張 一 王 璐 徐悠揚(yáng)

（1.南京信息工程大學(xué)教師教育學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院園藝科技學(xué)院，江蘇 蘇州 215008）

學(xué)科融合是以在承認(rèn)學(xué)科間存在差異性的基礎(chǔ)上，打破學(xué)科之間的“壁壘”，著重強(qiáng)調(diào)不同學(xué)科之間的互相滲透，彼此交叉.學(xué)科融合能夠促進(jìn)對(duì)不同知識(shí)的理解和應(yīng)用，是培養(yǎng)創(chuàng)新思維和產(chǎn)生創(chuàng)新型學(xué)術(shù)成果的方法.中學(xué)階段各學(xué)科間聯(lián)系密切，在現(xiàn)代教育教學(xué)活動(dòng)中，各學(xué)科要相互滲透，加強(qiáng)不同學(xué)科之間的聯(lián)系和融合，以一個(gè)整體的眼光去學(xué)習(xí).消除學(xué)科之間的壁壘，活躍學(xué)生的思維，從其他相關(guān)學(xué)科中汲取營(yíng)養(yǎng)，為學(xué)生綜合素養(yǎng)的提高和終身發(fā)展打好基礎(chǔ).[1]因此提出“物理+”的思想，即在中學(xué)物理教育中，融合物理學(xué)科知識(shí)與其他各種學(xué)科知識(shí).

從科學(xué)發(fā)展角度來看，科學(xué)本身就是內(nèi)在統(tǒng)一的整體，科學(xué)體系在教學(xué)中被分裂為若干學(xué)科.物理學(xué)科，作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，其蘊(yùn)含了研究物質(zhì)世界最基本、最普遍、最一般的規(guī)律.它既是一門基礎(chǔ)學(xué)科，又是一門前沿學(xué)科，對(duì)其他自然科學(xué)的發(fā)展影響深遠(yuǎn).但是物理學(xué)科縱向邏輯嚴(yán)密，理論完善，在中學(xué)教學(xué)中物理本身學(xué)科理論體系完整，邏輯嚴(yán)密，但與其他學(xué)科交叉聯(lián)系并未普遍體現(xiàn).其理論知識(shí)和研究方法較抽象.在具體教學(xué)中，學(xué)生的個(gè)體情況各不相同，教師因?yàn)閷?duì)學(xué)生個(gè)體情況了解不到位，可能會(huì)造成學(xué)生學(xué)習(xí)上的困惑.所以物理成為公認(rèn)的“難題”.再者，高中階段的學(xué)生認(rèn)知水平雖然處于形式運(yùn)算階段，其抽象思維已有適度的發(fā)展，但這種抽象的能力仍然離不開具體形象的支撐.學(xué)生還不能從物理現(xiàn)象中抽象出本質(zhì)原理，不能從特殊歸納到一般，也不能將所學(xué)的知識(shí)和理論從一般演繹到特殊.學(xué)生在知識(shí)內(nèi)化遷移和運(yùn)用知識(shí)解決問題時(shí)會(huì)遇到困難.因此，“物理+”[2]的基本理念是將物理學(xué)科知識(shí)融入其他學(xué)科中，用物理來解釋其他學(xué)科知識(shí).為抽象的物理理論找到具體表現(xiàn)，易于理解的實(shí)例.進(jìn)行融合教學(xué)，[3]符合現(xiàn)代教育觀念，具有重要意義.

中學(xué)地理中，存在許多涉及物理知識(shí)的地理現(xiàn)象，如“風(fēng)向的偏轉(zhuǎn)”“河岸的沖刷”“大氣的環(huán)流”等.在高中地理部分，教師往往用“運(yùn)動(dòng)的物體受地轉(zhuǎn)偏向力作用，北右南左（北半球向運(yùn)動(dòng)方向的右側(cè)偏，南半球向運(yùn)動(dòng)方向的左側(cè)偏）”這樣一句話，以定論的形式讓學(xué)生記住這個(gè)推論.這個(gè)時(shí)候，大部分學(xué)生會(huì)產(chǎn)生疑問“什么是地轉(zhuǎn)偏向力？為什么會(huì)產(chǎn)生地轉(zhuǎn)偏向力？它對(duì)物體會(huì)有怎樣的影響？”諸如此類的疑問.這類問題涉及到物理學(xué)中的“科里奧利力”.[4]“科里奧利力”對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的影響在日常生活中是比較常見的，其推導(dǎo)也并不復(fù)雜，但很多高中物理教材并未涉及此部分知識(shí)，只有在部分競(jìng)賽輔導(dǎo)書中，才略有涉及.大部分學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)缺乏深入的理解，[5]只知道結(jié)論，并不能理解其中的物理原理，在解決地理學(xué)科有關(guān)地轉(zhuǎn)偏向力的問題時(shí)，這種只記結(jié)論的方式，很難讓學(xué)生真正掌握與應(yīng)用知識(shí).

