地磁场研究性学习报告.doc

1、 高二物理课题研究成果 感受地磁场 第 12 页课题开题报告研究课题“感受地磁场”指导老师课 题 策 划： 赵力红课题指导负责： 沈忠立指导老师成员: 余云峰、陆文辉、刘华斌、孙 方、林建峰课题组员由高二各班的研究小组的同学组成研究起因地球是个巨大的磁体，它周围空间存在的磁场叫地磁场。地磁场看不到，摸不着，地磁场产生原因到目前还未知，但它影响着我们的生活，对生产、科技发展、军事和生物也有着深远的影响；地磁场的研究涉及到众多物理知识。为此我们怀着浓厚的兴趣展开了对地磁场的研究。同时，高二刚好开始学习电磁场的知识，许多高考问题也涉及到地磁场。本课题的研究使我们学以致用。课题的目的和意义 现行高中物

2、理实验一般给定了具体的实验方案，这不利于我们探索能力的培养。而“感受地磁场”这一课题，老师完全放开让我们自己去探究。从研究项目、方案到具体实验器材的制作都需我们自己想办法解决，能让我们亲身经历研究的整个过程，并在实践中锻炼我们发现问题和解决问题的能力，培养其参与意识和创新精神。 研究方法制定方案、讨论、实验、查资料泽宇在细心的绕制跳绳线） “感受地磁场”之一-跳绳发电组员：李理、张泽宇（9班）、杨明、邵璐、周全 、陈中乐（10班）一、实验目的：通过跳绳活动来感受我们周围的地磁场二、实验原理：利用电磁感应原理让导线切割地磁场产生感应电流。三、实验器材：小磁针多股铜导线灵敏电流计（300A预知内阻

3、r =100）卷尺秒表量角器多用表四、实验过程 先用小磁针确定并标记实验地点地磁场的方向。将导线和连接成一个闭合回路1用一根导线（L=4.2m）：发现电流表偏转只有1格（10uA），为了获得更大的电流，于是杨明同学提出电线多几股就行了。G2两根导线绕法带来的困惑（1）发现指针不偏转：此时我们遇到了困难。通过排除装置的因素，是什么原因导致电流不偏转呢？分析原因：两跟导线切割产生的电动势大小相等、方向相反，故回路无电流，指针不偏转。G讨论并改进了实验方案：3导线用串联好还是并联好？开始同学们一致认为都一样，无区别。（1）导线并联G出现困惑：实验后发现：并联后不管导线怎么增多（2根、5根、10根、3

4、0根导线并联），电流表的指针偏转与一根导线切割时指针偏转几乎相同，无增大。这是为什么呢？分析原因：30根导线并联，每根产生的电动势为E，并联总电动势还是E，主要原因是电路的总电阻几乎不变，R总= rG（电线的电阻小于1），电路的总电流几乎不变。（开始分析时，同学们没有把电表的电阻记入在内）五实验结果记录：我们如右图均匀摇动导线（像跳绳一样），邵璐记录50周期所用的时间t，同时由两名同学测量电线摇动的幅度D，并在停止摇动时测量两摇动导线同学手间的距离以及两手连与地磁场方向的夹角。其他同学观察灵敏 电流计指针并记录指针摆动的幅值A。我们小组成员记录、论实验现象，填写实验记录表1绳子数不同，电流表的

5、幅值A：N 项目L/mD/mI/uA19004.2m1.6m1059004.2m1.6m30109004.2m1.6m50实验结论：导线股数越多，则导线切割产生的电流越大2旋转速度不同 慢到大，发现指针偏转有小到大后摆了快后指针幅度又变小了。结论： 变大原因：切割速度越大，根据E=BLv知，电路中产生的电流越大变小的原因：电流方向变化的频率大了后，由于指针的惯性，指针来不及回摆。3多股导线根数串联 N= 17 电 流 表内阻：RG= 100.0 摇动50个周期的时间：t= 46.1 s改变夹角，重复上述试验，记录数据并填表。N 项目L/mD/mI/uA170482.8701730482.814

6、01760482.81501790482.8160结论：当导线方向与地磁场空间垂直时，切割产生的电流最大。4地磁场的强度应当如何计算？周全同学提出能否从上面数据中求出学校所在区域的地磁场的大小，学生提出了一些近似算法。（1）如果把导线的摇动看作匀速圆周运动，那么导线切割磁感线的平均速度应当怎样计算？我们一边分析，同时请教了老师。如图，如果把导线的摇动看作匀速圆周运动，那么导线切割磁感线可以近似为长为L的直导线做半径为D/4的圆运动。（建立模型如右图）记录n周期所用的时间t，可知周期TLD/2D/4当感应电流出现最大值时，导线运动方向与地磁的磁感线方向垂直（导线串联） （导线电阻不计）由观察灵敏

