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1、研究性学习案例地磁场的探究西安铁一中 纪晓军 张同国 贝鸿【案例说明】2005年2月物理教研组在讨论纪晓军老师命制的“陕西省2005年高考理科综合模拟试题” 物理部分时，纪晓军老师提出“地球磁场”的问题很有讨论价值并且可操作性强。经张同国老师理论推定，微弱地（34）10-5T）地球磁场可以用中学物理试验条件半定量（1一位有效数字）测定。高一物理课外小组在3个班级组织100多名同学进行了“方案讨论”、“仪器准备与试验”“实验验证”“方案完善”形成以下研究性学习实施案例（学生实验报告（样）和教师指导建议）前期准备【研究前讨论】地磁场对人类的生产、生活都有重要意义。人类行军、航海利用地磁场对指南针的
2、作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。研究目标：【问题】1、地表面的地磁场分布情况应为如右图所示。总体上应当把握好三个特征：第一、地球磁场分布比较简单而规则，它相当于将一个条形磁铁放置在地心所产生的磁场。地球磁场的南极在地理北极附近，地球磁场的
3、北极地理南极附近。第二、地磁场的强度并不太大，并随着高度的增加地磁场强度急剧减弱。第三、南北半球的上空的磁场有向下的分量，接近两极地表处的地磁场方向几乎与地表垂直。学校附近地磁场的方向是怎样的？ 2、我们可以通过那些方法感知地磁场的存在 ？ 3、感应电动势和感应电流与那些因素有关？如何定量测量感应电流的大小？ 【准备】小磁针（或罗盘）、多股铜导线（长约30m）、 灵敏电流计（300A预知内阻）、卷尺（或测绳）秒表（或节拍器）量角器【安全提示】实验探究应在室外空旷平整的场地进行，远离输电线等危险物，观察和记录的同学要与晃动的导线保持一定的距离。研究步骤我们的计划：（见附录表）我们的探究步骤1、
4、以班级小组为单位，讨论导线切割磁感线产生感应电流的物理知识。2、 用小磁针（或罗盘）确定并标记实验地点地磁场的方向。3、 将导线和连接成一个闭合回路4、 由两位同学如右图均匀摇动导线（像跳绳一样），一位同学记录30周期所用的时间t，同时由两名同学测量电线摇动的幅度D，并在停止摇动时测量两摇动导线同学手间的距离以及两手连与地磁场方向的夹角。其他同学观察灵敏电流计指针并记录指针摆动的幅值A。5、 小组成员记录、论实验现象，填写实验记录表多股导线根数N= 电 流 表内阻：RA= 摇动30个周期的时间：t= sN 项目LDA10230345460590676、 改变夹角，重复上述试验，记录数据并填表。
5、观察和分析1、 导线切割磁线可以看作电源，多股导线就相当于多个电源，那么这些电源是怎样连接的？2、 感应电流出现最大值时，导线运动方向和地磁场方向有什么样的关系？3、 如果把导线的摇动看作匀速圆周运动，那么导线切割磁感线的平均速度应当怎样分析？4、 地磁场的强度应当如何计算？我们的结论： 研究结果说明：理性思维及应用1、 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。请你简要分析地磁场对于高速带电宇宙射线的作用。太空宇宙射线主要来自太阳。当太阳辐射出的带电粒子进入地磁场后，由于洛仑兹力的作用，带电粒子
6、沿地磁场的磁感线方向做螺旋线运动，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。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。2、 用你身边的事例说明地磁场对生物活动的影响。我们的反思：我们的建议与改进 阅读材料；一、地磁学地球物理学的一个主要组成部分。地球磁场跟地球引力场一样，是一个地球物理场，它是由基本磁场、地壳磁场与变化磁场三部分组成。基本磁场来源于地核，研究它的变化以及它的起源，一直是地球动力学中的重要内容之一；而变化磁场则与电离层的变化和太阳活动等有关。对变化磁场的研究是日地物理研究中的热门课题。磁测卫星、地面台站等观测手段所观测
7、到的地磁场的变化包括了上至太阳活动、星际空间、磁层、电离层活动，下至地壳构造、地震活动、地球深部导电特征、乃至地核变化的各种丰富的信息。地磁学是连接空间物理学与固体地球物理学的桥梁。对地磁学的研究，在新世纪中将得到极大的发展。二、地磁场起源研究地磁场起源一直是一个大的科学难题。到目前为止，发电机理论是最有希望的一种假说。鉴于对地球内部物理条件精确了解的缺乏，最近这方面的研究进展不大。例如，对液核内磁流体的运动速度的估计就是根据非偶极子磁场的西向漂移而做出的。又如，核慢边界的地磁场是根据地表观测到的地磁场向下推算的。这里就引出另一大的难题，这就是地慢屏蔽研究。地球内部电导率分布研究的进展又是后者
