极光是如何产生的视频 极光是如何产生的
时间：2019-01-05 03:31:39 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要: 极光是美丽的自然现象,但极光是如何产生的,它的本质是什么,它为什么会出现在地球南北两极高纬度地区,以及一些高纬度国家,这些问题常常使中小学生产生困惑。本文用高中电磁学的知识加以阐释,解释其中的疑问,从而更加激发学生对科学知识的兴趣,促进学生科学素养的形成。
关键词: 极光 地磁场 洛伦兹力 产生原因
极光是自然界中最壮美的彩光现象,大多出现在地球南北两极高纬度地区,以及一些高纬度国家,如俄罗斯、挪威、加拿大北部等,那里平均每年出现极光的次数多达百次。极光多种多样,五彩缤纷,形态不一,有的像宽阔的幕帘,有的像舞动的游蛇,有的像跳跃的火焰,有的像四散的百褶裙,美丽非凡,摇曳生姿。极光绚丽多彩,变幻莫测,如同一个灵幻的精灵,把夜空装点得绮丽无比。那么,极光是怎么形成的呢?它为什么总是出现在高纬度地区的上空呢?要回答这些问题,必须首先了解地磁场、洛伦兹力等知识。
1.地磁场
地球是一个大磁体,地球本身及其周围空间存在着磁场,叫做“地球磁场”,又称地磁场,其主要部分是一个偶极场。地球的磁场与条形磁体的磁场相似,其主要特点有三个:(1)地磁场的M极在地球南极附近,S极在地球北极附近,磁感应线分布如图1所示。(2)地磁场B的水平分量B总是从地球南极指向北极,而竖直分量B则南北相反,在南半球垂直地面向上,在北半球垂直地面向下。(3)在赤道平面上,距离地球表面相等的各点,磁感强度相等,且方向水平向北。
2.洛伦兹力
1895年荷兰物理学家洛伦兹总结运动点电荷在磁场中受力的规律,得出洛伦兹力公式:
F=qvBsinθ。
洛伦兹力的大小跟电荷的电量q,运动速度v,磁感应强度B,以及速度方向和磁感应强度的夹角有关。洛伦兹力的方向可由左手定则判定。
一个电量为q(设q>0)、质量为m的粒子,以初速度v进入磁感应强度为B的匀强磁场。在忽略重力的条件下,其运动规律可以有以下三种情况:
(1)若v与B同向,则洛伦兹力为零。带电粒子作匀速直线运动,不受磁场影响。
(2)若v与B垂直,则F=qvBsin90°=qvB。F的方向与v及B均垂直,即带电粒子时时受到一个与速度v垂直、大小不变的力的作用,故粒子作匀速圆周运动,洛伦兹力F就是作圆周运动所需的向心力。由牛顿第二定律可得:
沿B的方向作匀速直线运动。当两个分量同时存在时,粒子的轨迹将成为一条螺旋线,如图3所示。其螺距h(即粒3.极光的产生原因
科学家们经过多年的研究推测,极光生成之谜与太阳有关,它是太阳风暴与地球磁场相互作用的结果。每当太阳黑子剧烈活动时,太阳就会释放出大量的热气体、辐射和能,并形成猛烈的太阳风暴。太阳风在地球上空环绕地球流动,以大约400km/s的速度撞击地球磁场。当太阳辐射出的带电粒子从赤道上空进入地磁场时,我们设粒子的速度方向与磁感线成θ。由于地磁场从赤道到两极越来越强,即磁感强度B的值越来越大。由r=不难看出,随着B的变大,圆周的半径越来越小,如图5所示。这样大量从赤道上空进入的带电粒子被地磁场俘获后都做半径越来越小的螺旋线运动,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,于是人们便看到了瑰丽的极光。
形成极光必不可少的三个条件是大气、地磁场和太阳风。具备这三个条件的太阳系其他行星,如木星和水星,它们的周围也会产生极光,这已被实际观察的事实所证明。从科学研究的角度,人们将极光按其形态特征分成五种:一是底边整齐微微弯曲的圆弧状的极光弧;二是有弯扭折皱的飘带状的极光带;三是如云朵一般的片朵状的极光片;四是面纱一样均匀的帐幔状的极光幔;五是沿磁力线方向的射线状的极光芒。当然,极光也还有许许多多没有解开的迷。
参考文献:
[1]梁绍荣,管靖.基础物理学[M].北京:高等教育出版社,2002.
[2]赵凯华,陈熙谋.电磁学[M].北京:高等教育出版社,1985.
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