Урок на тему:
«Наша Земля- магнит»
11класс
Оглавление:
Введение.
История изучения земного магнетизма.
Современные представления о палеомагнетизме.
Проявления магнетизма в природе и космосе. [10]
Магнитное поле Земли. [10]
Магнитное поле планет нашей Солнечной системы. [10]
Демонстрационный эксперимент по взаимодействию магнитных полей («Пушка Гаусса»). [10]
Фронтальная лабораторная работа по качественному сравнению магнитного поля Земли и катушки.
Использование магнитного поля Земли человеком.
Использованная литература и материалы.
[10] – ссылки на курсовой материал по лекциям А.Ф.Беленова и элективный курс «Естествознание и окружающая среда»
Учитель физики – Зубкова А.И., МОУ Комаровская СОШ
2010-09-15
Урок на тему «Магнитное поле Земли» в 11 классе
Задачи.
1.Сформировать понятие о магнитном поле Земли, собрав воедино полученные в разное время знания: магнитные полюса Земли, расположение линий индукции магнитного поля, быстрые и медленные изменения геомагнитного поля, связь магнитных явлений, происходящих на Земле, с Солнцем, проявление магнитного поля Земли и использование его человеком.
2.Продолжить развивать умения наблюдать природные явления и сопоставлять с результатами эксперимента.
3. Способствовать повышению интереса к предмету, формированию уважительных и ровных взаимоотношений между детьми.
Методы работы:
представление компьютерной презентации,
демонстрационный опыт,
фронтальная лабораторная работа
работа с тестами, беседа.
Оборудование:
На каждый стол – источник тока, катушка, полосовой магнит, компас.
На весь класс – трансформатор на 220в, 2проводящих кольца, мультимедийный проектор, компьютер.
Этапы урока.
1. Организация начала занятия.
Мы закончили изучение большого раздела физики - «Основы электродинамики». В нём мы познакомились с электрическим и магнитным полями, законами постоянного тока, электрическим током в различных средах, электромагнитной индукцией, электромагнитными колебаниями и электромагнитными волнами. Со временем вы забудете, что такое генератор незатухающих колебаний, свойства электромагнитных волн. Но ... мы с вами, ребята, прекрасно знаем, что наша Земля - единственная обитаемая планета Солнечной системы. Условия для жизни на ней, в том числе, обеспечиваются её магнитным полем. Поэтому тема нашего урока сегодня - «Магнитное поле Земли». Этот урок - урок над темой, урок мировоззренческий, урок философский. Я убеждена в том, что знания о среде своего обитания - каждый образованный человек должен пронести через всю свою жизнь.
2.Повторение пройденного.
4 человека работают с тестами. Им выдаются книжки «ЕГЕ - 2010. Физика» и чистые листы бумаги. Предлагается выполнить номера 19, 21, 22, 23, 25.
С остальным классом «Актуализация опорных знаний»:
Что такое магнитное поле?
-Каковы свойства магнитного поля?
-Назовите основную характеристику магнитного поля.
-Определение индукции магнитного поля.
-Формула модуля индукции магнитного поля.
-Что такое сила Ампера? Написать формулу её на доске.
-Что такое сила Лоренца? Формула её.
-Как определить направление этих сил?
-Сформулировать правило левой руки для силы Лоренца.
После этого собрать выполненные тесты.
3. Основной этап.
О магнитном поле Земли вы, ребята, знаете немало. Эти знания вы получали в разных темах, в различное время. Сегодня мы соберём всё воедино. Для этого вам будет представлена презентация работы ваших одноклассников. Впрочем, я даю слово им самим. Вы должны будете ответить на вопросы, которые у вас есть.
Вопросы:
Как расположены магнитные полюса Земли?
Кто из учёных занимался системным изучением магнитного поля Земли?
О каких изменениях геомагнитного поля принято говорить?
В каких явлениях природы проявляется магнитное поле нашей планеты?
Назовите основные применения магнитного поля Земли?
После сообщений ребят беседуем по этим вопросам.
Затем анализируем увиденную презентацию. К классу обратиться со словами:
Вырази своё отношение к увиденному. Что нового ты узнал? Понравилась ли тебе работа твоих одноклассников? Спросить 2 человек.
4.Закрепляющий этап.
Демонстрационная экспериментальная работа - Взаимодействие магнитных полей («Пушка Гаусса»).
Фронтальная лабораторная работа - Качественное сравнение магнитного поля Земли и катушки.
Выполнение работы. Обсуждение результата.
Подведение итогов работы.
