基于Phyphox软件测量地磁场的一种普适性方法_陈佳琳.pdf

D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-5 3 3 7.2 0 2 3.3.0 6 1*收稿日期:2 0 2 2-0 3-1 0基金项目:国家自然科学基金(5 2 1 0 2 0 0 5).通信作者:王端良,男,1 9 8 6-,博士,副教授;研究方向:光电功能晶体的生长与物性研究;E-m a i l:w d l i a n g 0 1 21 6 3.c o m.基于P h y p h o x软件测量地磁场的一种普适性方法*陈佳琳,侯若贤,申传英,王端良(曲阜师范大学物理工程学院,2 7 3 1 6 5,山东省曲阜市)摘要:通过对地磁场矢量进行分解,提出运用手机P h y p h o x软件测量地磁场的一种普适性方法.该方法原理简单且易于操作,可用于实验教学,鼓励学生利用日常工具来解决物理问题,培养学生物理学科核心素养和发展创新意识.同时,该方法也可在导航、探矿等地磁场应用领域进行粗略的地磁场测量.关键词:P h y p h o x软件;地磁场;矢量分解;普适性方法中图分类号:O 4-3 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-5 3 3 7(2 0 2 3)0 3-0 0 6 1-0 40 引 言随着科技的不断发展,智能手机已经普及,且功能也越来越强大.手机的功能已经从最初的通信功能逐步演变为集拍照、支付、定位、娱乐、人工智能等多种功能于一体的智能设备.智能手机的内部装有例如加速度、磁场、红外、声音等多种传感器,而名为P h y p h o x的A P P就是充分利用手机上内置的多种传感器来进行力、声、光、磁等相关物理量的测试,可以说是一个可以随身携带的小型物理实验室.地磁场作为一种天然磁源1,2,在固体地球物理学、地质和地球物理勘探的等领域中起着重要的作用.对于地磁场的测量,主要有利用磁阻传 感器3、光磁共振法4、正切电流计5、电子自旋 共振6和亥姆霍兹磁场测定仪7等测量方法,这些测量方法适用于精度要求较高的军事、航空、航海、医学、探矿等高精尖领域中,操作较为复杂且原理不易理解,适用于具有丰富物理知识储备的物理学方面的读者.在本文中,我们提出一种地磁场测量的普适性方法,不需要实验者及参与者具有深厚的物理储备,即利用智能手机P h y p h o x软件进行测量,简化实验操作步骤的同时具有一定的可信度和准确度,激发了学生学习物理的兴趣和热情,培养学生物理学科核心素养和发展创新意识.1 地磁场特点地磁场是一种天然磁源,在生物圈中具有重要的作用,能够有效屏蔽来自太空中的宇宙射线,使得地球上的生物免受伤害,同时,在航海、探险以及科学考察中有很重要的意义8.地磁场是存在于地球内部以及周围的矢量场.在一定情况下,我们可以将地球看作是一个磁偶极子,地球两极的磁场强度最大 为1 0-4T,在 地 面 上 的 平 均 磁 场 强 度 约0.31 0-40.71 0-4T,内部以及外部有很多磁力线,地球磁场北极N处于地理南极附近,磁场南极S处于地理北极附近,通过2个磁极的假想直线(磁轴)与地球的自转轴不重合,存在磁偏角.2 实验原理2.1 地磁场不同地理位置的地磁场大小及方向均不同,为测量所在位置地磁场的大小和方向,需要将地磁场矢量B在X-Y-Z空间内进行矢量分解,则可以分解为在X O Y平面内的分量B(水平分量)以及在Y O Z平面内的分量B(竖直分量)9,矢量分解如图1所示.具体关系为:第4 9卷 第3期2 0 2 3年7月 曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t y V o l.4 9 N o.3J u l y2 0 2 3|B|=|B|2+|B|2,(1)|B|=|Bx|2+|By|2.