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高中物理“地磁场”教学要点

时间:2013-11-4栏目:物理论文

  高中物理“地磁场”教学要点
  
  文/门道颖
  
  摘 要:高中地磁知识是高考中经常出现的一类题目,从六个方面对高中地磁教学展开了详细的阐述。
  
  关键词:高中地理;地磁教学;关键点
  
  高中物理教材中对地磁场的描述只有一段话和一个插图,但是却是平时和高考中经常出现的一类题目,笔者认为对地磁场的教学应从以下几个方面去给学生进行讲述。
  
  一、地球磁场分布和条形磁铁外部磁场非常相近
  
  地磁场的N极在地理南极附近,而地磁场的S极在地理北极附近。但二者有一个微小的偏角,叫磁偏角。在两极附近地磁场方向竖直方向,磁性最强。在赤道上方是水平方向,在南半球和北半球有两个分量:一个是水平分量,一个是竖直分量,磁性较弱。在地面附近的磁感应强度大约只有5×10-5T,而一般的永久磁体附近的磁感应强度可达0.4~0.7T。对地磁场形状和分布必须熟练掌握和应用。
  
  二、地磁场的起源问题
  
  人类很早就提出了地磁场的起源问题,为解释这个问题,历史上曾先后提出过许多观点。目前,较为成熟的是磁流体发电机学说。1945年,物理学家埃尔萨塞根据磁流体发电机的原理,认为当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动,像磁流体发电机一样产生电流,电流的磁场又使原来的弱磁场增强,这样外地核物质与磁场相互作用,使原来的弱磁场不断加强。由于摩擦生热的消耗,磁场增加到一定程度就稳定下来,形成了现在的地磁场。而最初的微弱磁场可能来自核内化学不均匀性形成的电磁,从而产生的弱电流。还有一种是地心的岩浆出现旋转滚动产生地磁场。由于磁流体学说能够解释较多地磁现象,受到人们重视,但地球内部构造复杂,有待进一步验证。总之,地磁起源问题目前仍处于不断发展和深入研究的阶段,此问题在2011年新课标高考中出现了选择题。
  
  三、对宇宙射线的作用
  
  地磁场并不强,但对于地球上的各种生命来说,却显得非常重要。这个“超巨”的地磁场,对地球形成了一个“保护盾”,减少了来自太空的宇宙射线的侵袭,地球上生物才得以生存生长。如果没有了这个保护盾,外来的宇宙射线将把最初出现在地球上的生命幼苗全部杀死,根本无法在地球上生存。在地球南北极附近或高纬度地区,有时在晚上会看到一种神奇的灿烂美丽的彩色光带——极光。直到20世纪末,人造卫星和宇宙探测器的应用使人们了解到地磁场分布的特点,才解开了极光之谜。原来当太阳辐射出的带电粒子进入地磁场后,由于受到洛伦兹力的作用,带电粒子沿地磁场的磁感线做螺旋线运动,最终会落到地球两极上空的大气层中,使大气层中的分子电离发光。由于在可见光波段受激的氧原子能发出绿光和红光;电离了的氮分子发射紫色光、蓝色光以及深红色光。因此,通常肉眼看到的极光是绿色、蓝色并带有粉红色或红色的边缘。在考试中能根据带电粒子运动方向和地磁场方向判断粒子在洛伦磁力作用下偏转方向。
  
  四、地磁场对大气的作用
  
  在雷雨季节,雷电会使空气中的离子数大幅度增加,由于潮湿的空气有弱导电能力,流动的空气在地磁场作用下,相当于弱导电体在磁场中运动。如果存在切割磁感线的上、下、东、西方向的运动则会产生电势差,电势差随正负极间距的增大而增大。而空气流动的宽度往往是很大的,因此电势差也很大。大到一定程度则会使两极空气电离,离子数大大增加,从而对人的健康影响也较大
  
  五、地磁场对生物活动的影响
  
  研究人员发现,像海龟、鲸鱼、候鸟、有些鱼和瞎鼠等众多迁徙动物均能凭借地磁场走南闯北,每年可旅行几千千米,中途往往还要经过汪洋大海。此外,有的动物还能利用磁倾角帮助自己测定精确的位置。比如,生物学家发现,笨拙的海龟就能使用“磁倾角罗盘”。幼龟在佛罗里达沿岸出壳后,随即游人大海。它们在大西洋生活多年。直到长成才回到出生时的岸边去交配和巢居。在返回过程中,要是离开正道过于偏南或偏北,便难免冻死途中。多亏了“磁倾角罗盘”,海龟才得以走在正道上,准确地回到故乡。
  
  六、探测地磁场的大小和方向
  
  地磁场虽然很弱,除了指南针指向南北的事实外,人们几乎感觉不到地磁场的存在。事实上,我们完全可以利用课本学到的知识探测它的强弱。试验的器材有:小磁针、电流计、长约20m铜芯双绞线、如有条件可添置微电流放大器。方法如下:将双绞线两端接在灵敏电流计上,拉开双绞线形成一个回路,东西方向面对面站立两同学像跳绳一样甩动双绞线,随着切割地磁场磁感线,回路中就有感应电流产生,随着甩动双绞线,细心的同学会发现电流计指针来回摆动。显然,这是由于上下甩动半个回路时。导线切割地磁场磁感线的方向不同,从而导致回路中感应电流的方向不断变化,为进一步准确读出感应电流数值,可将灵敏电流计换为微电流放大器。如果用小磁针确定好地磁方位角,转轴沿南北方向产生电流与转轴沿东西方向做同样运动产生的电流有明显差异,这表明地磁感线是沿南北方向,且水平分量更大一些。用上述方法估测出地磁感应强度后,还可进一步用小磁针测出地磁场方向。细心的同学还会发现支在重心下方的小磁针与水平方向有一个小的夹角,磁针的指北端向下倾斜,指南端向上翘起,磁针与水平方向的夹角叫磁倾角。地理位置不同时,磁倾角也不同,它在0~900范围内变化。
  
  通过以上六个方面的教学,可对地磁场有一全方位的理解。
  
  (作者单位 河南省南阳市第一中学)
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