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一项将数学方法运用于天文观测的实验活动

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一项将数学方法运用于天文观测的实验活动

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武汉睿升天文社聂向海和陶匡迪同学自制仪器观测星空
 
  木星是太阳系中最大的行星,2017年上半年是观测木星的好时机。天气好时,每当太阳从西边落下不久,木星就在东南方高空熠熠闪烁。武汉睿升学校天文观测选修课的聂向海和陶匡迪同学,自制测量仪器,抓住时机,运用数学方法进行木星的观测与数据分析,完成了一次有意义的观测实验活动。
 
善于思考 勤于动手
 
  有着飞天梦想的”航空班“的两位学生聂向海和陶匡迪同学,从小就喜欢观察自然现象,向往太空。去年考入武汉睿升学校上高中,来到睿升,他们带着许多天文方面的疑问,踊跃参加了2016-2017年度天文选修课的学习。
  通过一个学期的天文知识学习,对星空产生了浓厚的兴趣,每一次天文社的观测活动都积极参加,天气若好,马上架起天文望远镜进行观测。遇到活动日是阴雨天,他们也来到天文台把自己感到困惑的问题提出来,请天文老师专门进行讲解。
  聂向海同学想象力丰富,善于理论思考,每一次课堂上或天文活动时都会提出几个问题,与老师进行交流。去年十二月的一天晚上,他观测东方天空时,发现有一颗星忽隐忽现,星光明暗交替。聂向海同学想起曾经看过的书上介绍的”脉冲星--中子星“,想着 那是不是一颗脉冲星啊!他找到老师询问求证。老师详细介绍了脉冲星的原理,指出低空的星星透过大气往往受气流影响会”一闪一闪,那是着名的全天最亮星--天狼星。聂向海同学豁然大悟,“对!脉冲星辐射频率高亮度小,肉眼辨别不出的啊。”过后,聂向海同学把这一经过写了一篇小文《那是一颗脉冲星吗?》,在学校微信公众号上发表,反响很好。
  陶匡迪同学动手能力强,运用天文设备十分熟练,每一次天文观测都是第一个操纵望远镜完成对目标天体的观测,他还撰写了观测方法文章《如何使用天文望远镜快速寻找观测目标》(见附件2)介绍给其他同学参考。
  每年的4、5月份,学校安排时间组织学生制作科技作品。在天文老师的帮助下,聂向海和陶匡迪同学合作利用两个月时间设计、制作了简易经纬仪(见图一),用于测量天体的高度角和方位角,获取数据进行分析。
 
图一 经纬仪结构、原理
 
  简易经纬仪设计制作看似简单,但是对于从来没有独立制作器材的中学生来说,也不是件很容易的事儿。
  天文老师带着他们俩到学校实验楼寻找制作材料,陶匡迪还从家里拿来工具。测量高度板(量角器)用教学量角器改造后代用,测量方位角的圆盘从航模老师制作模具的下脚料取得。
  “大件”到位了,两人在天文台楼道便忙了起来,一个量尺寸锯木板、一个用刀具掏旋转孔(圆心凿洞),手磨出了泡,汗流满脸;工具不合手,制作不顺利,虽一次次失败但没有气馁。(图二图三)终于5月中旬基本完成了设备主体的制作。当天,两个人兴奋的抬出设备来到学校操场对远处高楼上的目标进行测试(图四、五)
 
 
图二 图三 自行设计 制作观测设备
 
 
图四 器件组装
 
图五 搬到操场进行测试
  提出想法 细心观察
  如何用自行制作的经纬仪进行观测实验呢?两位同学提出自己的想法:
  “这一次测定木星的目的,是通过大致相隔一个月的时间的两次观测,对木星进行位置测量,做好记录,通过计算和换算以证明天体的”周年运动“,进而证明一年四季”斗转星移“的基本规律。”
  这里需要说明什么是天体的周年运动。如果你是一个细心的观测者,每天晚上都在同一时间来观察星空,那么你就会发现原来在正南方天空上的星座,一两个月以后就移到了西方,而原来在西方地平线上的星座已经落到西方地平线以下看不见了。如果你再仔细一些,找一个坐北朝南的建筑物,站在它的后面,顺着东墙面的视线,找一颗位于正南方的星,并记住它。
  第二天晚上,当这颗星再次到达正南方时,说明地球已经自转了一圈。用钟表测定一下这颗星两次出现在天空同一位置的时间间隔,你会发现它并不是整整24小时,而是23小时56分4秒,显然这是地球自转的真正周期。
  这一现象告诉人们;同样的星空,明天会比今天约提前4分钟到来,后天会提前约8分钟,依次类推,半个月后会提前1小时,一个月后会提前2小时,一年会提前24小时。地球围绕太阳公转一周大约需要365天,天体的周年运动也是365天,相当于天体相对太阳每天运动约一度。要想在同样的时间看到同样的星空,则须等一年以后。星空的这种周年变化,反映在“斗转星移”,就是我国古书中所记“斗柄东指,天下皆春;斗柄南指,天下皆夏;斗柄西指,天下皆秋;斗柄北指,天下皆冬。” ?的这种现象。
  按理说,用恒星作为“目标星”进行这一实验效果更好,因为恒星与行星相比,位置不动,实验的计算既简单且准确度高。为什么选择木星?主要原因是近几年学校周围高楼林立万家灯火,新修的路灯和城市景观灯太多,光污染严重,一般天体难以观测。而木星非常亮,角度较高,成为这一时期最明亮的天体,一般的天气只要能观测,首先就能够观测到它。
  观测的大致思路明确后,两位同学先是在天文刊物上查阅2017年木星运动轨迹(图六)。通过上面的日期标注,确定木星在5—6月期间基本在星空中“留”的位置(室女座的角宿一西北方向不远处,位移不大)
 
