地磁場研究性學(xué)習(xí)報告.doc

1、 高二物理課題研究成果 感受地磁場 第 12 頁課題開題報告研究課題“感受地磁場”指導(dǎo)老師課 題 策 劃： 趙力紅課題指導(dǎo)負(fù)責(zé)： 沈忠立指導(dǎo)老師成員: 余云峰、陸文輝、劉華斌、孫 方、林建峰課題組員由高二各班的研究小組的同學(xué)組成研究起因地球是個巨大的磁體，它周圍空間存在的磁場叫地磁場。地磁場看不到，摸不著，地磁場產(chǎn)生原因到目前還未知，但它影響著我們的生活，對生產(chǎn)、科技發(fā)展、軍事和生物也有著深遠(yuǎn)的影響；地磁場的研究涉及到眾多物理知識。為此我們懷著濃厚的興趣展開了對地磁場的研究。同時，高二剛好開始學(xué)習(xí)電磁場的知識，許多高考問題也涉及到地磁場。本課題的研究使我們學(xué)以致用。課題的目的和意義 現(xiàn)行高中物

2、理實驗一般給定了具體的實驗方案，這不利于我們探索能力的培養(yǎng)。而“感受地磁場”這一課題，老師完全放開讓我們自己去探究。從研究項目、方案到具體實驗器材的制作都需我們自己想辦法解決，能讓我們親身經(jīng)歷研究的整個過程，并在實踐中鍛煉我們發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，培養(yǎng)其參與意識和創(chuàng)新精神。 研究方法制定方案、討論、實驗、查資料澤宇在細(xì)心的繞制跳繩線） “感受地磁場”之一-跳繩發(fā)電組員：李理、張澤宇（9班）、楊明、邵璐、周全 、陳中樂（10班）一、實驗?zāi)康模和ㄟ^跳繩活動來感受我們周圍的地磁場二、實驗原理：利用電磁感應(yīng)原理讓導(dǎo)線切割地磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流。三、實驗器材：小磁針多股銅導(dǎo)線靈敏電流計（300A預(yù)知內(nèi)阻

3、r =100）卷尺秒表量角器多用表四、實驗過程 先用小磁針確定并標(biāo)記實驗地點地磁場的方向。將導(dǎo)線和連接成一個閉合回路1用一根導(dǎo)線（L=4.2m）：發(fā)現(xiàn)電流表偏轉(zhuǎn)只有1格（10uA），為了獲得更大的電流，于是楊明同學(xué)提出電線多幾股就行了。G2兩根導(dǎo)線繞法帶來的困惑（1）發(fā)現(xiàn)指針不偏轉(zhuǎn)：此時我們遇到了困難。通過排除裝置的因素，是什么原因?qū)е码娏鞑黄D(zhuǎn)呢？分析原因：兩跟導(dǎo)線切割產(chǎn)生的電動勢大小相等、方向相反，故回路無電流，指針不偏轉(zhuǎn)。G討論并改進(jìn)了實驗方案：3導(dǎo)線用串聯(lián)好還是并聯(lián)好？開始同學(xué)們一致認(rèn)為都一樣，無區(qū)別。（1）導(dǎo)線并聯(lián)G出現(xiàn)困惑：實驗后發(fā)現(xiàn)：并聯(lián)后不管導(dǎo)線怎么增多（2根、5根、10根、3

4、0根導(dǎo)線并聯(lián)），電流表的指針偏轉(zhuǎn)與一根導(dǎo)線切割時指針偏轉(zhuǎn)幾乎相同，無增大。這是為什么呢？分析原因：30根導(dǎo)線并聯(lián)，每根產(chǎn)生的電動勢為E，并聯(lián)總電動勢還是E，主要原因是電路的總電阻幾乎不變，R總= rG（電線的電阻小于1），電路的總電流幾乎不變。（開始分析時，同學(xué)們沒有把電表的電阻記入在內(nèi)）五實驗結(jié)果記錄：我們?nèi)缬覉D均勻搖動導(dǎo)線（像跳繩一樣），邵璐記錄50周期所用的時間t，同時由兩名同學(xué)測量電線搖動的幅度D，并在停止搖動時測量兩搖動導(dǎo)線同學(xué)手間的距離以及兩手連與地磁場方向的夾角。其他同學(xué)觀察靈敏 電流計指針并記錄指針擺動的幅值A(chǔ)。我們小組成員記錄、論實驗現(xiàn)象，填寫實驗記錄表1繩子數(shù)不同，電流表的