7、电流计记录指针摆动的幅值A可得 =4.2×10-5T（2）张泽宇同学又提出另一种计算方案把绳子甩过的面积看作椭圆，则：s=abB=1.3×10-5T5实验过程中曾遇到的困难（1）导线切割磁线可以看作电源，多股导线就相当于多个电源，那么这些电源是怎样连接的？怎样连接最好？（2）感应电流出现最大值时，导线运动方向和地磁场方向有什么样的关系？（3）如果把导线的摇动看作匀速圆周运动，那么导线切割磁感线的平均速度应当怎样分析？（4）地磁场的强度应当如何计算？6我们的结论：我们感受到周围的磁场是非常小，通过测量计算得到地磁场强度数量级10-5T。 研究结果说明：跳绳产生的电能来源是通过

8、导线切割地磁场产生的，是把机械能转换电能的过程。“感受地磁场”之二-开门生电！实验组员：吕成捷、范沙、徐立强、许越程、陆晓鹏、徐健一、实验目的：通过开门发电感受我们周围的地磁场二、实验原理：利用电磁感应原理使转动的门产生感应电流。三、实验器材：漆包线小磁针灵敏电流表（300A预知内阻r =100）、卷尺秒表透明胶多用表四、实验过程1、用漆包线绕一个100匝的金属圈、一个200匝的金属线圈2、先将100匝的线圈固定在门上，测出线圈的长为 a，宽b及电阻为R3、接上灵敏电流表4、推门10次，记下时间t及电流表最大示数A5、将100匝线圈换成200匝线圈，并重复上述操作五、纪录数据：匝数长a/cm宽

9、b/cm电流（uA）电阻（）时间t/s转动角度100匝86.065.820131.09s/次90200匝86.065.840261.11s/次90六、我们的惊奇发现（1）开门、关门在开门的过程中发现电流最大的时刻是门从正南北方向开始关到东西方向时；而从东西方向开始关到南北方向时刻，电流最小；（2）关门和开门一周，灵敏电流表的指针来回摆动一周；（3）线圈匝数越多，电流表指针偏转越明显。原因分析： 门在南北方向时，穿过线圈的磁通量为零，启动时磁通量的变化率/t最大，线圈中产生的电流最大。来回摆时，穿过线圈的磁通量方向发生的改变。匝数越多，总电阻变化不大（注意：总电阻取决于电流表的电阻rG），根据E

10、=NBLv知，线圈中产生的电流越多。我们还做了如下图线圈转动实验：七我们的感受实验中，我们一度无法精确测量电流，再使用放大器，也出现了电表偏转的问题。最后我们经过实验的改进，更换了灵敏电流表，顺利解决了问题。开门、关门的过程，通过看到电流表指针偏转，感受到了地磁场的存在，进一步理解了电磁感应的原理。通过这次实验，我们认识到科学研究的艰辛，都是在一次次的失败和否定中，最后才得出准确的结果。八我们的联想 1）在活动的过程中，我们联想到了防盗系统，利用这个原理，有人开门，我们在家中就可以得到警报。但由于产生的电流太小，无法使警报器正常工作。2）能不能做成发电机呢？经过同学们的论证，利用价值不高。“感

11、受地磁场”之三-利用线框探究地磁场的方向实验组员：徐立强、许越程、陆晓鹏、徐健一、实验目的：定性探究地磁场磁感线与地面的空间关系二、实验原理：利用电磁感应原理使转动的门产生感应电流。三、实验器材：线框漆包线灵敏电流表小磁针四、实验过程1把漆包线绕制在框架上，接上灵敏电流表2让线框朝不同方向以一定速度平动，发现电流表的指针发生偏转。但在南北方向平动，发现线框与水平面成450时，电流表指针不动。原因分析：在南北方向平动，发现线框与水平面成450时，穿过线框的磁通量不变，说明磁感线与线框垂直。进而说明了富中区域地磁场磁感线与地面方向成450。3我们在实验过程中出现的困惑（1）框架用什么材料呢？ 同学

12、们开始做了铝合金框架（取材比较方便），用漆包线在框架上绕制了400匝，在做实验过程中发现电流表指针偏转不是很明显。 同学们想到：地磁场是不是被铝屏蔽了呢？于是同学们查找资料，分析原因。（2）分析讨论：静电屏蔽：在电场中学过，在静电平衡状态下，不论是空心导体还是实心导体；不论导体本身带电多少，或者导体是否处于外电场中，必定为等势体，其内部场强为零，金属导体对电场起到了屏蔽的作用。磁场屏蔽：将铁磁材料做成截面如右图的回路，则在外磁场中，绝大部份磁场集中在铁磁回路中。这可以把铁磁材料与空腔中的空气作为并联磁路来分析。因为铁磁材料的磁导率比空气的磁导率要大几千倍，所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，

