神奇的磁力教学设计范文

神奇的磁力教学设计范文第1篇

执教者：清泉乡中心校 何永仙 教学目标

1、 能快速阅读课文并了解课文大意。

2、 初步知道生态农业的好处。 教学重点、难点

1、快速阅读课文，了解课文内容，感知生态农业的好处和重要性。

2、了解植物“神奇的音箱”的基本原理和作用，知道它带给植物的好处。 教学课时、1课时 教学过程

一、 谈话引入，激发兴趣

1、播放音乐，你知道音乐从哪儿传出来的吗?能简单介绍一下你所了解的音箱的知识吗?学生结合生活实际进行谈话。

2、教师导：有一种音箱，它能播放出一种特殊的音乐，使植物长得又快又好，你们想了解这种音箱吗?这节课我们一起来学习《神奇的音箱》一课。

二、初读课文，感知内容

1、生自由读文，读准生字、新词。

2、从文中找出“神奇的音箱”它又叫什么?

3、教师质疑：“神奇的音箱”的制作原理是什么?它的神奇之处是什么?

三、再读课文，了解“神奇”

1、指名反馈：神奇的音箱还有一个科学名字，你能从文中找出来吗?(植物声频发生器)它的制作原理是(植物经络学说)。

2.再读课文，在课文中找一找“神奇的音箱”神奇在哪里。作上记号，读一读再交流。

(1)、“这些声波听起来像长短不

一、高低不同的风笛声，它可以扩张植物叶面的气孔，增强植物的光合作用，从而刺激植物快速生长。”

(2)“要是定期给植物听音乐’，植物就能随着音乐茁壮成长。”

(3)“在棉田里，棉花听了音箱里的声音特别高兴，苗蹿得高，叶子更绿，结出的棉桃比以前多了一半”

四、默读课文，体会说明方法。

1、教师导：在本单元的说明文中，我们已学到了不少说明方法，你看看本文用了哪些说明方法?勾画出相关的句子，读一读。

2、指名反馈

(1) “关于声音和植物的关系，古人早就有所发现。一千多年前的宋代，沈括在他的《梦溪笔谈》里记载”(举例子)

“在棉田里，棉花听了音箱里的声音特别高兴，苗蹿得高，叶子更绿”(举例子)

(2)“它跟我们家里的音箱差不多大小，四面都有扬声器，可以放在地里向四周发射声波。”(作比较)

(3)“这些声波听起来像长短不

一、高低不同的风笛声，它可以扩张植物叶面的气孔”(打比方)

五、了解农业科技，拓展延伸

1.生态农业保护环境，利于健康，已成为现代农业科技发展的主潮流。交流你搜集的有关农业科技的新成果。

2、生态农业真好!发挥想象，你希望还有哪些成果出现?

3、教师小结：让我们共同去关注生态农业，也希望科学家们将来推出更多、更新的农业科技成果，使我们的生活越来越美好。

附：板书设计

16神奇的音箱植物声频发生器

神奇的磁力教学设计范文第2篇

《神奇的水》是苏教版小学《科学》三年级上册《生命之源水》单元的第3课。《神奇的水》这一课，让学生通过研究水的毛细现象、溶解现象、表面张力、浮力、压力等神奇现象，了解水的这些本领在生活、生产中的应用，使学生对水的性质有一个比较完整的认识。本课重点是引导学生认识毛细现象、水的表面张力，难点是引导学生探究感知水的毛细现象和表面张力。这一课很好地体现了科学探究的过程：观察发现推测证实，能较好地训练学生运用实验的方法进行科学探究。

二、学情分析

从幼儿园到小学一二年级，学生在与水打交道的过程中，已经对水、水的神奇现象有一定的了解，但是这些信息在学生的脑中是零碎的、模糊的，所以，在学习《观察水》和《神奇的水》时，我们要引导学生运用观察、实验、比较等科学的方法来认识神奇的水，使学生对水的性质有一个比较完整的认识。

