高中物理“地磁場”教學要點

門道穎

摘 要：高中地磁知識是高考中經常出現的一類題目，從六個方面對高中地磁教學展開了詳細的闡述。

關鍵詞：高中地理；地磁教學；關鍵點

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常出現的一類題目，筆者認為對地磁場的教學應從以下幾個方面去給學生進行講述。

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。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強度大約只有5×10-5T，而一般的永久磁體附近的磁感應強度可達0.4～0.7T。對地磁場形狀和分布必須熟練掌握和應用。

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。目前，較為成熟的是磁流體發電機學說。1945年，物理學家埃爾薩塞根據磁流體發電機的原理，認為當液態的外地核在最初的微弱磁場中運動，像磁流體發電機一樣產生電流，電流的磁場又使原來的弱磁場增強，這樣外地核物質與磁場相互作用，使原來的弱磁場不斷加強。由于摩擦生熱的消耗，磁場增加到一定程度就穩定下來，形成了現在的地磁場。而最初的微弱磁場可能來自核內化學不均勻性形成的電磁，從而產生的弱電流。還有一種是地心的巖漿出現旋轉滾動產生地磁場。由于磁流體學說能夠解釋較多地磁現象，受到人們重視，但地球內部構造復雜，有待進一步驗證。總之，地磁起源問題目前仍處于不斷發展和深入研究的階段，此問題在2011年新課標高考中出現了選擇題。

三、對宇宙射線的作用

地磁場并不強，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盾，外來的宇宙射線將把最初出現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，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世紀末，人造衛星和宇宙探測器的應用使人們了解到地磁場分布的特點，才解開了極光之謎。原來當太陽輻射出的帶電粒子進入地磁場后，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光。由于在可見光波段受激的氧原子能發出綠光和紅光；電離了的氮分子發射紫色光、藍色光以及深紅色光。因此，通常肉眼看到的極光是綠色、藍色并帶有粉紅色或紅色的邊緣。在考試中能根據帶電粒子運動方向和地磁場方向判斷粒子在洛倫磁力作用下偏轉方向。

四、地磁場對大氣的作用

在雷雨季節，雷電會使空氣中的離子數大幅度增加，由于潮濕的空氣有弱導電能力，流動的空氣在地磁場作用下，相當于弱導電體在磁場中運動。如果存在切割磁感線的上、下、東、西方向的運動則會產生電勢差，電勢差隨正負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

研究人員發現，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，生物學家發現，笨拙的海龜就能使用“磁傾角羅盤”。幼龜在佛羅里達沿岸出殼后，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，準確地回到故鄉。

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外，人們幾乎感覺不到地磁場的存在。事實上，我們完全可以利用課本學到的知識探測它的強弱。試驗的器材有：小磁針、電流計、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上，拉開雙絞線形成一個回路，東西方向面對面站立兩同學像跳繩一樣甩動雙絞線，隨著切割地磁場磁感線，回路中就有感應電流產生，隨著甩動雙絞線，細心的同學會發現電流計指針來回擺動。顯然，這是由于上下甩動半個回路時。導線切割地磁場磁感線的方向不同，從而導致回路中感應電流的方向不斷變化，為進一步準確讀出感應電流數值，可將靈敏電流計換為微電流放大器。如果用小磁針確定好地磁方位角，轉軸沿南北方向產生電流與轉軸沿東西方向做同樣運動產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強度后，還可進一步用小磁針測出地磁場方向。細心的同學還會發現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范圍內變化。

通過以上六個方面的教學，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）