Stellarium在时间系统教学中的应用

程绵绵，杨 娜，李春燕，任思衡  

（航天工程大学 士官学校，北京，102249）

[摘  要]时间系统规定了时间测量的参考标准，是很多大学专业课程甚至中小学课程必须讲解的内容。针对时间系统部分教学内容抽象、不易理解的问题，本文首先阐述了时间有关的基本概念，介绍了常用的时间系统及其相关关系。在此基础上，提出了Stellarium在时间系统教学中的一种应用方法，通过三维动态的方式模拟恒星时与真太阳时的基本过程，阐述两种时间系统的基本原理，整个过程直观形象，便于学生理解。本文方法可以推广应用到多门课程的实际教学中。

[关键词] Stellarium；时间系统；恒星时；太阳时

[基金项目] 2020年航天工程大学士官学校预研基金项目“基于Stellarium的天文测量模拟系统研究与实现”【编号：无】。

[作者简介] 程绵绵（1990—），男，安徽安庆人，博士，航天工程大学士官学校讲师，主要从事测绘导航研究

[中图分类号]G642 [文献标识码] A  

一、引言

自然界中的一切事物包括人类社会都是在一定的时间和空间中生存、发展和消亡的，时间是最基本的物理量之一，它反映了物质运动的顺序性和连续性。人们在日常生活及科学研究中都离不开时间，因此从中小学的自然、地理课程到大学的地球概论、卫星导航系统、天文测量技术等课程均需要讲解时间有关的知识。同时，时间又是一个抽象的概念，现阶段大学课堂上关于时间系统的教学大多以幻灯片动画讲解为主，这种方法不够形象具体，不易学生理解。因此，如何在把抽象的时间概念讲解得具体化，是授课教员需要研究的问题。

Stellarium是一款虚拟天文馆软件，该软件可以根据观测者设置的观测时间和地点，自动计算天空中太阳、月球、行星和恒星等天体的位置，并将其显示出来，同时该软件还可以绘制天球及天球上基本的点线圈，便于人们理解天文知识和进行相关科学研究，目前已在教学中进行了一定的应用^[1-5]。本文在阐述时间有关的基本概念及常用的时间系统基础上，介绍了Stellarium在时间系统教学中的一种应用，通过三维动态的方式阐述了恒星时和真太阳时的基本原理，便于学生理解。

二、时间的基本概念及常用的时间系统

大学课程中，关于时间系统的教学主要讲解时间的概念、常用的时间系统及换算、时间历法及时间的传递等内容，其中时间的基本概念及常用的时间系统是其他教学内容的基础，下面首先对这两项教学内容进行阐述。

1.时间的基本概念

从科学角度讲，时间的概念要从“时刻”和“时间间隔”两方面进行理解^[6]，其中“时刻”是指某一事件发生的瞬间，而“时间间隔”表示两个时刻之间的历程，可以理解成“时间段”的含义，用于描述事物运动在时间上的连续状况。对于“时间”概念的理解，除了需要理解“时间”概念本身，需要理解“时间基准”、“守时系统”、“授时”等基本概念。

时间的计量需要有一个标准的公共尺度，称为时间基准。时间是建立在物质运动和变化的基础上的，物质的运动与变化又是在时间和空间中进行的。因此，如果脱离了物质，脱离了物质的运动和变化，时间和空间都将是毫无意义的，因此时间的计量必须以物质的运动为依据，各种具体的时间计量系统都建立在对某一特定物质运动测量的基础之上。一般来说，任何一个可观测的周期性运动，如果满足均匀性、连续性和可测性都可以作为时间基准。目前，国际时间计量工作中主要选用过地球自转、地球公转和电子、原子的谐波震荡三种物质运动作为时间基准，从而得到不同的时间系统。

守时系统是用来建立和维持时间的频率基准，确定任一时刻的时间的系统。日常生活中，最常见的守时系统就是时钟，利用时钟可以连续向用户提供任一时刻所对应的时间。同时，由于任何一台时钟都存在一定的误差，所以需要通过一定的方式与标准时间进行比对，求出比对时刻时钟与标准时间的钟差，对时钟加以改正，以便获得较为准确的时间。如何获取正确的标准的时间，这就涉及到授时的概念。

