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目錄 活動五..使用指南針航行地球 2 使用一個簡單的指南針, 學生們以定量方法來了解地球的磁場 活動六 : 地磁一 : 極移 5 在地理位置上地球磁極的變化 數百年來, 這已是被地圖製造商所知曉的 學生學習這個變化, 並計算出磁極漂移的速率 活動七 : 遞減的磁場 8 學生研究過去 100 年的地磁, 測量並探討其變化 活動八 : 地磁二 : 磁反轉 11 地球的磁極每三十萬年左右會倒轉 這項活動可讓學生們分析磁力數據, 來探討這種現象 相關的網絡資源, 作為進一步探討 14 2
活動五 使用指南針航行地球老師的指南 幾百年來, 航海者在長時間的航海之旅後, 需要依賴指南針的方向來引導他們安全的返回港口 這些方向的一個微小改變, 即使是一度, 都可能造成額外幾百哩的航程, 或者在霧底下衝撞到致命的淺灘 指南針是指向地球磁場的方向 在西元 1600 年, 英國科學家 Gilbert 寫了一本叫做 De Magnete 的書, 解釋地球為何像是一個磁鐵 自從那時起, 地球是一個巨大的磁鐵的這個想法已經幾乎被當做理所當然, 這個認知也對商人 登山者 與科學家們有很大的幫助! 目的 1) 學生們將會學到如何使用指南針在他們的校園中的標地物上取得簡單的方位 2) 學生們將會體會到在方位上細微的不同會在計畫要去旅行的地方造成戲劇性的改變 素材 指南針可以在這裡找到.. http://www.rei.com http://www.ebrasingtons.co 步驟 要使用指南針, 水平地拿著指南針所以指針可以自由的移動 你面對著目的地或行動方向所以 航行方向 的箭頭指向它 你旋轉指南針的外殼, 使得指向箭頭重疊在指南針紅色部分的上方 ( 此紅色指南針指向磁北極 ) 然後沿著箭頭的紅線讀取度數 學生們可以將這個當成是一個遊戲 首先, 一位學生選是外的一個物體並查出它的方位 然後其他的學生根據第一個學生給他們的度數, 來猜測這個物體為何 第一位學生只能提供方位度數這個提示 註..如果你不知道如何使用指南針, 以下的導引網頁可以提供很好的參考 http://www.learn-orienteering.org/old/ 3
接下來是一個探索的課程, 學生們分組做答, 討論出一個方法使用指南針來確定磁暴是否在進行中 當有磁暴產生時學生們應該測試他們的方法數天以上, 以觀察是否成功 查看以下網頁上的磁暴刻度盤去了解是否有磁暴正在發生.. http://sprg.ssl.berkeley.edu/dst_index/ 然後讓學生們寫下他們的結果, 或與班上同學分享他們的發現 4
學生姓名 日期 使用指南針航行地球 指南針見上面的素描, 是人類最老的科技之一, 而這種科技測量看不見的地球磁場 航海已經使用了好幾百年的指南針, 學了相當的多關於他們如何作用以及地球的磁場是什麼樣子 這個活動將會用一個直接的方式讓你熟悉地球磁學 你的老師將會與你一起複習指南針最基本的使用方式, 使用上方典型的指南針圖來導正你的方向 A 部分..在你的校園裡, 不要讓任何人看見你, 讀取一個坐落在幾百碼遠的物體 ( 樹 建築物 汽車, 等等的方位 ) 以 度數 記下方位, 並在底下的盒子中寫下答案.. 發下這張紙給你的同學要求他們站在原先你站過的那一點, 並使用你寫下的方位去找出你先前選的物體 別選一個讓他們太簡容易去找到孤立的物體! B 部分..在 磁暴 期間, 方位的讀數可能會忽然間改變 5 度以上 與同伴一起發展一個用指南針來測定磁暴是否發出的方法 寫下你的想法 做數天以上的測試, 以你用磁暴刻度盤的結果以下的網頁 http://sprg.ssl.berkeley.edu/dst_index/ 做一些比較. 寫下你的方法是否成功的量出磁暴 5