《神奇的水》是三年级的一节科学课。三年级的学生刚接触科学课，他们喜欢上科学课，对科学课充满兴趣，特别是对科学实验充满好奇心，本课毛细现象实验较简单，实验现象也很明显;水的表面张力实验有一定的难度，对学生具有挑战性，所以本节课以实验、游戏贯穿始终，引导学生通过实验发现问题、通过实验解决问题，让学生在实验过程中快乐学习。本单元首次安排了猜测，它是“搞科学”的重要一步，它对科学发现、科学概括具有重要作用，但是，三年级的学生对实验感兴趣，更多是学生觉得实验好玩，而对实验的最终目的不能很好的认识，因此教师要着重对学生实验习惯、实验方法、实验技能的培养。

三、设计思路

《神奇的水》一课是学生通过观察、测量、体验、描述、实验、记录等方法对水的毛细现象和表面张力等水本身所具有的一些特性及奇妙现象进行学习和探究。 在设计时，首先分析如何正确的解决和处理“过程与结果的关系”的问题。不把“表面张力”这一概念直接灌输给学生，而是从学生已有的知识和经验出发，着重学生们的探究过程，组织学生开展一系列探究活动，将科学探究、过程与方法、情感、态度、价值观有机的结合起来。

其次，在教学活动的设计上，每个活动对学生的要求是不同的，水的表面张力的第一个活动是引起学生们的兴趣，发现水的神奇现象，掌握观察的方法。第二个活动是让学生们进一步发现水的神奇现象，自主描述现象。再通过观看课件让学生亲自体验、感悟，引导学生用自己的语言对此现象进行解释。努力做到逐层引导，给学生充分的探究时间，延伸兴趣，正确处理好“学生自主和教师引导”问题。

【教学目标】

1.知道水能产生毛细现象和表面张力现象以及水的毛细现象、表面张力在生活中的应用。

2、会做水的毛细现象和水的表面张力的实验，能用语言和文字描述观察到的现象和结果。

3、能够细心观察，尊重事实，尊重别人的意见，愿意与同学分享交流。

4、知道可以利用生活中的物品进行实验研究，在实验中能大胆猜测，科学验证。

【教学重点、难点】

重点：通过探究理解水的毛细现象和表面张力。

难点：会大胆猜测，并通过实验进行科学验证。 【教学准备】

餐巾纸若干张、水杯一个、红墨水、粉笔、白布条、铁棒、塑料棒、玻璃片硬币若干枚、滴管、回形针若干枚。课件。 【教学流程】

猜想

神奇的水 研究会“爬”的水

导入新课 研究“团结”的水

观察设疑

实验验证 总结 观察质疑 猜想 实验验证 总结

探究生活中的神奇之水 课堂评价、总结 《神奇的水》教案

一、导入新课

板书水，提问：关于水你知道了水的哪些性质?

(生：水是一种液体，水是一种没有颜色、没有味道、没有气味、透明的液体。)

同学们说的真不错，今天我们还将通过活动进一步研究水的一些有趣的现象。

二、研究会“爬”的水

1.师：俗语说：“人往高处走，水往低处流”。现在，我们做个实验，看水往哪里流?

2.师：这杯子里面是加了些红墨水的水。这是餐巾纸，老师在上面画了一条红色的线，现在把红色线以下的部位垂直放入水中。大家仔细看!发现了什么? 【设计意图】通过这个实验导入新课，让学生发现水往上爬的神奇现象，激发学生的学习兴趣。然后让学生猜测产生这一现象的原因，在猜想的过程中，学生必将调动他们的生活经验和已有认识，去表达、去解释。接着再让学生动手实验，亲自验证自己猜测的是否正确，从而使学生产生一种急切想知道结果的心理，使他们学的更认真，观察的更仔细。

3.学生汇报.(板书“爬”)

4.师：看到这一现象，你有什么问题想问吗?

水为什么会向上爬?

哪些物体放入水中后，水会自动往上爬?

