Исследовательская работа "Тайна компаса" . Возрастная категория: 7 - 10 лет. Раскрываются интересные факты создания компаса, опыты по изучению свойств компаса, технология создание компаса из подручных материалов. Рекомендовано для учителей начальной школы, педагогов дополнительного образования, дошкольных работников.
Вложение | Размер |
---|---|
issledovatelskaya_rabota_tayna_kompasa.doc | 386.5 КБ |
Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования
«Юность» г. Белгорода
Исследовательский проект
«Тайна компаса»
Направление: физика
Выполнила: Занина Екатерина
МБУ ДО «Юность» города Белгорода
детское объединение «Дорогами прекрасного»
Научный руководитель:
Стуликова Н. А.
почётный работник общего образования,
педагог дополнительного образования,
МБУ ДО «Юность» города Белгорода
г. Белгород, 2017
Оглавление
№ | стр. | |
1 | Введение | 2 |
2 | Основная часть Теоретическая часть исследования История открытия магнита | 3 |
Свойства магнитов | 4 | |
Виды магнитов | 5 | |
История создания компаса | 5 | |
Куда показывает стрелка компаса? | 7 | |
Практическая часть исследования Изучение свойств магнитов | 7 | |
Создание компаса из подручных материалов | 11 | |
3 | Заключение | 12 |
4 | Библиографический список | 13 |
5 | Приложение 1 История открытия КМА | 14 |
Введение
Актуальность: У человека, находящегося в чужом городе, обычно не возникает проблем с ориентированием на местности. В любом городе достаточно легко определить свое местонахождение. В этом человеку помогут элементы городской жизни: таблички с наименованиями улиц или станций метро, прочие информационные указатели. Чтобы чувствовать себя уверенно, бывает достаточно иметь под рукой карту-схему города, навигатор или интернет. Но как ориентировались на местности в древние времена, когда не было ни карт, ни навигаторов GPS, ни интернета. Оказывается, им помогал в этом компас. Но как люди додумались до такого изобретения, и почему компас всегда показывает на север? В чем секрет этого незамысловатого прибора, и можно ли сделать компас самостоятельно в случае необходимости? Бабушка уверена, что дело в магнитном поле. Но причем тут магниты? Все эти вопросы подтолкнули меня к исследованию.
Цель: разгадать тайну компаса.
Объект исследования: магнит, компас.
Предмет исследования: свойства магнита, принцип работы компаса.
Задачи исследования:
Гипотеза: Если узнать свойства магнита, то можно разгадать секрет компаса.
Методы исследования:
Характеристика работы: работа состоит из двух частей. Первая часть работы – теоретическая, которая содержит познавательную информацию об истории магнитов, а так же научную информацию о свойствах и видах магнитов, раскрывает историю создания компаса и отвечает на вопрос «Куда показывает стрелка компаса?». Вторая часть работы – прикладная, которая демонстрирует опыты физических свойств магнитов и создание компаса из подручных материалов. В ходе исследования была изучена энциклопедическая, научная и познавательная литература.
Теоретическая часть исследования
Магнит - это тело, обладающее магнитным полем. В природе магниты встречаются в виде кусков камня - магнитного железняка (магнетита). Он очень похож на железную руду и отличается тем, что может притягивать к себе другие такие же камни. На многих языках мира слово "магнит" обозначает - "любящий" - это осмысление его способности притягивать к себе. [12]
История открытия магнита.
Точно неизвестно когда и кем впервые были открыты свойства магнитов. Одни историки утверждают, что самое раннее открытие свойств магнита сделали либо греки, либо китайцы. И дают сведения о том, что история магнетизма восходит к первому веку до н.э. в трудах Лукреция и Плиния Старшего. Плиний писал о холме возле реки Инд, который был сделан целиком из камня, привлекающего железо. Он отметил, магические силы магнетита в своих писаниях. В течение многих лет после его открытия, магнетит был погружен в суеверия, и считалось, обладает магической силой, такой как - способность исцелять больных, отпугивать злых духов и привлекать и растворять суда, созданные из железа!
