若干高中地理疑難問(wèn)題的物理學(xué)解釋

浙江省衢州市衢州第一中學(xué)（324000） 柴宏良

若干高中地理疑難問(wèn)題的物理學(xué)解釋

浙江省衢州市衢州第一中學(xué)（324000） 柴宏良

一、問(wèn)題的提出

在高中地理教學(xué)過(guò)程中重視科學(xué)探究、強(qiáng)調(diào)學(xué)科之間的聯(lián)系是高中地理新課程標(biāo)準(zhǔn)所倡導(dǎo)的教學(xué)理念。學(xué)校里，地理教師經(jīng)常會(huì)跟我探討一些地理中的疑難問(wèn)題。我發(fā)現(xiàn)不少地理問(wèn)題，特別是自然地理問(wèn)題與物理學(xué)之間有著極大的聯(lián)系，而教師和學(xué)生在一些問(wèn)題的科學(xué)解釋上存在一些偏差，主要是以天體的運(yùn)動(dòng)、潮汐現(xiàn)象、大氣環(huán)流等方面的問(wèn)題居多。在教學(xué)過(guò)程中，地理教師也確有需要了解這些問(wèn)題的物理學(xué)原理，這樣才能更有效地引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會(huì)學(xué)科之間的密切聯(lián)系，提高解決問(wèn)題的能力。下面列舉和地理教師經(jīng)常探討的幾個(gè)疑難問(wèn)題，嘗試?yán)酶咧袑W(xué)生易于理解的物理學(xué)原理進(jìn)行科學(xué)解釋。

二、問(wèn)題的探討

1. 為什么地球面對(duì)月球的海水漲潮，背對(duì)月球的海水也漲潮呢？

圖1

產(chǎn)生潮汐的最主要原因是月球的引力而非太陽(yáng)的引力了解了潮汐的物理原理后，我們便能明白為什么產(chǎn)生潮汐的最主要原因是月球的引力而非太陽(yáng)的引力的緣故了。根據(jù)萬(wàn)有引力定律可計(jì)算出，太陽(yáng)對(duì)地球的引力大約是月球?qū)Φ厍虻囊Φ?00倍，可為何潮汐現(xiàn)象主要由月球的引力引起呢？其原因在于太陽(yáng)離地球更遠(yuǎn)，地球的大小相對(duì)于地球到太陽(yáng)的距離太微小了，以至于太陽(yáng)引力作用所引起的地球上各部分的加速度相差不大，海水和地球體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象較弱，所以，潮汐就不明顯了。

2. 地轉(zhuǎn)偏向力是怎樣形成的？

地轉(zhuǎn)偏向力又叫科里奧利力，因?yàn)樗揪筒淮嬖谑┝ξ矬w，所以它不是真正意義上的力，而是一種慣性力。為了理解這個(gè)“力”，我們可以假設(shè)有這樣一種情景：一個(gè)小球在完全光滑的地面上以一定的初速度運(yùn)動(dòng)，由牛頓第一定律（慣性定律）可知，它應(yīng)該做勻速直線運(yùn)動(dòng)，不會(huì)偏轉(zhuǎn)方向。但是，作為觀察者的人隨地球一起自轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。所以，從人看來(lái)，該小球并非做直線運(yùn)動(dòng)，而是偏離了直線軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn)了，這就好像小球受到了一個(gè)垂直于運(yùn)動(dòng)方向的“力”一樣，這個(gè)“力”就叫做地轉(zhuǎn)偏向力。所以，地轉(zhuǎn)偏向力實(shí)際上是相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的一種慣性力。湘教版地理教科書對(duì)地轉(zhuǎn)偏向力做了這樣的描述：“地轉(zhuǎn)偏向力只作用于水平運(yùn)動(dòng)的物體，始終垂直運(yùn)動(dòng)的方向，并隨著物體水平運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大。在北半球，它指向運(yùn)動(dòng)方向的右側(cè)；在南半球，它指向運(yùn)動(dòng)方向的左側(cè)；沿赤道運(yùn)動(dòng)的物體，不受地轉(zhuǎn)偏向力的影響。”我們可以從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度幫助學(xué)生理解地轉(zhuǎn)偏向力的方向。如圖3，在北半球的A點(diǎn)向北發(fā)射一個(gè)物體，這個(gè)向北運(yùn)動(dòng)的物體由于隨地球自轉(zhuǎn)同時(shí)具有向東方向的速度分量，該速度分量和赤道的線速度相同。如果這個(gè)物體不受任何力（地轉(zhuǎn)偏向力不是實(shí)際存在的力）并且地球上各點(diǎn)的線速度相同，那么，該物體相對(duì)地面將沿AB方向運(yùn)動(dòng)。然而，隨著向北運(yùn)動(dòng)，地面的自轉(zhuǎn)線速度比物體向東的速度分量小，所以物體相對(duì)地面向東偏移，沿著AC的方向運(yùn)動(dòng)。對(duì)地面上的人來(lái)講，物體好像受到了向東（右）的力的作用，這就是地轉(zhuǎn)偏向力。如果該物體在北半球向南發(fā)射，如圖4，該物體同樣具有向東的速度分量但該分量比赤道的線速度小。當(dāng)它向赤道方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，向東的速度分量比地面的線速度小，相對(duì)地面向西（右）偏移，可見(jiàn)地轉(zhuǎn)偏向力同樣是向右的。用同樣的方法分析南半球的地轉(zhuǎn)偏向力是向左的。

圖3

圖4

為了更形象地說(shuō)明地轉(zhuǎn)偏向力的特點(diǎn)，教學(xué)中教師可以制作“地轉(zhuǎn)偏向力演示儀”給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。實(shí)驗(yàn)裝置很簡(jiǎn)單，所需器材唾手可得，一塊硬紙板、一個(gè)金屬小球、一小段細(xì)木桿、一支萬(wàn)能膠即可做成。如圖5為俯視圖，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤相當(dāng)于地球，將沾上墨水的小球放入槽中，小球在離心力的作用下沿槽加速運(yùn)動(dòng)，以一定的初速度相對(duì)轉(zhuǎn)盤沿虛線方向滾出。盤上的虛線代表地球上的緯度線，當(dāng)小球從“高緯度”向“低緯度”運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)在轉(zhuǎn)盤的白紙上留下痕跡，從痕跡可清楚地看出小球向“西”發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)很形象地模擬了地轉(zhuǎn)偏向力的方向，使學(xué)生更容易理解。

理解了地轉(zhuǎn)偏向力的方向，就容易解釋為什么北半球的氣旋是逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的，而南半球的氣旋則是順時(shí)針的緣故了。大氣流動(dòng)是在地轉(zhuǎn)偏向力和氣壓力的共同作用下產(chǎn)生的。如果在北半球形成一個(gè)低壓區(qū)，周圍的大氣在氣壓力作用下向低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)，從南方吹來(lái)的風(fēng)在地轉(zhuǎn)偏向力作用下向低壓區(qū)的東面運(yùn)動(dòng)，而從北方吹來(lái)的風(fēng)則向著低壓區(qū)的西面運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，它們又靠近低壓區(qū)，形成了沿逆時(shí)針?lè)较颦h(huán)繞低壓區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)。

3. 報(bào)道稱3.11日本大地震造成地球自轉(zhuǎn)周期減小1.6微秒，其原因何在？

為了加深學(xué)生的理解，還可以給學(xué)生播放花樣滑冰的視頻，花樣滑冰的運(yùn)動(dòng)員在冰面上轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)他把伸開(kāi)的雙臂向身體并攏時(shí)，身體的轉(zhuǎn)速會(huì)驟然加快。這里面包含的物理原理和大地震造成地球自轉(zhuǎn)周期減小的物理原理是一樣的。

三、反思

在高中各學(xué)科之間存在許多交叉和聯(lián)系，地理教學(xué)過(guò)程中不可避免的會(huì)遇到涉及其他學(xué)科知識(shí)的問(wèn)題。在相關(guān)知識(shí)的教學(xué)中，適當(dāng)?shù)膹钠渌麑W(xué)科知識(shí)的角度進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)能有助于學(xué)生加深對(duì)地理知識(shí)的理解，更有利于提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。一是可以借鑒國(guó)外教材的做法。在美國(guó)高中理科教材《科學(xué)發(fā)現(xiàn)者》中較多的采用諸如“與其他學(xué)科的聯(lián)系”的形式對(duì)學(xué)科交叉知識(shí)進(jìn)行必要的介紹，建議在編寫高中地理教材時(shí)加上“聯(lián)系其他學(xué)科”的閱讀材料，提供給學(xué)生學(xué)習(xí)。二是鼓勵(lì)學(xué)生把這些跨學(xué)科問(wèn)題作為研究性學(xué)習(xí)的課題，利用學(xué)校里其他學(xué)科的教師資源，查找各學(xué)科的相關(guān)資料進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)活動(dòng)。三是在校本教研中加強(qiáng)不同學(xué)科教師之間的交流，相互學(xué)習(xí)，擴(kuò)大教師的知識(shí)面，以適應(yīng)新課程對(duì)教學(xué)提出的更高要求。四是由地理和物理教師一起開(kāi)發(fā)校本選修課，選擇部分學(xué)科關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行選修課的開(kāi)發(fā)，提供給學(xué)生自主選學(xué)。