8、的前提。其它地球动力学的新进展也将推动地磁场起源的研究。三、磁暴预报研究：“空间天气”一词出现在80年代初，流行于90年代，美国空间天气计划中第一次给予明确的定义：空间天气指的是太阳表面、磁层、电离层和热层的状态，它可以影响到无基的和地基的技术系统的运行和可靠性，危及人类的健康和生命，恶劣的空间环境可以引发卫星运行、通信、导航、输电网的事故，造成社会经济损失。对日地物理与空间天气预报的研究是二十世纪九十年代以来的国际科技前沿的一个热门课题。地球的磁场环境研究是空间天气的主要内容，空间天气预报的主要内容之一也就是预报地磁场的磁情指数，其中主要的就是预报地磁暴，预报磁暴指数DSt。在即将到来的新世
9、纪，随着对太阳活动观测与研究的深入，非线性方法以及其他新的数学方法的广泛应用，将实现人类对磁暴的预报。四、螃蟹为何横行世界上的螃蟹，除了一两种特殊的之外，几乎都是横着走路的。这是为什么呢?人们知道，许多动物是依靠地磁场来判断方向的，特别是对于回游、迁徙性动物，地磁场起了很大的作用。但是地磁场不是固定不变的。据古地磁学研究，在地球形成以后的漫长岁月中，地磁南北极已发生多次倒转。地磁极的倒转使许多生物无所适从，甚至造成灭绝。螃蟹是一种古老的回游性动物，它的内耳有定向小磁体，对地磁非常敏感。由于地磁场的倒转，使螃蟹体内的小磁体失去了原来的定向作用。为了使自己在地磁场倒转中生存下来，螃蟹采取以不变应万
10、变的做法，干脆不前进，也不后退，而是横着走。从生物学的角度看，蟹的胸部左右比前后宽，八只步足伸展在身体两侧，它的前足关节只能向下弯曲，这些结构特征也使螃蟹只能横着走。五、某些磁场的磁感应强度 BT地磁场的水平分量（在磁赤道处）（34）10-5地磁场的垂直分量（在南、北磁极处）（67）10-5地磁场在地面附近的平均值510-5普通永久磁铁0.40.8电动机或变压器铁芯中的磁场0.81.7回旋加速器的磁场1磁流体发电机磁场46实验室使用的最强磁场30磁疗用磁铁的磁场0.150.18教师教学参考研究性学习案例：地磁场的探究一、教学目标获得亲身参与研究探索的体验提高发现问题和解决问题的能力培养收集、分
11、析和利用信息的能力学会分享与合作 培养科学态度和科学道德 培养对社会的责任心和使命感二、设计思路与指导建议地球是个巨大的磁体，它周围空间存在地磁场。地磁场的强度并不大，地面附近的磁感强度大约只有，而一般的永久磁体附近的磁感强度可达0.40.7T。经过长期的研究，人们已基本掌握了地磁场的一些性质、变化规律及对地球上各种生物的影响等，但至今仍有很多问题尚无定论。如地磁场的起源，地磁倒转之谜，地磁场对大气的作用，地磁场对宇宙射线的作用，地磁场对生物活动的影响等。本探究课题设计紧密结合物理教材，利用物理实验室基本的实验仪器，对于地磁场这个大家都拥有的教学资源进行初步的实验探究。大量实验证明、设计方案简
12、便易行，实验结论稳定可靠，有很高的可重复性。【观察和分析参考解答】1、 导线切割磁线可以看作电源，多股导线就相当于多个电源，那么这些电源是怎样连接的？答：多股导线分别独立切割地磁的磁感线相当于并联电源。2、 感应电流出现最大值时，导线运动方向和地磁场方向有什么样的关系？ 答：导线运动方向与地磁的磁感线方向垂直。3、 如果把导线的摇动看作匀速圆周运动，那么导线切割磁感线的平均速度应当怎样计算？LD/2D/4答：如图，如果把导线的摇动看作匀速圆周运动，那么导线切割磁感线可以近似为长为L的直导线做半径为D/4的圆运动。记录n周期所用的时间t，可知周期T4、 地磁场的强度应当如何计算？答：当感应电流出
13、现最大值时，导线运动方向与地磁的磁感线方向垂直 （导线电阻不计）由观察灵敏电流计记录指针摆动的幅值A可得 鼓励提出其它的设计方案（比如等）帮助解决相应的困难。【指导建议】1、 相对与教室内的教学，开放的研究性学习课堂组织难度更大。教师应该有充分的教学动员，并在兴趣调动、合理分组、知识储备、方案论证、仪器使用、安全警示等方面做好准备。2、 强调在教师指导下的学生自主学习、在教师帮助下的实验探究。教师不能放弃对于课堂的控制，既不可大包大揽一切代替，也不可放任自流。教师可以运用小组合作研究和小组联合研究等形式进行有效的课堂组织。利用各种工具实现教师与学生、学生与学生、小组与小组、班级与班级间的交流。可在地磁场方向确定与描述、电路的连接、摇动电线产生感应电流、地磁场大小的分析计算等阶段设定交流时间，并逐步养成主动及时交流的科学习惯。3、 有目的地引导学生在实验中学会交流，在讨论中学会合作，在探究中努力创新。三、备用课程资源1、地磁学研究的初步展望（中国地震局地球
