4 跨学科实践：指南针（表格式教学设计）物理教科版2024 九年级上册

7.4 跨学科实践：指南针（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 7.4 跨学科实践：指南针 教学 目标 物理观念 认识指南针依靠地磁场定向，理解磁偏角的存在说明地理北极与地磁北极不完全重合。 科学思维 能运用磁极作用规律分析指南针的指向，并通过对比理解磁偏角的形成原因与影响。 科学探究 通过制作简易指南针并观察其指向，探究地磁场的方向特征与磁针定向条件。 科学态度 与责任 了解我国古代指南针的发明历程，体会科技对文明发展的推动作用，增强民族自豪感与科学探索精神。 教材 分析 本节作为“磁现象”单元的跨学科实践，旨在通过指南针这一载体，贯通物理知识与技术应用，融合科学探究与人文历史。教材内容围绕“工具原理—地磁模型—历史脉络—实践探究”的逻辑展开： 一、工具与原理结合：从指南针结构和使用入手，将磁场方向、磁极作用等知识转化为对具体工具工作原理的理解，自然引出磁偏角概念，建立“物理原理—技术实现”的认知联结。 二、现象与模型衔接：通过指南针在不同条件下的指向差异，引导学生理解地磁场的空间分布特点，初步建立地磁场的磁感线模型，培养空间推理能力。 三、历史与现代联系：融入司南等发明历程，展现科学技术与社会发展的互动，增强文化认同，理解科学发展的累积性。 四、知识与实践融合：通过制作、测试指南针等实践活动，融入地理方位等跨学科元素，培养综合运用知识解决实际问题的能力。 教学建议：建议采用“情境引入—原理探究—实践制作—拓展讨论”的教学路径。充分利用实物观察、实验探究与史料分析，使学生在实践中深化概念理解；在磁偏角等较抽象内容上，可结合地图、视频等可视化资源辅助建立空间认知；注重引导学生在实践过程中反思物理原理与技术设计之间的关系，初步形成“科学—技术—社会—历史”相结合的系统思维视角。 学情分析 1. 知识储备分析：学生在学习本章节前，已系统掌握了磁体的基本性质、磁场的概念以及磁感线的模型描述方法，具备理解指南针工作原理的理论基础。但学生对地磁场、磁偏角等地理与物理交叉的概念仍较为陌生，对指南针在实际应用中的精度影响因素（如磁干扰、磁偏角的地理差异等）缺乏系统认知。这为开展“指南针”这一跨学科实践提供了必要的知识切入点。 2. 思维能力分析：学生已具备从磁现象中归纳规律的能力，并能初步运用磁感线模型分析简单磁场的分布。但在本实践中，学生需要将物理知识与地理方位、历史背景进行综合联系，理解磁偏角的空间分布及其实际意义，这对学生的跨学科整合能力、空间想象能力以及从理论到实践的应用分析能力提出了更高要求。 3. 学习兴趣与态度分析：学生对指南针这一古老而实用的工具具有天然的好奇心，尤其对其在航海、探险等场景中的应用充满兴趣。通过动手制作简易指南针、探究磁偏角等现象，能够有效激发学生的实践热情和探究欲望。在跨学科实践中，教师可进一步引导学生体会科学技术与人类社会发展的密切关系，培养其尊重历史、勇于探究、联系实际解决问题的科学态度。 教学重点 1.指南针的工作原理及其与地磁场的关系；2.指南针的历史演变及其在导航中的应用；3.磁偏角的概念及其简易测量方法。 教学难点 理解地磁场与地理北极之间的偏差（磁偏角）；掌握自制指南针的方法与步骤。 教学 器材 磁铁、钢针（或缝衣针）、泡沫塑料片（或吹塑纸）、一碗清水、细线（如蚕丝线）、小纸片、笔、课件等。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【提出问题】 指南针是我国古代的四大发明之一，那么指南针的原理是什么？指南针的发展经历了哪些变化？我们能不能自制一个指南针？ 思考并回答问题，进入情景。 学习新课 一、指南针的发展历史 1. 司南的诞生 司南是中国战国时期发明的指南工具，古人将天然磁石制成光滑的磁勺，把它放在刻着方位的铜盘上，静止时勺柄指向南方，这就是指南针的始祖—司南。 这也是人类首次利用磁性材料进行方向的测定。 