(2)地磁场矢量B和水平面X O Y面之间的夹角称为磁倾角,可用B与地磁场在X O Y平面内的分量B之间的夹角来表示1 0-1 1,=a r c t a n|B|B|.(3)图1 地磁场磁感应强度矢量分解2.2 测量原理手机P h y p h o x软件具有磁力计功能,该磁力计功能可以分别测量沿X,Y,Z3个方向的磁场大小.首先确定在手机上X,Y,Z各轴的位置,平行于手机平面的短边方向为X轴,平行于手机平面的长边方向为Y轴,垂直于手机平面方向为Z轴.在X O Y平面内测量地磁场水平分量B,在Y O Z平面内测量地磁场竖直分量B.当绕Z轴,在X O Y平面内旋转手机时,理论上X轴与Y轴的磁场大小应该具有类似正弦函数式图像.通过数据图像,可以得到在X O Y平面内测量到的磁场峰值|B|p和谷值|B|v.例如,当Y轴磁场达到峰值时,X轴磁场大小将基本趋于0,此时Y轴的峰值对应的矢量就是磁场的水平分量B;反之,当Y轴磁场达到谷值时,X轴磁场大小也将趋于0,此时Y轴的谷值对应的矢量就是磁场的水平分量B的反向矢量,磁场的水平分量大小|B|=(|B|p+|B|v)2.(4)同理,当绕X轴,在Y O Z平面内旋转手机时,得到在该平 面测量到的 磁场峰 值|B|p和 谷 值|B|v,磁场的竖直分量大小|B|=(|B|p+|B|v)2.(5)图2(a)和(b)分别展示的是在X O Y平面和Y O Z平面内旋转手机所得磁场的数据图像.图2(a)在X O Y平面内旋转所得磁场图像(b)在Y O Z平面内旋转所得磁场图像3 实验步骤(1)为减小周围环境的磁场干扰,尽量选择比较空旷且没有其他磁场因素影响的地方组装好实验器材,放置手机.为了得到地磁场磁感应强度的水平分量和竖直分量,在实验过程中需要多方向、多角度旋转手机,因此实验中采用手机支架支撑手机,其中支架上部可灵活旋转手机.(2)磁力计的校准:利用手机自带的水平仪将手机放置水平,然后打开智能手机P h y p h o x软件的磁力计功能,进行手机磁力计的校准.具体步骤为:打开磁力计,选择“使用已校准的磁力计”功能.(3)测量地磁场的水平分量:点击开始实验按钮,在X O Y平面内顺时针或逆时针旋转水平放置的手机.在X O Y面旋转35圈之后,停止实验,放大实验数据图像,读取数据,得到磁场在水平方向(X或者Y)的峰值|B|p和谷值|B|v,其分别对应着手机的短边或者长边旋转至南北方向时测得的磁场大小,然后代入式(4),算出水平方向磁场分量|B|,重复3次,计算得到平均值|B|.(4)测量地磁场的竖直分量:绕X轴,在Y O Z面上旋转手机,重复(3)中操作,记录磁场在竖直方向(Y或者Z)的峰值|B|p和谷值|B|v,代入式(5)得到磁场的竖直分量|B|,重复3次,计算得到平均值|B|.(5)将步骤(3)和(4)得到的磁场的水平分量平均值|B|和竖直分量平均值|B|代入式(1),计算实验者所在位置的地磁场的大小,代入式(3)得到磁倾角的大小.26 曲阜师范大学学报(自然科学版)2 0 2 3年(6)查询所在位置的经纬度以及地磁场大小和磁倾角,对实验数据进行误差分析.4 实验数据、结果与讨论4.1 实验数据图测量之后,利用P h y p h o x软件导出数据,再借助O r i g i n软件进行拟合作图,图3和图4分别展示的是在X O Y面以及Y O Z面的某一次数据图.如图3所示,在X O Y平面内测量时,当Y轴磁场达到峰值和谷值时,X轴磁场大小将基本趋于0,整体上Z轴的数值基本不变;同理,如图4所示,在Y O Z平面内测量时,当Y轴磁场达到峰值和谷值时,Z轴磁场大小将基本趋于0,整体上X轴的数值基本不变.图3 X O Y面内测量数据图图4 Y O Z面内测量数据图4.2 实验结果把 表1的 数 据,代 入 公 式|B|=|B|in(n=3),得到地磁场磁感应强度的水平分量平均值|B|=2 9.5 3T.表1 地磁场的水平分量T次数|B|p|B|v|B|12 8.0 13 0.6 62 9.3 3 522 8.4 23 1.0 92 9.7 5 532 8.1 43 0.8 42 9.4 9 把 表2的 数 据,代 入 公 式|B|=|B|in(n=3),得地磁场磁感应强度的竖直分量平均值|B|=4 7.8 0T.