5. Итоговый.
Подведение итогов урока, сообщение оценок.
Ни для кого не секрет, что наша Земля – магнит, хотя мы его не видим и не реагируем на него так, как животные.
Мы даже не догадываемся, что все пространство, в котором мы живем, пронизывает невидимая паутина силовых линий земного магнитного поля. А для птиц эти линии являются, вероятно, важнейшими ориентирами, своеобразными нитями Ариадны, безошибочно ведущими их к далекой цели в тысячекилометровых перелетах. Учёные склоняются к тому, что геомагнитное поле используют и стаи рыб в глубинах океана, и пчелы, и другие насекомые.[1]
Наверняка, каждый школьник держал в своих руках компас. Его стрелка, как известно, указывает одним концом на север, другим – на юг, помогая нам ориентироваться. И все это не без участия магнитного поля нашей планеты.
Это мы сейчас, народ образованный, а знали ли люди в древности о магнетизме Земли? И, может быть, даже как-то он им помогал?
Оказывается, человечество стало использовать магнитное поле Земли раньше, чем узнало о его существовании. Еще до начала нашей эры на колесницах китайских вельмож устанавливались железные фигурки с вытянутой рукой, которая показывала направление на юг. Это был прообраз современного компаса. С XII – XIII веков компас получает широкое применение в мореходстве, появляются первые инструкции по его использованию. В те времена считали, что стрелку компаса ориентирует Полярная звезда, её магнетизм. Конец стрелки компаса, указывающий на север, назвали северным магнитным полюсом, а противоположный конец – южным. Что и сохранилось по сей день[2].
Однако уже почти 400 лет назад было установлено, что Полярная звезда тут ни при чем, и что отклоняет стрелку магнитное поле самой Земли.
Законы магнитостатики открыл и сформулировал Уильям Гильберт – естествоиспытатель и лейб-медик английской королевы. В трактате «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле», вышедшем в 1600 году, он описал результаты своих 18-летних исследований магнитных и электрических явлений и выдвинул первые теории электричества и магнетизма. В частности, установил, что любой магнит имеет два полюса, при этом одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются; обнаружил, что железные предметы под влиянием магнита приобретают магнитные свойства; показал увеличение силы магнита при тщательной обработке поверхности. Изучая магнитные свойства намагниченного металлического шара, показал, что он действует на стрелку компаса так же, как Земля. И пришел к выводу, что последняя является гигантским магнитом.
Гильберт исследовал, какое положение занимают магнитные стрелки, размещенные вокруг магнитного шара. Модель такого шара – «тареллы» (что означает «маленькая Земля») он вырезал из куска природного магнита. Сопоставив данные о положении магнитной стрелки на различных широтах земного шара с положением стрелок вокруг «тареллы», ученый обнаружил ту же закономерность. А если бы магнитные стрелки компасов ориентировались магнитным полем отдаленной звезды, их расположение было бы другим.
С тех пор наука тщательно изучает геомагнетизм и знает о нем, пожалуй, больше, чем о любых других многочисленных особенностях земного шара. От этих детальных знаний иной раз зависит жизнь многих людей, путешествующих по суше, океану или воздуху.
К счастью для штурманов и путешественников, геомагнитное поле изо дня в день остается одним и тем же. И это постоянство, как установлено наукой, сохраняется в течение последних примерно…700 тысяч лет.[3] На самом же деле магнитное поле может изменяться по силе и по направлению очень медленно на протяжении многих столетий; и резко, быстро – в случае, так называемых, магнитных бурь, которые зависят от вспышек на Солнце. И все же, интенсивность магнитного поля – явная константа.
Может быть, в далеком прошлом Земли были периоды, когда геомагнитное поле отличалось от нынешнего? Как в этом убедиться? Да и возможно ли это? Разве магнитное поле оставляет после себя какие-нибудь следы, которые можно разыскать подобно каменному топору доисторического человека или костям ископаемых животных, чтобы восстановить, как это делают археологи и палеонтологи, давно минувшее?
Оказывается, следы есть, и ученые научились их находить всего лишь несколько десятилетий назад, когда были заложены основы новой науки – палеомагнетизма.
Представьте себе, что в какой-то точке земной поверхности в давние времена нерадивый путешественник утерял компас, который потом постепенно оказался погребенным – засыпанным песком, опавшими листьями, в общем, наслоениями многих прошедших лет. Если бы стрелка компаса за все эти годы не меняла своего положения, то археолог, которому посчастливилось бы найти его, мог бы с уверенностью сказать, каким было направление геомагнитного поля в этой точке в то время, когда компас был потерян. Правда, путешественнику следовало бы потерять еще и часы с календарем, чтобы можно было установить, когда именно это случилось. Подобные находки и лежат в основе палеомагнетизма.