司南的原理：地球本身相当于一个巨大的磁体，其磁场方向大致从地理南极指向地理北极，天然磁石具有磁性，会被地球磁场磁化，并在地磁场作用下自动指向南北方向。 2. 人工磁化与航海应用 司南的缺陷：主要受两方面因素限制，司南的指向精度不高——一是天然磁石本身磁性较弱，二是磁勺与铜盘之间的摩擦干扰。 改进方案：我国古人最早发现天然磁石可使铁针磁化，在此基础上，发明了人工磁化制作指南装置的方法。 司南在长期使用过程中不断改进：唐代末期，人们在司南的基础上创制出水罗盘；至北宋时期，又实现重要技术突破，采用磁石磨针法人工磁化铁针，并相继发展出指南鱼与指南针。 航海中的应用: 中国古代航海家们很早就认识到指南针的重要价值，并开始将其用于海上导航。这不仅显著提升了航行的安全性与准确性，也推动了中国远洋航行能力的飞跃。 根据北宋地理学家朱彧《萍洲可谈》的相关记载，中国是世界上最早将指南针应用于航海的国家。借助指南针的指引，中国船队得以远航至东南亚、印度洋乃至东非沿岸，开辟了举世闻名的“海上丝绸之路”。 指南针技术在不断发展中逐渐传播到其他地区。据史料记载，大约在12世纪，指南针经阿拉伯商人传入欧洲。到13世纪末，这一导航工具在欧洲已得到进一步普及。此后，欧洲各国纷纷将指南针应用于远洋航行，从而开启了大航海时代。哥伦布、达伽马、麦哲伦等著名航海家正是借助指南针，完成了各自的伟大探险，不仅发现了新大陆，也开辟了全新的海上航路。此后，指南针的应用范围进一步扩展，逐渐在大地测量、军事作战、旅行导航等诸多领域发挥重要作用。 3. 罗盘的成熟 南宋时期，指南针技术得到继续改进，人们将指南针与方位盘结合，制成了“罗盘”，显著提升导航精度。 罗盘的核心组件与结构： （1）磁针：位于盘中央，是指南针的核心部件，用于确定南北基准方向。 （2）同心圆圈：罗盘盘面上围绕中心刻有多层同心圆环，每一圈都代表不同的信息体系。 4. 技术改良与全球应用 16世纪后，出现液态罗盘、电磁罗盘，到20世纪初，无线电信标等新技术横空出世，新型指南针或导航技术利用技术进步来提升导航的稳定性、精确性和可靠性。 （1）液态罗盘（陀螺罗盘或液体阻尼罗盘） 将磁针置于充满液体的密闭容器中，通过液体的阻尼作用减少晃动，使指针更快稳定，适合在运动平台上（如船舶、飞机）使用，大大提升了稳定性。 （2）电磁罗盘 利用电磁感应原理或电子传感器测量地磁场，可结合电路处理信号，减少磁干扰影响，并能与其它导航系统集成，提高适应复杂环境的能力。 （3）无线电信标（无线电导航） 20世纪初兴起，通过接收地面无线电信号确定方向或位置，不受地磁场影响，精度更高，尤其适用于航空和航海，代表技术如无线电定向仪。 虽然这些新技术不断涌现，但传统磁性指南针因结构简单、无需电源、成本低廉、可靠性高，在许多领域仍被保留使用，形成新旧技术共存的局面。 【例题1】指南鱼是我国古代的一种磁性指向工具，其制作方法记载于《武经总要》：将鱼形铁片烧红后放置在地球磁场中冷却，使其磁化。静止时，鱼头指向地理南方，鱼尾指向地理北方。指南鱼的鱼尾相当于磁体的 （选填“N”或“S”）极。 【答案】N 【例题2】《论衡》中记载：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”如图所示，这是我国古代四大发明之一的指南针（司南）。下列说法正确的是（　　） A．司南“其柢指南”是因为受到地磁场的作用 B．“柢”即握柄，是磁体的N极 C．司南周围的磁场和磁感线都是真实存在的 D．“其柢指南”是利用了异名磁极相互排斥的原理 【答案】 A 最早的指南工具——司南介绍。 解释司南的原理。 说明司南的缺陷以及之后的改进方向。 人工磁化的方法的出现，发展出新的指南工具。 指南针的重要性梳理，以及在航海中的应用介绍。 罗盘的结构和原理解释。 新式指南工具介绍，优缺点分析。 完成例题1、例题2加深对磁现象的认识以及地理极性与地磁极性的区分和判断。 学习新课 二、自制指南针 【想一想】在学习过指南针的发展历史后，我们能否利用一些常见的材料和磁化方法，制作出一个能够指示方向的简易指南针？ 1. 