是不是所有的物体放入水中后，水都会沿着物体上爬呢? 你们可真会提问题。确实，这些问题很有研究的价值，

5.根据实际经验，作出猜测。

请组长拿出记录纸。学生汇报。(我认为：水在粉笔、毛巾中会上爬，在玻璃片、铁棒中不会上爬。)

提问：你们为什么认为这些物体放入水中后，水能沿着他上爬呢? 6.小组实验，教师巡视。

7.学生交流：发现水能沿着像粉笔、餐巾纸、白布条等这些有小孔的材料向上“爬”。

8.刚才我们发现水在一块玻璃上能自动上爬吗?(不能)老师现在想让大家来挑战一下，我再给块玻璃你们，你们能否利用这两块玻璃使水上爬。 你是怎么做的呢?

水是从哪里升上去的?外面升了吗?你为什么会想到把两块玻璃合起来的?

【设计意图】这一环节的设计是使学生进一步感受产生毛细现象的真正原因是因为材料有孔隙，只要有孔隙，即使是表面光滑的玻璃也能使水往上爬，让学生感受水爬升的高低与孔隙的大小有关，孔隙小的爬升的高，孔隙大的爬升的低。 (补充：水不仅会沿着小孔向上爬，它还会沿着缝隙向上爬，小孔和缝隙我们合起来说就叫孔隙。)

原本只会从高处往低处流的水，现在居然沿着物体自动向上爬升了，这种有趣的现象神奇吗?(神奇 板书：神奇的)

水除了会沿着有孔隙的材料向上爬升以外，还会向四周扩散，你们看看刚才我们放东西的报纸上，有什么发现?

我们把水的这一神奇的现象叫做毛细现象。 在这一句话当中，你认为哪些词比较重要。 齐读：

水沿着 有孔隙的材料 往上“爬”或向四周扩散的现象，叫做毛细现象。(板书)

9.你在生活中还发现哪些现象是毛细现象? 学生汇报交流。

【设计意图】学生的学习要面向生活这是基础课程改革的要求，本环节的教学正体现了这一理念。让学生在生活中寻找毛细现象，使学生感受生活中到处都有科学现象的存在，科学与生活是紧密相连的，从而激起他们学好科学的决心。

三、研究“团结”的水

1.师：刚才我们了解了水的毛细现象，其实水还有许多神奇的现象呢。 2.教师往空杯子里面倒满加了些红墨水的水。现在已经是满满一杯水，稍不注意，水就会溢出来。如果老师向里面丢东西，会出现什么现象?猜猜看。

3.学生猜测。

4.教师把回形针轻轻丢下去，学生观察：水溢出来了吗?再放两个。水溢出来了吗?

5. 师：你们估计看看，再放几个水会溢出来?溢出来了吗?我们已经放了十几枚回形针了，杯口的水怎么样?具有一种什么样的精神?(板书：“团结”)

6.请大家思考一下：为什么会出现这种现象?我们继续通过实验来研究。 7.师：老师给每小组几枚硬币、一个滴管、一杯水，预测能滴多少滴水而不溢出来?各组猜猜看，能滴多少滴水而不溢出来?后经过实验验证。 提醒学生注意：

(1)实验前，组长要分好工，一位同学操作，一位同学数数，其他同学要从各个角度仔细地、认真地观察硬币上的水滴，记录员及时做好记录。(2)操作员动作要轻要稳。(3)如果滴到二十滴水溢出来了，只能算多少滴?(4) 试验中要注意安全与卫生。

【设计意图】注重对学生实验方法的指导。因为三年级学生还刚刚接触科学这门课程，所以实验要指导得细一点，交待清实验要求和注意点，以减少实验中产生的误差，保证实验成功。

8.学生实验，教师巡视。

9.学生交流各自的发现。(交流出水的神奇。)

【设计意图】这一环节的设计有两个意图，一方面，让学生进行猜测一个硬币上最多能容纳多少滴水，然后再进行实验，再将猜测结果和实验结果进行比较，使学生感受猜测和事实之间是有区别的，猜测不一定正确，从而养成良好的科学品质;另一方面，通过两组数据之间差距，使学生感受水是多么的团结，水的表面有一股很大力量，从而使水的表面张力这一抽象的概念形象化。

