测平台，上下调节底座1下边的3个螺钿2，观察水平泡28，使底座1达到水平；转动连接支架7，观察铅锤27与铅锤投射轨迹4正对，使太阳高度测量单元，包括太阳高度盘8及其正面和90
°
垂直线以及观测支架9所在平面均与地面垂直；如果因为制造精度未达到设计要求，导致太阳高度盘8正面没有与地面垂直，就在太阳高度盘8背面与连接支架9的b部分正面之间的第三螺丝21后段上，增加或减少垫片23；如果因为制造精度未达到设计要求，导致太阳高度盘8正面的90
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垂直线没有与地面垂直，就小幅转动太阳高度盘8，使系铅锤27的线与太阳高度盘8正面的90
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垂直线正对；转动连接支架7和观测支架9，使太阳光从进光孔10射进，投射于圆形接光点11正中，从观察口20读出此时太阳高度指针19指示的，太阳高度刻度盘8上的度数，即为此时的太阳高度；如果观测太阳高度时，系铅锤27的线与太阳高度盘8正面的90
°
垂直线还有偏角，就加减该偏角——太阳高度和偏角在90
°
垂直线的同侧就减，太阳高度和偏角在90
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垂直线的两侧就加——从而修正太阳高度；临近正午，测量太阳高度达到的最大值，这就是当天的正午太阳高度；在太阳高度达到最大值的同时，测定此时刻，即是此处的正午时刻；同时测定此时太阳所在的方位，即本地理多用途测量仪太阳高度盘8正面所在平面对向太阳的方位，就是此地的正南方或正北方——太阳直射点以北地区太阳处于正南方，太阳直射点以南地区太阳处于正北方，夏半年每天正午的太阳直射点的纬度，采用在地方时6点和18点，用本地理多用途测量仪的方位指针5测量的太阳偏离正东和正西的方位及度数的平均值；冬半年或全年每天正午的太阳直射点的纬度可以查阅天文资料。此时将本地理多用途测量仪的方位盘3的方位“南”或“北”——太阳直射点以北地区将方位盘3的方位“南”，太阳直射点以南地区将方位盘3的方位“北”——与太阳此时所在的方位，即本地理多用途测量仪太阳高度盘8正面所在平面对向太阳的方位，对正并固定，误差可以通过多天测量求平均值减小；特殊情况，如果太阳高度刚好90
°
，则此地为当天的太阳直射点，日出的方位为东，日落的方位为西，如此，观测平台的东、南、西、北方位即已测定；观测嵌入方位盘的指南针29，指南针指示的南北方位与本地理多用途测量仪测定的南北方位的偏角即是此地当时的地磁偏角；
转动方位指针5，使其一端指向需要测定的地理事物，此时方位指针5在方位盘3上的方位和度数，即为该需要测定的地理事物相对于观测平台的方位和度数；利用测定的此处的正午时刻与此地时区区时的正午时刻的差，和此地时区中央经线的度数，可以计算出此处的经度；算法：此处的经度=此地时区中央经线的度数+此地时区区时的正午时刻与此处的正午时刻的时差
×
15
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；利用测定的此处当天的正午太阳高度和观测或查阅的当天正午的太阳直射点的纬度，可以计算出此处的纬度；算法：此处的纬度=90
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此处当天的正午太阳高度与当天正午太阳直射点纬度的差；夏半年地方时6点和18点，用方位指针5观测太阳偏离正东和正西的方位及度数，就是此时太阳直射点的纬度，二者的平均值，就是当天正午的太阳直射点的纬度。
6.附图说明：附图1是地理多用途测量仪正面图。附图2是地理多用途测量仪侧面图。附图3是连接支架侧面图图中部件名称是：（1） 方位测量单元，（2）太阳高度测量单元；1底座，2脚钿，3方位盘，4铅锤投影轨迹，5方位指针，6连接套管， 7连接支架，8太阳高度盘，9观测支架，10进光孔，11圆形接光点，12卡位垫圈，13第二螺丝，14系铅锤垫片，15第二螺母，16第一螺母，17第一螺丝，18第四螺母，19太阳高度指针，20 观察口，21 第三螺丝， 22第三螺母，23垫片，24孔槽， 25遮光板， 26接光板，27铅锤, 28水平泡，29指南针。
7.具体实施方式：地理多用途测量仪包括方位测量单元和太阳高度测量单元两部分：所述方位测量单元的技术方案如附图1所示，底座1为圆形，半径30cm，厚度2 cm，边沿等距设置3个贯通底座1，可上下伸缩调节的螺钿2，半径0.5cm，高度5cm，螺钿2旁边嵌水平泡28，用以观察底座1是否水平，所述底座1中心垂直设置贯通底座1，中空的连接套管6，高度6cm，外半径2cm，内半径1.5cm,所述连接套管6近底座1处，从下至上套设绕连接套管6转动的圆形方位盘3和半径27.5cm方位指针5，方位盘3的厚度0.4cm，半径28cm，边沿刻东、南、西、北方位及方位度数，刻度细而醒目，间隔0.5
°
