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、問題的提出

在高中地理教學(xué)過程中重視科學(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)常會跟我探討一些地理中的疑難問題。我發(fā)現(xiàn)不少地理問題，特別是自然地理問題與物理學(xué)之間有著極大的聯(lián)系，而教師和學(xué)生在一些問題的科學(xué)解釋上存在一些偏差，主要是以天體的運(yùn)動、潮汐現(xiàn)象、大氣環(huán)流等方面的問題居多。在教學(xué)過程中，地理教師也確有需要了解這些問題的物理學(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)生體會學(xué)科之間的密切聯(lián)系，提高解決問題的能力。下面列舉和地理教師經(jīng)常探討的幾個疑難問題，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、問題的探討

1. 為什么地球面對月球的海水漲潮，背對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的引力的緣故了。根據(jù)萬有引力定律可計(jì)算出，太陽對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？其原因在于太陽離地球更遠(yuǎn)，地球的大小相對于地球到太陽的距離太微小了，以至于太陽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運(yùn)動現(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“力”，我們可以假設(shè)有這樣一種情景：一個小球在完全光滑的地面上以一定的初速度運(yùn)動，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，不會偏轉(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。所以，從人看來，該小球并非做直線運(yùn)動，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垂直于運(yùn)動方向的“力”一樣，這個“力”就叫做地轉(zhuǎn)偏向力。所以，地轉(zhuǎn)偏向力實(shí)際上是相對運(yùn)動所產(chǎn)生的一種慣性力。湘教版地理教科書對地轉(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)動的物體，始終垂直運(yùn)動的方向，并隨著物體水平運(yùn)動速度的增大而增大。在北半球，它指向運(yùn)動方向的右側(cè)；在南半球，它指向運(yùn)動方向的左側(cè)；沿赤道運(yùn)動的物體，不受地轉(zhuǎn)偏向力的影響?！蔽覀兛梢詮南鄬\(yùn)動的角度幫助學(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)射一個物體，這個向北運(yùn)動的物體由于隨地球自轉(zhuǎn)同時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，該物體相對地面將沿AB方向運(yùn)動。然而，隨著向北運(yùn)動，地面的自轉(zhuǎn)線速度比物體向東的速度分量小，所以物體相對地面向東偏移，沿著AC的方向運(yùn)動。對地面上的人來講，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)動時，向東的速度分量比地面的線速度小，相對地面向西（右）偏移，可見地轉(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)裝置很簡單，所需器材唾手可得，一塊硬紙板、一個金屬小球、一小段細(xì)木桿、一支萬能膠即可做成。如圖5為俯視圖，勻速轉(zhuǎn)動的轉(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，以一定的初速度相對轉(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)動的過程中會在轉(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針運(yùn)動的，而南半球的氣旋則是順時針的緣故了。大氣流動是在地轉(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低壓區(qū)，周圍的大氣在氣壓力作用下向低壓區(qū)運(yùn)動形成風(fēng)，從南方吹來的風(fēng)在地轉(zhuǎn)偏向力作用下向低壓區(qū)的東面運(yùn)動，而從北方吹來的風(fēng)則向著低壓區(qū)的西面運(yùn)動，同時，它們又靠近低壓區(qū)，形成了沿逆時針方向環(huán)繞低壓區(qū)轉(zhuǎn)動的風(fēng)。

3. 報道稱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)動員在冰面上轉(zhuǎn)動，當(dāng)他把伸開的雙臂向身體并攏時，身體的轉(zhuǎn)速會驟然加快。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)過程中不可避免的會遇到涉及其他學(xué)科知識的問題。在相關(guān)知識的教學(xué)中，適當(dāng)?shù)膹钠渌麑W(xué)科知識的角度進(jìn)行教學(xué)活動能有助于學(xué)生加深對地理知識的理解，更有利于提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。一是可以借鑒國外教材的做法。在美國高中理科教材《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”的形式對學(xué)科交叉知識進(jìn)行必要的介紹，建議在編寫高中地理教材時加上“聯(lián)系其他學(xué)科”的閱讀材料，提供給學(xué)生學(xué)習(xí)。二是鼓勵學(xué)生把這些跨學(xué)科問題作為研究性學(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。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)大教師的知識面，以適應(yīng)新課程對教學(xué)提出的更高要求。四是由地理和物理教師一起開發(fā)校本選修課，選擇部分學(xué)科關(guān)聯(lián)知識進(jìn)行選修課的開發(fā)，提供給學(xué)生自主選學(xué)。