图六 2017年木星运动轨迹
 
  5月16日晚上,天气晴朗,每周一次的天文社观测活动按预定时间进行。两位同学将刚刚制作完成的“天文仪器” 搬到天文台六楼的天台上,对准木星进行了实测观测。
  6月中旬武汉地区进入梅雨季节,天气变化大,观测机会不多。6月13日白天多云,晚上八点刚刚过,天空便开始放晴,两位同学抓紧时间迅速对木星进行了测量。(原始记录见图七、八)
 
 
图七 、八 原始观测记录
 
  木星观测记录
  观测地点:武汉睿升学校天文台
 
 
  观测人陶匡迪 记录人聂向海
  天文观测需要在室外进行,是一项辛苦的活动,既要动脑动手,还要有耐心。两位同学做好观测任务的分工后,密切配合,一个负责观测和报告数据,一个负责及时记录。(见图九 图十)
 
图九 陶匡迪同学在观测
 
图十 聂向海同学在做记录
 
  运用数学 分析计算
  科技活动必须讲究科学的方法,必须要有定量的计算分析。两位同学 有了第一手观测数据,下一步的任务就是运用数学,结合天文地理知识进行分析与计算了。(见图十一)
 
图十一 两位同学在观测平台地上画图,讨论分析观测数据
 
  观测记录有两组数据,分别是高度角和方位角。高度角又称地平高度,从一点至观测目标的方向线与水平面间的夹角,从0—90度。方位角又称地平经度,从指北方向线起,从0—360度。依顺时针方向 正北是0度,正东是90度,正南是180度,正西270度。0度起,与观测到目标方向线之间的水平夹角就是该目标的方位角度。上面的观测数据方位角显示(上图八),第一次观测时,木星在正南偏东,与正南差180-165=15度角,第二次观测时,木星“运动”到正南偏西,与正南有着185-180=5度角。前后两次观测,地平经度差15+5=20度。(更方便的计算方法是185-165=20,前面的计算方法是与观测位置记录图八相配的)
  第一次观测时间比第二次观测时间晚了35分钟。天体“周日运动”(地球自转结果,24小时自转360度,每小时15度)需要向东补偿35/60 乘 15=8.75度。也就是说,如果第一次观测时间与第二次时间一致,都是晚上8时15分,那么,木星应该在的地平经度向东移8.75度。两次观测的经纬度的差为20+8.75=28.75度。
  木星轨迹图(上面图六)显示5月-6月木星基本在12.8H附近运动,位移很小,为了简化计算,在这里,暂且忽略木星期间的位置变化,权宜当一颗恒星看待。(同时考虑到简易经纬仪自身精度不高,计算数据时原则上不出现大的误差即可)
  在相差28天(5月16日---6月13日)里,木星向西运动了28.75度,相当于每天运动了一度。我们地球围绕太阳公转一周大约需要365天,天体的周年运动也是365天,每天运动接近一度。
  通过观测,木星在相对“留”的期间的28天里,地平经度变化了28度多,恰恰也是一度,足以证明,天体的“周年变化”每天运动一度不仅是存在的,而且是符合地球公转和自转的周期规律的。
 
  实践育人 放飞梦想
  武汉睿升学校坚持“’教‘’育‘”两手抓,在提高“教学”质量的同时,注重实践“育人”,通过校园科技节、艺术节、多层次选修课等特色活动,培养学生综合能力。学校率先在武汉市高中开设科技实验班。高一学生的“天文观测”选修课开设十余年,更是湖北省内高中唯一的天文校本课程。
  开动脑筋 善于思考 勤于实践 是学生开展学研探究活动的出发点和落脚点,也是开设校本选修课的一个重要目的和效果,不仅开阔了学生视野,促进了学生的自我激励和多元成长,还丰富了学生的校园科技文化生活,实践证明,更有利于学校的整体教学向纵深发展……
 
  浩瀚的宇宙,是人类梦想的摇篮;神秘的星空,催发着人们不懈的探索。许多伟大的实验,它所需要的装置,往往是相当简单的。不要小看自制的简易经纬仪,很可能有一天,一个追逐星空梦想的青少年,利用它或许能够标定出一颗从未为人发现的星球的位置,而驰名于世呢 !
 
