高中物理（人教大纲版）第二册 第十五章 磁场 五、带电粒子在磁场中的运动、质谱仪(备课资料).docVIP

●备课资料 一、漫谈地磁场 地球是个巨大的磁体，它周围空间存在的磁场叫地磁场.地磁场的强度并不大，在地面附近的磁感应强度大约只有5×10－5 T，而一般的永久磁体附近的磁感应强度可达0.4~0.7 T.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，但至今地磁场仍有很多问题尚无定论. 1.地磁场的起源 人类很早就提出了地磁场的起源问题，为解释这个问题，历史上曾先后提出过许多观点.目前，较为成熟的是磁流体发电机学说. 1945年，物理学家埃尔萨塞根据磁流体发电机的原理，认为当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动，像磁流体发电机一样产生电流，电流的磁场又使原来的弱磁场增强，这样外地核物质与磁场相互作用，使原来的弱磁场不断加强.由于摩擦生热的消耗，磁场增加到一定程度就稳定下来，形成了现在的地磁场.而最初的微弱磁场可能来自核内化学不均匀性形成的电池，从而产生的弱电流.也有的科学家认为在太阳系最初形成时，月球即受到地球的引力而成为它的卫星，而月球在被吸引到靠近地球的过程中，地球表面的海洋出现强烈的潮水起伏，这种起伏所引起的巨大摩擦力使地球温度剧增，导致地心熔化；地心的岩浆在高温及高牵引力的作用下，出现旋转式的滚动，结果产生了磁场.因为磁流体发电机学说能解释较多的地磁现象，又符合地球内部结构特点.还可以用来解释许多天体的磁场起源.所以受到普遍重视.但由于地球内部构造复杂，此学说还有待于进一步验证.总之，地磁起源问题目前仍处于不断发展和深入研究的阶段. 2.地磁倒转之谜 1906年，法国科学家在考查法国司马夫中央山脉地区熔岩时，发现那里的岩石具有与地磁场方向相反的磁性.后来此类发现不断增加，随着研究的深入，人们终于确信，地磁场方向并非一直不变，在近450万年的时间内，地球磁极曾发生过9次倒转.是什么原因让地球磁极发生反复变化呢？许多科学家提出了各自不同的设想.一些科学家从磁流体发电机学说出发，认为由于多种可能的原因，引起地球外地核物质流动方向改变，地磁极随之改变；另一些科学家则认为，地磁极倒转是由于陨石撞击地球造成的；也有的科学家认为，地磁极倒转与银河系的磁场有关.由于各种设想都不完善，地磁极为何倒转仍是一个未解之谜.我们期待着在不远的将来能够揭开谜底. 3.地磁场对宇宙射线的作用 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，地球上生物才得以生存滋长.如果没有了这个保护盾，外来的宇宙射线将把最初出现在地球上的生命幼苗全部杀死，根本无法在地球上滋生. 在地球南北极附近或高纬度地区，有时在晚上会看到一种神奇的灿烂美丽的彩色光带——极光.直到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.原来当太阳辐射出的带电粒子进入地磁场后，由于洛伦兹力的作用，带电粒子沿地磁场的磁感线做螺旋线运动，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.由于在可见光波段受激的氧原子能发出绿光和红光；电离了的氮分子发射紫色光、蓝色光以及深红色光.因此，通常肉眼看到的极光是绿色、蓝色并带有粉红色或红色的边缘. 4.地磁场对大气的作用 大气中一般都含有少量的离子，若刮西风或偏西风，离子自西向东随风运动，由于受地磁场的作用，正离子受到向上的洛伦兹力而逐渐上升，负离子则受力向下而逐渐下降，这样，处于大气底层的负离子增多而正离子减少.由于负离子能使人感觉身心爽朗、舒适，所以对人体健康是有益的，此时我们多到室外活动，可以强身健体.相反，如果是刮东风或偏东风，会使大气底层的正离子增多，容易使人感到疲倦和烦躁，不利于身体健康.我们应当在河边或绿色环境中活动，因为这些环境对正离子有明显的吸收效果，可以使人少受正离子对身体健康的不良影响. 在雷雨季节，雷电会使空气中的离子数大幅度增加，由于潮湿的空气有弱导电能力，流动的空气在地磁场作用下，相当于弱导电体在磁场中运动，如果存在切割磁感线的上、下、东、西方向的运动则产生电势差，电势差随正负极间距的增大而增大，而空气流动的宽度往往是很大的，因此电势差也很大，大到一定程度则会使两极空气电离，离子数大大增加，从而对人的健康影响也较大. 5.地磁场对生物活动的影响 研究人员发现，像海龟、鲸鱼、候鸟、有些鱼和瞎鼠等众多迁徙动物均能凭借地磁场走南闯北，每年可旅行几千千米，中途往往还要经过汪洋大海.此外，有的动物还能利用磁倾角帮助自己测定精确的位置.比如生物学家发现，笨拙的海龟就能使用“磁倾角罗盘”.幼龟在佛罗里达沿岸出壳后，随即游入大海.它们在大西洋生活多年，直到长成才回到出生时的岸边去交配和巢居.在返回过程中，要是离开正道过于偏南或偏北，便难免冻死途中，多亏了“磁倾角罗盘”，