單元4 觀測星星方法與工具

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上課講義：http://etfamily.tp.edu.tw/miaoni/volunteer?n=docvew&i=1102

我們在做天文觀測時，需要準備哪些東西呢？這裡有簡單的介紹

天文觀測的工具

一般簡易的天文觀測包括對月球、行星及星座的觀測等。以下是觀測所需要的用具：
1.天文望遠鏡；2.星座盤 (按一下後，執行可用)；3.星圖；4.筆記本；5.手錶；6.手電筒與有色玻璃紙；7.天文年鑑

紹維老師教學多媒體作品-數位星座盤

天文望遠鏡的分類

天文望遠鏡分為「光學望遠鏡」與 「無線電波望遠鏡」兩類。

ㄧ、適用於夜晚的晴天，只可接收可見光。依據成像原理，主要分成折射式和反射式兩種「光學望遠鏡」。

二、由多台望遠鏡陣列合成觀測，可得極清晰影像，不受日夜和天氣的影響，為「無線電波望遠鏡」。

一、光學望遠鏡

天文學研究的多是極遙遠的星體。當星光傳播到達地球時，光線已經微弱到幾乎看不見，天文學家則需要靠望遠鏡把微弱的光增強，進而發掘出天體的秘密。天文望遠鏡主要是集中光線與提高解析率。在這裏將介紹這三種光學望遠鏡(折射式、反射式、和折反射式)的功能及特性，互相比較後就知道每種望遠鏡的優缺點。

1. 折射式望遠鏡

遙遠的星光從折射式望遠鏡最前端的凸透鏡進入，把光線聚焦在焦點上，然後在焦點後面放個目鏡，把物體的像放大。這就是最基本的折射式望遠鏡構造。

圖名:伽利略式折射望遠鏡。 來源:天王星繪製

伽利略是第一位發明折射式望遠鏡科學家。 為了驗證哥白尼的理論(日心說)，伽利略做了這的發明，並且率先用望遠鏡觀測天上的星體。 伽利略不僅看到了太陽黑子，觀測到月球上的隕石坑，並且發現了木星較大的四大衛星，至今仍命名為伽利略衛星，對於天文學做出無比的貢獻。

伽利略折射式望遠鏡

2. 反射式望遠鏡

反射望遠鏡是利用一塊表面鍍鋁或鍍銀的凹面鏡聚焦於物鏡焦點，然後在物鏡焦點前用另一塊凸面鏡或平面鏡將影像反射出鏡筒外，目鏡再把影像放大。常見的有牛頓式(Newtonian focus)及蓋塞格林式(Cassegrain focus)二種。

圖名:牛頓式反射望遠鏡。來源:天王星繪製

牛頓式反射望遠鏡，是由凹面的主鏡和平面的次鏡所組成，成像的觀察點在目鏡的側邊，由牛頓於1668年所發明的型式 。

牛頓式反射望遠鏡

蓋塞格林式反射望遠鏡，是從主鏡反射的光經由凸面鏡次鏡反射，通過主鏡中央的孔出來，像的觀察點在目鏡的後面，由法國人蓋賽格林於1672年發明的。台北市立天文館第一觀測室內設置45公分的蓋賽格林式反射望遠鏡。

3. 折反射式望遠鏡

折反射式望遠鏡是由改正透鏡和反射鏡組合而成的望遠鏡。折反射式望遠鏡利用改正鏡修正像差，這類望遠鏡的相對口徑和視場都很大，可用來做大視野巡天觀測或觀測大面積天體。台北市立天文館第二觀測室內設置20公分的庫德式望遠鏡。

台北市立天文館第二觀測室

一般常見的有兩種型式，一類是施密特蓋塞格林式（Schmidt Cassegrain），另一類是馬克蘇托夫式（Maksutov-Cassegrain）。

圖名:蓋塞格林折反射式望遠鏡。來源:天王星繪製

說明：與馬克蘇托夫折反射式望遠鏡相同

現代使用的大型望遠鏡大多是反射望遠鏡和折反射式望遠鏡。

折反射式望遠鏡，進入的光線在鏡筒內經兩次反射.所以口徑大而鏡筒短。

二、無線電波望遠鏡

為何需要無線電波望遠鏡？所有的天體，都或多或少有熱能，因此發出熱輻射，熱輻射由天體表面以「電磁波」的形式在太空向四面八方傳遞。電磁波依波長由長至短（或頻率由低至高）可以分成：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、Ｘ射線、γ 射線等。

電波望遠鏡成像原理。 圖片來源：龍騰版基礎地球科學第十章

無線電波望遠鏡在白天或陰雨時皆能觀測，且觀測資料經分析後其解析力比光學望遠鏡更高。主要包括四部分：1.碟型發射器； 2.接收器； 3.放大器； 4.紀錄器。台北市立天文館觀測區內設置了國內首座電波天文望遠鏡。