5、幅值A(chǔ)：N 項目L/mD/mI/uA19004.2m1.6m1059004.2m1.6m30109004.2m1.6m50實驗結(jié)論：導(dǎo)線股數(shù)越多，則導(dǎo)線切割產(chǎn)生的電流越大2旋轉(zhuǎn)速度不同 慢到大，發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)有小到大后擺了快后指針幅度又變小了。結(jié)論： 變大原因：切割速度越大，根據(jù)E=BLv知，電路中產(chǎn)生的電流越大變小的原因：電流方向變化的頻率大了后，由于指針的慣性，指針來不及回擺。3多股導(dǎo)線根數(shù)串聯(lián) N= 17 電 流 表內(nèi)阻：RG= 100.0 搖動50個周期的時間：t= 46.1 s改變夾角，重復(fù)上述試驗，記錄數(shù)據(jù)并填表。N 項目L/mD/mI/uA170482.8701730482.814

6、01760482.81501790482.8160結(jié)論：當(dāng)導(dǎo)線方向與地磁場空間垂直時，切割產(chǎn)生的電流最大。4地磁場的強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)如何計算？周全同學(xué)提出能否從上面數(shù)據(jù)中求出學(xué)校所在區(qū)域的地磁場的大小，學(xué)生提出了一些近似算法。（1）如果把導(dǎo)線的搖動看作勻速圓周運動，那么導(dǎo)線切割磁感線的平均速度應(yīng)當(dāng)怎樣計算？我們一邊分析，同時請教了老師。如圖，如果把導(dǎo)線的搖動看作勻速圓周運動，那么導(dǎo)線切割磁感線可以近似為長為L的直導(dǎo)線做半徑為D/4的圓運動。（建立模型如右圖）記錄n周期所用的時間t，可知周期TLD/2D/4當(dāng)感應(yīng)電流出現(xiàn)最大值時，導(dǎo)線運動方向與地磁的磁感線方向垂直（導(dǎo)線串聯(lián)） （導(dǎo)線電阻不計）由觀察靈敏

7、電流計記錄指針擺動的幅值A(chǔ)可得 =4.2×10-5T（2）張澤宇同學(xué)又提出另一種計算方案把繩子甩過的面積看作橢圓，則：s=abB=1.3×10-5T5實驗過程中曾遇到的困難（1）導(dǎo)線切割磁線可以看作電源，多股導(dǎo)線就相當(dāng)于多個電源，那么這些電源是怎樣連接的？怎樣連接最好？（2）感應(yīng)電流出現(xiàn)最大值時，導(dǎo)線運動方向和地磁場方向有什么樣的關(guān)系？（3）如果把導(dǎo)線的搖動看作勻速圓周運動，那么導(dǎo)線切割磁感線的平均速度應(yīng)當(dāng)怎樣分析？（4）地磁場的強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)如何計算？6我們的結(jié)論：我們感受到周圍的磁場是非常小，通過測量計算得到地磁場強(qiáng)度數(shù)量級10-5T。 研究結(jié)果說明：跳繩產(chǎn)生的電能來源是通過

8、導(dǎo)線切割地磁場產(chǎn)生的，是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能的過程?！案惺艿卮艌觥敝?開門生電！實驗組員：呂成捷、范沙、徐立強(qiáng)、許越程、陸曉鵬、徐健一、實驗?zāi)康模和ㄟ^開門發(fā)電感受我們周圍的地磁場二、實驗原理：利用電磁感應(yīng)原理使轉(zhuǎn)動的門產(chǎn)生感應(yīng)電流。三、實驗器材：漆包線小磁針靈敏電流表（300A預(yù)知內(nèi)阻r =100）、卷尺秒表透明膠多用表四、實驗過程1、用漆包線繞一個100匝的金屬圈、一個200匝的金屬線圈2、先將100匝的線圈固定在門上，測出線圈的長為 a，寬b及電阻為R3、接上靈敏電流表4、推門10次，記下時間t及電流表最大示數(shù)A5、將100匝線圈換成200匝線圈，并重復(fù)上述操作五、紀(jì)錄數(shù)據(jù)：匝數(shù)長a/cm寬

9、b/cm電流（uA）電阻（）時間t/s轉(zhuǎn)動角度100匝86.065.820131.09s/次90200匝86.065.840261.11s/次90六、我們的驚奇發(fā)現(xiàn)（1）開門、關(guān)門在開門的過程中發(fā)現(xiàn)電流最大的時刻是門從正南北方向開始關(guān)到東西方向時；而從東西方向開始關(guān)到南北方向時刻，電流最小；（2）關(guān)門和開門一周，靈敏電流表的指針來回擺動一周；（3）線圈匝數(shù)越多，電流表指針偏轉(zhuǎn)越明顯。原因分析： 門在南北方向時，穿過線圈的磁通量為零，啟動時磁通量的變化率/t最大，線圈中產(chǎn)生的電流最大。來回擺時，穿過線圈的磁通量方向發(fā)生的改變。匝數(shù)越多，總電阻變化不大（注意：總電阻取決于電流表的電阻rG），根據(jù)E

