Tài liệu Đo từ trường trái đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ …..o0o…. NGUYỄN THÙY NHƯ ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành Phố Hồ Chí Minh – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ….o0o…. NGUYỄN THÙY NHƯ ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102 NGƯỜI HƯỜNG DẪN KHOA HỌC: ThS. TRƯƠNG ĐÌNH TÒA Thành Phố Hồ Chí Minh – 2012 LỜI CẢM ƠN Sau một khoảng thời gian dài thực hiện thì luận văn cũng đã hoàn thành đúng thời hạn. Trong suốt quá trình làm luận văn, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh. Xin cho em gởi lời cảm ơn chân thành của mình đến: - ThS. Trương Đình Tòa, người hướng dẫn khoa học, đã dành nhiều thời gian quý báu của mình để hướng dẫn và đưa ra nhiều gợi ý cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Thầy đã tận tình giúp đỡ những lúc em bế tắc, mở ra hướng đi mới cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. - Thầy Nguyễn Hoàng Long đã dành nhiều thời gian hướng dẫn em tìm hiểu các dụng cụ thí nghiệm, những lúc gặp khó khăn khi thực hiện thí nghiệm thầy đều tận tình giúp đỡ. - Cô Nguyễn Thanh Loan, người đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em có thể hoàn thành tốt việc nghiên cứu của mình. - Tiến sĩ Andreas Kastner, chuyên gia của Leybolb, ông đã giải đáp các thắc mắc một cách tận tình giúp em hoàn thành đề tài của mình. - Các thầy cô của khoa Vật lý - trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh về những bài giảng nghiêm túc và chất lượng để em có đủ kiến thức nền tảng hoàn thành tốt luận văn này. Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn và sự kính trọng sâu sắc nhất đối với sự động viên, hỗ trợ lớn lao của những người thân yêu trong gia đình, các bạn bè của khoa Vật lý trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Vì đây là lần đầu tiên thực hiện luận văn nên em còn nhiều thiếu sót, kính mong quý thầy cô góp ý và chỉ dẫn để em học hỏi được nhiều hơn. Xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 4 năm 2012 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................... 10 TỔNG QUAN ................................................................................................................................. 13 CHƯƠNG I: TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 1.1. Trường địa từ: ...................................................................................................................... 15 1.1.1. Sơ lược về lịch sử phát hiện: ........................................................................................ 15 1.1.2. Đặc điểm: ..................................................................................................................... 17 1.1.2.1. Các thành phần của trường địa từ: ....................................................................... 17 1.1.2.2. Cực từ và cực địa từ: ............................................................................................ 20 1.1.2.3. Xích đạo từ và xích đạo địa từ: ............................................................................ 23 1.1.2.4. Các bản đồ phân bố trường địa từ: ....................................................................... 23 1.1.3. 1.1.3.1. Trường địa từ và nguồn gốc bên trong Trái đất: .................................................. 24 1.1.3.2. Dị thường từ và nguồn gốc từ vỏ Trái đất: ........................................................... 27 1.1.3.3. Trường địa từ và nguồn gốc bên ngoài Trái đất: .................................................. 28 1.1.4. Sự biến thiên theo thời gian: ........................................................................................ 32 1.1.4.1. Biến thiên thế kỷ: ................................................................................................. 32 1.1.4.2. Biến thiên ngày đêm: ........................................................................................... 