Конспект урока для 7 класса "Исследование магнитного поля Земли с использованием цифровой лаборатории Архимед"

IX Городская научно-практическая конференция школьников г. Искитима

Секция физики

Исследование магнитного поля Земли
с использованием цифровой лаборатории Архимед

Авторы: Павлухин Олег,

Иванова Алина,

Акимов Леонид

МБОУ СОШ № 3, 7 а класс,

г. Искитим

Научный руководитель:

Полиняк  Ульяна 10 а кл,

Черепанова В.В.

учитель физики высшей категории

г. Искитим, 2014

Оглавление

Введение…………………………………………………………………  3-4

Глава 1. Магнитное поле Земли

      1.1 История изучения магнитного поля…………………………    5

      1.2 Теория изучаемого вопроса…………………………..... ... ..    6

Глава 2.Эксперимент………………..…….…………………..……..…   7

     2.1.Подготовка эксперимента……………………………………..... 7

     2.2.Проведение опыта……………………………………………… 7-8

     2.3.Анализ результатов……………………………………………  8-9

     2.4.Таблица значений…………………………………………………9

Заключение……………………………………………………………… 10

Список литературы………………………………………………......… 11

Приложения:

1.     « Nova 5000»……………………………………………………. 12

2.     Положение датчика в горизонтальной плоскости…………….13

3.     График изменения магнитного поля при температуре -27 °С.14

4.     График изменения магнитного поля при температуре -19 – 20 °С.15

5.     График изменения магнитного поля при температуре – 15 °С.16

6.     Соответствие стрелке компаса и направления вектора В……..17

7. Записи результатов………………………………………………. 18

8. Результаты измерений при температуре -27 °С………………..19

9. Результаты измерений при температуре -19 - 20 °С…………..20

10. Результаты измерений при температуре -15 °С………………21

Введение

Человек «живет» в магнитном поле Земли и находится с ним в тесном взаимодействии. Каждый из нас нередко слышал от мам, пап, бабушек и дедушек о  плохом самочувствии наших родных при изменении магнитного поля.  Нам стало важно и интересно узнать, что такое магнитное  поле, как оно влияет на человека и от чего это зависит. Наши наблюдения привели к мысли, что магнитное поле изменяется в соответствии с погодными условиями, поэтому мы решили познакомиться с точными данными о значении магнитного поля и угла наклона линий поля в г. Искитиме и обратились в следующие организации нашего города:

·     Гидрометеорологическая станция. Искитимский район;

·     «Мониторинг  по охране окружающей среды» синоптика;

·     Росгидрометр;

·     Отдел по природным ресурсам и охране окружающей среды администрации города Искитима.

Но ни одна из них не смогла предоставить нам такой информации.

Возникла проблема – незнание значений магнитного поля и угла наклона линий поля в г. Искитиме, зависимости  их от погодных условий.  Читая литературу, увидели, что тема « изменение магнитного поля  Земли в зависимости от погодных условий» не освещается или  освещается вскользь.  Известный науке способ «измерения магнитного поля методом индукционного толчка»  (4) при наших знаниях нам не понятен.

Эта ситуация подтвердила актуальность темы проекта, которая состоит в необходимости получения новых данных и изучении нового подхода.

Новизна нашей работы заключается в использовании нового  метода  исследования – компьютеризированного эксперимента.

Работая над проектом, мы выдвинули гипотезу:  магнитное поле меняется в соответствии с изменениями погодных условий. Предметом работы является магнитное поле Земли на базе портативного специализированного компьютера «Nova5000» с операционной системой Microsoft Windows CE.

 В качестве объекта мы выделяем возможности лаборатории Архимед в определении физических величин. 

В процессе исследовательской работы  поставили перед собой следующую цель: изучить магнитное поле, определить величины и направления индукции магнитного поля Земли. Для этого были сформулированы следующие задачи:

1)    изучить физическую величину «индукция магнитного поля», от чего она зависит;

2)    научиться пользоваться «Nova5000»; (Приложение 1)

3)    собирать установку, производить измерения и представлять результаты;

4)    сравнить значения, полученные экспериментально  в разных погодных условиях;

5)    сформулировать выводы.

В качестве методов изучения использовали экспериментальный и аналитический способы исследования данной проблемы.

Глава 1.Магнитное поле Земли

1.1 История изучения магнитного поля

Изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский ученый Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли. Почти три столетия спустя, Уильям Гильберт Колчестер использовал труд Петра Перегрина и впервые определённо заявил, что сама Земля является магнитом. Опубликованная в 1600 году, работа Гилберта «De Magnete», заложила основы магнетизма как науки.

Магнитное поле — материя, которая создается движущимися заряженными частицами и телами, проводниками с током, постоянными магнитами.

Непосредственные измерения при помощи космических аппаратов показали, что ближайшие к Земле космические тела — Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного магнитного поля, подобного земному. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают магнитными полями.

           1.2 Теория изучаемого вопроса

Магнитная индукция – это силовая характеристика магнитного поля; величина, характеризующая силу магнита.

Магнитное поле характеризуется векторной величиной, которая носит название индукции магнитного поля или магнитной индукции. Обозначается индукция буквой B(вектор индукции магнитного поля).

Модуль вектора магнитной индукции – физическая величина, равная отношению силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока на длину отрезка проводника:

.

Модуль вектора магнитной индукции численно равен силе, действующей на отрезок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1А.

Единица магнитной индукции – тесла (1 Тл): 1 Тл = 1 Н/(А*м).