Но и в этом вопросе природа на стороне ученых. На земле хватает «утерянных компасов» - это обыкновенная лава, вытекающая из вулкана при его извержении.
В начале температура лавы всегда выше точки Кюри1, и она всегда содержит некоторое количество сплавов железа, способных намагничиваться.
Поэтому при остывании и кристаллизации лавы в нее как бы «вмораживаются» силовые линии геомагнитного поля в виде множества кристалликов, превратившихся в миниатюрные магнитные стрелки, ориентированные вдоль силовых линий. Такие исследования были проведены в разных точках Земли - на экваториальных Галапагосских островах и в Японии, в бывшем Советском Союзе и в Африке, в Арктике и Индии. Всюду результат был один и тот же: за последние примерно 700тыс. лет поле практически не изменялось.
Но когда ученые дошли до более глубоких и, следовательно, древних лавовых напластований, то их удивлению не было предела. Оказалось, что перед ними настоящий слоеный пирог - за верхним слоем с «нормальными» силовыми линиями шел слой с линиями «обратной» полярности, то есть такими, которые соответствуют геомагнитному полю с полюсами, поменявшимися местами. Там, где был северный край, стал южный; потом снова шел «нормальный» слой, еще один обращенный и т.д. И, что самое интересное, где бы ни изучались лавы, в самых разных точках земного шара, результат был одинаковый – одному и тому же историческому периоду соответствовала одинаковая во всех точках полярность геомагнитного поля. Разве не убедительное свидетельство того, что в далеком прошлом Земли происходили неоднократные «рокировки» магнитных полюсов, когда они менялись местами?
1Температура (точка) Кюри — температура, выше которой вещество теряет свои ферромагнитные2 свойства и становится парамагнетиком3.
2 Ферромагнетики — вещества, значительно усиливающие магнитное поле (Fe, Ni, Co).
3 Парамагнетики — вещества, слабо намагничивающиеся в направлении индукции внешнего поля (Pt, Cu, Al, фарфор, стекло)
После того, как ученые изучили похожие «слоёные пироги» из железных и ферромагнитных веществ, был сделан вывод: за последние 4 миллиона лет геомагнитное поле изменяло свою полярность не менее 9 раз, а может и чаще (по некоторым данным, за последние 76 миллионов лет оно менялось 171 раз)[4]. Причем в последний раз - 700 тысяч лет назад.
Но тут возникает одна неожиданная трудность. Когда пытались начертить на географической карте траектории перемещения магнитных полюсов в процессе их «рокировки», то выяснилось, что далеко не всегда траектории полностью совпадают.
Но и тогда ученые не сдались, вспомнив отвергнутую ранее теорию о существовании единого материка – Пангея (по другой гипотезе – двух таких материков: северного – Лавразии и южного – Гондваны)[5]. И вот когда попытались совместить эту гипотезу с данными палеомагнетизма, то при учете перемещения материков, разные пути магнитных полюсов почти точно слились в один. Это было поразительно!
Так выглядят столетние изменения магнитного поля Земли. А как же происходят его быстрые смены?
Как мы упоминали выше, быстрые изменения зависят от вспышек на Солнце, последствием которых являются магнитные бури.
С Земли Солнце кажется нам сравнительно небольшим, спокойным. Но даже Солнце может «злиться», учёные называют такое состояние активным. О возникновении активности свидетельствуют солнечные пятна. Пятно кажется как бы «дыркой» на поверхности Солнца, но такой большой, что в неё свободно можно закинуть мячик размером с Землю. В период активности на Солнце также происходят вспышки [10].
Они возникают из-за особых изменений магнитных полей. Происходит нечто подобное взрыву и образуется направленный поток очень быстрых заряженных частиц и космических лучей. Этот поток, проходя через корону, увлекает за собой частицы плазмы, которые приходят в колебание и испускают радиоволны. Область, занятая вспышкой, создает очень мощное излучение. На нашей Земле это проявляется в том, что на коротких радиоволнах замирает слышимость, в то же время, можно обнаружить усиление слышимости далекой радиостанции, работающей на длинной волне. Из-за потока пробирающихся к нам частиц, несущихся с огромной скоростью и встречающихся с магнитным полем нашей Земли, происходят магнитные бури. Они представляют собой быстрые и непрерывные изменения поля нашей планеты. Во время бурь стрелка компаса совершает беспорядочные колебания, и пользоваться им невозможно. Наше светило становится активным с периодичностью примерно в 11,5 лет, поэтому учёные всегда предвидят такое состояние Солнца.