台北市立天文館電波天文望遠鏡

日晷簡介

祖先們用圭表、日晷來測日。日圭，也稱為圭臬，又稱為圭表。它是一種利用觀察太陽的投影位置以計算時日、決定節氣的工具，主要由一個垂直的投影物體和一片水平的受影面盤所組成。垂直聳立的投影物體部分，古時稱為「表」，可以小至一塊下方上尖的玉石，中到一根直立的木棍，也可以大至埃及的金字塔。而水平的受影面盤必須大小適中，而面上刻的線條，不論多少，其中不可或缺的是子午線，也就是南北線，以及垂直經過子午線的一些表示節氣的短線。

表必須垂直， 圭必須水平，子午線必須正對南北。

「表」的影子稱為「晷」。隨便哪一天，當「晷」落在子午線上時候，就是那一天的正午。可是在不同的日期，晷頂（標竿影子的頂部）在子午線上的位置不同。那些短線所要指示的，主要是二十四節氣的日期。子午線和那些短線所用到的水平面部分就叫做「圭」。你看它與「圭」字像不像？「立竿見影」這句成語雖指的是成效很快的意思，它和日圭也有分不開的關係。 在北回歸線以北，夏至和冬至時，表影在圭上的投影位置示意圖。(a)夏至時，投影最短。(b)冬至時，投影最長。

(a)夏至時，投影最短。

(b)冬至時，投影最長。

由於經度差以及地球繞日軌道的一些緣故，日圭時間是自然時間，它的正午通常並不是手錶時間的十二點整，因為日圭時間是依太陽位置所定的時間，而手錶時間是為了人類社會行政系統方便而規定的一個人為標準時間。兩者並不一致，所以用手錶時間來討論日圭是不適當的。

日圭時間與手錶時間之間需要經過一些補正才能一致。這裡就以經度差的影響為例來說：因為中國全國都以中原標準時間來規定現在是幾點鐘，也就是全國屬於同一標準時區。例如當北京人的手錶顯示是中午12點的同時，昆明人的手錶也顯示是中午12 點。但是因為兩地的經度相差約13 度；雖然兩地的手錶所顯示的時間一樣，太陽的位置可差得很遠。就是當「晷」經過北京市的子午線的時候，太陽離昆明的子午線還有13度的距離。換算成時間，有52 分鐘的差別。

顯然，用人為的手錶時間是不適合討論日圭的。在此所提及時間時，除非特別交代，都是指日圭時間，以日圭時間的正午為準。日圭時間的正午就是「晷」與子午線合一的時刻，也稱為中天時刻。所以，上述的中午十二點，指的是日圭上的正午，不是指手錶上的十二點。　

日圭有什麼用處？一般人以為日圭只用於觀察節氣日期。其實，日圭可不簡單，它是人類在地面上觀察太陽在天空中運行的科學工具。所以一些地球與太陽之間的關係，也許能從它身上得知一二。古人利用日圭，除了用來分配一天之內的時間，經過長時期的觀察，還獲得了下列科學知識：一、太陽年的長度; 二、地理上的南北方向線; 三、大地是圓的; 四、黃道面和赤道面的交角。

一般常見的日晷可分為水平式、垂直式 與赤道式。

• 水平式為擺放在水平面上的日晷，刻度板擺放在水平面上。

• 垂直式的日晷則為垂直式，其刻度板擺放在鉛垂面上。

• 赤道式日晷的刻度板指向天球赤道面，指針(表)指向天球北極(若測站位於北半球的話)。

日晷(日規)的功用

方位：地理上的南北方向。在《考工記》（成書於春秋末年，一部記錄手工業技術的書籍）這本書中，我們可以找到最早的立表定向的方法。
1. 把一小塊地整平，把木製或竹製的表插於其上，用一個掛有重物的準繩來把表校準，使之與地面垂直。
2. 用圓規以表為圓心畫圓。在日出和日落時分別觀察表影，標記出表影和圓相交的兩點，過這兩個交點的線所指示的方向就是正東、正西。並藉由白天觀察正午表影的方向、夜晚通過觀察北極星的方向對其進行校正。

季節：廿四節氣等，因地球公轉，太陽視軌跡也會有所變動。

時間：因地球自轉，太陽東昇西落，不同時刻在天空中的位置不同。

台北市天文科學教育館的半圓柱式日晷

資料來源：

1.台北市立天文科學教育館<鑽石星球傳說>世界上的天文台與觀測工具http://tamweb.tam.gov.tw/vtam/TW/show.asp?XH14；天文望遠鏡的構造http://tamweb.tam.gov.tw/vtam/TW/show.asp?xh10

2.紹維老師教學多媒體作品-數位星座盤http://www.mcps.tcc.edu.tw/teach/2.htm;數位星座盤下載及使用http://163.27.57.3/teach/star/estar.html

3.輕鬆製作一個日晷吧http://163.20.87.3/newweb/earthweb/95_doc/shadows/intro_shadows.htm



5.中國古代天文與曆法(中國文化研究院)-天文儀器-圭表(圭表測影、日晷)http://www.chiculture.net/0801/html/c13/0801c13.html

6.吳柏辰、高若有<日晷的製作及應用>http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/46/senior/0405/040504.pdf

7.邱紀良(2003)<日晷的實作>http://my.nthu.edu.tw/~thup/sample_DM/cho/cho-ch1.htm

8.南湖國小數位天文館網站-教學資源-天文彈性課程-望遠鏡http://ast.nhps.tp.edu.tw/