地磁场三要素的测定
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1 引言
地磁场的三要素在中学地理教材中早已提及，科学家们通过实验的方法很早就对其进行了测定.这次我们对地球提出了疑问，并且运用所学的知识来实验研究，估测出了地磁场的三要素（地磁场的水平分量、磁偏角及磁倾角），取得了较好的实验效果.
2 实验的操作过程
2.1 地磁场水平分量的测量
实验材料：小磁针、筷子、漆包线、开关、细缝衣针、电位器、学生电源、木板、硬纸筒、木螺丝、电工胶布、毫安表、学生自制地磁场水平分量的测量程序.
实验原理：处于地磁场中的小磁针，在未受到外界干扰的情况下，总是一端指南，另一端指北.如果将它放入螺线管中，并且使螺线管的轴线同小磁针的南北指向平行.当螺线管中通入电流后，螺线管内产生磁场.调整螺线管中电流的方向，使螺线管内产生的磁场方向正好同地磁场的方向相反.缓慢地改变电流的大小，这时小磁针的指向会发生偏转，正好使小磁针指向偏转180°，即与未通电流时指向完全相反时，就可以认为螺线管中的磁场就等于（略大于）地磁场的大小.利用有关公式计算出螺线管内磁场的大小，亦即求出了地磁场的大小.如图1所示是螺线管的特定常数：O是小磁针的位置，螺线管的半径为R，长度为L，小磁针距螺线管左端距离为L1，单位长度螺线管的匝数为n.根据毕奥—萨伐尔定律，可以推导出通电螺线管内磁场的大小计算公式为B=12nI（cosβ1—cosβ2）×4π×10—7（其中B是磁感应强度的大小，cosβ1=L1R2+L21，cosβ2=L1—LR2+（L1—L）2）
如果能够测量出螺线管的半径、长度、小磁针距螺线管左端距离及单位长度螺线管的匝数，根据这个公式我们就可以计算出螺线管内中央轴线处磁场的大小，进而间接测出地磁场水平分量的大小.
实验步骤：
（1）先在硬纸筒上用漆包线密绕成螺线管，然后用电工胶带固定，并露出螺线管的两头.
（2）按图2接好电路，并将全套仪器用木螺丝固定在木板上制成地磁场水平分量测试装置（如图3所示）.
（3）将小磁针放在没有干扰的环境中，其一端指南，另一端指北.在螺线管的中间部分插入一支缝衣针，以使小磁针能放在其上.转动螺线管使其轴线与小磁针的南北指向平行.这时小磁针还是保持指向不变.
（4）用右手螺旋定则定出螺线管的磁极，使其同地磁极相反，这样，螺线管的电流方向也就确定了.
（5）合上开关，将电位器的阻值慢慢地减小，会看到小磁针有缓慢的偏转，继续减小阻值，直到小磁针的指向完全同未接通电流时的指向相反.此时，通过毫安表记下电流的读数I，反复测量，求出平均值.
（6）用游标卡尺测量螺线管的半径R，用刻度尺量出螺线管的长度L，小磁针距螺线管左端距离L1，求出单位长度内螺线管的匝数n.
实验及数据测定：
实验材料：指南针、直尺、铅芯、铅笔、量角器、白纸、木板、图钉、橡皮泥.
实验原理：地面上东西方向和南北方向是相互垂直的.先根据太阳光确定东西方向，然后以东西方向为准，找出地理的南北方向，用小磁针确定出地磁的南北极的方向找出磁偏角 ， 最后用量角器量出磁偏角的大小.
实验步骤：
（1）取一张白纸，平铺并用图钉固定在木板上，将木板放在水平地面上，然后在白纸上立一根细直杆，在晴天中，太阳光被细直杆挡住在白纸上形成一条影线，用铅笔描下影线的两端点A、B，连接A、B便确定了东西方向.
（2）将指南针放在A、B线段的某一点，根据指南针所指的方向，用铅笔描下指南针所指的方向点C、D，连接线段CD交AB线段于O点，CD就是指南针所指的南北方向.
（3）过O点做线段AB的垂线EF（南北方向线），则线段CD与EF的小夹角θ便是磁偏角，用量角器量出它的度数，这就是你所测地点的磁偏角的大小.实验及数据测定：
从以上实验得如下数据：
实验注意事项：
（1）此实验只能在晴天中的早或晚进行较好；因为日出东方，日落西方，中午太阳光直射地面，杆的影子不太明显，影响实验精确度.
（2）实验中所用的细直杆越细越好，测得的磁偏角越精确.
（3）每次做实验时木板和木板上面的纸绝对固定，不能移动.
（4）指南针可选针长一些的.
实验结果讨论：
实验测出的磁偏角比当地的磁偏角较大，原因可能在于测量的时间.地球由于自转 ，每天日出东方，日落西方但又由于地球在自转的同时又绕太阳公转，且公转轨道所在的黄道面与自转的赤道面并不重合，构成周期性变化的黄赤交角（如图4所示）.黄赤交角的变化反映了地球以一年为周期绕太阳运转时，太阳直射点相应地在地理的南北回归线间往返移动.只有每年的春分日和秋分日这两天的太阳光传播到地球时，在地面形成的晨昏线与当地子午线间的夹角为90°，其它时间内太阳光照射到地面的晨昏线与当地子午线间的夹角不等于90°.也就是说一般情况下太阳光在地面上方并不是沿正东西方向传播的.所以用太阳光照射细杆形成的一条影线所确定的方向并不是正东西方向，在作的影线的重线也就不可能与当地的子午线重合.故用太阳光和指南针不能直接测出当地的磁偏角.要用这个方法测量磁偏角的话，只能等到每一年的春分和秋分日.
2.3 磁倾角的测定
实验材料：朗威DISLab微电流传感器、环形线圈（如图5所示）及数据采集器、笔记本电脑及朗威DISlab6.0通用软件、导线、木质三角尺.
实验原理：只要穿过环形线圈的磁通量不发生变化，环形线圈不会产生感应电流以致微电流传感器的电流值不发生镜像变化.此时电磁场的磁感线和环形线圈平行，测量出环形线圈跟地面所夹的角度，就可以粗略测量出磁倾角的大小.
实验步骤：
（1）装配实验电路，开启朗威DISLab通用软件，预先调整朗威DISLab数字实验系统的各项参数.
（2）将环形线圈朝不同的方向移动，找到微电流传感器的电流值不发生镜像变化，记下环形线圈的位置.
（3）用量角器测量出环形线圈跟地面所夹的角度.
实验及数据测定：
实验粗略测量出磁倾角约为45°斜向下.
3 思考
我们正在实施新课程改革，我们的物理教材的内容也焕然一新，教材与生活越来越贴近，知识与实际联系得越来越紧密，假如我们的教材习题资源中多像文章开始所提的那样富有创意且与日常生活紧密联系，这对培养学生的创新意识和提高学生运用知识的能力会大有帮助，这也必将使得我们课程改革的步伐走的更稳.