10.小结：在水的表面有一种互相拉着的力，使其表面尽量缩小，这种力叫做水的表面张力。 (板书：表面张力 ) 11.介绍水的表面张力的应用：有一种虫子就是利用水的表面张力在水面上爬行。北京的一家公司利用水的表面张力制作了水的表面张力测量仪对水的成分进行分析、测量水位、水的黏度等。

四、探究生活中“神奇的水”

1.师：其实在我们的生活中，这些神奇的水的发生的神奇的现象太多了，谁能想到的?学生说。(想不到，打开课本30页)

2.师：除了我们书上的现象，老师还为你们搜集了一段资料，大家一起来看看。(放课件)

3.师：这节课，我们做了这么多实验，不过，老师发现好多组的桌子上有水呀!谁能想个比较好的办法把桌面的水除掉?(用抹布是个好办法，餐巾纸吸水快，这个办法不错，我们用抹布、餐巾纸来除掉桌面的水，是利用了水的。(毛细现象)下面就请各组利用餐巾纸除掉桌面的水，整理一下实验材料。 4.学生整理桌面。

五、课堂评价

1.讨论：通过这节课的探究活动，你有什么感想?你想说点什么? 2.全课总结

同学们通过问题、猜测、实验、观察到最后得出科学的结论，表现得很出色。其实水还有很多神奇的地方，让我们下节课继续探索。

六、板书设计：

会爬的水----水的毛细现象

神奇的水{

会团结的水--水的表面张力

实验方法： 问题-猜想-实验-验证-结论--

附：实 验 记录 表

第_ 组 日期：____月___ 实验记录一：

把材料的下端依次插入水中。

我们的发现 实验记录二： 硬币滴水实验

1.我们预测滴(

)滴水，实际滴了( )滴水。 2.我们的发现：(可用文字写下来，也可用图画画下来)

神奇的磁力教学设计范文第3篇

1、认知目标：使学生掌握在Word 2003中插入艺术字，并设置艺术字，美化布局版面的方法，最终达到美化文档效果的作用。并将其巧妙、恰当的运用到实践和日常学习生活中去。

2、技能目标：通过学习和实践操作，培养学生的审美能力、创新能力、动手实践能力和自学能力以及分析和解决问题的能力。

3、情感目标：让学生在活动中学会与人交流、合作完成任务，以培养他们的创新意识和创新能力。

教学重点：掌握插入艺术字和设置艺术字的方法。 教学难点：艺术字工具栏的使用方法及应用。 教学方法：“任务驱动”模式下的多媒体教学与实践演练相结合的方法。 教具：多媒体计算机、网络教室、Microsoft Office Word 2003软件。 课型：应用软件操作使用新授课 课时：1课时 教学过程：

(一)激趣导入

1、作品欣赏激发学生的创作热情，审美情趣。

教师展示计算机兴趣班的同学们制作的电子板报作品。

师：同学们，这是计算机兴趣班的孩子们制作的电子板报作品，你们觉得好看吗? 生：好看!

师：那你们想不想来学习制作这么漂亮的作品呢? 生：想!

师：好，我们今天就一起来学习制作电子板报的第一步插入艺术字标题。(板书：漂亮的艺术字)

2、提出目标①学会使用艺术字工具栏设置艺术字的方法。 ②为自己的电子板报添加艺术字的标题

(二)新课教学

学生操作，打开软件。

师：同学们，三年级我们已经学习过在Word中插入艺术字，请思考回顾的插入艺术字的方法，然后在你打开的文档中插入艺术字的板报标题。

2、学生演示(单击“绘图工具栏”中的“艺术字”按钮插入艺术字)。

师：同学们的记忆真好，每个孩子都能快速的用学过的方法插入艺术字，除了刚刚同学们所用的方法以外，老师给大家介绍另外一种插入艺术字的方法。

3、教师讲解演示(屏幕广播控制学生电脑显示)