活動六 地磁學 I..極移老師的指南 在前面的練習中, 學生們已經知道該如何操做指南針, 以及它是如何依賴它永遠指向同一方向的事實 ( 磁北極 ) 為了計算出 方位 這個練習將介紹給學生們一個觀念..我們的磁極在空間中與時間上都不是固定的 自從 1700 年代起, 地圖製造商已經知道, 海港的方位以及其他的地標每十年就可能改變, 所以地圖常常需要從新繪製來反應新的方位 地質學家稱這種現象為 極移 底下的圖在說明自公元 1600 年起磁北極如何移動 ( 來自 http://geo.phys.uit.no/articl/roadto.html) 目的 1) 學生們將會知道地球的磁場在空間中或時間上不是固定不變的 2) 學生們將會認識地球的磁極如何以複雜的方式隨時間移動 3) 學生們將會解開些方程式, 展現出以上的變化速度不是固定的 材料 自公元 1600 年開始磁北極的運動 細繩或電線 步驟 要求學生們研究這張圖片, 並回答數個在北半球磁極運動的距離與速度大小的問題 為了測量磁極移動的距離 ( 沿著時間的軌跡 ), 要求學生使用一小段的線沿著軌跡鋪設, 然後以公分為單位來測量軌跡的長度 圖片的比例大小是 163 公里 / 公分, 所以學生可以將此比例大小乘以線的長度, 然後計算軌跡的長度來回答問題 學生們還需要計算在地圖上年份之間磁極移運動的速度 此計算可以藉由將軌跡長度除以需要時間來得出 6
若用金屬線取代細繩, 測量精確度可以提升到最接近的毫米 將學生分成三或四人為一小組, 組員們輪流測量軌跡長度, 並以公分為單位 要求每一組平均他們的答案來回答回報測量的數值 也可以平均所有小組的答案, 然後獲得一個班級的平均值 這種做法可以引導出有效位數的討論 你還可以從所有的測量來計算標準偏差值, 告訴學生如何判斷的測量的好壞 老師用的解答 1) 從公元 1600 年到 2000 年, 磁極移動的總距離是多少? 答..大約 13.5 公分 x 163 公里 = 2,200 公里 2) 平均的移動速度從公元 1600 年到 2000, 磁極是多少? 答..速度 = 2,200 公里 /400 年 = 5.5 公里 / 年 詢問學生的問題..最可能看到極光的地方是在以磁極為中心, 半徑 800 公里 假設磁極會以現在的速度繼續移動, 探討在今後 100 年內, 極光的觀測將如何改變 答 : 學生將會發現磁極將移動到西伯利亞, 而極光橢圓在大約 2050 年時將不再籠罩加拿大, 導致北美地區將不再看到那麼頻繁地看到極光 7
學生姓名 日期 地磁學 I..極移 地球對著一個穿越它的中心軸自轉 這個軸也穿過地理上的北極與南極 地磁的南北極與地理上的南北極是不一樣的 事實上, 地磁的強度和磁極的位子是隨時間而變化的 上面的圖是顯示出磁極在北球過去 400 年中的變化, 上途中的尺吋比例大約是一公分代表 163 公里 1 ) 從公元 1600 年至公元 2000 年, 磁極移動的總距離是多少? 2 ) 從公元 1600 年至公元 2000 年, 磁極的平均移動速度是多少? 詢問學生的問題..最可能看到極光的地方是在以磁極為中心, 半徑 800 公里 假設磁極會以現在的速度繼續移動, 探討在今後 100 年內, 極光的觀測將如何 改變 8
活動七 遞減的磁場 老師的指南 目標 1 ) 學生們將解析地球磁場的強度如何下降 2 ) 學生們將預測假如地球磁場暫時消失將會產生什麼影響 從大約 1840 年以來, 地球磁場已連續地測量至今 如果我們看一下這段時間磁場強度的趨勢 ( 例如圖中所示的偶極矩 ), 我們可以看見一個下降的趨勢的確, 根據這種趨勢朝未來推測, 偶極矩會在 1500-1600 後下降到零 ( 圖片來自 http://www geomag.bgs.ac.uk / reversals.html ) 步驟 在這個活動中, 學生們將分析一個由最近地磁測量所做成的圖, 以推測地球磁 場的強度何時會下降到零 ( 屆時可能觸發下一個地磁反轉 ) 單位是 10 22 安培 x 2 公尺的倍數 註 : 這個活動讓學生們計算資料圖上曲線的斜率 複習斜率的定義 還要確定 學生們理解斜率有混合的單位 ( 例如, 英里 / 每小時 ) 一條連接 A 點和 B 點的 線的斜率是將兩點間的垂直距離除以水平距離.. 斜率 = Vb Va Hb - Ha ( V 是縱軸和 H 是橫軸 ) 學生們將需要在曲線上選擇兩個點, 並決定它們在磁場強度 (B) 極年份得差異這需要一把尺和讀出在縱軸及橫軸上的數值 最簡單的方法是選出像 1900 和 2000 的兩年, 然後決定各年對應的 B 值 將 B 值的差異除以 100 年便可得到斜率 9