  星 梦 2017-8
  附1《那是一颗脉冲星么?》
  高一(11)班 聂向海
  2016年12月21日20时,夜空清澈,我在睿升天文台进行观测活动,发现了一颗不寻常的星星。
 
 
  当猎户座横卧在东方苍穹之中时,猎户座下方一颗明亮的星星便缓缓升起。我正好完成了对猎户座的观测,留意到了这颗耀眼的天体。“她”在夜空中忽隐忽现,好似娇羞的姑娘不时地用手绢掩盖自己深情的目光。它微微的释放着蓝光,静谧而又稳健地闪烁着,一亮一暗,十分的有规律,有着独特的节奏。
 
 
  这是什么天体啊?难道是一颗我以前在书上看到的脉冲星么?记得书上这样描述:脉冲星是一种中子星,当超新星爆炸后,留下中子星高速旋转,又由于脉冲星的辐射被限制为极细的脉冲线,所以造成了忽明忽暗的假象。就像一座灯塔一样,并且它的的闪烁及其规律,甚至可作为计时的钟表。这些特征都与我观察到的现象比较相符。于是我便将天文望远镜对准了这颗特殊的星星。
 
 
  然而,这颗星星在望远镜中并没有展现出美丽的“脉冲线”,而是比较稳定的亮点。我的心中多了一点落寞,同时也多了一点疑问,这颗星星为什么会眨眼呢?
 
 
  我向天文老师询问,老师告诉我说,这颗星星是大犬座的天狼星,是四季星空中(除太阳外)最亮的恒星,距离我们8.6光年呢。它与小犬座南河三、猎户座参宿四连成一个等腰三角形,就是所谓的“冬季大三角”。至于星空中的“她”为何眨眼,老师作出了这样的解释:其实它的闪动并不十分有规律,天狼星此时刚升起,地平高度还不是很高,此时星光经过大气层相对比较厚,加上星点很小,地球对流层的大气扰动折射了它的光线传播。尽管夜空清澈,我们肉眼看星星,她依然会眨眼闪烁。
 
 
  我听完恍然大悟。
  从这次观星的经历中,我明白了探索科学真理并非是单纯的想象或简单的猜测,还需要我们认真地研究和深入的求解。
  孟老师点评:
  仰望星空,放飞梦想,激发学生学习热情,提升科学素质,是武汉睿升学校开设天文观测选修课的重要目标。
  在观测实践中,学生开动脑筋自觉运用曾经学过的知识,寓于科技活动之中,开阔了视野,增加了知识面。特别是高一11班的聂向海同学,勤于观察和思考,有所收获。他的观测日记“那是一颗脉冲星吗?”记录了该同学观测天体时的所思所想,也说明了“思考环节”在校园科技活动中十分重要。
 
  附2《天文观测中快速寻星的办法》
  高一 (10) 班陶匡迪
  参加天文社活动以来,我多次在天文观测中快速寻找到目标天体,受到老师称赞。
  先介绍下我在实践中总结的办法,供同学们参考。
  天文望远镜视场小,因此我们可能会遇到难以寻找目标的问题,如何快速将望远镜指向需要寻找的星星呢?
  首先,调整好寻星镜。调整寻星镜的方法很简单,先找到一个易于寻找的参照物(在学校观测时可选择轻工大学的标牌),用望远镜对准那个参照物,记住镜中所看到的参照物的一部分(如“工”字中上面的一横),在保持望远镜不动,小心的调整寻星镜的红点,使其指向在望远镜中所看到的物体(如“工”中上面的那一横),寻星镜的调整就完成了。
  接下来,要做的就是用肉眼找到要观测的目标,并用寻星镜中的红点对准它,再调整目镜直至目镜中所成的像变清晰,并微调赤道仪使观测对象保持在望远镜中央。接着就可以愉快的观察这颗星星了。
  方法是重要的,但实践是更重要的。只有多观测,多实践,你才会更好的使用你
  手中的望远镜,快速的观测到你想要观察的目标。
 
 
  学科指导 孟宪有老师
  武汉睿升学校天文选修课指导老师。
  湖北省天文学会副秘书长,黑龙江省天文协会副理事长。
  在武汉新科技馆、华中科技大学、武汉纺织大学、中国地质大学(武汉)等学校作天文讲座、科普报告数十次。获得2015年度湖北省科协、教育厅等授予全国科普日先进个人称号。