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1929年中央研究院在国立天文陈列馆(即北京古观象台)的发展报告中这样批道:“若论宣传天文起见,则德国蔡司厂之天象仪,美妙无比,但价值过昂,处现在状况之下尚谈不到。”嗣后,高鲁、张钰哲、陈遵妫、李珩等现代中国天文学的先驱者纷纷撰文,介绍和宣传有关天象仪和天文馆的知识,呼吁中国天文馆的诞生。
1954年夏,中国驻前民主德国使馆向外贸部门反映说,前民主德国的蔡司天象仪是一种科学普及教育仪器,德方对中国有贸易差额,建议购买天象仪,作为一部分外贸补偿。随后这份文件转到中央文委,同年9月中央文委决定筹建北京天文馆,并由中国科学院负责办理。中国科学院从年度经费中调剂200亿(人民币改革前的旧币)作为建馆经费 。
1957年,北京天文馆正式对外开放,坐落于北京市西城区西直门外大街138号,占地面积20,000平方米,建筑面积26,000平方米,是中国第一座大型天文馆,也是亚洲大陆第一座大型天文馆 。天文馆的建筑设计师是建筑师张开济,室内装饰是由美术大师吴作人和周令钊等人完成的 。9月29日上午,在北京天文馆开馆典礼上,北京市副市长吴晗致祝辞 。
1991年,因为老馆超期服役,天文馆的设备和建筑出现了不同程度的老化,北京天文馆的改造被提上议事日程。经过招标,几个商业化中的一个方案“在天文馆原地将建起超高层的现代化大楼”在当时引起了强烈争议。李元等天文馆元老、张开济等建筑师明确表示反对。
1998年夏天,因为传闻决定拆除天文馆,天文馆迎来了一场“天文馆告别热”,到天文馆来的观众是往常的三四倍。
2000年9月8日,北京天文馆老馆最终避免了被拆除的命运,决定在保留老馆的前提下,由市政府投资2亿修建新馆,并与老馆建筑相互呼应 。
2001年12月26日,北京天文馆扩建工程正式开工,建筑面积两万多平方米,是原天文馆规模的近10倍。同时,新馆在功能上超越传统天文馆,具备星空表演、动感电影等令人震撼的视听效果 。
2004年12月12日,投资3亿多元人民币、耗时近三年建成的北京天文馆新馆(B馆)开始对公众开放 。
2006年1月20日,北京天文馆B馆展览二期工程收尾后重新对公众开放。总布展面积约2000平方米,分布在B馆的一层和二层,共设有大行星、小天体、天文观测等十多个展区。数字宇宙剧场新推出一部数字天象节目《神奇的宇宙》,影片的部分进程将由观众投票决定 。7月6日,北京天文馆B馆的“快乐探索宇宙天文展览”正式对外开放,展览共有15个展区,除了太阳区外其它14个展区都是首次推出 。11月6日,北京天文馆老馆(A馆)开始改造,预计总投资6000万元,除更新天象仪、音响、投影机等主要设备外,还将对整个建筑的内外部进行重新装修,并改造供电、空调等系统 。
2007年8月A馆整个建筑的硬件部分已改造完成,天象厅步道两侧的窗户变小,座椅由以前的600席减少到500席,坐席更宽大舒适。开始更换的天象仪由国外进口,并加装了达到3000万像素的全天域投影系统画面,此外还将加入激光表演及多声道环绕立体声音响 。
2008年7月11日,A馆重新开放,东西展厅共800平方米,有《旋转星空》《奥运星空》两个展览,前者是一个长期展览,设置了14个互动展项用于教参观者认星,体会日、地、月等天体的相互空间位置,体验站在地面上观测天文现象。而《奥运星空》科普人文展将展示奥运历史上重大时刻发生时的星空图 。
2009年5月22日,北京天文馆分别在大兴区第一小学、大兴区庞各庄镇第二中心小学建立“天文教育研究基地”和“天文观测实践基地”,天文馆会派天文专家对学校天文教育工作进行指导 。
2010年12月3日,北京天文馆3D剧场历经半年多的数字化改造重新开放 。
2012年4月,北京天文馆和索尼中国联合打造的“索尼4D科普剧场”投入使用。剧场位于B馆2楼,能容纳200席座位,其4D环幕长33米、高6米。由6台索尼4K投影机在180度的环形银幕上放映出具有立体效果的影片 。
2013年5月14日,国家文物局公布《关于西藏博物馆等6家博物馆重新定级评估结果的通知》,北京天文馆因为连续两年运行评估为“基本合格”,且2013年的重新定级评估总分为781.4分低于国家一级博物馆800分的评分标准,因此被取消国家一级博物馆等级,调整为国家二级博物馆 。
2014年1月23日,中国大陆地区首家球幕立体宇宙剧场在北京天文馆落成。经过历时一年的改造升级,北京天文馆架构了新型的前端投影设备和后端高性能服务器,同时将剧场周边辅助配备进行了换代升级。剧场采用索尼的4K·3D产品技术,架设多台4K模拟仿真数字放映机,利用超高清晰度的4K像素物理分辨率和LCOS技术的特点,达到超高亮度3D效果。另外,采用德国光谱分色式技术,运用光谱分离的方法实现左右眼立体影像的高度分离,突破了球幕立体技术的瓶颈,达到4000像素物理分辨率 。

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