Частицы, которые летят к нам из космоса, удерживаются магнитным полем Земли и на большой высоте образуют радиационные пояса. Принято разделять внутренний пояс, располагающийся на высоте от 2400 до 6000км, и внешний, находящийся на высоте от 12000 до 20000км. Внешний радиационный пояс Земли составляют заряженные частицы – электроны. Протоны же, обладающие значительно большей массой, преодолевают внешний пояс и скапливаются в областях с большей интенсивностью магнитного поля Земли, образуя тем самым внутренний радиационный пояс. Эти пояса предохраняют поверхность нашей планеты. Из-за действия силы Лоренца1 частицы перемещаются по винтовой линии между полюсами Земли. Это происходит за время порядка 1с. На летящую вдоль линии индукции частицу сила Лоренца не действует.
1 Сила Лоренца — сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны электромагнитного поля
Вот почему частицы свободно могут приближаться к полюсам, откуда они веером и расходятся по линиям индукции. В результате столкновения частиц с молекулами воздуха, в области географических полюсов Земли возникает электромагнитное излучение – красивое свечение, а именно полярное сияние. [10]
Это, пожалуй, самое красочное световое явление. Михаил Васильевич Ломоносов, наблюдая за ними с детства, называл их «пожаром небес». Бывали случаи, что пожарные действительно принимали сияния за зарево пожара и выезжали его тушить.[6]
Что зыблет ясный ночью луч?
Что тонкий пламень в твердь разит?
Как молния без грозных туч
Стремится от земли в зенит?
Как может быть, чтоб мёрзлый пар
Среди зимы рождал пожар?
(М.В.Ломоносов)
Во время полярных сияний нарушается радиосвязь. А «свечения воздуха» можно наблюдать не только вблизи северного и южного полюсов, но и из космоса. Там они видны всегда. Такие наблюдения принесли богатую информацию о пространственном расположении полярных сияний, их повторяемости в разное время суток. Появилась даже возможность делать измерения внутри самого полярного сияния, вызывать его искусственно, а также с их помощью исследовать структуру магнитного поля Земли.
Давайте же познакомимся с его основными характеристиками: направлением и величиной.
Направление определяется относительно географических координат Земли и задается двумя углами – склонением и наклонением. Склонение – это угол между географическим и магнитным меридианами, т.е. между истинным направлением на север и тем, которое указывает магнитная стрелка. Наклонение – угол между направлением магнитной стрелки, вращающейся вокруг горизонтальной оси, и горизонтальной плоскостью.[7] Для намагниченного шара характерно именно распределение наклонения: оно связано с географическими координатами.
Магнитное поле нашей Земли – дипольное, то есть его полюса находятся очень близко друг к другу. Величина геомагнитного поля на полюсах примерно в два раза больше, чем на экваторе. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими. Отсюда и возникает склонение. А угол между магнитной осью и осью вращения = 11,5º. Кроме того, магнитная ось проходит еще и не через центр, и получается, что магнитное поле в Северном полушарии больше, чем в Южном.
В некоторых областях на поверхности Земли реальное магнитное поле значительно отличается от дипольного. Такие области называют континентальными аномалиями. Их происхождение связано с процессом возникновения магнитного поля. К примеру, это наблюдается в Восточно-Сибирском овале на востоке Азиатского материка и в районе Зондских островов[8].
Величина же магнитного поля Земли очень мала – около 0,5 эрстед (индукция магнитного поля = 25 000 нТл—70 000 нТл)[9]. Для сравнения напомним, что магнитное поле около полюсов магнита, используемого для опытов в школе, составляет несколько десятков эрстед. Вы сами смогли убедиться в этом, выполняя лабораторную работу.
А как же поля других планет, или, может, наша Земля только одна такая с собственным магнитным полем?