Люди верили, что появились целые острова магнитной природы, которые могли бы привлечь суда в силу железных гвоздей, используемых в их строительстве. Суда, которые исчезли в море, как полагали, были таинственно притянуты этими островами. [3]
Существуют и другие легенды связанные с магическими свойствами магнитов:
По заверениям других историков, с постоянными магнитами человечество было знакомо примерно в 5-6 веках до наше эры. Истории о магнитах можно встретить в трудах Пифагора и Аристотеля, Гиппократа и Платона, Эпикура и Плутарха, Птолемея и Лукреция. Все ученые описывают, что эти природные камни, которые им довелось лицезреть, обладают таинственной и даже божественной силой притягивать к себе железные предметы. Аристотель в своём трактате о душе писал, что движение, которое совершает железо по направлению к магниту, вызвано наличием у последнего души. Платон видел в природе магнита божественное происхождение.
Как утверждал Платон, своё название “магнит” впервые получил в драмах у Еврипида. Вероятнее всего название “магнит” происходит от названия греческой провинции Магнезия. Там находится гора Сипил, известная притяжением к себе молний. По-видимому, именно кусочки магнитного железняка (магнитита) с этой горы и были первыми магнитами, над свойствами которых ломали головы великие ученые в течение многих тысяч лет.
[7]
В 1260 году Марко Поло привёз магнит из Китая в Европу. Началась новая эра открытий. Пётр Перегрин в 1296 году издал «Книгу о магните», где было описано такое свойство магнита, как полярность. Пётр установил, что полюса магнита могут притягиваться и отталкиваться.
В 1600 труд «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов» английского врача Уильяма Гильберта расширил границы знаний об этом предмете. Стало известно, что нагревание способно ослабить магнит, а железная арматура может усилить полюса. Так же оказалось, что сама Земля является огромным магнитом.
Настоящий прорыв произошёл в 1820 году. Как всякие великие открытия, и это произошло случайно. Просто преподаватель в университете, Ганс Христиан Эрстед, на лекции решил продемонстрировать студентам, что между электричеством и магнитом нет никакой связи, они не влияют друг на друга. Для этого физик включил электрический ток рядом с магнитной стрелкой. Он очень сильно удивился, когда стрелка отклонилась! Это позволило открыть связь электричества и магнитных полей. Так наука сделала огромный рывок вперёд.
Узнав об открытии Эрстеда, французский физик Андре Ампер провёл ряд опытов. Он объяснил связь электричества и магнитного поля. На основе его исследований в 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен изобрёл первый электромагнит. Так зародилась современная электротехника. [4]
Свойства магнитов
Свойства магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если прямой (стержневой) магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец – южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются.
Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок не намагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным.
Вывод: магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. [11]
Магнитным полем называется область действия магнитных сил вокруг магнита (металлический гвоздь притянется к магниту, как только окажется в его магнитном поле). Его создают и крупные небесные тела – в том числе наша планета, имеющая ядро, состоящее преимущественно из железа. Магнитное поле Земли создаёт в космическом пространстве магнитосферу. Есть она и у других планет Солнечной системы: так, протяженную магнитосферу имеют Юпитер и Сатурн, а у Меркурия, Венеры и Марса, но она не так ярко выражена.
Земля – это гигантский магнит с двумя сильными магнитными полюсами – северным и южным. Наличие магнитных полюсов делает возможным определение географических направлений на поверхности нашей планеты. Явление геомагнетизма (или земного магнетизма) используется в конструкции компасов, снабженных магнитной стрелкой, два конца которой приблизительно определяют север и юг. [5]
Если посмотреть на геомагнитную карту Земли, в некоторых областях можно заметить искажения земного магнитного поля или магнитные аномалии. Они образуются из-за залежей различных пород, имеющих свойство намагничиваться, под поверхностью земной коры. В первую очередь это железосодержащие минералы. Изучение аномалий геомагнитного поля Земли позволяет узнать места залежи ценных руд. [10]
Самой известной магнитной аномальной зоной России является Курская магнитная аномалия (КМА), которая расположена в пределах Курской, Белгородской и Орловской областей. Напряженность аномального поля в некоторых местах КМА в 2-3 раза превышала напряженность нормального поля. Впервые эту сильную магнитную аномалию обнаружил учёный-астроном академик П. Б. Иноходцев в 1773 г., однако до наших дней не так уж много известно о природе этого явления. Исследователи не до конца понимают, как в сейсмически спокойной равнине (где нет землетрясений и вулканов) на глубине всего 200-400 метров могли образоваться столь крупные железорудные залежи, количество которой превышает запасы всех залежей руды в мире.
