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4.磁极与方向
2025学年三年级科学下册 · 教科版
第一单元·辨别方向
思考：指南针的材质是什么？
指南针的核心部件是磁性材料制成的磁针，其材质经历了从天然磁石到人工磁化钢针的演变过程。
早期：使用天然磁石（磁铁矿）作为磁针，具有天然磁性
宋代：沈括《梦溪笔谈》记载通过渗碳淬火处理钢针，制成高矫顽力和剩磁的磁针
现代：采用人工磁化合金材料，确保在地磁场作用下稳定指向
从天然磁石到人工磁化钢针，指南针材质的演变反映了人类对磁学认识的深入
古代指南针（司南）示例
条形磁铁的两个磁极相互作用的现象
1
聚焦
（1）探索实验：认识磁极的南北极
2
探索
探索实验：磁极相互作用四种情况
通过实验观察磁铁两极接近时的相互作用，验证磁极间的基本规律
N
N极
N
N极
S
S极
S
S极
N
N极
S
S极
S
S极
N
N极
2
探索
结论： 所有磁体的磁极间作用均符合"同极相斥、异极相吸"规律，是磁现象的核心原理。
磁极相互作用的基本规律
当两个磁铁相互靠近时，其磁极间会表现出"同极相斥、异极相吸"的基本规律。
N
N
相互排斥
(产生推力)
S
S
相互排斥
(产生推力)
N
S
相互吸引
(产生拉力)
磁极间相互作用的原理
N
S
磁力线从N极(北极)发
进入S极(南极)
磁极间相互作用的根本原因在于：
同极靠近时，磁场方向一致，磁力线相互抵触，形成排斥力
异极靠近时，磁力线能够自然衔接，形成连续的闭合回路，产生吸引力
"磁石引针"的现象早在宋代沈括的《梦溪笔谈》中就有记载
2
探索
（2）条形磁铁稳定指向原理
地球本身是一个巨大的天然磁体，拥有自己的磁场。
悬挂的条形磁铁在地磁场作用下会稳定指向南北方向。
地磁场作用：地理北极附近是地磁S极，地理南极附近是地磁N极
磁极相互作用：磁铁的N极受到地磁S极的吸引，磁铁的S极受到地磁N极的吸引
稳定指向：磁铁会旋转直至磁轴与地磁子午线方向一致，最终稳定在南北方向
指南针的磁针之所以能指向南北，正是因为它受到地球这个"大磁体"的磁极作用
2
探索
科普阅读：地球南北极与地磁南北极
N
S
S
N
地磁极与地理极并不重合，存在一定的偏移，称为"磁偏角"。根据现代测量数据，地磁极的位置在持续缓慢移动。
地磁北极：位于地理南极附近（约南纬60°–70°，东经140°左右），是地磁场的S极。
地磁南极：位于地理北极附近（约北纬76°–80°，西经100°–110°），是地磁场的N极。
地磁场的重要性
保护地球免受太阳风等宇宙射线的直接冲击
是维持地球生命环境的重要屏障
地理北极与地磁北极不重合
地理南极与地磁南极不重合
2
探索
2
探索
地磁极探索：飞鸽传书原理
科普探索——
地磁极探索：飞鸽传书原理
磁感应机制
信鸽头部（尤其是喙部和内耳）含有微小的磁性颗粒（如磁铁矿），能感知地磁场方向与强度。
最新研究发现：鸽子内耳半规管中的特殊II型毛细胞，表达电压门控钙离子通道蛋白，能将磁场变化转化为微弱电流信号，通过前庭系统传递至大脑。
神经通路
磁场感知
信号转换
内侧前庭核
尾侧中颞叶
磁信号处理：磁信息经由内侧前庭核和尾侧中颞叶等脑区处理，与视觉、嗅觉信息整合，形成"地磁地图"
多模态导航系统
信鸽的归巢能力是"生物指南针"与多种感官系统协同作用的结果：
视觉地标
在接近家园时依赖山脉、河流、建筑等识别位置
嗅觉地图
通过大气中微弱气味差异构建空间模型
太阳定位
利用太阳方位角与生物钟协同判断方向
次声波感知
可能利用自然低频声波辅助导航
信鸽的磁感应机制为现代仿生导航技术（如无人机、火星车）提供了重要启示，有望实现不依赖GPS的自主导航系统。
2
探索
（1）条形磁铁指向的吸引力来源
悬挂的条形磁铁能稳定地指示方向，其根本原因在于
地球本身是一个巨大的天然磁体，拥有自己的磁场。
地磁场作用：地球磁场的磁极与地理极不重合，存在磁偏角
磁极相互作用：磁铁的N极受地磁S极吸引，S极受地磁N极吸引
稳定指向：磁铁在地磁场作用下旋转，直至磁轴与地磁子午线方向一致
磁铁静止时，磁铁N极指向地理北极附近，磁铁S极指向地理南极附近
地磁N极
地磁S极
N
S
悬挂的条形磁铁受地磁场作用
3
研讨
（2）磁极相互作用的在人们生活中的应用
磁极相互作用（同极相斥、异极相吸）在日常生活中有着广泛的应用，这些应用都基于磁极间基本规律的巧妙运用。
电动机与发电机
利用通电线圈与永磁体之间的磁极相互作用，产生持续力矩，实现电能与机械能的转换。
磁悬浮列车
通过轨道和列车上的磁体产生同极相斥的力，使列车悬浮于轨道之上，消除摩擦，实现高速运行。
磁性门吸
利用磁铁异极相吸的原理，将门固定在关闭状态，开门时只需克服磁力即可。
磁力扣
常见于手袋、箱包、文件夹等，通过磁铁异极相吸实现快速、便捷的闭合。
磁性手表
部分机械表或指针式手表利用磁性元件稳定指针的指向，确保读数准确。
磁疗设备
利用特定磁场作用于人体组织，理论上可促进血液循环或缓解疼痛，基于磁场与生物体的相互作用。
结论：这些应用充分体现了磁极相互作用在科技与日常生活中的巨大价值，是物理学基本规律在工程实践中的成功转化。
3
研讨
选做课后：小制作——磁悬浮列车
课堂拓展实验任务：用蹄形磁铁实验，是否也能指示方向？
地磁场
N
S
蹄形磁铁在地磁场中的指向
N极指向地理北极
S极指向地理南极
实验结论
蹄形磁铁具有明确的磁极指向性，N极指向地理北极附近，S极指向地理南极附近
蹄形磁铁可作为简易指南针使用，其优势在于磁场集中、指向灵敏
实验验证了磁极间相互作用的普遍性——无论磁铁形状如何，只要具有明确的磁极，就能在地磁场中实现稳定指向
4
拓展
蹄形磁铁实验进一步说明，磁极的方向性是磁体与地球磁场相互作用的核心机制。
这一原理与条形磁铁相同，验证了磁极相互作用规律的普适性。
科学发现
练一练
A
B
B

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