高中物理“地磁場”教學(xué)要點(diǎn)

門道穎

摘 要：高中地磁知識是高考中經(jīng)常出現(xiàn)的一類題目，從六個方面對高中地磁教學(xué)展開了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：高中地理；地磁教學(xué)；關(guān)鍵點(diǎn)

高中物理教材中對地磁場的描述只有一段話和一個插圖，但是卻是平時和高考中經(jīng)常出現(xiàn)的一類題目，筆者認(rèn)為對地磁場的教學(xué)應(yīng)從以下幾個方面去給學(xué)生進(jìn)行講述。

一、地球磁場分布和條形磁鐵外部磁場非常相近

地磁場的N極在地理南極附近，而地磁場的S極在地理北極附近。但二者有一個微小的偏角，叫磁偏角。在兩極附近地磁場方向豎直方向，磁性最強(qiáng)。在赤道上方是水平方向，在南半球和北半球有兩個分量：一個是水平分量，一個是豎直分量，磁性較弱。在地面附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度大約只有5×10-5T，而一般的永久磁體附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)0.4～0.7T。對地磁場形狀和分布必須熟練掌握和應(yīng)用。

二、地磁場的起源問題

人類很早就提出了地磁場的起源問題，為解釋這個問題，歷史上曾先后提出過許多觀點(diǎn)。目前，較為成熟的是磁流體發(fā)電機(jī)學(xué)說。1945年，物理學(xué)家埃爾薩塞根據(jù)磁流體發(fā)電機(jī)的原理，認(rèn)為當(dāng)液態(tài)的外地核在最初的微弱磁場中運(yùn)動，像磁流體發(fā)電機(jī)一樣產(chǎn)生電流，電流的磁場又使原來的弱磁場增強(qiáng)，這樣外地核物質(zhì)與磁場相互作用，使原來的弱磁場不斷加強(qiáng)。由于摩擦生熱的消耗，磁場增加到一定程度就穩(wěn)定下來，形成了現(xiàn)在的地磁場。而最初的微弱磁場可能來自核內(nèi)化學(xué)不均勻性形成的電磁，從而產(chǎn)生的弱電流。還有一種是地心的巖漿出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)滾動產(chǎn)生地磁場。由于磁流體學(xué)說能夠解釋較多地磁現(xiàn)象，受到人們重視，但地球內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，有待進(jìn)一步驗(yàn)證?？傊?，地磁起源問題目前仍處于不斷發(fā)展和深入研究的階段，此問題在2011年新課標(biāo)高考中出現(xiàn)了選擇題。

三、對宇宙射線的作用

地磁場并不強(qiáng)，但對于地球上的各種生命來說，卻顯得非常重要。這個“超巨”的地磁場，對地球形成了一個“保護(hù)盾”，減少了來自太空的宇宙射線的侵襲，地球上生物才得以生存生長。如果沒有了這個保護(hù)盾，外來的宇宙射線將把最初出現(xiàn)在地球上的生命幼苗全部殺死，根本無法在地球上生存。在地球南北極附近或高緯度地區(qū)，有時在晚上會看到一種神奇的燦爛美麗的彩色光帶——極光。直到20世紀(jì)末，人造衛(wèi)星和宇宙探測器的應(yīng)用使人們了解到地磁場分布的特點(diǎn)，才解開了極光之謎。原來當(dāng)太陽輻射出的帶電粒子進(jìn)入地磁場后，由于受到洛倫茲力的作用，帶電粒子沿地磁場的磁感線做螺旋線運(yùn)動，最終會落到地球兩極上空的大氣層中，使大氣層中的分子電離發(fā)光。由于在可見光波段受激的氧原子能發(fā)出綠光和紅光；電離了的氮分子發(fā)射紫色光、藍(lán)色光以及深紅色光。因此，通常肉眼看到的極光是綠色、藍(lán)色并帶有粉紅色或紅色的邊緣。在考試中能根據(jù)帶電粒子運(yùn)動方向和地磁場方向判斷粒子在洛倫磁力作用下偏轉(zhuǎn)方向。

四、地磁場對大氣的作用

在雷雨季節(jié)，雷電會使空氣中的離子數(shù)大幅度增加，由于潮濕的空氣有弱導(dǎo)電能力，流動的空氣在地磁場作用下，相當(dāng)于弱導(dǎo)電體在磁場中運(yùn)動。如果存在切割磁感線的上、下、東、西方向的運(yùn)動則會產(chǎn)生電勢差，電勢差隨正負(fù)極間距的增大而增大。而空氣流動的寬度往往是很大的，因此電勢差也很大。大到一定程度則會使兩極空氣電離，離子數(shù)大大增加，從而對人的健康影響也較大

五、地磁場對生物活動的影響

研究人員發(fā)現(xiàn)，像海龜、鯨魚、候鳥、有些魚和瞎鼠等眾多遷徙動物均能憑借地磁場走南闖北，每年可旅行幾千千米，中途往往還要經(jīng)過汪洋大海。此外，有的動物還能利用磁傾角幫助自己測定精確的位置。比如，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，笨拙的海龜就能使用“磁傾角羅盤”。幼龜在佛羅里達(dá)沿岸出殼后，隨即游人大海。它們在大西洋生活多年。直到長成才回到出生時的岸邊去交配和巢居。在返回過程中，要是離開正道過于偏南或偏北，便難免凍死途中。多虧了“磁傾角羅盤”，海龜才得以走在正道上，準(zhǔn)確地回到故鄉(xiāng)。

六、探測地磁場的大小和方向

地磁場雖然很弱，除了指南針指向南北的事實(shí)外，人們幾乎感覺不到地磁場的存在。事實(shí)上，我們完全可以利用課本學(xué)到的知識探測它的強(qiáng)弱。試驗(yàn)的器材有：小磁針、電流計(jì)、長約20m銅芯雙絞線、如有條件可添置微電流放大器。方法如下：將雙絞線兩端接在靈敏電流計(jì)上，拉開雙絞線形成一個回路，東西方向面對面站立兩同學(xué)像跳繩一樣甩動雙絞線，隨著切割地磁場磁感線，回路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，隨著甩動雙絞線，細(xì)心的同學(xué)會發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針來回?cái)[動。顯然，這是由于上下甩動半個回路時。導(dǎo)線切割地磁場磁感線的方向不同，從而導(dǎo)致回路中感應(yīng)電流的方向不斷變化，為進(jìn)一步準(zhǔn)確讀出感應(yīng)電流數(shù)值，可將靈敏電流計(jì)換為微電流放大器。如果用小磁針確定好地磁方位角，轉(zhuǎn)軸沿南北方向產(chǎn)生電流與轉(zhuǎn)軸沿東西方向做同樣運(yùn)動產(chǎn)生的電流有明顯差異，這表明地磁感線是沿南北方向，且水平分量更大一些。用上述方法估測出地磁感應(yīng)強(qiáng)度后，還可進(jìn)一步用小磁針測出地磁場方向。細(xì)心的同學(xué)還會發(fā)現(xiàn)支在重心下方的小磁針與水平方向有一個小的夾角，磁針的指北端向下傾斜，指南端向上翹起，磁針與水平方向的夾角叫磁傾角。地理位置不同時，磁傾角也不同，它在0～900范圍內(nèi)變化。

通過以上六個方面的教學(xué)，可對地磁場有一全方位的理解。

（作者單位 河南省南陽市第一中學(xué)）