В настоящее время границы КМА охватывают площадь размером свыше 160 тыс. км². Перспективные запасы богатых железных руд составляют многие миллиарды тонн, а железистых кварцитов — практически неисчерпаемы.
Наиболее известные месторождения в Белгородской области это Лебединское (Губкинский район Белгородской области, Лебединский ГОК), Стойленское (Старооскольский район Белгородской области, Стойленский ГОК), Коробковское (Губкинский район Белгородской области), Яковлевское (Яковлевский район Белгородской области), Большетроицкое (Шебекинский район Белгородской области), Погромецкое (Волоконовский район Белгородской области). Крупнейшим предприятием считается Лебединский ГОК. Максимальная ширина карьера Лебединского ГОКа — 5 км, максимальная глубина — 350 м. Карьер дважды внесен в Книгу рекордов Гиннеса [9]
Виды магнитов
С точки зрения физики существует три типа магнитов: постоянные, временные и электромагниты.
Постоянные магниты заряжаются раз и навсегда. Все постоянные магниты делятся на два вида - естественные и искусственные. Естественные магниты – это магнитный железняк, и наша планета Земля. Магнитный железняк сам по себе притягивает к себе металлические предметы, ничего с ним для этого делать не нужно. Земля – тоже притягивает к себе, но не металл, а всё подряд, в том числе и людей.
Искусственные постоянные магниты делаются людьми, и их типы зависят от материала, из которого сделан магнит.
Временные магниты – это изделия из металлов, которые намагничиваются, попадая в магнитное поле, и получают ненадолго способность самим притягивать другие металлические предметы. Например, скрепки и гвозди. Они работают только в магнитном поле.
Электромагниты образуются с помощью намотанной проволоки, по которой пускают ток и работают только при наличии тока. На электромагнитах работает бытовая техника. [1]
История создания компаса
Первым прибором, основанным на магнетизме, стал компас. Его можно смело занести в перечень величайших открытий человечества. Благодаря ему позднее была создана картография, позволившая человеку узнавать о новых местах обитания. Именно компасу мы обязаны открытием Америки. Ведь до его появления путешественники ориентировались только по звездам и географическим объектам. Но названные ориентиры сильно зависели от погоды. Обычные облака могли легко обезоружить путника. С момента изобретения компаса указанные проблемы исчезли.
Происхождение слова «компас», по-видимому, связано со старинным английским словом compass, которое означало в XIII—XIV вв. «круг».
Согласно историческим данным, изобретение компаса произошло в эпоху правления китайской династии Сун и было связано с необходимостью ориентироваться в пустыне. В III веке до н.э. китайский философ Хэнь Фэй-цзы описал устройство компаса его эпохи следующим образом: он представлял собой шарообразную, тщательно отполированную в выпуклой части, разливательную ложку, состоящую из магнетита с тонким черенком.
На тщательно отполированную медную или деревянную пластину ложка устанавливалась своей выпуклой частью так, чтобы черенок не касался пластины, а располагался свободно над ней. При этом ложка должна свободно вращаться вокруг оси своего основания. На пластину наносятся обозначения сторон света, представляющие зодиакальные знаки. Ложку приводили во вращение, подталкивая черенок ножки. Когда ложка остановится, черенок, выполняющий роль магнитной стрелки, указывает точно на юг. Таково было устройство самого древнего прибора, выполняющего функции компаса. (Рис. 1)
В ХI веке в Китае появляется плавающая стрелка для компаса, выполненная из искусственного магнита. Обычно она изготавливалась в форме рыбки, которую опускали в сосуд с водой. В воде она свободно плавала, направляя голову в сторону юга. Китайские корабли снабжались плавающими компасами. Их устанавливали на носу и на корме, чтобы капитанам было удобно ориентироваться в путешествии в любую погоду. Таким компас дошёл до арабов в XII веке, а в начале XIII века — до европейцев.
