自制方法
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,第一就是要讓救援的人知道船只的所在處,也就是說要將船只所在的經(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。它的最大好處是能將一個物體的確實位置,很簡潔地讓大家都能明了。同樣的,在無際無涯的夜空星海中,一旦發(fā)現(xiàn)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似經(jīng)緯度的度量系統(tǒng),來標定星球位置,制作星圖呢?天文學家所使用的度量系統(tǒng)是赤經(jīng)(Rightascension)及赤緯(Declination),赤緯的單位是度(Degrees),赤經(jīng)單位是時(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都好像同樣遠近。我們就假想有一懸空之球殼罩住了整個地球,這個假想的球就叫做天球(Celestialsphere),而這些星星就固定在球殼內(nèi)面,每次我們只能看到半個球面。因為地球自轉(zhuǎn)的結(jié)果,天球便好像由東至西不斷地繞著我們旋轉(zhuǎn),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,1時又分60分,即1h=60m=15°,這是因為地球或天球每小時旋轉(zhuǎn)15°而得名。
這套決定天體位置的方法,看起來相當復雜,但是它有許多好處。例如,天球不斷旋轉(zhuǎn),所以星星的視位置不斷改變,像是由東至西橫過夜空;同時,又因地球公轉(zhuǎn)結(jié)果,雖在同一時刻,隔幾天后,星星位置也稍稍偏西;或是你由北向南行走時,星星對地平線之相對位置,也都有所改變。既然星星之視位置,如此善變,故要依照所見來說明其位置,是相當困難的,只能藉著赤經(jīng)、赤緯來說明了,因為每一個星球恰與一組赤經(jīng)緯度相對應。但也由于星象瞬息萬變,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測裝置。
介紹一種簡單的經(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,鋸下二個圓盤,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上,黏上二塊量角器,量角器底邊中點,須確實黏在圓盤中心上。(見圖2)。
2.把一個圓盤用二根螺絲釘,固定在D上,圓盤之圓心與90°之連線,必須與D之中線重疊,在D之兩端各釘上一個螺絲圈,(注意不是釘在有圓盤的那一面,見圖2)視線便可通過兩個小圈觀察。
3.在另一圓盤圓心處,鑿一(1/4)"的洞,這洞要同時穿過A、C,(見圖3),用一螺絲穿過栓好,調(diào)整一下松緊程度,使C很容易旋轉(zhuǎn)。
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(zhuǎn)動,不要固定。
5.用鐵片截取三個三角形,以螺絲釘或小釘子將它們附于C上,三角形之尖端必須平貼于量角器上。
6.以鉸鍊將A、B接好。(見圖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,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之二邊,再用座鉆通過細縫將G、H栓在B之邊上,這是用來調(diào)整角度x的。釘螺絲或座鉆時,應釘在適當位置,以致當調(diào)整至細縫末端時,A、B能夠重合。經(jīng)緯儀這時便可使用了。
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,目的只在使視線容易通過D之螺絲圈觀察。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(diào)整B板之傾斜,使視線沿視臂看到地平線,將B板固定在這位置,此時B板即保持水平,現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)C、D觀察天體,則E即指示出天體之地平緯度(Altitude)。
現(xiàn)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';另一個法子是將視臂指向北極星,D保持在這方向,而移動A板,使緯度表E之讀數(shù)為90°,此時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)時仰角即為你的緯度,因此當E讀數(shù)為零時,將板A舉起x角后,視臂即指向天球赤道,為什么?(注二)調(diào)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),而不須顧慮到因觀測地之緯度不同,所引起之星星視位置之變化。此時由西至東旋轉(zhuǎn)視臂,便畫出了天球赤道位置。
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,每隔15°為1時,由零度起反時針方向刻。
現(xiàn)在移動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(zhuǎn)經(jīng)度表F,使C之指針指向適當之赤經(jīng)值。此時緯度表應即自動指在了正確的赤緯值,否則儀器便有了偏差。將F固定住,現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)C、D,把視臂指向另一星球,此時從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盤上朝開口處之量角器度數(shù)為正,另一個為負。
例如:角宿大星(Spica),在四、五、六月夜空均可見,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,此時緯度表E讀數(shù)應約為-11°,調(diào)整經(jīng)度表F至13h23m37s?,F(xiàn)在旋轉(zhuǎn)視臂D,注視軒轅大星(Regulus),此時在E上就可讀出約12°06',F(xiàn)上約10h07m,于是知道軒轅大星之R.A.=10h07m,D.=12°06'。
再舉個例,在冬季夜空可見天狼星(Sirius)
R.A.約為6h44m,D.約為-16°40',將F調(diào)整至6h44m后,將視臂舉高約在25°赤緯度,再向西旋轉(zhuǎn)到赤經(jīng)度約為3h45m,此時通過D上之螺絲圈,你就可以看到昴宿(Pleiades)了。
在秋冬夜晚較早時,在飛馬座(Pegasus)大正方形附近,可見朦朧亮帶,那是仙女座大星云(Andromeda),它是漩渦星云中唯一能被肉眼清晰看見的,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測時間不同,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(zhuǎn),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(jié),什麼時間觀察,你所求得星星之赤經(jīng)、赤緯度數(shù)均不會有所差別。
一些參考星源列于表二。
許多偉大的實驗,它所需要的裝置,往往是相當簡單的,所以你不要小看經(jīng)緯儀,很可能有一天,你利用它標定出一顆從未為人發(fā)現(xiàn)的星球的位置,而馳名于世呢?
原文系摘自“ChallengeoftheUriverse”117頁“ProjectsandExperiments”1962年由“NationalScienceTeachersAssociation”出版。
原文僅說明制作法,并不討論原理,譯者加入一些原理的簡單說明而成。
注一:見圖4,B板指向南方地平線,D指向天球北極,A板與D垂直,∠Y即觀測地之緯度,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)線平行,很容易的我們就可證出∠Z=∠Y,而∠x+∠Z=90°,因此∠x=90°-∠Z=90°-∠Y=90°-(觀測地之緯度)。
注二:E讀數(shù)為零時,D與A平行,見圖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。