师：选择“插入”菜单中“图片”下的“艺术字”按钮，“艺术字”库中选择“艺术字”式样，在编辑“艺术字”文字框中输入板报标题。单击“确定”。

师：瞧!我们在文档中就插入了艺术字，同时弹出了“艺术字”工具栏，它可以方便的编辑和修改艺术字。

4、学生实践操作，教师巡堂辅导。

5、学生作品交流整理

(三)教师小结

(四)布置作业

(五)板书设计： 第三课漂亮的艺术字 插入艺术字

神奇的磁力教学设计范文第4篇

(一)知识目标

1、描述病毒和细菌的主要特征并掌握。

2、掌握细菌的主要特征。

3、举例说明病毒、细菌以及真菌与人类生活的关系。

(二)能力目标

培养学生观察、探究的能力。

(三)情感目标

通过对微生物有关知识的学习，培养学生关爱健康的情感。

教学重难点：

1、描述病毒、细菌和真菌的主要特征。

2、描述病毒、细菌和真菌与人类生活的关系。

教学过程：

导入：

【师】同学们都知道2003年中国出现了令全国人恐慌的“非典”，又称SARS，那么同学们知道引起SARS的病原体是什么吗? 【生】SARS病毒。

【师】对，是SARS病毒。那么同学们又知道美味的酸奶是如何做的吗?而食物放置久了又为什么会发霉呢? 【师】这些都与微生物有密切关系，今天我们学习的正是神奇的微生物。 新课内容

【师】经过生物学家们的多年研究，大体将生物界划分为动物界、植物界、真菌界和微生物界。微生物界又包括病毒和细菌。这节课主要向同学们介绍一下病毒、细菌和真菌。 【师】一般我们将一些只有在显微镜下才能看到的生物统称为微生物。少数的真菌要在显微镜下才可以观察到，而细菌要在高倍显微镜下才能看到，研究病毒的结构要通过电子显微镜。 【师】在显微镜发明之前，人们对微生物并没有具体而直接的认识。 【师】同学们根据上述老师所讲述的内容认为微生物的主要成员有哪些呢? 【生】细菌、真菌、病毒。

(一)细菌

【师】通过对病毒的学习我们知道很多传染病是由病毒引起的，那么是不是所有的传染病都是由病毒一起的呢，例如鼠疫、霍乱等?通过查阅资料就会知道，这几种病并非由病毒引起而是由细菌引起，那我们就来学习下细菌。

1、结构

【师】首先我们来看下细菌的结构。和病毒相比，细菌的结构要复杂的多。 【师】观察细菌的结构图，并比较植物细胞结构图，总结它们的异同点。 【师】细菌的结构有哪些呢?

【生】细胞壁、细胞膜、细胞质、核物质，有些还具有荚膜和鞭毛。

2、分类

【师】观察很仔细。接下来我们了解下细菌的其他结构。

【师】关于细菌的分类，根据营养方式的不同，可分为腐生和寄生。 【师】根据细菌的形态不同可分为球菌、杆菌、螺旋菌。 [播放课件]

3、生殖

【师】细菌的生殖方式主要是分裂生殖。

4、与人类生活关系

【师】我们已经了解了细菌的结构等相关知识，那么它们对人类来说是敌是友呢?(学生总结细菌与人类生活的关系)

(二)真菌

【师】学期细菌后同学们知道了细菌对人类生活既有有利也有有害方面它们与我们生活密切相关，但同学们想过我们市场食用的菌类同细菌是什么关系呢，它们是不是细菌的一种呢?下面向同学们介绍下真菌，大家就会明白所有的疑问了。

【师】同学们一定见过发霉的馒头，长在馒头上黑乎乎的就是真菌的一种，叫黑曲霉。接下来就来了解下什么是真菌。 [播放课件]