磁针的装置方法（仿沈括古法） 北宋沈括亲自试验了磁针的4种装置方法： 装置方法 操作方法简述 优点 缺陷 浮于水面 将磁针横穿灯芯草或轻质浮体，漂浮于静止水面上 转动灵活，易于观察 怕风、怕水波、怕水质污染 置于碗沿 将磁针平放在光滑的碗口边缘 结构简单，响应快 易滑落，稳定性差 置于指甲 将磁针一端置于光滑指甲面上 灵敏度高，便于临时使用 不易固定，易受手部晃动影响 丝线悬挂 用细蚕丝线悬挂磁针中部，使其自由水平旋转 指向稳定，受外界干扰小 悬挂要求高，易受气流影响 2. 自制指南针实验方案 实验目标：利用实验室或生活常见材料，通过磁化钢针并选择一种支撑方式，制作一个能稳定指示南北方向的简易指南针。 材料准备：磁铁、钢针（或缝衣针）、泡沫塑料片（或吹塑纸）、一碗清水、细线（如蚕丝线）、小纸片、笔。 制作步骤： （1）磁化钢针（任选一法） 摩擦法：用磁铁沿同一方向摩擦钢针30–50次。 淬火法：将钢针烧红后沿南北方向迅速冷却。 检验方法：吸附小铁屑，验证是否磁化。 （2）选择装置方式（任选一法，以“浮于水面”为例） 将泡沫塑料剪成小圆片，中心插入磁化钢针。 轻轻放入静置的水碗中，避免触碰碗壁。 （3）标定方向 待钢针静止后，观察其指向。 在泡沫片上标出“北”（N）和“南”（S）方向。 3. 实验检验与优化建议 检验项目 方法说明 优化方向 指向是否稳定 多次扰动后观察是否恢复同一指向 选用更轻浮体、更静水面、无风环境 是否准确指北 与标准指南针比对方向 重新磁化、调整浮体平衡、避免金属干扰 装置是否耐用 重复使用多次，观察是否失效 加强磁化、保持针体干燥、避免强磁环境 【例题3】如图所示，科技小组同学在自制指南针活动中，用条形磁体将缝衣针磁化后，放在水中漂浮的一片树叶上。多次轻轻旋转树叶，待树叶静止后，观察到树叶的尖端总是指向南方。下列说法中正确的是（   ） A．树叶尖端指向地磁场的南极 B．树叶尖端应标注为S极 C．树叶尖端会排斥磁体的N极 D．自制指南针周围存在着磁感线 【答案】 B 【例题4】根据古文《论衡》中的记载“司南之杓（用途），投之于地，其柢（握柄）指南”，学术界复原出司南的模样并印刷在邮票上。 (1)如图甲所示，当磁勺正确指南时，其A端为该磁体的 （选填“N”或“S”）极。 (2)1952年，中国科学院物理研究所尝试制作一具司南。如图乙所示，制作人员根据天然磁石的磁感线分布，将磁石的 （选填“B”“C”“D”或“E”）处打磨成磁勺的A端。 (3)把天然磁石按照正确方法打磨成磁勺后，放在粗糙的木盘上，使磁勺水平自由转动直至最终静止，但磁勺A端总是不能正确指南。将粗糙木盘换成较光滑的青铜盘才略有改善。这是因为磁勺和盘子之间的 力影响了实验效果。 (4)为达到理想的指向效果，制作人员将磁勺靠近电磁铁，如图丙所示。闭合开关S，磁勺和电磁铁相互吸引，由此增加磁勺的磁性。H为电源的 极，靠近磁勺柄一端的电磁铁磁极为 （选填“N”或“S”）极。 (5)历史上真有这样的司南吗？一种观点认为古代的磁勺比中国科学院物理研究所制作的磁勺要更 （选填“轻”或“重”），从而有更好的指向效果；另一种观点认为除非今后出土了司南实物，才能真正下结论。 【答案】 (1)S (2)D (3)摩擦 (4) 正 N (5)轻 提出问题，引导同学们思考自制指南针的方法与原理。 沈括古法——四种磁针的制作方法。 对应方法的操作方法简述及优缺点介绍。 自制指南针实验目标及材料准备。 制作流程的具体介绍。 实验检验与优化方案介绍。 完成例题3例题4继续巩固磁极磁场的认识。 学习新课 三、测量磁偏角 1. 磁偏角的发现 北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中首次明确记载了磁偏角现象，指出地磁南极与地理北极之间存在偏差。 在西方，直到1492年哥伦布横渡大西洋时才发现磁偏角，比沈括晚了四百多年。 1962年，我国邮电部发行的《中国古代科学家》纪念邮票（第二组）中，沈括被列入其中，以纪念他的科学贡献。 2. 