老師用的解答 問題 1 在 1900 年和 2000 年之間, 磁場的強度改變了多少? 答案 從大約 8.32 至 7.79, 差異為 0.53 這也等於從 1900 年的初始職後下降了 (0.53/8.32) 100%=6.4% 問題 2 磁場每年的變動率百分點? 答案 跌幅為每 100 年 0.53 單位, 或每年 0.0053 單位 以百分比來算, 一個世紀跌 6.4%, 或每年 0.064% 問題 3 根據你在問題 2 的回答, 從現在開始需要多少年磁場的強度會減少到零? 答案 它必須另外 7.79 單位, 並且斜率為每年 0.0053 單位, 所以將要花費 (7.79/0.0053)= 一千四百六十九年 學生們也可以使用尺來重新標繪此圖, 以 線性外插法 延伸連接 1900 年到 2000 年的線到未來的一千四百六十九年 問題 4 哪一年磁場的強度會下降達到零? 答案 2000 + 1469 = 公元 3469 年 詢問學生的問題 當地球的磁場暫時消失幾十年或幾百年時, 你認為將會有什麼影響? 答案 再也沒有壯觀的北極光 也不再有磁暴 進入大氣層的宇宙射線將會更強 太陽風可能會穿透到高層大氣和造成更加的暖化 一些動物可能遇到導航的問題 沒有人會死亡, 轉換的極將保持不變 地 磁 探 索 10
學生姓名 日期 遞減的磁場 地球磁場的強度正在遞減 一些科學家認為, 實際上地磁可能會在不久的將來, 被一個逐漸增強但有相反磁極的磁場取代 - 這種現象稱為磁逆轉 上方的圖表顯示 1900 年以來測量到的地球磁場強度 ( 以 10 22 2 安培 x 公尺為單位 ) 問題 1 在 1900 年和 2000 年之間, 磁場的強度改變了多少? 問題 2 磁場每年的變動率百分點? 問題 3 根據你在問題 2 的回答, 從現在開始需要多少年磁場的強度會減少到零? 問題 4 哪一年磁場的強度會下降達到零? 詢問學生的問題 當地球的磁場暫時消失幾十年或幾百年時, 你認為將會有什麼影響? 11
活動八 地磁 : 地磁反轉 老師的指南 地球的磁場, 事實上, 每三十萬年左右兩極會互相顛倒 目前南磁極是在北半球的加拿大北部 指南針標有 N 的針頭實際上是一個北性的磁極, 會被磁南極的南性磁極所吸引 大約八十萬年前, 地球的磁北極是位在我們的北極地區 下方的圖顯示, 在過去的八十萬年間, 有許多次地球磁場的強度落到此目前的值 (8.0 x 10 22 安培 x 公尺 2 ) 的 50% 還低 上次磁場逆轉的期間是發生在七十八萬年前,B 的值幾乎下降到零 此外, 磁場的變化非常的快速 在我們的未來是否有磁極逆轉? 似乎很有可能, 但準確地預測它何時發生是一件幾乎不可能的事 目標 1 ) 學生將認識到地球磁場強度在過去的八十萬年間如何改變 2 ) 學生將預測何時地球磁場會降到零 材料 方格紙 步驟 在這次活動中, 學生們將畫出地球磁場在過去八十萬年的改變, 及探索關於過去的磁場變化和未來磁性逆轉之類重要問題的答案 在這個課題中, 學生用的列表數據及上圖中的資是來自 Yohan Guyodo 和 Jean - Pierre 發表在 1999 年 5 月 20 日自然雜誌裡 (249-252 頁的文章中 ) 註: 在上圖中磁偶極強度的單位 (B) 是 10 22 安培 x 公尺 2 虛線代表一個大致上最低的磁場當磁場反轉不容易發生 12
