三球仪

三球仪，又称“月地运行仪”，是一种可演示月、地运行时的公转和自转以及日月交食、昼夜、四季交替以及月相等天文现象。天文教学和天文普及仪器^[1][2][3]。

三球仪是1951年由张俊德发明，1953年张俊德参加完维也纳召开的世界教师代表大会回国后，制作出新的“五四”式月地运行仪^[4]。三球仪由代表太阳、地球和月球的三个小球组成，通过一套机械装置将其连接起来，使地球绕仪器中央的太阳转动时月球绕地球转动，代表太阳的圆球常用白灯灯泡代替；地球和月球按比例给出。三球仪演示时，需要在遮光的室内进行，用手连续推动托板，地球绕太阳公转，月亮绕地球旋转，可以看到月亮的圆缺；当地球运行到太阳与月亮之间时，则形成月蚀；当月亮运行到太阳与地球之间时，则形成日蚀。^[3][5][6]

1945年，张俊德开始试制三球仪，当时的制作较为简单，地球、月亮是泥土制作的，太阳是用橙子制作；1951年6月，张俊德发明了月球、太阳、地球三球运动演示仪，被西北文化部命名为“张俊德三球仪”；1953年8月，张俊德参加完维也纳召开的世界教师代表大会回国后，制作出新的“五四”式月地运行仪。^[4][7][8]

自转是地球的一种重要运动形式，它绕自转轴自西向东的转动，从北极点上空看呈逆时针旋转，从南极点上空看呈顺时针旋转，其自转一周就是一天。由于地球自转产生了昼夜更替现象；另外，由于地球自转，地球上不同经度的地方，有不同的地方时，经度每隔15度，地方时相差1小时。^[2]

地球在一直自西向东自转的同时，也绕着太阳公转。每年6月22日前后，太阳直射北回归线，这一天为北半球的夏至日，此时为北半球的夏季，热量最高，白昼最长，气候炎热；南半球则处于冬季；到了9月23日前后，太阳直射赤道，是北半球的秋分日，这时候南半球以及北半球得到的太阳热量都相等，昼夜平分，北半球是秋季，南半球是春季；到12月22日前后，太阳便直射南回归线，这一天就是北半球的冬至日，此时为北半球的冬季，其热量为最少，且白昼时间最短，气候也相当寒冷，是北半球的冬季；太阳直射点北返以后，在3月21日前后，太阳再次直接射向赤道，这一天就是北半球的春分日，实北半球是春季，而南半球却是秋季。地球就这样以一年为周期绕太阳不停公转，从而产生了四季的更替。^[2]

月球在近似椭圆形的轨道上绕地球公转，月球在公转的同时也自转，其自转的方向、周期与公转相同，因此，月球总以相同的一面对着地球。由于月球本身不发光，在太阳光的照射下，向着太阳的半个球面是亮区，另半个球面是暗区。当月球处于太阳和地球之间时，它的黑暗半球对着我们，这就是“朔”，为农历初一；月球运行到地球的背日方向时，月球亮区全部对着地球时，就是“望”，此时为农历十五、十六。^[2]

三球仪主要由代表太阳、地球和月球的三个小球、支架、传动皮带、月相盘组成，并有机械联动装置，除此之外还有四个轮子、一各横杆、一个三连轴、两条松紧带、一各领带器、还有黄道、底座等。一号轮固定在三号轮的一端，横杆套在三号轮的另一端，这一端固定在底座上；地球、二号轮、领带器，都套在三连轴上；四号轮固定在三连轴的下端，套在轮架上，轮架则钉牢在横杆上；月亮连在固定在二号轮上；一号带穿过器连接着二号轮和一号轮，二號号轮连接着三号轮和四号轮；太阳以烛火代替，放在一号轮上面的中央。推动横杆，由于一带的牵制，二号轮转动起來，月亮也就围绕着地球旋转起来，地球则沿着黄道面围绕着太阳运行；又由于二号带的牵制，四号轮随横杆的移动而慢慢转动，使地轴保持一定的方向；再在月相盘、节气盘的助下，就可以说明昼夜交替，月光圆缺、四季转化等天文現象了。^[9][10]

三球仪就是模仿自然界的真实情况，中间的太阳通常采用发光的灯泡，用来照亮地球和月球；地球倾斜地在轨道上绕日旋转，月球绕地球的轨道和地球绕太阳的轨道相交成一个角度，以此来演示日食和月食、月球的盈亏、地球的自转和公转、昼夜和四季的交替等现象。^[3][6]

制作简单的三球仪分为五个步骤，第一步是用一个100瓦灯泡当太阳，并且配一个圆形乳白色外罩做成，装在左边支柱的顶端；第二步是用乒乓球做地球仪，用小铁丝斜穿作轴，用铁皮半环支撑固定在右边的轴上；第三步是制作皮带轮，在假定太阳的下面5厘米处，将一个大些的皮带轮固定在支柱太阳的轴上。在支住地球直轴的下面，装一个可以绕轴转动的小些的皮带轮，两个皮带轮直径的比是12：1；第四步是制作月亮，取一个中间有孔的、大小合适的小球，穿在铁丝上，安装在地球仪下面的小皮带轮的边缘，高度与地球仪中部相平，可以随着小皮带轮的转动绕地球旋转；第六步是制作托板，在大皮带轮下面的轴上装一块可以绕轴转动的托板，托板长约50~60厘米。它的右端有一个孔，将小皮带轮的轴固定在孔内，挂上松紧合适的皮带，推动托板，使托板带动地球绕太阳转动，同时小皮带轮驱动月亮绕地球旋转。^[11][5]

在用三球仪演示时，需要在遮光的室内进行，用手连续推动托板，地球绕太阳公转，月亮绕地球旋转，可以看到月亮的圆缺；当地球运行到太阳与月亮之间时，则形成月蚀；当月亮运行到太阳与地球之间时，则形成日蚀。^[3][5]

三球仪就是模仿自然界的真实情况，用来演示日食和月食、月球的盈亏、地球的自转和公转、昼夜和四季的交替等现象。^[3][6]