磁偏角定义 磁偏角是地球表面磁子午圈与地理子午圈之间的夹角，即地磁场方向与地理北极方向之间的偏差。 规定：磁针指北极N向东偏时，磁偏角为正；向西偏时，磁偏角为负。磁偏角是指磁针静止时，所指的北方与真正北方的夹角。 磁偏角因地而异，例如中国东部约为西偏5°，因此在导航和定位时需校准设备，确保方向准确。 3. 简易测量方法 通过自制指南针测量当地磁偏角，基本思路为： （1）测定磁针静止时所指方向（磁北极方向）； （2）测定地理北极方向； （3）测量两者之间的夹角。 测量步骤： （1）测定磁极方位 使用自制指南针，在无风、无磁干扰环境中静置，待其稳定后，记录磁针静止时所指方向，确定为磁北极方向。 （2）测定地理北极方位 可采用太阳影子法（古代“土圭之法”）： 在水平地面立一直杆，以杆为圆心画圆； 记录日出和日落时杆影顶端与圆周相交的两点； 连接两点得东西方向线，其垂线即为地理南北方向线。 或查阅当地地理坐标数据，获取地理北极方向。 （3）测量夹角 将指南针方向与地理北极方向对齐，使用量角器测量两者之间的夹角，即为当地磁偏角。 4. 中国古代确定方位的基本方法 土圭之法是中国古代确定方位的基本方法： 在水平地面立直杆，画圆； 记录日出与日落时杆影顶端落于圆周上的两点； 连接两点得东西方向，其垂线即为南北方向。 此方法体现了古人利用自然现象进行科学观测的智慧，也为测定地理北极方向提供了可行方法。 【例题5】磁体周围存在着 ，指南针能够指南北，是因为受到了 的作用。小磁针南极大致指向地理的南极，这说明地磁的 极在地理的南极附近。 【答案】 磁场 地磁场 北/N 【例题6】如图所示，能自由转动的司南静止时，它的长柄指向南方，说明长柄是磁体的 极（选填“北”或“南”），司南之所以能指向南北方向，是由于受到 的作用，磁偏角是由我国宋代学者 最先发现的。 【答案】南 地磁场 沈括 介绍磁偏角的发现历史。 解释磁偏角的定义。 介绍磁偏角测量的简易方法。 介绍中国古代确定方位的方法。 完成例题5例题6，加深对于地磁场、磁偏角等概念的认识。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．周末，科技小组同学在“自制指南针”活动中，小凡用条形磁体将缝衣针磁化后，将其放在水中漂浮的一片树叶上。多次将树叶轻轻旋转，待树叶静止后，观察到树叶的尖端总是指向南方，如图所示。下列说法中正确的是（   ） A．树叶的质量约为 B．树叶所受的浮力方向是竖直向上 C．缝衣针对树叶的压力和树叶对缝衣针的支持力是一对平衡力 D．树叶的尖端总是指向南方是由于重力的作用 【答案】B 【详解】A．一片树叶的质量很小，通常远小于50g，50g大约是一个鸡蛋的质量，所以这个估测是不合理的。故A错误； B．根据浮力的定义，浸在液体或气体中的物体所受的浮力方向总是竖直向上的。树叶漂浮在水面上，受到水竖直向上的浮力。故B正确； C．缝衣针对树叶的压力和树叶对缝衣针的支持力，这两个力分别作用在树叶和缝衣针两个不同的物体上，是一对相互作用力，而不是一对平衡力。平衡力必须作用在同一个物体上。故C错误； D．缝衣针被磁化后，相当于一个小磁针。地球是一个巨大的磁体，磁化后的缝衣针在地球磁场的作用下，静止时其S极会指向地理南极附近。因此，树叶的尖端总是指向南方是由于地磁场的作用，而不是重力的作用。重力的方向是竖直向下的。故D错误。 故选B。 2．如图是小高同学画出的条形磁体的磁场分布图，以下说法正确的是（　　） A．小高所画的条形磁体的磁场根本不存在 B．该条形磁体的右端为N极，左端为S极 C．a处的磁场强弱与b处的磁场强弱相同 D．用细线悬吊条形磁体中间，静止时条形磁体的N极可以指向任意方向 【答案】B 【详解】A．小高所画的条形磁体的磁感线根本不存在，但磁场是真实存在的，故A错误； B．在磁体外部，磁感线从N极出发回到S极，图中磁感线从右端出发回到左端，因此右端为N极，左端为S极，故B正确； C．磁感线越密集，磁场强度越强，由图可知，a处的磁感线比b处的磁感线稀疏，因此a处的磁场强度比b处的弱，故C错误； D．