确定与保持某种时间基准，并通过一定方式把代表这种基准的时间信息传送出去供用户使用的相关工作称为授时。在古代，就有“鼓楼定更击鼓、钟楼撞钟报时”这样一项工作，其本质也是授时。现代，随着科学技术的发展进步，授时的规模和质量不断提高，授时系统可以通过电视、电话、网络、无线电、专用长波和短波电台和卫星等设施向用户传递准确的时间信息和频率信息。不同的方法具有不同的传递精度，以满足不同用户的需要。目前国际上有许多单位和机构在测定和维持各种时间系统，并通过各种方式将有关的时间和频率信息播发给用户，这些工作称为时间服务。较为著名的有国际计量局的时间部（提供国际原子时和协调世界时）、美国海军天文台，我国国内的时间服务是由位于西安市临潼区的中国科学院国家授时中心提供。

2.常用的时间系统

如上所述，时间的计量需要有时间基准，同时采用不同的时间基准可以得到不同的时间系统。现阶段，常用的时间基准及得到的时间系统如图1所示。

图1 常用的时间系统

（1）以地球自转为基准，选择不同的参考点可以得到不同的时间系统，如以春分点为参考点可以得到恒星时，以真实太阳为参考点得到真太阳时，以平太阳为参考点得到平太阳时。

（2）以地球公转为基准，以地球公转为基准的时间系统为历书时系统。

（3）以电子、原子的谐波震荡为基准，以原子内部不同能级间跃迁辐射的频率为基准所建立的时间系统为原子时系统。

在上述时间系统基础上，通过设置一定的规则条件又可以得到其他的时间系统，如将平太阳时划分时区后可以得到世界时，将世界时的时刻与原子时的秒长折中协调可以得到协调世界时，而我国使用的标准时间——北京时间，是协调世界时基础上提前8小时的时间。除此之外，还有全球定位系统时间（Global Positioning System Time）等等。

可以看出，常用的时间系统建立方法从源头上大多是与地球自转有关的，理解以地球自转为基准的时间系统可以帮助理解其他时间系统。接下来，介绍如何利用Stellarium解释恒星时与真太阳时基本原理。

三、巧用Stellarium解释恒星时与太阳时

现实中的时间都是一分一秒的度过，人们几乎没有办法加快或者减慢时间的流逝速度，这给人们研究或是模拟某些问题带来一定的困难。Stellarium不仅可以模拟正常的时间流逝过程，还可以加快或者减慢时间流逝速度，还可以跳到指定时间，通过这些功能可以模拟很多天文现象。

理解恒星时与太阳时，首先需要理解周日视运动的概念。由于地球自转，地面上的观测者看到天体于1恒星日内在天球上自东向西沿着与赤道平行的小圆转过一周的现象称为天体的周日视运动，可以看出天体的周日是运动本身又是以恒星日为基础得到的概念。天体的周日视运动是人类所感受到的最一般的周期性运动，它是地球自转的反映，对人类的生产、生活有重要的影响。正是由于地球自转是一种连续的周期性运动，并且地球自转速率的变化非常微小，早期的时候，由于受到观测精度和计时工具的限制，人们认为地球的这种自转是均匀的，因此，地球的自转被用来选做时间基准。由于所选参考点不同，以地球自转为基准形成了两种时间系统：选春分点为参考点，可以得到恒星时，以太阳为参考点，可以得到太阳时，如图2所示。

图2 恒星时和太阳时的基本原理

1恒星时

大学有关教材中，关于恒星时的定义如下：选春分点作为参考点，用春分点的周日视运动周期所确定的时间计量系统，称为恒星时，用s表示。春分点连续两次经过本地上中天的时间间隔称为1恒星日^[6]。通常，天体运动到测者午圈时，称为天体位于测者上中天，天体运动到测者子圈时，称为天体位于测者下中天。

上述关于恒星时的定义较为抽象，不易理解，如在Stellarium软件中模拟出来，则更为直观，基本过程如下。

步骤一：打开Stellarium软件，设置观测时间和观测地点，点击需要显示的天球上有关的点、线、圈，主要包括二分点、子午圈、天顶和天底，如图3所示；

图3 点击需要显示的点、线、圈

步骤二：点击时间菜单，调整时间，使春分点恰好位于测者上中天位置（即春分点位于子圈上），记录当前时间，即2020年7月25日4时2分25秒（不同的观测时间和地点，该时间不同，下同），如图4所示；

