案例8地磁场探秘

1、案例 6-8 地磁场探秘三门中学 何赛君 赖兴俊一、教学设计思路从学生学习过程中碰到的困难出发提出问题， 激发探究欲望， 产生探究行动， 分别从理 论和实践两条途径进行探究。学生搜查资料， 小组间交流分享，认识地磁场。利用电磁感应 原理和 DIS 实验的数据采集特点通过探究性实验证明地磁场的存在。通过解释自然中相关现象，了解地磁场的作用。二、前期分析本课题选自选修课程?趣味性问题探究? ，通过选修物理 3-1?磁场?的学习，学生对 地磁场的根本概念和一些自然现象中的地磁场有了一定了解。 通过选修物理 3-2?电磁感应? 的学习， 学生知道可以用摇绳实验产生感应电流证明地磁场的存在。 但限于课时

2、和场地教师 无法在课堂上演示该实验，也很少布置学生课外探究。但地磁场看不见、摸不着， 学生所有 的表象来自于多媒体视频和图片， 还有教师的语言描述。 这样就为实际问题中学生对地磁场 的建模带来了困难。学生往往困惑于立体与平面的想象转换，困惑于摇绳的实际操作模式。 所以要解决上述困难， 首先要激发起学生的探究欲望， 然后设计实验方案进行实验， 在实验 探究过程和实验现象的分析、 比拟中构建对地磁场分布与方向的想象模型， 熟悉摇绳的具体 模式。教学重难点1教学重点：1当地地磁场的方向以及强弱的实验探究。2实施实验方案2教学难点： 设计证明地磁场的方向以及强弱的实验方案三、教学目标1. 知识与技能1

3、围绕地磁场，整合学生对电磁感应、自然现象中的地磁场应用知识2知道摇绳实验的具体操作模式3知道磁传感器收集数据的原理2. 过程与方法1经历实验设计、探究地磁场的过程。2通过观察生活现象，网络信息搜索，整合地磁场在生活中的应用知识。3. 情感态度与价值观通过对地磁场的探索过程，激发学生学习物理的兴趣，以及对物理实验的探究欲望和行 动。四、教学准备空旷的场地、实验器材小磁针、双股铜导线长约30m、灵敏电流计300卩A预知内阻、卷尺、秒表、量角器、DIS实验系统、学生分小组事先收集资料设计好实验方案。五、教学过程1问题的提出1 回忆地磁场知识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

4、场对指南针的作用来定向。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。假设没有地磁场，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图6-8-1地磁场在的样子，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。地球外表的地磁场分布情况应为如图6-8-1所示。总体上应当把握好三个特征： 地球磁场分布比拟简单而规那么，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，

5、地球磁场的北极在地理南极附近。 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。 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。2习题呈现，激发疑惑 习题1:在赤道，某研究小组的同学利用铜芯电缆线和灵敏电流计做摇绳发电的探究实验。图6-8.2摇绳实验如下图，他们将电缆线和灵敏电流计连成闭合回路，在操场上由两 位同学分别站在地面上的东西方向，象跳绳一样手摇导线，其他同学 观察灵敏电流计的指针变化。在以下说法中，你认为正确的研究结果 应符合 A. 摇动绳子时，流过灵敏电流计的电流是大小变化的直流电B. 摇动绳子时，灵敏电流计中电流的大小与两同学的站立方位无

6、关C. 仅增加摇绳子的频率，灵敏电流计中的电流的最大值增大D. 假设断开灵敏电流计，绳子两端没有感应电动势产生疑惑1摇绳切割的是怎样方向的地磁感线？习题2:在国庆60周年阅兵盛典上，我国预警机“空警一一2000在天安门上空机翼保持水平，以4.5X02 km/h的速度自东向西飞行.该机的翼展两翼尖之间的距离为50 m，北京地区地磁场的竖直分量向下，大小为4.7X 105t，那么A .两翼尖之间的电势差为0.29 VB .两翼尖之间的电势差为1.1 VC.飞行员左方翼尖的电势比右方翼尖的电势高D .飞行员左方翼尖的电势比右方翼尖的电势低产生疑惑2:飞机机翼切割地磁场的模型是怎样的？习题3:如以下图

7、6-8-3所示，在操场上，两同学相距L为10m左右，在东偏北、西偏南 11 °的沿垂直于地磁场方向的两个位置上，面对面将一并联铜芯双绞线，像甩跳绳一样摇动， 并将线的两端分别接在灵敏电流表上。双绞线并联后的电阻 R为2Q,绳子摇动的频率配合节拍器的节奏，保持f=2Hz。如果同学摇动绳子的最大圆半径h=1m ,电流表的最大值I=3mA。1 试估算地磁场的磁感应强度的数量级并写出B的数学表达式。用R,l,L,f,h等量表示。2 将两人的位置改为与刚刚方向垂直的两点上，那么电流表的读数是多少？图6-8-3摇绳产生最大感应电流产生疑惑3:怎样的摇绳模式，可以产生最大感应电流？提出问题：地磁场