10、=NBLv知，線圈中產(chǎn)生的電流越多。我們還做了如下圖線圈轉(zhuǎn)動實驗：七我們的感受實驗中，我們一度無法精確測量電流，再使用放大器，也出現(xiàn)了電表偏轉(zhuǎn)的問題。最后我們經(jīng)過實驗的改進(jìn)，更換了靈敏電流表，順利解決了問題。開門、關(guān)門的過程，通過看到電流表指針偏轉(zhuǎn)，感受到了地磁場的存在，進(jìn)一步理解了電磁感應(yīng)的原理。通過這次實驗，我們認(rèn)識到科學(xué)研究的艱辛，都是在一次次的失敗和否定中，最后才得出準(zhǔn)確的結(jié)果。八我們的聯(lián)想 1）在活動的過程中，我們聯(lián)想到了防盜系統(tǒng)，利用這個原理，有人開門，我們在家中就可以得到警報。但由于產(chǎn)生的電流太小，無法使警報器正常工作。2）能不能做成發(fā)電機(jī)呢？經(jīng)過同學(xué)們的論證，利用價值不高?！案?/p>

11、受地磁場”之三-利用線框探究地磁場的方向?qū)嶒灲M員：徐立強(qiáng)、許越程、陸曉鵬、徐健一、實驗?zāi)康模憾ㄐ蕴骄康卮艌龃鸥芯€與地面的空間關(guān)系二、實驗原理：利用電磁感應(yīng)原理使轉(zhuǎn)動的門產(chǎn)生感應(yīng)電流。三、實驗器材：線框漆包線靈敏電流表小磁針?biāo)?、實驗過程1把漆包線繞制在框架上，接上靈敏電流表2讓線框朝不同方向以一定速度平動，發(fā)現(xiàn)電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但在南北方向平動，發(fā)現(xiàn)線框與水平面成450時，電流表指針不動。原因分析：在南北方向平動，發(fā)現(xiàn)線框與水平面成450時，穿過線框的磁通量不變，說明磁感線與線框垂直。進(jìn)而說明了富中區(qū)域地磁場磁感線與地面方向成450。3我們在實驗過程中出現(xiàn)的困惑（1）框架用什么材料呢？ 同學(xué)

12、們開始做了鋁合金框架（取材比較方便），用漆包線在框架上繞制了400匝，在做實驗過程中發(fā)現(xiàn)電流表指針偏轉(zhuǎn)不是很明顯。 同學(xué)們想到：地磁場是不是被鋁屏蔽了呢？于是同學(xué)們查找資料，分析原因。（2）分析討論：靜電屏蔽：在電場中學(xué)過，在靜電平衡狀態(tài)下，不論是空心導(dǎo)體還是實心導(dǎo)體；不論導(dǎo)體本身帶電多少，或者導(dǎo)體是否處于外電場中，必定為等勢體，其內(nèi)部場強(qiáng)為零，金屬導(dǎo)體對電場起到了屏蔽的作用。磁場屏蔽：將鐵磁材料做成截面如右圖的回路，則在外磁場中，絕大部份磁場集中在鐵磁回路中。這可以把鐵磁材料與空腔中的空氣作為并聯(lián)磁路來分析。因為鐵磁材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率要大幾千倍，所以空腔的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多，

13、外磁場的磁感應(yīng)線的絕大部份將沿著鐵磁材料壁內(nèi)通過，而進(jìn)入空腔的磁通量極少。這樣，被鐵磁材料屏蔽的空腔就基本上沒有外磁場，從而達(dá)到靜磁屏蔽的目的。材料的磁導(dǎo)率愈高，壁愈厚，屏蔽效果就愈顯著。因常用磁導(dǎo)率高的鐵磁材料如軟鐵、硅鋼、坡莫合金做屏蔽層。鋁雖然是弱磁導(dǎo)率材料，但對磁場還是有一定的影響。同學(xué)們提出了，用木制材料做線圈的框架。試一試吧！4我們的收獲：通過我們該實驗的制作，真正第一次形象的體會了磁場的具體方位；并且在研究的過程中擴(kuò)充了我們原有的知識，到底什么材料可以屏蔽磁場，區(qū)別了靜電屏蔽原理上的不同。5我們的遐想：能否制作孕婦防磁服裝?！案惺艿卮艌觥敝模簡螖[發(fā)電實驗組員：郁丹琦、朱哲明、裘