В 1300 году Иоанн Жира создал первый компас, облегчив жизнь путешественникам и мореплавателям. Впрочем, за честь считаться изобретателям компаса борется несколько учёных. Например, итальянцы свято уверены, что первым изобрёл компас их соотечественник ювелир Флавио Джойя. [4]
Европейская легенда гласит: Флавио был человеком бедным, но полюбил дочь богатого рыбака Доменико. Отец не желал своей дочери такого бедного жениха и поставил условие научиться плавать по прямой линии в тумане ночью. Находчивый ювелир заметил, что пробка с лежащим на ней магнитным камнем, помещенная в чашку с водой всегда ориентируется в одну сторону, и сумел выполнить сложное задание. В реальности же, «ювелиром» был папский секретарь Флавио Бьондо, в 1450 году описавший знание жителей Амальфи о компасе. [6]
Изначально компас представлял собой намагниченную иголку и кусочек дерева, плававшие в сосуде с водой. Вскоре сосуд стали прикрывать стеклом, чтобы защитить механизм от воздействия ветра. В середине XVI века магнитную стрелку стали помещать на острие в середину бумажного круга.
Значительно усовершенствованный вид компас приобрёл в начале XIV века благодаря итальянцу Флавио Джойя. Он надел магнитную стрелку на вертикальную шпильку, а стрелку прикрепил к лёгкому кругу — картушке, разбитому по окружности на 16 румбов. А в XVI веке картушку и коробку со стрелкой поместили в кардановый подвес, чтобы избежать влияния качки корабля на показания компаса. Уже тогда картушка была разделена на 32 румба. [8] (Рис. 2)
В XVII в. компас оборудовали вращающейся линейкой, что помогло более точно отсчитывать направление. В XVIII в. у него появился пеленгатор. Но на этом история создания компаса не заканчивается. В 1838 г. был найден способ нейтрализации влияния на данное устройство железных изделий корабля. А в 1908 г. появился гирокомпас, ставший основным навигационным прибором. (Рис. 3) Именно он всегда указывает на север. Сегодня точное направление движения можно узнать при помощи спутниковой навигации, тем не менее, много судов оснащены магнитными компасами. Их используют для дополнительной проверки или на случай технических неполадок. [2]
Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3
Куда показывает стрелка компаса?
Большая часть людей привыкла думать, что стрелка компаса всегда указывает строго на север. Только, к сожалению, не на тот, что отмечен Полярной Звездой, и не на географический, что отмечен схождением меридианов. Компас показывает - Южный полюс Земли. Но какой?
Земля имеет магнитное поле, и по законам физики у него должны быть и полюса, между которыми простираются магнитные линии. И, конечно же, они есть на Земле. Точка схождения силовых линий магнитного поля Земли и есть тот полюс, на который указывает стрелка компаса. Вот только возникает вопрос: а Северный ли он? Почему все так решили? А ответ прост: потому, что людям так удобно.
На самом деле так называемый «Северный магнитный полюс Земли» является Южным полюсом. Это следует из законов физики. Стрелка компаса располагается строго вдоль силовых линий, но ее намагниченный конец будет указывать на Южный полюс, т.к. известно, что одинаковые заряды магнита отталкиваются.
Таким образом, то место, куда показывает стрелка компаса, на самом деле будет Южным магнитным полюсом Земли, который люди привыкли называть Северным. Он обладает странными свойствами.
Во-первых, он дрейфует. Т.е. перемещается относительно земной оси довольно быстро — около 10 км в год. Для сравнения – скорость движения тектонических плит составляет около 1 см/10000 лет.