Оказывается, что нет. Ниже, в таблице, приведены данные о магнитных полях планет нашей солнечной системы[10]:
Планета
|
Описание и характеристики
магнитного поля
|
Магнитное поле
по экватору,
нТл
|
Угол наклона оси вращения
|
Меркурий
|
Слабое, в 100 раз меньше магнитного поля Земли
|
100
|
28º
|
Венера
|
Слабое, в связи с маленькой скоростью вращения
|
14-23
|
48º
|
Марс
|
Собственное дипольное поле слабой интенсивности, хватает только лишь на удержание своих спутников
|
64
|
25º
|
Юпитер
|
Мощное
|
400 000
|
3º
|
Сатурн
|
Примерно в 2 раза меньше магнитного поля Земли. Достаточно сильное, ведь удерживает 17 спутников
|
21 000
|
26º
|
Уран
|
Немного меньше магнитного поля Земли
|
25 000
|
98º
|
Нептун
|
Настолько изменчивое, что индукция магнитного поля меняется от 1/3 земного до утроенного.
|
|
29º
|
Плутон
|
Очень слабое
|
|
50º
|
Вот мы и познакомились с магнитным полем Земли. Человеку оно служит большим помощником.
Например, оно защищает Землю от гибельного для всего живого излучения Солнца. Если бы магнитное поле не отклоняло поток заряженных частиц, заставляя их двигаться по силовым линиям от полюса к полюсу, то частицы эти достигали бы беспрепятственно поверхности Земли.
Магнитное поле – верный помощник для штурманов самолетов, капитанов кораблей и подводных лодок. Компас часто служит единственным указателем пути для поисковых отрядов и туристов.
Резкие отклонения магнитного поля – аномалии – указывают на месторождения полезных ископаемых. В связи с этим появилась целая наука – магниторазведка.
Важно помнить: некоторые изменения магнитного поля – возмущения – предупреждают о приближении магнитной бури. Во время магнитных бурь, резких и беспорядочных возмущений, в течение нескольких часов происходят сильные изменения в ионосфере. Ионосфера перестает отражать радиоволны, и радиосвязь прерывается. О приближении магнитных бурь необходимо знать пилотам самолетов и капитанам кораблей, так как они сразу теряют и возможность ориентироваться по компасу, и локационную связь. Но геомагнитное поле всегда предупреждает нас о надвигающейся опасности – магнитной буре.
Оно помогало и в годы Великой Отечественной Войны. Самопроизвольное намагничивание железных предметов в магнитном поле Земли было использовано для устройства магнитных мин, которые устанавливались на некоторой глубине под поверхностью воды и взрывались при прохождении над ними корабля. Механизм, заставляющий мину всплывать и взрываться, приходит в действие, когда магнитная стрелка, вращающаяся вокруг горизонтальной оси, поворачивается под влиянием магнитного поля проходящего над миной железного корабля, который всегда оказывается самопроизвольно намагниченным. Впервые исследовательская группа под руководством Игоря Васильевича Курчатова придумала, как с ними бороться. Чтобы обезвредить магнитную мину применялось два способа: магнитное траление этих мин и нейтрализация магнитного поля корабля.
Первый способ заключался в том, что самолет, летящий низко над поверхностью моря, проносил над этим участком подвешенный к нему на тросах сильный магнит. Иногда вместо этого опускали на поверхность воды на поплавках кабель в виде кольца и пропускали по этому кольцу ток. Под влиянием поля магнита или тока механизмы всех мин приходили в действие, и мины взрывались, не причиняя вреда.
Второй способ состоял в том, что на самом корабле укреплялись петли из изолированного провода и по ним пропускались токи с таким расчётом, чтобы магнитное поле этих токов было равно и противоположно полю корабля (постоянного магнита). Оба поля, складываясь, уничтожали друг на друга, и корабль свободно проходил над магнитной миной, не приводя в действие её механизм[11].
Надеемся, что не осталось сомнений в том, что наша Земля – гигантский магнит!
Использованная литература и материалы.
-
[2, 7] Детская Энциклопедия: «Земля» (1971)
-
[5, 8] Детская Энциклопедия: «Мир небесных тел. Числа и фигуры» (1972)
-
[1, 3, 4] Гильзин К. «В необыкновенном мире» (1974)
-
[6] Гонтарук Т. Н. «Я познаю мир» (1997)
-
[9] Маров М. Я. «Планеты Солнечной системы» (1986)
-
[10] Силкин Б. Н. «В мире множества лун» (1986)
-
[10] Беленов А.Ф. «Естествознание и окружающая среда» (2006)
-
[11] Лансберг Г. С. «Элементарный учебник физики» (1975)
Обучающие диски Физикон «Физика 7-11 классы», «Открытая Астрономия»
Обучающие диски «Кирилл и Мефодий»
ГОУ СОШ №937 Учитель физики - Валишина Аниса Галимовна (открытый урок - «Наша Земля- магнит»)
|