14、道軍一、實驗?zāi)康模鹤寙螖[擺動時發(fā)電二、實驗原理：利用電磁感應(yīng)原理讓導(dǎo)線切割地磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流。三、工具與材料： 多股銅導(dǎo)線靈敏電流計重物卷尺多用表四、活動過程1 在長2m米的銅線上懸掛一重物成擺，銅線上下兩端各用軟導(dǎo)線引出與靈敏電流表相連2使擺以1m的振幅在地磁場內(nèi)擺動，觀察電流表指針變化。發(fā)現(xiàn)電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)擺的振動平面與磁子午面相垂直時(接近東西方向)，電流表示數(shù)最大。 上述現(xiàn)象說明地磁場使擺動的銅絲產(chǎn)生了電流。3對比實驗：我們在實驗過程中又發(fā)現(xiàn)接上電流表比不接上電流表，擺動時間較短。此時，我們把能量守恒的知識派上用途了。說明接上電流表后，回路有了電流，導(dǎo)線還受到安培力的作用，單擺的

15、機(jī)械能一部分轉(zhuǎn)化電能了?！案惺艿卮艌觥敝?探測地磁場的變化實驗組員：倪丁凡、巴榮彬、章柯杰一、實驗?zāi)康模和ㄟ^小磁針觀察地磁場是否恒定不變的。二、實驗原理：（1）利用卡文迪許扭秤的放大思想 （2）磁場在變化，引起小磁針的指向的微小擾動三、實驗器材：小磁針小鏡面激光筆卷尺秒表量角器多用表四、實驗過程 鏡面磁化的小磁針激光筆坐標(biāo)紙 1把磁化的針線用細(xì)線懸掛，在針線的上端固定一小平面鏡，把激光筆固定在塑料罩的邊緣；2激光照在平面鏡上，反射后照在坐標(biāo)紙上形成一小亮斑；3觀察亮斑是否移動。五現(xiàn)象分析仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)亮斑在移動。說明磁場在變化。 通過仔細(xì)的觀察，我們還發(fā)現(xiàn)： 地磁場強(qiáng)度，每天都會出現(xiàn)有規(guī)律的

16、變化，一般夜間較白天平穩(wěn)；當(dāng)太陽光較強(qiáng)時，亮斑的移動較大，有時也會有異常的變化。六原因分析 我們請教了趙力紅老師和浙江大學(xué)的物理教授，磁場的變化表現(xiàn)為日變化、年變化、多年(短周期或長周期)變化以及突發(fā)性變化主要由于來自地球外部的帶電粒子的作用（非偶極磁場，疊加在基本磁場上）太陽是這些帶電粒子流的主要來源，而當(dāng)它的表面出現(xiàn)黑子、耀斑(活動特別強(qiáng)烈的區(qū)域)并正對著地球時，便會把大量帶電的粒子拋向地球，使迭加在基本磁場上的變化磁場突然增強(qiáng)，使地磁場發(fā)生大混亂，出現(xiàn)磁暴。七、傳感器探究地磁場的變化（2006年11月14號和18號的對比）（注：磁偏角D、磁場強(qiáng)度F、地磁場強(qiáng)度的水平分量H和垂直分量Z）“

17、感受地磁場”之六-不同緯度的地磁場的對比 （異地互動：黑龍江大慶一中實驗）1大慶一中的實驗結(jié)果在相同的實驗情況下，發(fā)現(xiàn)大慶地區(qū)的地磁場比我們要小些，磁傾角要大一些。右圖片大慶一中，左圖片大慶一中的實驗裝置，指導(dǎo)教師：大慶一中特級教師：國榮實驗班級：大慶一中高二（3）班2同學(xué)們從資料中找到了我國一些地區(qū)的地磁參量地名地理位置磁傾角水平磁感應(yīng)強(qiáng)度B(10T)北緯東經(jīng)黑龍江大慶地區(qū)47º22123º5964º270.242北京39º56116º2057º230.289富陽中學(xué)30 0º161200º08440º050.337廣州23º06.1113º2831º410.375結(jié)論：對比南北兩地的實驗數(shù)據(jù)，基本上是吻合的 “感受地磁場”之七-我們對地磁場的進(jìn)一步認(rèn)識（邵璐、周全、陳中樂、李理、張澤宇、楊明等成員）我們本著一種好奇的心情和拿著老師布置的內(nèi)容到書店和網(wǎng)絡(luò)上查詢了關(guān)于