用细线悬吊条形磁体中间，因为地磁场的存在，所以静止时条形磁体的N极指向地理的北方，故D错误。 故选B。 3．如图所示，能自由转动的司南静止时，它的长柄指向南方，说明长柄是磁体的（　　） A．南极 B．北极 C．东极 D．西极 【答案】A 【详解】司南是最早的指南针，是利用天然的磁石磨制成的。地球本身就是一个大磁体，地磁的北极在地理的南极附近，当司南静止时，指向南方的一端是磁体的南极，其长柄指向南方，说明长柄是南极。故A符合题意，BCD不符合题意。 故选A。 4．沈括在《梦溪笔谈》中描述的“缕悬法”指南针，将缕丝的一端用蜡粘在磁针腰部，另一端系在木架上，磁针下放一个标有方位的圆盘，静止时磁针针尖便指向南方，则针尖是磁针的 极，它所指的方向是地磁 极。磁针能指示南北，是因为磁针受到 的作用。 【答案】 南 北 地磁场 【详解】[1]地球是一个大磁体，地磁的北极在地理的南极附近，地磁的南极在地理的北极附近。指南针静止时，指向南方的一端是磁体的南极，所以针尖是磁针的南极。 [2]由于地磁的北极在地理的南极附近，而指南针的南极（针尖）指向地理南方，也就是地磁的北极方向，所以它所指的方向是地磁北极。 [3]磁针能指示南北，是因为磁针受到地磁场的作用，地磁场对放入其中的磁体产生磁力的作用，从而使磁针指向南北方向。 5．如图是利用被磁化的缝衣针制成的简易指南针。若静止时针尾指向地理位置的南方，则针尖是简易指南针的 极（填“N”或“S”）。此时，将指南针底座顺时针旋转180°，针尖静止时将指向地磁 极（填“南”或“北”）。 【答案】 N 南 【详解】[1]指南针静止时，指向地理位置南方的一端是S极，因此针尾是S极，针尖则是N极。 [2]地磁的两极与地理两极相反，即地磁南极位于地理北极附近。指南针的N极会指向地磁南极，因此将指南针顺时针旋转180°后，针尖N极静止时仍会指向地磁南极。   6．在“探究通电螺线管外部的磁场分布”的实验中： (1)如图甲所示，在嵌入螺线管的硬纸板上均匀地撒满铁屑，通电后，用手 纸板，观察到铁屑有规则地排列。实验结果表明：通电螺线管外部的磁场与 磁体的磁场相似。 (2)根据图甲中小磁针的N极指向，可知通电螺线管的左端为 极。将电源的正负极对调，小磁针的N极指向也改变了，说明通电螺线管外部的磁场方向与 方向有关。 (3)图乙是《事林广记》中所记载的“指南鱼”的复原图，“指南鱼”内部藏有磁石，能够指示南北方向，这是由于地球的周围存在 。 【答案】(1) 轻敲 条形 (2) N 电流 (3)磁场 【详解】（1）[1][2]通电螺线管周围存在磁场，磁场的基本性质是对放入其中的磁体产生磁力的作用，所以通电螺线管周围的小磁针（铁屑）会被磁化，且排列情况反映其磁场分布情况，为了使铁屑分布情况更加直观，实验时应对着螺线管轻轻敲击纸板，这样铁屑与纸板脱离，铁屑在磁场的作用下会重新排列，与通电螺线管的磁场情况相吻合，从而可以确定通电螺线管的N、S极，通电螺线管外部的磁场与条形磁体的磁场相似。 （2）[1]由图甲可知小磁针的N极指向为向左，根据磁极间的相互作用规律可知通电螺线管的左端为N极。 [2]对调螺线管所接电源正、负极，周围小磁针的指向也随之对调，由此可知通电螺线管的磁场方向与电流方向有关。 （3）地球是一个大磁体，其周围存在磁场，“指南鱼”在地磁场的作用下能够指示南北方向。 板 书 设 计 第4节 跨学科实践：指南针 一、磁性基础 磁性：吸引铁、钴、镍的性质 磁体：具有磁性的物体（如磁针） 磁极：磁性最强的两端（N极与S极） 二、地磁场 地球本身是一个大磁体 地磁南极 → 地理北极附近 地磁北极 → 地理南极附近 三、指南针原理 磁针相当于小磁体 N极指北（指向地磁南极/地理北极方向） 受地磁场作用而定向 四、制作指南针 1、钢针磁化；2、使其自由转动（浮于水面或悬挂）；3、校准方向。 课 堂 小 结 7.4 跨学科实践：指南针 作 业 1. 完成课后作业：“练习与应用” 2. 配套同步分层作业 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $