高中學科融合“物理+”
——解析地理“地轉偏向力”問題

張 一 王 璐 徐悠揚

（1.南京信息工程大學教師教育學院，江蘇 南京 210044；2.蘇州農業職業技術學院園藝科技學院，江蘇 蘇州 215008）

學科融合是以在承認學科間存在差異性的基礎上，打破學科之間的“壁壘”，著重強調不同學科之間的互相滲透，彼此交叉.學科融合能夠促進對不同知識的理解和應用，是培養創新思維和產生創新型學術成果的方法.中學階段各學科間聯系密切，在現代教育教學活動中，各學科要相互滲透，加強不同學科之間的聯系和融合，以一個整體的眼光去學習.消除學科之間的壁壘，活躍學生的思維，從其他相關學科中汲取營養，為學生綜合素養的提高和終身發展打好基礎.[1]因此提出“物理+”的思想，即在中學物理教育中，融合物理學科知識與其他各種學科知識.

從科學發展角度來看，科學本身就是內在統一的整體，科學體系在教學中被分裂為若干學科.物理學科，作為自然科學的基礎學科，其蘊含了研究物質世界最基本、最普遍、最一般的規律.它既是一門基礎學科，又是一門前沿學科，對其他自然科學的發展影響深遠.但是物理學科縱向邏輯嚴密，理論完善，在中學教學中物理本身學科理論體系完整，邏輯嚴密，但與其他學科交叉聯系并未普遍體現.其理論知識和研究方法較抽象.在具體教學中，學生的個體情況各不相同，教師因為對學生個體情況了解不到位，可能會造成學生學習上的困惑.所以物理成為公認的“難題”.再者，高中階段的學生認知水平雖然處于形式運算階段，其抽象思維已有適度的發展，但這種抽象的能力仍然離不開具體形象的支撐.學生還不能從物理現象中抽象出本質原理，不能從特殊歸納到一般，也不能將所學的知識和理論從一般演繹到特殊.學生在知識內化遷移和運用知識解決問題時會遇到困難.因此，“物理+”[2]的基本理念是將物理學科知識融入其他學科中，用物理來解釋其他學科知識.為抽象的物理理論找到具體表現，易于理解的實例.進行融合教學，[3]符合現代教育觀念，具有重要意義.

中學地理中，存在許多涉及物理知識的地理現象，如“風向的偏轉”“河岸的沖刷”“大氣的環流”等.在高中地理部分，教師往往用“運動的物體受地轉偏向力作用，北右南左（北半球向運動方向的右側偏，南半球向運動方向的左側偏）”這樣一句話，以定論的形式讓學生記住這個推論.這個時候，大部分學生會產生疑問“什么是地轉偏向力？為什么會產生地轉偏向力？它對物體會有怎樣的影響？”諸如此類的疑問.這類問題涉及到物理學中的“科里奧利力”.[4]“科里奧利力”對運動物體的影響在日常生活中是比較常見的，其推導也并不復雜，但很多高中物理教材并未涉及此部分知識，只有在部分競賽輔導書中，才略有涉及.大部分學生對這部分知識缺乏深入的理解，[5]只知道結論，并不能理解其中的物理原理，在解決地理學科有關地轉偏向力的問題時，這種只記結論的方式，很難讓學生真正掌握與應用知識.

1 “地轉偏向力”的解釋

在人教版的地理教材中，教材中僅僅提及“由于地球自轉，地球表面的物體運動時，其運動方向發生一定的偏轉：在北半球向右偏轉；在南半球向左偏轉；在赤道上沒有偏轉.”[6]讓學生們記住“地轉偏向力”但沒有解釋形成的原因.學生難以理解產生這個力的原因，只是通過死記硬背的方式應付考試.

下面以人教版地理學科選擇性必修1教材中的一個思考題為例，來研究“地轉偏向力”.

例題.崇明島是我國的第三大島，也是世界上最大的河口沖擊島嶼.如圖1所示，它位于長江入海口，三面環江，一面臨海.全島面積達1200km2，東西長76km，南北寬13-18km，形似“春蠶”.島上地勢平坦，西北部和中部稍高，西南部和東部略低.崇明島是如何形成的？人類活動對崇明島有什么影響？島嶼的未來又會是什么樣子呢？

圖1 崇明島示意圖

長江攜帶著大量泥沙，自西向東流動（圖1中自左向右流動），在崇明島西側分為北側和南側兩股支流.根據地理教材中介紹“地球上運動的物體會受到一個地轉偏向力”，下面來研究這個力是什么？為什么會產生這個力？這個力有什么樣的作用效果？

2 建立模型，推導演算

長江是由無數水滴組成，直接研究長江水的整體較復雜，可以選取一個極小的運動的水滴進行研究.首先，地球是一個永不停歇地自轉的球體.站在極點上方的高空往下看，地球就像是一個旋轉的大轉盤.為了方便思考，可以把模型簡化為一個旋轉的圓盤.[7，8]長江中的一滴極小的水滴在轉動的地球上流動，小到可以把這滴水近似看作一個運動的小球.這樣，這個問題就從研究一滴水在地球上的運動變成了一個小球在轉動圓盤上的運動（圖2）.小球在圓盤上的運動大致可以分為3種情況：① 徑向運動；②切向運動；③與徑向成一定角度運動.不難發現，我們可以先討論第①②兩種情況，第③種情況只要將速度分解到切向和徑向便可得到結論.下面展開討論.

圖2 轉盤初始位置

2.1 研究小球沿徑向運動

此時，可以將其等效為這樣的模型：半徑為R的圓盤與水平面平行，在盤上A點瞄準C點，將質量為m的小球以速度v0射出，經過t秒后小球經過B點.當圓盤繞通過盤中心O的豎直軸以角速度ω勻速旋轉，仍然在盤上A點瞄準C點將小球以速度v0射出，t秒后小球運動到何處（不考慮空氣阻力及重力影響且射出小球不影響圓盤的角速度）.

圓盤上的A點和B點的線速度為vA=ωrOA，vB=ωrOB，因為rOA＜rOB，所以vA＜vB.小球從A點開始運動，經過t秒后小球并不能運動到B′處，只能運動到弧BB′上的一點D處（圖3）.若以圓盤為參考系來觀察小球的運動狀況，不難發現，小球在做垂直于半徑且向右的運動.根據牛頓第一定律“力是改變物體運動的原因”，小球本來想做的是徑向上的勻速直線運動，但是現在它的運動狀態被改變了，變成了一個曲線運動，所以可以認為，小球受到了一個力，這個力稱為“科里奧利力”.下面對這個力進行研究.

圖3 t秒后轉盤位置

圓盤轉動t秒后，半徑OC轉動到OC′位置處，小球運動到D處，（如圖4）畫出B′點和D點處的速度.對速度進行分解.

圖4 B′和D點處速度分解示意圖

2.2 研究小球沿切向運動

可以構建這樣的一個簡單的圓周運動模型：在與水平面平行的圓盤上有一根輕質繩束縛住一個小球，使其繞圓心做圓周運動，小球質量為m，可視為質點.繩長l勻速運動速率為v1，小球質量為m，如圖5所示.[9]

圖5 小球運動示意圖

圖6 小球運動示意圖

為了便于計算，取沿半徑方向指向圓心為正，設科里奧利力為FC.易得小球所受的拉力恒定為

方向指向圓心.

此種情況與（2.2.2）僅在（11）式存在不同，結論與（2.2）一致.

證明過程與（2.2.2）一致，所得結論為FC=2mω2v1″，方向為垂直于運動方向向左.

綜上所述，在旋轉圓盤上做圓周運動的物體，受到科里奧利力FC=2mω2v1″，圓盤順時針旋轉時，FC垂直于運動方向向右；圓盤逆時針旋轉時，FC垂直于運動方向向右.

2.3 研究小球沿任意方向運動

2.4 研究小球在地球上運動

現在將圓盤推廣到地球上，如圖7，在緯度為θ處，速度為v運動的物體，其速度投影到平面圓上為v′=vsinθ，其受到的地轉偏向力大小為F=2mωvsinθ.地球是逆時針旋轉的，所以在北極點高空觀測地球，地球在做逆時針轉動，北半球運動的物體受到一個垂直于運動方向向右的地轉偏向力；在南極點的高空觀測，地球是順時針旋轉的，所以在南半球運動的物體受到一個垂直于運動方向向左的地轉偏向力.而在赤道上的物體緯度為0，其所受地轉偏向力就等于0.這就可以解釋地轉偏向力“北右南左”.

圖7 地球示意圖

在上面分析中得到了地球上運動的小水滴會受到一個“地轉偏向力”，在北半球，這個力的方向垂直于物體運動方向向右.如果有無窮多這樣的小水滴匯聚成長江，會受到一個向右偏的“地轉偏向力”在圖1中表現為：江水會向南岸偏.導致了南岸水流比北岸水流快，泥沙不易堆積；北岸水流慢，泥沙易堆積.很多年后，崇明島北岸將會和啟東的河岸連接起來.

3 其他應用

研究了河流運動中的“地轉偏向力”，知道了“科里奧利力”之后，可以舉一反三，用“地轉偏向力”來解釋一系列問題，如：季風帶中風向的偏轉——從高壓向低壓，北半球向右偏，南半球向左偏（圖8）；[10]能夠便于學生理解南北半球的氣旋與反氣旋的旋轉方向——從高壓向低壓，北半球向右偏，南半球向左偏.

圖8 季風帶示意圖

4 總結

運用“物理+”的思維，將物理學科和地理學科融合，運用物理的學科知識對地理中所涉及到的地轉偏向力，進行簡單的推導，解釋了其產生的原因，不僅鍛煉了學生的邏輯思維能力，還按照新課標的要求，培養了學生“學物理，用物理”的意識.更重要的是，在高中階段就體現出學科融合的趨勢，讓學生融會貫通地理解學習知識.通過運用已有物理知識對“地轉偏向力”進行解釋，幫助學生把“北右南左”的定性問題，精確到能夠具體求所受的地轉偏向力大小的定量問題.在這過程中，不僅加深了對地理部分“地轉偏向力”知識的認識和理解，也加強了對所運用物理知識的理解和掌握，提升學生的綜合素養.