，区分度高，中间设置半径3.6cm的圆形铅锤投影轨迹4；在方位盘3的方位“南”到中心的连线的中段位置，嵌入带方位及刻度的指南针29，指南针29半径3cm，厚度与方位盘3的厚度相等，均为0.4cm，用以更方便地测量地磁偏角；所述太阳高度测量单元的技术方案是：如附图1、附图2和附图3所示，连接支架7由a、b、c三部分铸为一个整体， a部分是圆柱体形的转动轴，半径1.5cm，高度13cm，下端设置卡位的第四螺母18，b部分是长方体形支撑杆，厚度1.6cm,宽度4cm，长度36cm,与a部分重合3 cm, 所述b部分正面，与a部分中心线垂直，距离a部分中心线0.4cm，刚好等于太阳高度盘的厚度，所述b部分正面中心线距离c部分中心线下端23 cm处，设置第三螺母22，半径为0.2cm，长度0.6cm，对应设置第三螺丝21，半径为0.2cm，长度1cm，第三螺丝21后段设置垫片23，垫片数个，厚度均为0.1 cm，第三螺丝21把太阳高度盘8固定在b部分正面；所述b部分背面正对c部分后端处，设置第一螺母16，半径0.2cm，长度1.5cm，第一螺丝17，半径0.2cm，长度10cm，拧入第一螺母16内；所述连接支架7的 c部分是圆柱体形，半径1 cm,长度3 cm，前
端内设置第二螺母15，半径0.2cm，长度1.5cm，拧入第二螺丝13，半径0.2cm，丝口长度1.2cm，螺帽长度0.3 cm，所述第二螺丝13同时卡住系铅锤垫片14、卡位垫圈12、观测支架9和太阳高度盘8，并把观测支架9和太阳高度盘8套在连接支架7的c部分上；圆形的系铅锤垫片14，半径1.5cm，厚度0.2cm，中心孔半径0.2cm，正下端设置小孔系铅锤27；圆形卡位垫圈12，半径2cm，厚度0.4cm，中心孔半径0.2cm；太阳高度盘8，圆形，厚度0.4cm，半径28cm，正面设置通过中心的0
°
水平线和90
°
垂直线，正面边沿设置以水平线为0
°
以垂直线为90
°
的太阳高度度数，刻度细而醒目，间隔0.5
°
，区分度高；所述太阳高度盘8正面的90
°
垂直线与连接支架7的a部分中心线，二线合一，在所述太阳高度盘8正面的90
°
垂直线上，对应第三螺母22位置设置弧形孔槽24，长度2 cm，宽度0.5cm，以便通过第三螺丝21把太阳高度盘8固定在连接支架7的b部分正面上；所述观测支架9是长条形，长度60cm，宽度3cm，厚度0.4cm，中心后面设置圆形套筒，内半径1cm，长度2.6cm，套在连接支架7的c部分上，360
°
转动，转动面涂润滑剂；所述观测支架9一端设置观察口20，长度8cm，宽度2cm，中间设置太阳高度指针19，长度3.5cm，该端设置垂直于观测支架9的遮光板25，前端宽8cm，后端宽2cm，长度16cm，厚度0.4cm，遮光板25前端离观察口1.2cm中间位置，设置半径0.1cm的圆形进光孔10，所述观测支架9的另一端，相对遮光板25设置垂直于观测支架9的接光板26，长度16cm，宽度10cm，厚度0.4cm，接光板26正对进光孔10处，设置圆形接光点11；内涂显光材料；地理多用途测量仪通过连接支架7 的a部分转动轴，套在连接套管6内，360
°
转动，转动面涂润滑剂，尾端拧上卡位的第四螺母18，把太阳高度测量单元与方位测量单元连接为一个整体；地理多用途测量仪的太阳高度盘8的正面90
°
垂直线、连接支架7 a部分转动轴的中心线、连接套管6和底座1的中心线，四线合一，该直线垂直于连接支架7 的b部分的正面，太阳高度盘8紧贴连接支架7 的b部分的正面；地理多用途测量仪的调节和修正结构是：如果制作精度未达到设计要求，导致太阳高度盘8及其正面没有与地面垂直，就在太阳高度盘8背面与连接支架7的b部分正面之间的第三螺丝21后段上，增加或减少垫片23；如果制造精度未达到设计要求，导致太阳高度盘8正面的90
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垂直线没有与地面垂直，就小幅转动太阳高度盘8，使系铅锤27的线与太阳高度盘8正面的90
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垂直线正对；如果观测太阳高度时，系铅锤27的线与太阳高度盘8正面的90
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垂直线还有偏角，就加减该偏角，——太阳高度和偏角在90
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垂直线的同侧就减，太阳高度和偏角在90
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垂直线的两侧就加——从而修正太阳高度；地理多用途测量仪制作材料如下：螺钿2，方位指针5，第二螺丝13，第二螺母15，第一螺母16，第一螺丝17，第四螺母18， 第三螺丝21， 第三螺母22，铅锤27，以上部件均采用金属；底座1，连接套管6，连接支架7，观测支架9，太阳高度指针19，遮光板25，接光板26，指南针29，以上部件采用金属或高强度耐磨工程塑料；方位盘3，太阳高度盘8，卡位垫圈12，系铅锤垫片14,垫片23，水平泡28，以上部件均采用高强度耐磨工程塑料，表面不反光。