學生姓名 日期地磁 Ⅱ: 地磁反轉 地質學家們已測量出幾千年來的地球磁場的強度這些測量是靠著在世界各地的化石遺跡, 這些採樣的年份可以被準確的定出 這些測量如下表所示 在此磁偶極強度的單位 10 22 安培 x 公尺 2 現今( 時間 = 0.0) 的磁場強度值為 8.0 x 10 22 安培 x 公尺 2 時間 欄是指距今多少千年之前, 強度是指磁場的強度 例如, 表中第一行的 20 是指兩萬年前, 而當時的強度為 12.0 x 10 22 安培 x 公 尺 2 使用下表製作一個時間 ( 以 年 表示 ) 與磁場強度圖 記得標示你的 X 軸和 Y 軸以及其單位 從以上列表的數據, 回答下列問題 : 1. 磁場強度的範圍是如何? 2. 磁場強度的平均值多少? 3. 磁場的強度有多少次是低於 8.0 x10 22 安培 x 公尺 4. 最後一次磁場強度達到目前值的 1/3 是在何時? 5. 最後一次磁場強度接近零是在何時? 6. 在過去的八十萬年裡, 何時磁場強度改變最快? 2 值的 1/2? 詢問學生的問題 : 你認為磁場強度是否真的會達到零? 使用繪製的數據, 解釋 你的推理 13
老師使用的解答 ( 學生們的圖看起來應該像是第 6 頁中的圖一樣 ) 1. 磁場強度的範圍是如何? 答 :[0.5,12.0] 範圍 =12.0-0.5=5.11x10 22 安培 x 公尺 2. 磁場強度的平均值多少? 答 : 將全部 40 個強度值加在一起再除以 40, 四捨五入之後會得到 5.7x10 22 安培 x 公尺 2 3. 磁場的強度有多少次是低於 8.0 x10 22 安培 x 公尺 2 2 值的 1/2? 答 : 一半的強度是 4.0 單位, 因此在期間有 7 次 : 四萬 ; 十萬 ; 十八 萬 ; 五十四萬 ; 六十八萬七十八萬以及八十萬年前 4. 最後一次磁場強度達到目前值的 1/3 是在何時? 答 : 三分之一的強度相當於 2.6 10 22 安培 x 公尺 到此強度是在十八萬年前 5. 最後一次磁場強度接近零是在何時? 答 : 七十八萬年前 6. 在過去的八十萬年裡, 何時磁場強度改變最快? 2 的 最後一次降 答 : 學生必須尋找磁場在最短的時間有最大的強度改變 在四萬年 前與兩萬年前之間, 強度的改變從 3.2 到 12.0 x10 22 安培 x 公尺在二萬年裡它改變了 12.0-3.2=8.8x10 22 安培 x 公尺 2 相比之下, 最後的地磁逆轉在七十六萬與七十八萬年前之間, 此二萬年裡的變 化是 6.5 0.5=6.0x10 22 安培 x 公尺 7. 詢問學生的問題 : 你認為磁場強度是否真的會達到零? 使用繪製的數 據, 解釋你的推理 答 : 從以上數據, 學生們可能會得出這樣的結論 : 磁場的強度增加 和減少了許多次, 而它很難得接近於零 它可能只是繼續下降幾個世 紀, 然後就和之前一樣地開始再次增加 然而, 上一次它像近似萬年 2 所做迅速的改變, 就是七十八萬年前的地磁反轉! 2 ` 14
美國太空總署提供的相關資訊 : 關於地球磁場的常見問題 : http://image.gsfc.nasa.gov/poetry/ask/amag.html 探索磁學 : http://image.gsfc.nasa.gov/poetry/magnetism/magnetism.html : http://image.gsfc.nasa.gov/poetry/magbook.html 磁層系.. http://image.gsfc.nasa.gov/poetry/tour/aaamag.html 其他的資源.. 這個加拿大的網站討論磁北極的位置.. http://www.mala.bc.ca/~earles/polar-wander-jan00.html 這個網站討論磁極移動大陸飄移的變化 ( 這往往會混淆正在學習地球科學的學生, 因為他們可能會覺得地磁移動與大陸飄移有關 ) 區分磁力場飄移和相對大陸的位子是一個重要的觀念 http://www.mq.edu.au/scienceresearch/lackie.html 公共電視網的諾瓦特別節目 磁暴 是一個向學生介紹地球磁場變化的良好教 材 http://www.pbs.org/wgbh/nova/magnetic/ 15