表2 地磁场的竖直分量T次数|B|p|B|v|B|14 6.9 94 8.0 04 7.4 924 6.4 44 8.6 04 7.5 234 8.2 44 8.5 34 8.3 8 将地磁场水平分量|B|和地磁场竖直分量|B|代入式(1),计算出实验者所在位置的地磁场磁感应强度大小为|B|=5 6.1 9T.把表3的数据,代入=in(n=3)求得磁倾角的平均值=5 8.2 9 .表3 磁倾角次数|B|/T|B|/T/()14 7.4 92 9.3 3 55 8.3 024 7.5 22 9.7 5 55 7.9 334 8.3 82 9.4 95 8.6 44.3 实验结果讨论通过资料查询,所在位置为北纬3 5 3 54 8,东经1 1 6 5 92 8,地磁场磁感应强度大小约为|B真|=5 2.4 5 6 8T,磁倾角为真=5 3 5 6.将地磁场磁感应强度的测量值|B|以及真实值|B真|代入误差公式|B|-|B|真|B|真,得出所在位置地磁场磁感应强度的测量误差为7.1 2%;同理,将磁倾角的测量数据以及真实值真代入误差公式-真真,得到磁倾角的测量误差为8.8 3%.可认为,在一定误差范围允许的情况下,实验中地磁场磁感应强度的测量值符合所在位置济宁市曲阜市地区的地磁场磁感应强度值.4.4 实验误差分析在本实验中,误差存在的原因可能有:36第3期 陈佳琳,等:基于P h y p h o x软件测量地磁场的一种普适性方法 (1)地 磁 场 是 一 个 弱 磁 场,易 受 周 围 磁 场 干扰1 2.(2)在室内环境中,建筑结构对地磁场磁感应强度大小和磁倾角的测量产生一定影响1 3,1 4.(3)在X O Y面或Y O Z面进行旋转手机测量时,受到所用装置的影响,使得平面不平,例如在X O Y轴内旋转手机时,理论上Z轴数值应该基本保持不变,但是实际操作时,数据会有4T左右的浮动.(4)不同的手机对实验结果有一定影响.使用时间较长的手机的磁力计可能不灵敏,导致实验数据上的偏差1 5.5 结 论本测量方法是一种对地磁场测量的普适性方法,不需要实验者及参与者具有深厚的物理知识储备.旨在通过利用日常工具手机进行地磁场的测量,促进学生物理学科核心素养的培养和创新意识的发展,同时,鼓励学生利用生活中的常用工具来解决物理问题,激发学生的学习兴趣,且实验结果具有较高的准确度,所以在一定误差范围允许的情况下,本实验方法得到的地磁场磁感应强度的测量值符合地磁场磁感应强度的实际值,可以推广到高中物理教学中.参考文献:1赵钟伟.基于磁场信息的定位原理及应用D.杭州:浙江大学,2 0 1 4.2孙渊,张金生,王仕成,等.基于主磁场长期变化模型的地磁导 航 基 准 图 时 变 修 正 J.中 国 惯 性 技 术 学 报,2 0 1 1,1 9(5):5 4 3-5 4 8.3唐艳妮,赵云芳,李雪琴.磁阻传感器测量地磁场实验教学体会J.大学物理实验,2 0 1 9,3 2(2):9 4-9 7.4吴奕初,胡占成,刘海林,等.光磁共振实验测量地磁场方法的探究J.物理实验,2 0 1 6,3 6(4):1-6.5张开明.地磁场水平分量测量方法的探索J.太原师范学院学报(自然科学版),2 0 0 7,6(2):8 8-9 1.6苏学军,牟青,曹彪,等.电子自旋共振对地磁场的测量方法J.实验室研究与探索,2 0 1 3,3 2(1 0):4 4-4 7.7徐林超,向文丽.基于电磁感应法测量亥姆霍兹线圈磁场的改进J.大学物理,2 0 2 2,4 1(1):6 8-7 2.8孙保东,刘辉兰,谢肇阳,等.雾霾对宇宙射线背景剂量影响的模拟研究C/第一届全国辐射物理学术交流会(C R P S 2 0 1 4)论文集,2 0 1 4:1-1 0.9张霆,刘彩霞,李建设,等.地磁场测量及应用居家实验J.实验技术与管理,2 0 2 1