8、的方向和强弱分布立体和平面的模型是怎样的？怎样摇绳能产生最大感应电流？2. 成立探究小组，设计实验方案以上的问题激起同学们强烈的探究欲望，大家决定弄个水落石出，通过资料搜索和咨询老师，同学们决定分成三个探究小组，从理论与实验两条途径分头探索。并做了明确分工。小组1:探究怎样摇绳能产生最大感应电流？小组2:用DIS实验装置探究地磁场的方向和强弱分布立体和平面的模型是怎样的？小组3:负责彻查资料，整合有关地磁场及其应用的知识，也为1、2两个小组提供理论支持。并且邀请赖老师当导师。并征得实验室老师的支持，提供所需的实验器材。在导师的建 议下，各小组分头设计实验方案。3. 行动探究小组1实验探究： 实

9、验课题：学校附近地磁场的方向是怎样的？强度如何？实验流程：1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将导线和灵敏电流表连接成一个闭合回路4由两位同学如图6-8-3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H,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线与地磁场方向的夹角0。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 小组成员记录实验现象，填写实验记录表多股导线根数N =电流表内阻：FA = Q摇动30个周期的时间：t = sN ' ' ' '

10、 ' 工程0LHA102303604905120615071806 改变夹角，重复上述试验，记录数据并填表。问题讨论：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?小结由学生进行总结评价，对此次活动的收获进行反思，对所存在的问题提出建议和改良。小组2 .数字实验探究课题：用DIS实验系统测量学校的地磁场方向和强度由于地磁场的强度较弱，因此可采用灵敏度较高的磁传感器来进行地磁场矢量性研究

11、。在自主探究中我们发现改变磁传感器的位置和方向，可以测到磁感应强度的明显变化。本实验用到的磁传感器为毫特斯拉计，毫特斯拉计又称为高斯计 如图6-8-4，是测量物体于空间上一个点的静态或动态交流磁感应强度，由霍尔传感器精度更高可选择磁通门传感 器。经过物体磁力线穿过产生电流电压，主设备上面显示磁感应强度。1 霍尔传感器的霍耳效应及其测磁原理把一块半导体薄片锗片或硅片等放在磁感应强度大小为B的磁场中B的方向沿z轴方向，如图6-8-5所示。从薄片的四个侧面 A、A' D、D'上分别引出两对电极，沿纵 向即x轴正向通以电流IH，那么在薄片的两个横向面 D、D'之间就会产生电势差

12、，这种 现象称为“霍耳效应，产生的电势差称为霍耳电势差。根据霍耳效应制成的磁电变换元件 称为霍耳元件。霍耳效应是由洛伦兹力引起的。图6-8-4毫特斯拉计图6-8-5霍尔效应原理实验方案：1测量地点的选择：必须选择一个周围没有铁磁金属物体和强磁场的区域，在无外界 干扰的情况下进行测量。2测量方法的探讨：地磁场随着位置的改变而改变，用试探法确定一个固定点，在该 点建立三维坐标。把毫特斯拉计朝着坐标方向测量，得到三个方向的磁场强度。3把x轴顺时针转过 30°,确定y轴，重复2的过程。然后依次改变 x, y轴。 把测得的数据填入下表。(a为X轴转过的角度)(4) 根据读取的数据，然后先对X

13、, Y轴合成，然后再与 Z轴合成。最后确定方向及 大小。(5) 检验：对于同一点上地磁场每个方向计算所得的结果应该一致。a =0a =30°a =60°a =90°a =120°a =150°a =180°X 轴(mTY 轴(mT)Z 轴(mT)小组3.磁场的应用实例(1) 动物判断方向图片一一三门青蟹(标语：三门青蟹，横行世界)问题：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?学生小组讨论，发言。总结：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

14、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，地磁南北极已发生屡次倒转。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，对地磁场非常敏感。 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。(2) 探矿1954年，我国一支地质探矿队发现，在山东某个地区面积大约四平方公里的范围内， 地磁感应强度异常极大值到达了

15、3.5 10T。地质队员们推测，这里一定是一个储量较大的铁矿。经过钻探开掘，最终在地下450m深处发现了总厚度达 62.54m的铁磁矿区。问题：为什么可以通过地磁感应的异常可以判断该地有磁铁矿？学生小组讨论，发言。总结：地磁场的变化有一定的规律性。在我国境内，每向北走一公里，地磁感应强度 的变化约为一亿分之几特斯拉。小范围内磁感应和磁倾角几乎没有什么变化。但是，有时地磁场的变化非常明显，有的地方会出现磁针反常现象，磁针不再指向南北方向。显然，出现地磁异常的区域，地下一定蕴藏着丰富的磁铁矿。(3 )预报地震地壳中的岩石，有许多是具有磁性的。地震发生时，这些岩石受力变形，它的磁性也随 之变化。在强

16、烈地震前夕，地磁感应强度、磁偏角都会发生变化，造成局部地磁异常，这就 是所谓的“震磁效应。掌握了震磁效应的规律，利用测量仪器检测地磁变化，就可以根据 震磁效应对地震做出准确的预报。4. 交流分享由各小组同学选派一名代表将实验过程和结果或所搜集并整理好的资料通过投影仪或 幻灯片展示给大家，交流分享5. 总结(1) 飞机飞行可以近似认为在同一水平高度上飞行，飞机机翼切割的应视为地磁场的竖直 分量，在我国，地磁场的竖直分量磁感线方向向下。(2) 在我国，地磁场的水平分量磁感线方向为地理南极地理北极，与东西方的连线几 乎垂直。(3) 摇绳切割的是地磁场的竖直分量，产生最大感应电流与站立的方位有关(即绳拉直要 东西走向)，与切割速度有关，如图 6-8-3的摇绳方式(手伸直)。六、形成性