Глава 2.Эксперимент

Оборудование и материалы:

·      Портативный компьютер Nova 5000

·      Датчик индукции магнитного поля

·      Соединительный провод датчика

·      Компас

·      Транспортир

·      Уровень и отвес

·      Лист бумаги

2.1.Подготовка эксперимента

·               Для точного ориентирования горизонтального вращения датчика проверяем горизонтальность поверхности стола с помощью уровня;

·               Для точного ориентирования вертикального вращения датчика укрепляем отвес;

·               На столе закрепляем лист бумаги, отмечаем центр вращения;

·               Устанавливаем переключатель на датчике магнитного поля в положения, соответствующим высокой чувствительности датчика ±0,5 мТл;

·               Подсоединяем датчик к  Nova;

·               Включаем Nova и запускаем программу MultiLab;

·               В программе  MultiLab устанавливаем параметры изменений при помощи кнопки Настройка.

2.2. Проведение опыта

·            Находим такое пространство, чтобы была возможность поворачивать датчик на 360 градусов в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

·            Начинаем регистрацию данных. Для этого нажимаем кнопку Старт на панели инструментов MultiLab;

·            Поворачиваем датчик магнитного поля на полный оборот в горизонтальной плоскости. (Приложение 2)  Наблюдаем построение графика изменения магнитного поля от времени (Приложение 3, 4, 5);

·            Находим положение, в котором сигнал максимален, отмечаем его на листке бумаги. Сравниваем отмеченное положение с положением стрелки компаса. (Приложение 6) Устанавливаем датчик в вертикальной плоскости, проходящей через отмеченное положение. После этого поворачиваем его на полный оборот в этой плоскости, ориентируясь по отвесу;

·            Измеряем транспортиром угол наклона датчика к горизонту при максимальном значении индукции магнитного поля Земли.

2.3. Анализ результатов

·            Посредством двух курсоров определяем разность между максимальным и минимальным значениями индукции при горизонтальном вращении датчика. В информационной панели окна графика найдем значение выделенного интервала по оси Y. Эта величина вдвое превышает значение горизонтальной компоненты магнитного поля Земли. Записываем  эту величину. (Приложение 7)

·            Посредством двух курсоров определяем разность между максимальным и минимальным значениями индукции при вращении датчика в вертикальной плоскости. В информационной панели окна графика найдем значение выделенного интервала по оси Y. Эта величина вдвое превышает значение индукции магнитного поля Земли. Записываем эту величину.

·            Используем два последних значения для определения угла наклона магнитного поля Земли. Косинус угла наклона будет равен отношению разности между максимальным и минимальным значениями индукции при горизонтальном вращении датчика и разности между максимальным и минимальным значениями индукции при вертикальном вращении датчика. Вычисляем величину угла, зная его косинус, записываем эту величину. Сравниваем значение угла с измеренным с помощью транспортира.

2.4Таблица значений (Приложение 8, 9, 10)

Дата	Температура воздуха	Значение В. (вертик, гориз.)	Соответствие линий В стрелке компаса.	Угол наклона датчика к горизонту. (экспериментальный)	Угол наклона магнитного поля земли. (расчетный)
21.01	-15	0,1  0,2	отклонение  4 градуса	80-81 градусов	60 градусов
07.02	-19-20	0,1  0,25	соответст.	80 градусов	54 градуса
01.02	-27	0,3  0,26	соответст.	79 градусов	53 градуса

Вертикальная составляющая В - индукции магнитного поля земли в Москве и Искитиме (одна географическая широта)  0,5 мкТл (2).

Горизонтальная составляющая индукции магнитного поля земли 0,1 – 0,2 мкТл; в Москве, Искитиме 0,2 мкТл (2)

Индукция магнитного поля Земли 0,5 мкТл (3). Сравнение показывает, что значения сопоставимы.

Угол наклона магнитного поля Земли зависит от температуры.

Выполнив несколько экспериментов при разных погодных условиях, мы получили три не совпадающие  результата, что означает, что магнитное поле Земли зависит от температуры воздуха.

Заключение

·        Мы изучили магнитное поле Земли,

·        Научились пользоваться установкой «Nova5000»,

·        Измерять величину «индукция магнитного поля»,  угол наклона линий магнитной индукции,

·        С помощью компьютеризированного эксперимента смогли доказать гипотезу о зависимости магнитного поля от погодных условий:   с увеличением температуры (по модулю) индукция магнитного поля увеличивается и уменьшается угол наклона вектора В к горизонту.

При выполнении исследования мы столкнулись со следующими трудностями:

1)    тема «магнитное поле» будет изучаться нами в 8-м и 9-х классах на уроках физики;

2)    информации по теме проекта в Интернете практически нет.

Работа  имеет следующую практическую значимость:  значения изменения магнитного поля в соответствии с различными погодными условиями, мы сообщим в организации г. Искитима, специализирующиеся на данном объекте.

В дальнейшем у нас появилось желание изучить влияние магнитного поля на самочувствие человека.

Литература:

1.      Азимов А. Популярная физика.–М.:  Центр полиграф, 2007.– с .420 – 423.

2.      Енохович А.С. Справочник  по физике. – М.: Просвещение, 1990.– с. 259.

3.     Касьянов В.А Учебник физики 11 класс. – М.: Дрофа, 2002.– с.75.

4.     Китайгородский А. И. Введение в физику. –М.: Наука, 1973.– с. 253.

5.      Пёрышкин А.В. Учебник физики 8 класс.– М.: Дрофа, 2010.–  с. 130 – 142.

5.     Цифровая лаборатория Архимед 3.0. – М., 2013.– с. 39 – 40.