巧用物理學相關知識，助力高中地理教學

曹元

摘 要：文章基于提高學生理性思維能力和科學素養(yǎng)，利用物理學的相關概念、定律，對“地球運動及其地理意義”中疑難問題進行解釋、演繹和剖析。

關鍵詞：科際聯(lián)系；物理概念；物理規(guī)律；地球運動

高中自然地理部分知識和物理知識交叉的地方較多， “地球運動及其地理意義”章節(jié)中涉及不少物理概念，對高中地理教師的科學素養(yǎng)提出更高要求。地理教師不但要能講清本學科知識，而且應借助物理學相關理論解釋地理事象，增強地理課堂的魅力，提高學生學習興趣，使學生觸類旁通，增強認知水平，最終使知識在更高層次、更大尺度上得到有機整合。

一、利用物理實驗導入新課

導入“地球自轉”的方法多種多樣，為了提升學生體驗，增強實驗意識，筆者常利用校天文館傅科擺的演示說明地球在圍繞地軸旋轉。1543年，波蘭天體物理學家哥白尼在《天體運行論》一書中首先完整地提出了地球自轉和公轉的概念。此后，大量的觀測和實驗都證明了地球自西向東自轉，同時圍繞太陽公轉。法國物理學家萊昂·傅科（1819—1868）在1851年的一天，在法國巴黎萬神廟圓屋頂?shù)闹醒雽⑺H手制作的傅科擺吊上去進行擺球實驗。他用一根長67米的鋼絲，重約28千克、直徑約30厘米的大鐵球制成一個“超級擺”，后人稱之為“傅科擺”。在傅科擺下面放有直徑6米的沙盤并畫上刻度，讓擺擺動起來。隨著時間的推移，大約每小時傅科擺的擺面要沿順時針方向旋轉11°20′。這個物理實驗讓學生直觀地見證了地球在時刻不停地圍繞地軸自西向東自轉。

二、運用物理量描述圓周運動

角速度和線速度是高中物理描述圓周運動的兩個基本物理量。角速度的大小描述了物體與圓心連線掃過角度的快慢；線速度的大小描述了做圓周運動的物體通過弧長的快慢。地球自轉一周，除南北極點外，各地都在一個恒星日內繞地軸轉過2π弧度，所以地球自轉的角速度除南北兩極點外，其他地點都相同，大約每小時轉動■弧度。在圓周運動中，通過物理推導，得出線速度的大小等于角速度大小與半徑的乘積，即v=ωr。在直角三角形OBO′（圖1）中，由r=R·cos φ、v=ωr，得v=ωr·R·cos φ。地球自轉角速度ω除南北兩個極點外都相等。由于cos φ在緯度區(qū)間[0°， 90°）上為單調減函數(shù)，所以地球自轉的線速度由赤道向兩極遞減，南北緯60°處線速度（v=ω×R×cos 60°）為赤道的1/2。

三、運用離心慣性力解釋地球形狀

地球圍繞地軸勻速轉動，此時將地球視作非慣性參考系。不同緯度的地球各地均受到一種離心方向的慣性力，物理學上稱為離心慣性力。根據(jù)離心慣性力的物理表達式，不同緯度的地球各地，沿緯線圈做圓周運動的半徑r不同，離心慣性力的大小不等（圖2）。離心慣性力與旋轉半徑r呈正比，赤道處自轉半徑r最大，受到的離心慣性力最大，其他各地所受離心慣性力由赤道向兩極遞減，這就導致地球由赤道向兩極離心膨脹程度不一樣，經過漫長的時間，地球成為目前兩極略扁、赤道略鼓的橢球體。

四、 開普勒第一定律與地球公轉軌道

德國天體物理學家開普勒（1571—1630）用了20年時間研究了丹麥天文學家第谷·布拉赫（1546—1601）的行星觀測記錄，發(fā)現(xiàn)如果假設行星的繞日運動是勻速圓周運動，計算所得的數(shù)據(jù)與第谷·布拉赫的觀測數(shù)據(jù)不符；只有假設行星繞日運動的軌道不是正圓，而是橢圓，才能解釋這種差別。開普勒分別于1609和1619年發(fā)表了開普勒行星運動三大定律。開普勒第一定律：所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。地球是太陽系八大行星之一，其公轉遵循開普勒第一定律，即地球公轉軌道為接近正圓的橢圓（圖3）。

五、開普勒第二定律與地球公轉速度

由于太陽位于地球公轉橢圓軌道其中一個焦點上，隨著地球公轉，日地距離不斷變化。每年1月初，地球離太陽最近，公轉的角速度和線速度都較快；7月初位于遠日點附近，公轉速度較慢。在課堂教學中，相當一部分地理教師不分析其中原因，對近、遠日點地球公轉速度的差異不做解釋或不會解釋。早在400多年前，開普勒在其行星運動第二定律中指出：對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等的時間內掃過相等的面積（圖4）。行星繞日公轉從t1到t2與t3至t4所用時間相等，掃過的面積S1=S2。由于行星的軌道不是圓，行星與太陽的距離就在不斷變化。第二定律告訴我們，當它離太陽比較近的時候，運行的速度比較快，而離太陽較遠時速度較慢。

五、開普勒第三定律與地球公轉周期

此外，開普勒在1619年提出了第三定律——所有行星橢圓軌道半長軸的三次方與其公轉周期二次方的比值相等。其物理表達式為，比值是一個對所有行星都相同的常量。由開普勒第三定律可得八大行星距太陽越遠，公轉周期越長（表1）。例如，類地行星繞日公轉的橢圓軌道中，地球的半長軸介于金星與火星之間，所以，地球公轉周期1年比金星224.7天長，比火星1.9年短。

六、萬有引力定律與地球繞日公轉的原因

地理課堂教學中，有的學生會思考行星繞日公轉的動力，這就涉及到眾行星與太陽間的引力。開普勒行星運動三大定律發(fā)現(xiàn)之后，人們開始更深入地思考：是什么原因使行星繞太陽運動？意大利伽利略、德國開普勒以及法國數(shù)學家笛卡爾都提出過自己的解釋。艾薩克·牛頓時代的科學家，如胡克、哈雷等對這一問題的認識更進一步。胡克等人認為，行星繞太陽運動是因為受到了太陽對它的引力。牛頓對此進行了深入思考，并于1687年在其傳世之作《自然哲學的數(shù)學原理》中提出萬有引力定律，科學地闡述了地球繞日公轉的原因。

參考文獻：

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[2] 陳澄.新編地理教學論[M].上海：華東師范大學出版社，2007.