图4 调整时间使春分点恰好位于测者上中天位置

步骤三：利用时间工具调整时间（如单次增加1小时），此时春分点会沿着天赤道做圆周运动，直至春分点再次靠近上中天位置，此时用精调的方法调整时间（如单次改变1分钟或1秒），使春分点再次位于上中天位置，记录此时时间，即2020年7月26日3时58分25秒，如图5所示；

图5 春分点再次位于测者上中天位置

步骤四：计算上述两个时间节点之间的时间间隔，即23时56分0秒，该时间间隔即为1恒星日。

需要注意的是，不同的观测位置和观测时间得到的恒星日时间间隔稍有不同，并且并不是严格的24时，这是因为恒星时本身并不是一种均匀的时间系统。

上述四个步骤以三维动态的方式演示了1恒星日的基本过程，有了恒星日，就可以按照换算关系得到恒时、恒分、恒秒的概念，即1恒星日可以细分为24恒时，1恒时可以细分为60恒时分，1恒时分可以细分为60恒时秒。

2太阳时

选取真实太阳（太阳视圆面的中心）为基本参考点，以其周日视运动为基准建立的时间计量系统，称为真太阳时。真太阳时的基本单位是真太阳日，1真太阳日是真太阳连续两次经过本地上中天的时间间隔^[6]。进一步可细分为“小时”、“分”和“秒”。从真太阳时的定义和原理可以看出来，真太阳时与恒星时的原理几乎完全一样，只是把春分点换成了真实的太阳，其演示过程此处不再赘述，仅展示真太阳连续两次位于上中天时刻的情形，如图6、7所示。

图6 调整时间使真太阳恰好位于测者上中天位置

图7 真太阳再次位于测者上中天位置

真太阳时是古代使用较多的一种时间系统，典型的代表是日晷。需要注意的是，由于地球绕太阳运动的轨道是一椭圆，又受到月球和行星的摄动作用，太阳在黄道上的运动是不均匀的，同时太阳不是在天赤道上运行，而是在黄道上运行，赤道与黄道有交角，即使太阳在黄道上运行是均匀的，它的赤经的增加也是不均匀的，因此真太阳时也是不均匀的。

四、结语

时间系统是大学多门课程中必不可少的教学内容，并且不同时间系统间是一种层层递进的关系，大多时间系统的建立都与地球自转存在一定关系。本文在介绍常见时间系统的基础上，阐述了一种利用Stellarium进行恒星时和真太阳时的教学方法，整个过程直观形象，便于学生理解。在理解了恒星时、真太阳时基本原理的基础上，教员可以进一步讲解世界时、协调世界时以及其他时间系统的原理。

[参考文献]

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[2] 赵伟聪, 任国荣, 杨帅, 等. Stellarium软件在地理教学中的应用探索——以“正午太阳高度角的变化”为例[J]. 教育现代化, 2020,7(03):95-97.

[3] 单良, 宋玮娴, 岳蕾. Stellarium软件在高中地理课堂教学中的应用探究[J]. 中学地理教学参考, 2018(12):38-39.

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[5] 戈嘉璐, 吴松, 司源. 基于Stellarium中学天文科普活动的探索[J]. 科技与企业, 2016(03):248-250.

[6] 王若璞, 张超, 李崇辉. 大地天文测量原理与方法[M]. 北京: 测绘出版社, 2018.

Application of Stellarium in Time System Teaching

Cheng Mian-mian, Yang Na, Li Chun-yan, Ren Si-heng

(School of Non-Commissioned Officer, Space Engineering University, Beijing 102249)

Abstract: Time system provides the reference standard of time measurement, which is the content that many university professional courses and even primary and secondary school courses must explain. Aiming at the problem that the teaching content of time system is abstract and difficult to understand, this paper first expounds the basic concepts related to time, and introduces the common time system and its related relations. On this basis, an application method of Stellarium in the teaching of time system is proposed. The basic process of stellar time and real solar time is simulated by three-dimensional dynamic way, and the basic principles of the two time systems are elaborated. The whole process is intuitive and visual, which is convenient for students to understand. This method can be applied to the actual teaching of many courses.

Keywords: Stellarium; time system; sidereal time; solar time