Во-вторых, прежние 400 лет от находился на территории Канады, а теперь стремительно движется в сторону Таймыра. Скорость его перемещения на сегодняшний день 64 км/год, и по оценкам ученых продолжает увеличиваться.
В-третьих, он не симметричен относительно Южного полюса, и, более того, их дрейф не находится в зависимости друг от друга.
На протяжении всей геологической истории Земли магнитные полюса нашей планеты неоднократно менялись местами.
Интересно, куда будет показывать компас на Северном географическом полюсе? Оказывается, стрелка будет стремиться занять вертикальное положение, так как силовые линии магнитного поля в этом месте имеют вертикальное направление. Если стрелка компаса не имеет возможности занять вертикальное положение, то она начнет беспорядочно вращаться. [14]
А куда будет показывать компас в космосе? Оказывается, компас в космосе будет также показывать направление силовых магнитных линий. Если он теоретически будет без космического аппарата и при этом находиться в зоне чувствительности магнитного поля Земли, то вполне можно будет найти направление на север нашей планеты, исключая момент пролета над полюсами. Внутри космического аппарата на него могут действовать силовые электромагнитные поля самого аппарата. В глубоком космосе, вне зоны космического аппарата, где магнитные линии слабы, стрелка будет в безразличном положении.
[13]
Практическая часть исследования
Изучение свойств магнитов.
Опыт № 1 Взаимодействие магнитных полюсов
Цель: выяснить, как взаимодействуют магниты однополярные и разно полярные.
Оборудование: два магнита.
Ход опыта:
Наблюдения: присоединение невозможно, так как существует сила препятствующая этому.
Наблюдения: магниты притягиваются друг к другу.
Вывод: Одноимённые полюса магнитов отталкиваются, а разноимённые полюса притягиваются.
Фото 1 Фото 2 Фото 3
Опыт № 2 Магнитное поле
Цель: выяснить, можно ли увидеть магнитное поле?
Оборудование: магнит, металлические опилки, бумажный лист.
Ход опыта: насыпать на бумажный лист металлические опилки и поместим снизу магнит. (Фото 1, 2)
Наблюдения: Под воздействием магнитного поля опилки начинают двигаться, образуя рисунок. (Фото 3)
Вывод: магнитное поле существует и его можно увидеть.
Фото 1 Фото 2 Фото 3
Опыт № 3 Передача магнитных свойств металлическим предметам
Цель: выяснить может ли намагниченный металлический предмет притягивать другие металлические предметы.
Оборудование: магнит, скрепки. (Фото 1)
Ход опыта: выложить на столе скрепки цепочкой. Примагнитить первую и поднести её к следующим скрепкам. (Фото 2)
Наблюдения: примагниченная скрепка притягивает другие скрепки, создавая цепочку взаимно прикреплённых скрепок. (Фото 3) Но такая магнитная связь предметов не долговечна. Если магнит убрать скрепки рассыпаются.
Вывод: первая скрепка примагничивается к магниту приобретает свойства временного магнита. Своим магнитным полем она притягивает другую скрепку, образуя цепочку скрепок, каждая часть которой держится за счет магнитного поля предыдущей. Магнит может временно передавать магнитные свойства металлическим предметам.
Фото 1 Фото 2 Фото 3
Опыт № 4 Скорость примагничивания предметов.
Цель: выяснить зависит ли скорость притяжения к магниту от веса предмета.
Оборудование: магнит, металлические предметы разного веса (скрепка, ключ, гвоздь, крючок), бумажный лист, фломастеры.
Ход опыта: выложим на стартовую линию металлические предметы и будем медленно подталкивать магнит к каждому предмету отдельно. Зафиксируем расстояние, на котором начинается действие магнитного поля и предмет примагничивается. (Фото 1)
Наблюдения: для взаимодействия с магнитом каждому предмету нужно своё расстояние. (Фото 2)
Вывод: Чем легче предмет, тем его скорость примагничивания быстрее.
Фото 1 Фото 2
Опыт № 5 Действие магнитного поля через предметы.
Известная поговорка «Искать иголку в стоге сена» подразумевает невозможность исполнения какого-либо дела. Но так ли это невозможно в буквальном смысле?
Цель: выяснить действует ли магнитное поле через другие предметы?
Оборудование: магнит, иголка, сено, банка с водой, металлические предметы, досточка. (Фото 1)
Ход опыта:
Наблюдения: благодаря действию магнитного поля иголка, как и все металлические предметы, примангитилась, и была найдена. (Фото 2) Если использовать в опыте большую иголку, то примагничиваясь, она может поднять с собой часть сена. (Фото 3)
Если поместить скрепки в тарелку с сахаром (рыхлая среда похожа на песок), то их тоже можно найти при помощи магнита. (Фото 4, 5)
Фото 1 Фото 2 Фото 3
Фото 4 Фото 5
Наблюдения: благодаря действию магнитного поля металлические предметы, примангитилась даже через воду (жидкость). (Фото 8)
Фото 6 Фото 7 Фото 8
Наблюдения: благодаря действию магнитного поля металлические предметы примангитились и ими можно управлять даже через твёрдые тела. (Фото 10)
Фото 9 Фото 10
Вывод: Действие магнитного поля может проходить через рыхлые, твёрдые и жидкие предметы. Чем сильнее магнит, тем его магнитное поле больше и тем большее расстояние до металлического предмета оно может преодолеть.
Наша планета Земля, не смотря на то, что её магнит находится на глубине тысяч километров, своим магнитным полем держит предметы на своей поверхности, так что найти иголку в стоге сена при помощи мощного магнита при желании возможно.
Создание компаса из подручных материалов
Опыт 6
Цель: создать компас из подручных средств.
Оборудование: магнит, иголка, свеча, зажигалка, кусочек губки, тарелка с водой. (Фото 1)
Ход опыта: Изучив свойства магнита, мы знаем, что намагниченный металлический предмет обладает свойствами временного магнита. Для магнитного указателя больше всего подойдёт иголка или гвоздь. Намагнитим их. Зная, что разной полярности магниты притягиваются нам необходимо размагнитить один конец иголки и гвоздя. Это можно сделать при помощи нагревания предмета в течении 20 - 30 секунд. (Фото 2) Затем поместим иголку на плавучей поверхности в ёмкость с водой (Фото 3), а гвоздь, привязанный на нитке к крышке банки, подержим навису. Как только вращение иголки и гвоздя прекратиться, сравним их показания с показаниями компаса. (Фото 4, 5) Южный магнитный полюс Земли должен притянуть северный намагниченный полюс иголки и гвоздя и указать на северный географический полюс Земли. Гвоздь, привязанный к крышке банки, можно поместить в банку, чтобы показания самодельного компаса не изменил ветер или другие внешние воздействия.
Фото 1 Фото 2 Фото 3
Фото 4 Фото 5
Вывод: Показания самодельного компаса совпадают с показаниями туристического компаса.
Самодельный компас можно использовать в чрезвычайных ситуациях, если повреждён туристический компас и нет другой возможности сориентироваться на местности.
Заключение
Изучив научную и познавательную литературу, а так же проведенные опыты дают основу для изготовления компаса из подручных материалов. Опыты подтверждают, что
Узнав свойства магнита, была разгадана тайна компаса. В компасе есть магнитная стрелка, у которой намагничин только один конец северной полярности. Зная свойства магнита, что разноимённые полюса притягиваются, именно он показывает на северный географический полюс Земли, так как притягивается южным магнитным полюсом Земли, который территориально находится на северном географическом полюсе. Моя теория подтвердилась: узнав свойства магнита, мы разгадали секрет работы компаса.
Библиографический список
http://pochemuha.ru/istoriya-magnita-primenenie-magnita-magnetizm
http://www.bolshoyvopros.ru/questions/813473-chto-budet-pokazyvat-kompas-v-kosmose.html]
http://travelask.ru/questions/15531-chto-budet-pokazyvat-kompas-na-severnom-polyuse]
Л. Нечаев. Про желтые груши и красные уши
Колумбово яйцо
Карты планет и спутников Солнечной системы
10 осенних мастер-классов для детей
5 зимних аудиосказок