13、外磁场的磁感应线的绝大部份将沿着铁磁材料壁内通过，而进入空腔的磁通量极少。这样，被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有外磁场，从而达到静磁屏蔽的目的。材料的磁导率愈高，壁愈厚，屏蔽效果就愈显著。因常用磁导率高的铁磁材料如软铁、硅钢、坡莫合金做屏蔽层。铝虽然是弱磁导率材料，但对磁场还是有一定的影响。同学们提出了，用木制材料做线圈的框架。试一试吧！4我们的收获：通过我们该实验的制作，真正第一次形象的体会了磁场的具体方位；并且在研究的过程中扩充了我们原有的知识，到底什么材料可以屏蔽磁场，区别了静电屏蔽原理上的不同。5我们的遐想：能否制作孕妇防磁服装。“感受地磁场”之四：单摆发电实验组员：郁丹琦、朱哲明、裘

14、道军一、实验目的：让单摆摆动时发电二、实验原理：利用电磁感应原理让导线切割地磁场产生感应电流。三、工具与材料： 多股铜导线灵敏电流计重物卷尺多用表四、活动过程1 在长2m米的铜线上悬挂一重物成摆，铜线上下两端各用软导线引出与灵敏电流表相连2使摆以1m的振幅在地磁场内摆动，观察电流表指针变化。发现电流表指针发生偏转。当摆的振动平面与磁子午面相垂直时(接近东西方向)，电流表示数最大。 上述现象说明地磁场使摆动的铜丝产生了电流。3对比实验：我们在实验过程中又发现接上电流表比不接上电流表，摆动时间较短。此时，我们把能量守恒的知识派上用途了。说明接上电流表后，回路有了电流，导线还受到安培力的作用，单摆的

15、机械能一部分转化电能了。“感受地磁场”之五-探测地磁场的变化实验组员：倪丁凡、巴荣彬、章柯杰一、实验目的：通过小磁针观察地磁场是否恒定不变的。二、实验原理：（1）利用卡文迪许扭秤的放大思想 （2）磁场在变化，引起小磁针的指向的微小扰动三、实验器材：小磁针小镜面激光笔卷尺秒表量角器多用表四、实验过程 镜面磁化的小磁针激光笔坐标纸 1把磁化的针线用细线悬挂，在针线的上端固定一小平面镜，把激光笔固定在塑料罩的边缘；2激光照在平面镜上，反射后照在坐标纸上形成一小亮斑；3观察亮斑是否移动。五现象分析仔细观察，发现亮斑在移动。说明磁场在变化。 通过仔细的观察，我们还发现： 地磁场强度，每天都会出现有规律的

16、变化，一般夜间较白天平稳；当太阳光较强时，亮斑的移动较大，有时也会有异常的变化。六原因分析 我们请教了赵力红老师和浙江大学的物理教授，磁场的变化表现为日变化、年变化、多年(短周期或长周期)变化以及突发性变化主要由于来自地球外部的带电粒子的作用（非偶极磁场，叠加在基本磁场上）太阳是这些带电粒子流的主要来源，而当它的表面出现黑子、耀斑(活动特别强烈的区域)并正对着地球时，便会把大量带电的粒子抛向地球，使迭加在基本磁场上的变化磁场突然增强，使地磁场发生大混乱，出现磁暴。七、传感器探究地磁场的变化（2006年11月14号和18号的对比）（注：磁偏角D、磁场强度F、地磁场强度的水平分量H和垂直分量Z）“

17、感受地磁场”之六-不同纬度的地磁场的对比 （异地互动：黑龙江大庆一中实验）1大庆一中的实验结果在相同的实验情况下，发现大庆地区的地磁场比我们要小些，磁倾角要大一些。右图片大庆一中，左图片大庆一中的实验装置，指导教师：大庆一中特级教师：国荣实验班级：大庆一中高二（3）班2同学们从资料中找到了我国一些地区的地磁参量地名地理位置磁倾角水平磁感应强度B(10T)北纬东经黑龙江大庆地区47º22123º5964º270.242北京39º56116º2057º230.289富阳中学30 0º161200º08440º050.337广州23º06.1113º2831º410.375结论：对比南北两地的实验数据，基本上是吻合的 “感受地磁场”之七-我们对地磁场的进一步认识（邵璐、周全、陈中乐、李理、张泽宇、杨明等成员）我们本着一种好奇的心情和拿着老师布置的内容到书店和网络上查询了关于