【师】真菌家族中大多数都是“大个子”，只有少数在显微镜下才可以观察的到。

1、结构

【师】首先看一下真菌的结构，主要包括细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核。

2、分类

【师】真菌分为二类：单细胞真菌和多细胞真菌。

3、繁殖方式

【师】生殖方式主要有无性生殖(即分裂生殖)和有性生殖(产生有性孢子) 。

4、与人类生活关系

【师】结合书上相关知识总结。(学生总结) 小结：学生在教师引导下小结本节课知识点。 (三)病毒

【师】非常好。下面我们就来认识一下第一位成员病毒。

1、形态结构

【师】病毒的结构非常简单，不具有细胞结构。 [播放课件]学生观察几幅图片

【师】由图片可以看出病毒的结构由哪些部分组成? 【生】 蛋白质外壳以及核酸。

【师】核酸只有一种。DNA或RNA。不会同时具有。

【师】通过观察以上图片，同学们联想一下已经学习过的真核生物细胞结构，比较后告诉我为什么说病毒的结构简单?

【生】病毒无细胞结构以及复杂的细胞器，只具有蛋白质和核酸。

2、分类

【师】了解了结构特征接下来简单了解下病毒的分类及生存方式。病毒分为很多种，根据它们寄生生物的不同可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒。 [播放课件]

3、生存方式

【师】至于比不过度的生存方式，请同学们先阅读下课本并回答老师：病毒可以独立生存吗? 【生】不可以。必须寄生在其他生物的细胞内。 【师】回答的很正确。

4、传播途径

【师】既然不能离开寄主，那病毒怎样进行传播呢?同学们先阅读课本再告诉老师。 【生】病毒可通过水、空气、食物、伤口、蚊虫叮咬等方式进行传播。

神奇的磁力教学设计范文第5篇

(1)学习科学应是一个学生积极主动的过程，应以探究为中心。我在科学教学中，首先观察树叶上的一滴水，然后让学生提出问题，带着问题实验，获取知识。学生在主动探究过程中，亲自动手实践，从而产生体验与感悟，当然仅仅有动手的活动是不够的，也必须有动脑的活动，因为仅有动手活动是不够的。科学教学必须让学生参与以探究为目的的研究活动，将上述探究过程与结果以一定的方式陈述或表达出来，以及在这一过程中与他人合作、交流、分享开展评价。

(2)本课体现了科学家探究过程常用的方法：观察，提出问题，做出预测、猜测或假设，进行实验研究，以验证假设，得出初步结论。因为考虑到三年级的学生刚接触这个方法，所以我在用一枚硬币和一杯装满水分别能滴多少滴水和放多少枚回形针这一过程中反复使用以上的方法，让学生留下深刻的印象。

(3)本课教学我还重视学生交流技能的培养。人类的任何活动都需要思想交流，科学学习也不例外。学生要想在探究活动中学好科学，就必须学会表达自己的思想，学会分享小组其他成员的观点，知道如何向大家报告自己的探究结果。要让学生学会使用正确的科学用语，能与他人自由交谈，进行口头汇报等方面做了一探索，我想只有在每一节课都注意学生的交流技能的培养，他们的科学素养就一定会得到发展。

(4)在本课教学由于没有科学实验室，实验器材几乎没有，我在演示实验一杯装满水的时候，交代不够清楚，加上学生急着做实验，因为杯里的水没有装满，实验时间太长，以后还需改进。

神奇的磁力教学设计范文第6篇

摘 要：对环形激光磁力仪的特性进行了分析。首先推导了灵敏度，发现当采用低吸收铽玻璃时，理论灵敏度达1 pT/Hz1/2量级，基本满足探潜的灵敏度要求。接着与光泵量子磁力仪进行了比较，表明环形激光磁力仪具有动态范围大、工程适应性好、响应速度快、信号处理简单等优点。然后讨论了激光陀螺技术的发展对环形激光磁力仪的支撑作用，如微晶玻璃加工工艺、镀膜技术、异面腔设计、电子细分技术等。最后分析了磁光玻璃Verdet常量温度系数的影响。上述分析表明，环形激光磁力仪具有其独特的优势和特点，值得深入研究。

关键词：磁力仪 环形激光器 灵敏度 温度

高灵敏度磁力仪在航空磁探、地球磁场测量以及军事反潜等领域具有广泛的应用[1-2]。目前主流的高精度磁力仪为各种量子磁力仪，包括Overhauzer质子磁力仪、原子光泵磁力仪、超导磁力仪和新型原子磁力仪，它们各有特点。Overhauzer质子磁力仪发展较早，灵敏度在0.01nT/Hz1/2的量级，不存在盲区（dead zone）和航向误差（heading error），缺点是梯度容忍度较小、采样率较低。原子光泵磁力仪有光泵K、Rb、Cs和He磁力仪，其中K和He磁力仪灵敏度优于1pT/Hz1/2，但盲区和航向误差对它们的应用产生了一定限制，而且跟踪速度较慢。超导磁力仪灵敏度高达1fT/Hz1/2，最大问题是需要庞大的低温系统，不便于使用。新型原子磁力仪如SERF磁力仪理论灵敏度可达1aT/Hz1/2，但只能在极弱的磁场环境下工作[1]。在20世纪80年代，张书练教授提出利用环形激光实现弱磁测量的方案[2-4]，并进行了一系列的理论和实验研究，但限于当时磁光玻璃吸收较大、玻璃管激光器稳定性和工程适用性较差等不利因素，环形激光磁力仪未能实用。随着激光技术和工艺的进步，限制环形激光磁力仪灵敏度的很多因素已经得到解决，再考虑到环形激光磁力仪不存在盲区和航向误差、不受磁场梯度影响以及采样率高等优点，因此值得深入研究。该文对环形激光磁力仪的特性进行了分析，重点是灵敏度和温度稳定性，对环形激光磁力仪研制具有一定的参考作用。

1 环形激光磁力仪灵敏度分析

1.1 原理简介

环形激光磁力仪原理如图1所示[5]。反射镜M1-M4构成一个环形谐振腔，90度石英晶体旋光器使环路中运行圆偏振光并抑制线偏振光振荡，这时在谐振腔中一个纵模将分裂为4个，分别为左旋顺时针、左旋逆时针、右旋顺时针和右旋逆时针模，其中左旋（LCP）模和右旋（RCP）模的频率间隔为。在磁场作用下磁光玻璃使左旋和右旋的对模再次产生频率分裂，

（1）

式中：为磁光玻璃的Verdet常量，B为沿光路方向的平均磁场强度，l为磁光玻璃长度，c为真空光速，L为环形腔长度。式（1）表明，磁光频率分裂与磁场强度成正比，将左旋和右旋模的频差求和可使灵敏度增大一倍，而且还可以抑制Sagnac效应的影响。

1.2 灵敏度分析

在早期，磁光玻璃对光的吸收是限制其灵敏度的主要因素，但目前磁光玻璃的吸收系数已经较低。以西安奥法公司生产的MR3-2磁光玻璃为例，其Verdet常量为96 rad/（T.m），吸收系数小于0.001/cm。设环形激光器腔长为50 cm，磁光玻璃长为20 cm，谐振腔单程损耗为，单程增益为0.05，输出镜透过率为，输出功率0.1 mW，可求出磁力仪比例因子为：

（2）

即1 Hz相当于0.123nT。

环形激光磁力仪的极限精度由频率不确定度决定。激光器空腔线宽为：

MHZ （3）

激光线宽为：

（4）

式中为普朗克常量，为激光波长。

当取样时间为时，由于激光频率波动导致的频差测量不确定度为[7]：

（5）

将比例因子代入，可得激光磁力仪的灵敏度为1pT/Hz1/2，与AN/ASQ-208 型4He光泵磁探仪的灵敏度相当。

2 环形激光磁力仪特性分析

2.1 优点

与量子磁力仪相比，环形激光磁力仪的优点有：（1）动态范围大。根据环形激光陀螺的研制经验，环形激光器的频差稳定性可达0.01 Hz，最小可测频差达0.01 Hz，而最大磁光频率分裂在10 MHz以上（主要由探测器带宽决定），因此环形激光磁力仪的测量范围可从1 pT到1 mT以上，跨越9个数量级。（2）工程适应性好。环形激光磁力仪是基于经典光学原理的传感器，不存在盲区、航向误差和磁场梯度容忍度问题，具有良好的工程适应性。（3）响应速度快。激光磁力仪利用激光振荡频率随磁场变化的原理，由于光场的建立在us量级，因此对磁场的变化响应迅速，可以实现对磁场的快速跟踪。（4）信号处理简单。环形激光磁力仪所测磁场信号直接反映在左旋模式和右旋模式拍频之和上，因此，利用光电探测器将激光信号放大后直接测量频率即可测出磁场强度。

