用物理知識解釋地理現象

陜西省漢陰縣漢陰中學（725100） 胡仕才

中學地理學科是一門綜合性很強的學科，它綜合了自然科學和社會科學等多種知識，著名科學家錢學森稱它是一個“開放的復雜系統”。要搞好中學地理課的教學，教師必須博覽群書，廣泛涉獵多學科的知識。在地理課教學中緊扣教學內容，利用學生已有的物理知識來解釋一些地理現象和理解一些自然現象的形成，能培養學生的學習興趣，促進對知識的掌握。

一、極光的成因

極光是常常出現于南北兩極，緯度靠近磁極地區上空大氣中的彩色發光現象。從前，愛斯基摩人以為那是鬼神引導死者靈魂上天堂的火炬。極光實際上是從宇宙中飛向地球的帶電粒子轟擊大氣層，使氣體分子發出的光。高層大氣是由多種氣體組成的，不同元素的氣體受轟擊后所發出的光的顏色不一樣。例如氧被轟擊后發出綠光和紅光，氮被轟擊后發出紫色的光，氬轟擊后發出藍色的光，因而極光就顯得絢麗多彩，變幻無窮。

為什么只有兩極附近才能看到極光呢？這就和磁場力有關，如圖1所示。帶電粒子在磁場中運動會受到磁場給它的一個力的作用，物理中把它叫洛侖茲力。它的作用使帶電粒子旋轉。在地磁場的作用下，從宇宙射向地球的帶電粒子，大部分就會以螺旋線的方式旋轉匯聚到磁場最強的地球兩極附近，如圖2所示。只有大量的帶電粒子才能有足夠的電量激發大氣發光。越靠近地磁極，匯集的帶電粒子也越多，極光出現的次數和規模當然也越大。

圖1

圖2

二、天空為什么是藍色

這個簡單的問題，回答起來卻并不簡單，需要用到很多物理知識。它是由光的衍射、散射、康普頓效應共同造成的，如圖3所示。在組成太陽光的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等7種光中，紅光波長最長，紫光波長最短。天空中有很多人肉眼看不見的納米級的小微粒，如小水滴、冰晶、灰塵等，太陽光中的很少一部分光，會正好照射在它們的身上。波長較長的紅、橙、黃、綠光，在遇到這些微粒時，可以繞過它們繼續傳播，大致還是沿原方向前進，這就是光的衍射。因為這些光的前進方向和大多數沒有遇到阻礙的白光相同，而它們的數量又太少，這就像往大海里撒一把糖，它們的色彩會被由白光組成的大部隊遮蓋住，我們看不出來。而藍光波長剛好能和微粒的直徑相比擬，遇到這些微粒，會從微粒的表面向四面八方發射，這種現象叫光的散射。每一個微粒就相當是一個散發藍光的光源，有微粒的地方就有藍光發出，地球大氣每一立方米平均就有百萬個小的微粒，它們就等同與數不清的藍星星在眨自己的藍眼睛，于是我們看到天空處處都是藍的。剩下的靛光和紫光，它們的波長更短，在遇到微粒時，一部分會直接被反射回太空，所以從高于大氣層的地方看地球，除了藍色還會在地球邊緣處看到淡紫色；另一部分靛光和紫光會和微粒發生碰撞，碰撞后的紫光、靛光能量會變低，波長變長，再次蛻變為藍光，這種現象叫康普頓效應。這又是天空藍色的另一個重要來源。

圖3

三、風向

地球上哪些區域愛刮什么方向的風，這是由圓周運動里的離心現象和近心現象造成的。地球上所有的物體都隨地球的自轉做圓周運動，也包括地球表層的大氣。做圓周運動的物體所受的力、質量、相對轉動軸的速度、到圓心的距離（半徑）滿足下面這個公式：。F、m一定時，當v變大時，r也會變大，物體到圓心的距離變大，物體做遠離圓心的運動，這就是離心現象；當v變小時，r也會變小，物體到圓心的距離變小，物體做靠近圓心的運動，這就是近心現象。物體在做離心或近心運動時，以螺旋線的方式行進。例如人造衛星，增大它的速度，它將運動到更大半徑的圓上，它做的是離心運動，如圖4所示。

圖4

減小速度可以讓它返回到地球，它做近心運動，如圖5所示。簡單的說，就是速度過大（超過某一個值），做圓周運動的物體會向外運動；速度過小（小于某個值），做圓周運動的物體會向內運動。弄明白上面的物理知識，我們就可以用它來判斷風向了。

圖5

如果氣壓是西高東低，則由水平氣壓梯度力產生的風向是自西向東的，由于地球自西向東旋轉，對地軸來說，風的速度就大于地球自轉的速度，風將按照螺旋線遠離圓心做離心運動，如圖6所示，即風向偏向赤道。相反，如果氣壓是東高西低，則風向和地球自轉方向相反，相對地軸來說，風的速度就小于地球自轉的速度，風將按照螺旋線靠近圓心做近心運動，如圖7所示，即風向偏向兩極。

圖6

四、河岸沖刷

圖7

圖8

圖9

我們知道，在北半球，面向河流的方向，右岸被水流沖刷的很嚴重；而在南半球，面向河流的方向，左岸被水流沖刷的很嚴重，這是為什么呢？其實這也是離心現象和近心現象所造成的。在北半球，如果河流是自西向東流，那么河流的流向與地球自轉方向相同，對地軸而言，河流的速度大小大于地球自轉速度，河水將做離心運動，所以對靠近赤道一側的河道沖刷嚴重。當人面向河流流向時，赤道一側是人的右手，即河水對河床右岸沖刷嚴重，如圖8所示。如果河流是自東向西流，那么河流的流向與地球自轉方向相反，對地軸而言，河流的水流速度小于地球自轉速度。河水將做近心運動，所以對靠近極地一側的河道沖刷嚴重。當人面向河流流向時，極地一側是人的右手，即河水對河床左岸沖刷嚴重，如圖9所示。