1 “地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，地球表面的物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)：在北半球向右偏轉(zhuǎn)；在南半球向左偏轉(zhuǎn)；在赤道上沒有偏轉(zhuǎn).”[6]讓學(xué)生們記住“地轉(zhuǎn)偏向力”但沒有解釋形成的原因.學(xué)生難以理解產(chǎn)生這個(gè)力的原因，只是通過死記硬背的方式應(yīng)付考試.

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

例題.崇明島是我國(guó)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(zhǎng)江入?？?，三面環(huán)江，一面臨海.全島面積達(dá)1200km2，東西長(zhǎng)76km，南北寬13-18km，形似“春蠶”.島上地勢(shì)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(dòng)對(duì)崇明島有什么影響？島嶼的未來又會(huì)是什么樣子呢？

圖1 崇明島示意圖

長(zhǎng)江攜帶著大量泥沙，自西向東流動(dòng)（圖1中自左向右流動(dòng)），在崇明島西側(cè)分為北側(cè)和南側(cè)兩股支流.根據(jù)地理教材中介紹“地球上運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)受到一個(gè)地轉(zhuǎn)偏向力”，下面來研究這個(gè)力是什么？為什么會(huì)產(chǎn)生這個(gè)力？這個(gè)力有什么樣的作用效果？

2 建立模型，推導(dǎo)演算

長(zhǎng)江是由無數(shù)水滴組成，直接研究長(zhǎng)江水的整體較復(fù)雜，可以選取一個(gè)極小的運(yùn)動(dòng)的水滴進(jìn)行研究.首先，地球是一個(gè)永不停歇地自轉(zhuǎn)的球體.站在極點(diǎn)上方的高空往下看，地球就像是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的大轉(zhuǎn)盤.為了方便思考，可以把模型簡(jiǎn)化為一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤.[7，8]長(zhǎng)江中的一滴極小的水滴在轉(zhuǎn)動(dòng)的地球上流動(dòng)，小到可以把這滴水近似看作一個(gè)運(yùn)動(dòng)的小球.這樣，這個(gè)問題就從研究一滴水在地球上的運(yùn)動(dòng)變成了一個(gè)小球在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上的運(yùn)動(dòng)（圖2）.小球在圓盤上的運(yùn)動(dòng)大致可以分為3種情況：① 徑向運(yùn)動(dòng)；②切向運(yùn)動(dòng)；③與徑向成一定角度運(yùn)動(dòng).不難發(fā)現(xiàn)，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(jié)論.下面展開討論.

圖2 轉(zhuǎn)盤初始位置

2.1 研究小球沿徑向運(yùn)動(dòng)

此時(shí)，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(diǎn)瞄準(zhǔn)C點(diǎn)，將質(zhì)量為m的小球以速度v0射出，經(jīng)過t秒后小球經(jīng)過B點(diǎn).當(dāng)圓盤繞通過盤中心O的豎直軸以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)，仍然在盤上A點(diǎn)瞄準(zhǔn)C點(diǎn)將小球以速度v0射出，t秒后小球運(yùn)動(dòng)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(diǎn)和B點(diǎn)的線速度為vA=ωrOA，vB=ωrOB，因?yàn)閞OA＜rOB，所以vA＜vB.小球從A點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過t秒后小球并不能運(yùn)動(dòng)到B′處，只能運(yùn)動(dòng)到弧BB′上的一點(diǎn)D處（圖3）.若以圓盤為參考系來觀察小球的運(yùn)動(dòng)狀況，不難發(fā)現(xiàn)，小球在做垂直于半徑且向右的運(yùn)動(dòng).根據(jù)牛頓第一定律“力是改變物體運(yùn)動(dòng)的原因”，小球本來想做的是徑向上的勻速直線運(yùn)動(dòng)，但是現(xiàn)在它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被改變了，變成了一個(gè)曲線運(yùn)動(dòng)，所以可以認(rèn)為，小球受到了一個(gè)力，這個(gè)力稱為“科里奧利力”.下面對(duì)這個(gè)力進(jìn)行研究.

圖3 t秒后轉(zhuǎn)盤位置

圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)t秒后，半徑OC轉(zhuǎn)動(dòng)到OC′位置處，小球運(yùn)動(dòng)到D處，（如圖4）畫出B′點(diǎn)和D點(diǎn)處的速度.對(duì)速度進(jìn)行分解.