2.2 激光陀螺技术对环形激光磁力仪研制的支撑

环形激光磁力仪与四频差动激光陀螺[8]采用相同的结构，只是前者利用左旋模和右旋模拍频之和与磁场成正比的原理，后者利用两者之差与角速度成正比的原理。经过40多年的发展，四频差动激光陀螺技术已经比较成熟，因而可有力地支撑环形激光磁力仪的研制，表现在：（1）激光陀螺普遍采用微晶玻璃加工，而微晶玻璃的热膨胀系数比石英玻璃小两个量级，机械稳定性更好，因此采用微晶玻璃制作环形激光器非常便于环形激光磁力仪的工程化。（2）激光陀螺研制促进了高反射和增透膜技术的发展，目前高反膜损耗小于20ppm，增透膜损耗小于200ppm，减小了反射损耗，而激光腔内损耗的降低有利于增强灵敏度。（3）利用异面腔可以代替石英旋光器来实现圆偏振光运转，进一步降低了腔损耗，提高了激光频率稳定性。（4）得益于电子技术的进步，激光陀螺的电子系统已经实现了小型化和工程化，如用来激发He-Ne放电管的高压电源电路、用来提高频率稳定性的稳频电路、用来提取传感信息的光电探测电路等都非常成熟，稍作改动或不用改动就可用于环形激光磁力仪。最显著的进步是高精度频率测量方法的发展，能够以优于0.01 Hz的测频准确度测出磁光频率差。（5）当磁光分裂较小时，环形激光器中两个模式频率将会锁定在一起，因此无法测量极弱磁场（以1 kHz的闭锁为例，低于1250 nT的磁场将无法测量）。激光陀螺采用频率偏置技术人为施加一个较大的频差使激光陀螺的工作点离开锁区，这种技术同样可以用于环形激光磁力仪。

2.3 温度敏感问题

温度敏感问题是影响环形激光磁力仪精度的一大问题。温度主要通过谐振腔长度和Verdet的温度系数而影响磁力仪的精度，其中腔长变化引起的磁光频差变化为：

（6）

式中为腔长变化引起的激光频率变化。

对四频环形激光器，短期稳频精度优于0.5 MHz，相对稳定度优于10-10。在待测磁场强度小于0.1 mT时，由稳频不稳定引入的误差完全可以忽略。另一项为Verdet常量的温度系数对传感器的影响，在常温下，铽玻璃Verdet常量的相对温度系数为[5]：

（7）

该系数严重影响了比例因子准确度，因此必须采取温度控制措施。设温度控制精度为0.001 K，这时Verdet常量温度变化导致的测量相对误差为，当待测磁场强度为0.1 mT时，测量精度为0.34nT。待测磁场越小，所导致的绝对测量误差越小。减小温度敏感性的另一方案是采用抗磁性磁光玻璃，如采用SF57，其Verdet常量是铽玻璃的0.2倍，因此同等条件下灵敏度要降低到6pT/Hz1/2，但抗磁性玻璃的温度系数非常小，采取温度控制措施后，可基本消除Verdet温度变化的影响。

3 结语

环形激光磁力仪灵敏度在1pT/Hz1/2的量级，基本满足反潜磁探的灵敏度要求，而且与量子磁力仪相比，它具有动态范围大、工程适应性好、响应速度快等优点。但环境温度的变化对环形激光磁力仪的测量准确度有较大的影响，因此有必要对相应解决方案进行研究。

参考文献

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