33 1.1.4.3. Từ mạch động: ..................................................................................................... 34 1.1.5. 1.2. Nguồn gốc: ................................................................................................................... 24 Vai trò: ......................................................................................................................... 34 Quan trắc trường địa từ: ....................................................................................................... 35 1.2.1. Mô hình trường địa từ: ................................................................................................. 35 1.2.2. Các phương pháp quan trắc trường địa từ: ................................................................... 36 1.2.2.1. Quan trắc sự phân bố theo không gian: ................................................................ 36 1.2.2.2. Quan trắc sự biến thiên theo thời gian: ................................................................ 38 1.2.2.3. Quan trắc khảo cổ từ: ........................................................................................... 39 1.2.2.4. Khảo sát cổ từ: ..................................................................................................... 40 1.2.3. cận: 1.3. Các thông số của trường địa từ tại thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố lân ...................................................................................................................................... 41 Quan trắc địa từ tại Việt Nam: ............................................................................................. 43 1.3.1. Mạng lưới đài trạm quan trắc địa từ ở Việt Nam: ........................................................ 44 1.3.2. Từ trường bình thường lãnh thổ Việt Nam: ................................................................. 45 1.3.3. Biến thiên thế kỷ của từ trường Trái đất: ..................................................................... 45 1.3.4. Bão từ: .......................................................................................................................... 46 1.3.5. Nghiên cứu từ trường ứng dụng: .................................................................................. 46 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU DỤNG CỤ 2.1. Phần mềm CASSY Lab:....................................................................................................... 47 2.1.1. Giới thiệu: .................................................................................................................... 47 2.1.2. Vài điều cần biết về giao diện của phần mềm CASSY: ............................................... 48 2.2. Cảm biến CASSY: ............................................................................................................... 51 2.2.1. Công dụng: ................................................................................................................... 51 2.2.2. Thông số kỹ thuật:........................................................................................................ 52 2.3. Hộp µV: ................................................................................................................................ 53 2.3.1. Công dụng: ................................................................................................................... 53 2.3.2. Thông số kỹ thuật:........................................................................................................ 53 2.4. Cặp cuộn dây Helmholtz: ..................................................................................................... 53 2.4.1. Công dụng: ................................................................................................................... 54 2.4.2. Thông số kỹ thuật:........................................................................................................ 54 2.5. Dây nối: ................................................................................................................................ 54 2.5.1. Công dụng: ................................................................................................................... 54 2.5.2. Thông số kỹ thuật:........................................................................................................ 55 2.6. Động cơ và bộ điều khiển động cơ: ..................................................................................... 55 2.6.1. Chú ý an toàn: .............................................................................................................. 55 2.6.2. Mô tả, thông số kỹ thuật:.............................................................................................. 55 2.6.2.1. Động cơ thí nghiệm: ............................................................................................ 55 2.6.2.2. Bộ điều khiển động cơ: ........................................................................................ 58 2.6.3. Cách hoạt động:............................................................................................................ 59 2.7. Cục biến thế: ........................................................................................................................ 60 2.8. La bàn:.................................................................................................................................. 60 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM 3.1. Mục đích thí nghiệm: ........................................................................................................... 62 3.2. Nguyên lý: ............................................................................................................................ 62 3.3. Dụng cụ thí nghiệm: ............................................................................................................. 65 3.4. Các bước tiến hành thí nghiệm: ........................................................................................... 66 3.4.1. Lắp ráp thí nghiệm: ...................................................................................................... 66 3.4.2. Cài đặt các thông số cho phép đo: ................................................................................ 68 3.4.3. Thực hiện phép đo:....................................................................................................... 70 3.4.4. Những điều cần lưu ý: .................................................................................................. 71 3.5. Xử lý kết quả: ....................................................................................................................... 71 3.6. Cách tính sai số: ................................................................................................................... 76 3.7. Báo cáo kết quả thí nghiệm: ................................................................................................. 79 3.7.1. Một số kết quả khi đo theo 3 trục tọa độ Descartes: .................................................... 79 3.7.2. Kết quả khi đo theo 2 trục: ......................................................................................... 101 KẾT LUẬN ................................................................................................................................... 155 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 156 DANH MỤC CÁC BẢNG STT 1 Ký hiệu của bảng Trang Bảng 1: Các thông số của trường địa từ tại thành phố Hồ Chí 41-43 Minh và một số thành phố lân cận 2 Bảng 3.1: Kết quả Fit hàm của các lần đo theo hai trục 131-135 3 Bảng 3.2: Kết quả tính sai số tỉ đối của U và T theo hai trục 138-142 4 Bảng 3.3: Kết quả tính thành phần nằm ngang 143-148 5 Bảng 3.4: Kết quả tính từ trường tổng hợp và độ từ khuynh 148-153 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Ký hiệu của các hình vẽ và đồ thị STT Trang 1 Hình 1.1: Chiếc la bàn hình thìa do người Trung Hoa chế tạo 15 2 Hình 1.2: W. Gilbert (1544-1603)-tác giả cuốn sách “De Magnet” 16 3 Hình 1.3: Trường lưỡng cực của Trái đất 17 4 Hình 1.4: Các thành phần của trường địa từ 18 5 Hình 1.5: Mô hình lưỡng cực từ có trục xuyên tâm 20 6 7 8 9 10 Hình 1.6: Đường dịch chuyển của cực từ Bắc qua phía Bắc Canada giai đoạn 1831-2001 Hình 1.7: Bản đồ phân bố độ từ khuynh của trường địa từ- niên đại 2010 Hình 1.8: Chuyển động của chất lỏng dẫn điện tạo ra từ trường Hình 1.9: Thang đảo cực của trường địa từ trong 5,5 triệu năm gần đây Hình 1.10: Bản đồ dị thường từ toàn cầu thu được từ tài liệu đo đạc vệ tinh 22 23 25 26 27 11 Hình 1.11: Dòng điện xích đạo 29 12 Hình 1.12: Tương tác Mặt trời- Trái đất 29 13 Hình 1.13: Hiện tượng cực quang 30 14 Hình 1.14: Từ quyển của Trái đất 32 15 16 17 Hình 1.15: Nền biển bị đẩy ra xa dãy núi, trải ra như một phần của hệ lục địa trôi Hình 1.16: Phân bố các đài quan trắc địa từ trên toàn cầu Hình 1.17: Vị trí các đài, trạm địa từ trên lãnh thổ Việt Nam (chữ đỏ) 35 39 44 18 Hình 2.1: Đĩa cài đặt phần mềm CASSY Lab 47 19 Hình 2.2: Bảng kiểm tra thiết bị CASSY 48 20 Hình 2.3: Giao diện của phần mềm CASSY Lab 49 21 Hình 2.4: Cảm biến CASSY 52 22 53 23 Hình 2.5: Hộp 𝜇𝑉 Hình 2.6: Cặp cuộn dây Helmholtz 54 24 Hình 2.7: Dây nối 54 25 Hình 2.8: Động cơ thí nghiệm 55 26 Hình 2.9: Bộ điều khiển động cơ 58 27 Hình 2.10: Lắp động cơ vào bàn 59 28 Hình 2.11: Cục biến thế 60 29 Hình 2.12: La bàn 61 30 Hình 3.1a: Đo từ trường Trái đất bằng cuộn dây cảm ứng 66 31 Hình 3.1b: Sơ đồ khối của thí nghiệm 67 32 Hình 3.2: Giao diện khi kích hoạt phần mềm CASSY 68 33 Hình 3.3: Hiển thị các hộp kết nối với CASSY 69 34 Hình 3.4: Giao diện sau khi đã chọn kênh 69 35 Hình 3.5: Hộp thoại cài đặt các thông số của phép đo 70 36 Hình 3.6: Hộp thoại cài đặt cho đầu vào của cảm biến 70 37 Hình 3.7: Chọn hàm điều chỉnh 72 38 Hình 3.8: Nhập giá trị ban đầu cho các tham số điều chỉnh 73 39 Hình 3.9: Kết quả điều chỉnh hàm 74 40 Hình 3.10: Hộp thoại cài đặt thẻ Frequency Spectrum 75 41 Hình 3.11: Xác định tần số bằng chức năng tính tâm đỉnh 75 42 Hình 3.12: Kết quả khi đo theo trục x lần 1 79 43 Hình 3.13: Kết quả khi đo lần 1 lần lượt theo trục y, trục z 80 44 Hình 3.14: Kết quả khi đo 3 trục lần 2 82 45 Hình 3.15: Kết quả khi đo 3 trục lần 3 84 46 Hình 3.16: Kết quả khi đo 3 trục lần 4 86 47 Hình 3.17: Kết quả khi đo 3 trục lần 5 88 48 Hình 3.18: Kết quả khi đo 3 trục lần 6 90 49 Hình 3.19: Kết quả khi đo 3 trục lần 7 92 50 Hình 3.20: Kết quả khi đo 3 trục lần 8 94 51 Hình 3.21: Kết quả khi đo 3 trục lần 9 96 52 Hình 3.22: Kết quả khi đo 3 trục lần 10 98 53 Hình 3.23: Kết quả khi đo 2 trục lần 1 101 54 Hình 3.24: Kết quả khi đo 2 trục lần 2 102 55 Hình 3.25: Kết quả khi đo 2 trục lần 3 103 56 Hình 3.26: Kết quả khi đo 2 trục lần 4 104 57 Hình 3.27: Kết quả khi đo 2 trục lần 5 105 58 Hình 3.28: Kết quả khi đo 2 trục lần 6 106 59 Hình 3.29: Kết quả khi đo 2 trục lần 7 107 60 Hình 3.30: Kết quả khi đo 2 trục lần 8 108 61 Hình 3.31: Kết quả khi đo 2 trục lần 9 109 62 Hình 3.32: Kết quả khi đo 2 trục lần 10 110 63 Hình 3.33: Kết quả khi đo 2 trục lần 11 111 64 Hình 3.34: Kết quả khi đo 2 trục lần 12 112 65 Hình 3.35: Kết quả khi đo 2 trục lần 13 113 66 Hình 3.36: Kết quả khi đo 2 trục lần 14 114 67 Hình 3.37: Kết quả khi đo 2 trục lần 15 115 68 Hình 3.38: Kết quả khi đo 2 trục lần 16 116 69 Hình 3.39: Kết quả khi đo 2 trục lần 17 117 70 Hình 3.40: Kết quả khi đo 2 trục lần 18 118 71 Hình 3.41: Kết quả khi đo 2 trục lần 19 119 72 Hình 3.42: Kết quả khi đo 2 trục lần 20 120 73 Hình 3.43: Kết quả khi đo 2 trục lần 21 121 74 Hình 3.44: Kết quả khi đo 2 trục lần 22 122 75 Hình 3.45: Kết quả khi đo 2 trục lần 23 123 76 Hình 3.46: Kết quả khi đo 2 trục lần 24 124 77 Hình 3.47: Kết quả khi đo 2 trục lần 25 125 78 Hình 3.48: Kết quả khi đo 2 trục lần 26 126 79 Hình 3.49: Kết quả khi đo 2 trục lần 27 127 80 Hình 3.50: Kết quả khi đo 2 trục lần 28 128 81 Hình 3.51: Kết quả khi đo 2 trục lần 29 129 82 Hình 3.52: Kết quả khi đo 2 trục lần 30 130 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Vật lý là một ngành khoa học hết sức quan trọng, nó nghiên cứu các quy luật vận động trong tự nhiên từ đó ứng dụng để giải thích các hiện tượng hay chế tạo máy móc phục vụ cho đời sống và kỹ thuật. Việc nghiên cứu các vấn đề vật lý đa số dựa trên thực nghiệm, các tri thức vật lý là sự khái quát các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và các hiện tượng diễn ra trong đời sống. Vì vậy, việc dạy và học vật lý có dùng thí nghiệm là hết sức cần thiết. Tuy nhiên, việc dạy và học vật lý ở nước ta còn mang đậm tính lý thuyết, việc luyện tập kỹ năng thực hành cho sinh viên còn hạn chế do nhiều nguyên nhân: - Phương tiện thí nghiệm trang bị còn thiếu thốn, chưa đáp ứng được sự phát triển của vật lý học hiện đại. - Việc đầu tư kinh phí ở các trường cho thí nghiệm còn hạn chế. Đất nước đang ngày càng hội nhập và phát triển, yêu cầu ngày càng cao về nguồn nhân lực. Chính vì vậy, ngành giáo dục phải đào tạo ra thế hệ trẻ với đầy đủ tri thức và kỹ năng, muốn vậy thì việc cấp thiết là cần phải đổi mới phương pháp giảng dạy từng bộ môn. Riêng bộ môn vật lý cần phải điều chỉnh phương pháp giảng dạy sao cho vấn đề thực nghiệm cần được chú trọng hơn. Vì vậy, người giáo viên vật lý ngoài nắm vững kiến thức còn cần phải trang bị đầy đủ kỹ năng về thực hành để từng bước đáp ứng được nhu cầu giáo dục ngày càng đổi mới và hoàn thiện theo xu hướng “Học đi đôi với hành”. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của ngành giáo dục, là một sinh viên sư phạm ngành vật lý, em đã quyết định chọn làm luận văn theo hướng nghiên cứu thực nghiệm. Phòng thí nghiệm vật lý nâng cao của khoa có nhập về nhiều bộ thí nghiệm mới với kỹ thuật hiện đại nhưng vẫn chưa triển khai sử dụng nhiều. Do đó, em quyết định chọn thí nghiệm “Đo từ trường Trái đất” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình. Luận văn ngoài phần mở đầu và phần kết luận còn có các chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết. Chương 2: Giới thiệu dụng cụ. Chương 3: Kết quả thí nghiệm. Luận văn được thực hiện từ khoảng tháng 11/2011 đến tháng 4/2012. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài: - Xác định các thành phần của từ trường Trái đất từ đó tính từ trường tổng hợp. - Xác định độ chính xác của thí nghiệm cũng như khả năng ứng dụng vào thực tiễn của thí nghiệm. - Rèn luyện kỹ năng thực hành, nâng cao khả năng hiểu biết một số thiết bị thí nghiệm hiện đại. 3. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bộ thí nghiệm đo từ trường Trái đất, phương pháp đo và cách xử lý số liệu bằng phần mềm CASSY Lab. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu: - Tìm hiểu từ trường Trái đất về đặc điểm, nguồn gốc và vai trò của nó trong đời sống, kỹ thuật và trong các khoa học về Trái đất. - Tìm hiểu những thành tựu trong đo đạc từ trường Trái đất trên thế giới và ở Việt Nam. - Tìm hiểu các thiết bị làm thí nghiệm, cách cài đặt và sử dụng phần mềm CASSY Lab. - Tiến hành đo các thành phần của từ trường Trái đất tại nhiều vị trí trong phòng thí nghiệm Vật lý nâng cao nhằm tìm ra phương pháp đạt hiệu quả cao nhất. - Ghi nhận, xử lý số liệu và biểu diễn kết quả. - Phân tích, đánh giá kết quả. 5. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết: tra cứu, tìm tài liệu, giáo trình, sách báo, trang Web - Nghiên cứu thực nghiệm: lắp ráp thí nghiệm, tiến hành đo đạc và dùng phần - Phương pháp tổng hợp, phân tích: Sau khi xử lý số liệu, phân tích kết quả, trên internet có nội dung liên quan đến đề tài. mềm để ghi nhận và xử lý số liệu, biểu diễn số liệu đo đạc. rút ra nhận xét và đi đến kết luận chung nhằm tìm ra phương án tối ưu nhất. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu: - Kết quả thí nghiệm là cách minh họa sinh động cho những hiểu biết về lý thuyết trường địa từ. Rèn luyện khả năng tự nghiên cứu, tìm tài liệu và phân tích tài liệu. - Đánh giá được cấp chính xác của bộ dụng cụ thí nghiệm và của các phương - Triển khai được một thí nghiệm thuộc lĩnh vực điện từ cho sinh viên khoa pháp đo. Vật lý - trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh. TỔNG QUAN Người ta đã biết về từ trường Trái đất từ rất sớm. Nhà vật lý hoàng gia thời nữ hoàng Elizabeth I, William Gilbert, người đầu tiên quan sát các hiện tượng từ một cách có hệ thống, vào năm 1600 đã kết luận rằng Trái đất là một nam châm khổng lồ. Vào thời kỳ mạo hiểm khám phá đại dương và đi biển phiêu lưu này, việc phát hiện ra từ trường Trái đất là một phát hiện thực tiễn có tầm quan trọng bậc nhất. Vì có những ứng dụng thực tiễn trong hàng hải, liên lạc và thăm dò nên từ trường Trái đất được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều năm. Việc nghiên cứu trường địa từ đòi hỏi cùng lúc phải tiến hành quan trắc các quá trình vật lý không những trên mặt đất mà cả bên trong và bên ngoài Trái đất nữa. Trong khi đó, số lượng các vị trí được quan trắc là không đáng kể so với diện tích bề mặt Trái đất. Số lượng các đài quan trắc địa từ trên toàn cầu mới đạt tới 180 mà chủ yếu nằm ở châu Âu và ở Mỹ. Đặc biệt là để quan trắc địa từ trên biển chỉ có thể bố trí các đài, trạm quan trắc trên các đảo cách nhau hàng nghìn km. Hơn nữa, mỗi nước lại chỉ tiến hành quan trắc trên lãnh thổ nước mình và nhiều khi không có cơ hội sử dụng kết quả nghiên cứu tương tự của nước láng giềng. Do vậy đã xuất hiện nhu cầu tập hợp lực lượng các nhà khoa học nghiên cứu Vật lý địa cầu trên toàn thế giới, cùng tiến hành nghiên cứu theo một chương trình, với cùng một phương pháp và kết quả thu được là tài sản chung của nhân loại, để các chuyên gia cùng xử lý. Ở nước ta, các nghiên cứu và ứng dụng trường địa từ mới chủ yếu được tiến hành khoảng một nửa thế kỷ nay. Nhờ sự giúp đỡ hết sức tận tình của Viện Vật lý địa cầu Ba Lan, nước ta đã xây dựng được đài Vật lý địa cầu Sa Pa, đài Vật lý địa cầu Phủ Liễn với các hạng mục quan trắc là địa từ, địa chấn, điện khí quyển và khí tượng. Có thể nói là nghiên cứu địa từ tại Việt Nam bắt đầu từ năm Vật lý địa cầu quốc tế 1957. Hòa vào xu hướng của nhân loại trong việc khám phá thế giới, chinh phục vũ trụ, nhà nước ta quan tâm đến việc cung cấp những kiến thức về khoa học trái đất và vũ trụ cho học sinh. Hiện tại, trong chương trình lớp 11 (sách giáo khoa mới xuất bản lần đầu vào năm 2007), có trình bày một số khái niệm liên quan đến từ trường Trái đất nhằm giúp cho học sinh những kiến thức tổng quát về trường địa từ. Ngoài ra, còn có một bài thực hành xác định thành phần nằm ngang của từ trường Trái đất. Thí nghiệm này sử dụng các thiết bị đơn giản và việc tính toán, xử lý số liệu cũng khá dễ dàng phù hợp với học sinh trung học phổ thông. Mặc dù đã đưa ra phương pháp phù hợp để sai số tỉ đối của thí nghiệm là nhỏ nhất song vẫn còn nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến phép đo gây sai lệch kết quả. Chẳng hạn như việc điều chỉnh la bàn tang sao cho mặt thước đo góc thật sự nằm ngang, việc giữ nguyên vị trí la bàn trong suốt quá trình thí nghiệm là một điều khó thực hiện. Ngoài ra chiết áp điện tử rất nhạy đòi hỏi sự kỹ lưỡng cao của học sinh trong lúc làm thí nghiệm. Với sinh viên sư phạm ngành vật lý, cần có những thí nghiệm với độ chính xác cao hơn và còn có thể giúp cho sinh viên phát triển những kỹ năng cao hơn trong việc tiếp cận các thiết bị thí nghiệm hiện đại đã được ứng dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm trên thế giới. Và thí nghiệm đo từ trường Trái đất với phần mềm CASSY là một thử nghiệm phù hợp. CHƯƠNG 1: TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 1.1. Trường địa từ: 1.1.1. Sơ lược về lịch sử phát hiện: Trường địa từ hay từ trường Trái đất được biết đến từ rất sớm. Hiện nay tại bảo tàng các sáng chế cổ của Học viện Smith về lịch sử khoa học tại London vẫn còn giữ lại được chiếc la bàn hình thìa đầu tiên trên thế giới, do người Trung hoa chế ra vào khoảng năm 220 trước Công nguyên. Chiếc la bàn hình thìa được làm bằng quặng macnetit luôn chỉ hướng Nam quay trên một đĩa bằng đồng gọi là đĩa vũ trụ và được đặt trên chiếc bàn gỗ tượng trưng cho Trái đất (Hình 1.1). Hình 1.1. Chiếc la bàn hình thìa do người Trung Hoa chế tạo. Từ cuối thế kỷ 15, la bàn đã được sử dụng để định hướng trong tất cả các cuộc hành trình vòng quanh thế giới. Tuy nhiên vào lúc đó người ta vẫn tin rằng la bàn luôn luôn chỉ đúng hướng Bắc địa lý. Sự lệch giữa hướng bắc từ với hướng Bắc địa lý- độ từ thiên chỉ được biết đến sau chuyến thám hiểm của Christophe Colomb tìm ra châu Mỹ: 3 chiếc thuyền của ông và đoàn thủy thủ xuất phát từ châu Âu đi theo hướng Tây bằng đường biển để tìm ra một cách đi mới đến Ấn Độ và Trung Hoa. Ông đã trang bị cho cả 3 chiếc thuyền dụng cụ định hướng là chiếc la bàn. Nhưng đến giữa đường thì bỗng dưng cả 3 chiếc la bàn đều không còn chỉ về phương Bắc nữa mà lệch đi tới 6-7o, nếu đem so với việc định hướng bằng sao Bắc đẩu vào ban đêm. Thủy thủ và sĩ quan trên tàu hoang mang đòi quay về. Christophe Colomb phải trấn an họ bằng cách bí mật điều chỉnh hướng đi của tàu. Nhưng rồi sự việc bại lộ. Các thuyền viên nghi ngờ về mục tiêu của nhà thám hiểm vĩ đại này, họ cho rằng ông có những toan tính riêng. Ông đã phải giải thích rằng, vì sao Bắc đẩu đang di chuyển vị trí nên kim la bàn hơi lệch khỏi phương BắcNam địa lý. Khi Colomb khám phá ra châu Mỹ (nhưng lúc đó ông vẫn tin là thuộc đất Ấn Độ) thì kỳ lạ thay, kim la bàn lại chỉ về đúng hướng Bắc thực. Chính vì độ từ thiên thay đổi khác nhau trên mặt đất, nên đã gây ra nỗi kinh hoàng cho sĩ quan và thủy thủ của Christophe Colomb. Hình 1.2. William Gilbert (1544-1603)- tác giả cuốn “De Magnet”. Ngành khoa học về địa từ chỉ ra đời năm 1600 khi William Gilbert, nhà vật lý hoàng gia thời nữ hoàng Elizabeth I, xuất bản cuốn sách De Magnete. Trong cuốn sách này lần đầu tiên, W. Gilbert chỉ ra rằng về thực chất, Trái đất là một chiếc nam châm khổng lồ. Ông đã đưa ra giả thuyết cho rằng Trái đất là một quả cầu nhiễm từ đồng nhất, nguồn gốc và đặc điểm nhiễm từ của Trái đất nằm chính trong bản thân nó. Nếu ta giả thiết rằng momen từ tập trung ở trong một chiếc nam châm nằm cách tâm Trái đất khoảng 400 km thì hướng của chiếc nam châm này tạo với trục quay của Trái đất một góc khoảng 11,5o. Trường do nam châm tạo nên gọi là trường lưỡng cực. Cực từ của bán cầu Bắc nằm cách cực địa lý 1900 km. Góc lệch giữa kinh tuyến địa lý và kinh tuyến từ do kim la bàn chỉ gọi là góc từ thiên. Chúng ta có thể hình dung ra các đường sức không nhìn thấy của trường địa từ như hình 1.3 nếu tưởng tượng rằng Trái đất có một thanh nam châm trong lòng của nó và hướng từ Bắc xuống Nam. Hình 1.3. Trường lưỡng cực của Trái đất. 1.1.2. Đặc điểm: 1.1.2.1. Các thành phần của trường địa từ: Trường lưỡng cực thể hiện gần đúng nhất từ thực của Trái đất. Hiện tại, trục lưỡng cực tạo với trục địa lý một góc 11,5o. Cũng như mọi trường vector khác, các đại lượng quan tâm là độ lớn và hướng của trường tại các điểm khác nhau trên mặt đất và không gian xung quanh. Khi treo một kim nam châm bằng một sợi dây để nó có thể quay theo bất cứ hướng nào, kim nam châm sẽ nằm song song với đường sức địa phương của trường địa từ và chỉ về hướng Bắc. Trường địa từ được mô tả bằng các tham số sau (xem hình 1.4): hướng Bắc (địa lý) X D I Z H Y hướng Đông hướng vào tâm Trái đất F F – Cường độ toàn phần D – Độ từ thiên I – Độ từ khuynh H – Thành phần nằm ngang Z – Thành phần thẳng đứng Hình 1.4. Các thành phần của trường địa từ.  Tham số mô tả hướng của trường địa từ:  Độ từ thiên D: góc giữa phương Bắc từ và phương Bắc địa lý. + Góc D được tạo thành giữa kinh tuyến địa lý (hướng Bắc) và thành phần nằm ngang H của vector trường toàn phần F.