圖4 B′和D點(diǎn)處速度分解示意圖

2.2 研究小球沿切向運(yùn)動(dòng)

可以構(gòu)建這樣的一個(gè)簡(jiǎn)單的圓周運(yùn)動(dòng)模型：在與水平面平行的圓盤上有一根輕質(zhì)繩束縛住一個(gè)小球，使其繞圓心做圓周運(yùn)動(dòng)，小球質(zhì)量為m，可視為質(zhì)點(diǎn).繩長(zhǎng)l勻速運(yùn)動(dòng)速率為v1，小球質(zhì)量為m，如圖5所示.[9]

圖5 小球運(yùn)動(dòng)示意圖

圖6 小球運(yùn)動(dòng)示意圖

為了便于計(jì)算，取沿半徑方向指向圓心為正，設(shè)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(jié)論與（2.2）一致.

證明過程與（2.2.2）一致，所得結(jié)論為FC=2mω2v1″，方向?yàn)榇怪庇谶\(yùn)動(dòng)方向向左.

綜上所述，在旋轉(zhuǎn)圓盤上做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，受到科里奧利力FC=2mω2v1″，圓盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，F(xiàn)C垂直于運(yùn)動(dòng)方向向右；圓盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，F(xiàn)C垂直于運(yùn)動(dòng)方向向右.

2.3 研究小球沿任意方向運(yùn)動(dòng)

2.4 研究小球在地球上運(yùn)動(dòng)

現(xiàn)在將圓盤推廣到地球上，如圖7，在緯度為θ處，速度為v運(yùn)動(dòng)的物體，其速度投影到平面圓上為v′=vsinθ，其受到的地轉(zhuǎn)偏向力大小為F=2mωvsinθ.地球是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，所以在北極點(diǎn)高空觀測(cè)地球，地球在做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，北半球運(yùn)動(dòng)的物體受到一個(gè)垂直于運(yùn)動(dòng)方向向右的地轉(zhuǎn)偏向力；在南極點(diǎn)的高空觀測(cè)，地球是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，所以在南半球運(yùn)動(dòng)的物體受到一個(gè)垂直于運(yùn)動(dòng)方向向左的地轉(zhuǎn)偏向力.而在赤道上的物體緯度為0，其所受地轉(zhuǎn)偏向力就等于0.這就可以解釋地轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)的小水滴會(huì)受到一個(gè)“地轉(zhuǎn)偏向力”，在北半球，這個(gè)力的方向垂直于物體運(yùn)動(dòng)方向向右.如果有無窮多這樣的小水滴匯聚成長(zhǎng)江，會(huì)受到一個(gè)向右偏的“地轉(zhuǎn)偏向力”在圖1中表現(xiàn)為：江水會(huì)向南岸偏.導(dǎo)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(huì)和啟東的河岸連接起來.

3 其他應(yīng)用

研究了河流運(yùn)動(dòng)中的“地轉(zhuǎn)偏向力”，知道了“科里奧利力”之后，可以舉一反三，用“地轉(zhuǎn)偏向力”來解釋一系列問題，如：季風(fēng)帶中風(fēng)向的偏轉(zhuǎn)——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(xué)生理解南北半球的氣旋與反氣旋的旋轉(zhuǎn)方向——從高壓向低壓，北半球向右偏，南半球向左偏.

圖8 季風(fēng)帶示意圖

4 總結(jié)

運(yùn)用“物理+”的思維，將物理學(xué)科和地理學(xué)科融合，運(yùn)用物理的學(xué)科知識(shí)對(duì)地理中所涉及到的地轉(zhuǎn)偏向力，進(jìn)行簡(jiǎn)單的推導(dǎo)，解釋了其產(chǎn)生的原因，不僅鍛煉了學(xué)生的邏輯思維能力，還按照新課標(biāo)的要求，培養(yǎng)了學(xué)生“學(xué)物理，用物理”的意識(shí).更重要的是，在高中階段就體現(xiàn)出學(xué)科融合的趨勢(shì)，讓學(xué)生融會(huì)貫通地理解學(xué)習(xí)知識(shí).通過運(yùn)用已有物理知識(shí)對(duì)“地轉(zhuǎn)偏向力”進(jìn)行解釋，幫助學(xué)生把“北右南左”的定性問題，精確到能夠具體求所受的地轉(zhuǎn)偏向力大小的定量問題.在這過程中，不僅加深了對(duì)地理部分“地轉(zhuǎn)偏向力”知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，也加強(qiáng)了對(duì)所運(yùn)用物理知識(shí)的理解和掌握，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng).