若干高中地理疑難問題的物理學解釋

浙江省衢州市衢州第一中學（324000） 柴宏良

若干高中地理疑難問題的物理學解釋

浙江省衢州市衢州第一中學（324000） 柴宏良

一、問題的提出

在高中地理教學過程中重視科學探究、強調學科之間的聯系是高中地理新課程標準所倡導的教學理念。學校里，地理教師經常會跟我探討一些地理中的疑難問題。我發現不少地理問題，特別是自然地理問題與物理學之間有著極大的聯系，而教師和學生在一些問題的科學解釋上存在一些偏差，主要是以天體的運動、潮汐現象、大氣環流等方面的問題居多。在教學過程中，地理教師也確有需要了解這些問題的物理學原理，這樣才能更有效地引導學生自主學習，讓學生體會學科之間的密切聯系，提高解決問題的能力。下面列舉和地理教師經常探討的幾個疑難問題，嘗試利用高中學生易于理解的物理學原理進行科學解釋。

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。根據萬有引力定律可計算出，太陽對地球的引力大約是月球對地球的引力的200倍，可為何潮汐現象主要由月球的引力引起呢？其原因在于太陽離地球更遠，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動現象較弱，所以，潮汐就不明顯了。

2. 地轉偏向力是怎樣形成的？

地轉偏向力又叫科里奧利力，因為它根本就不存在施力物體，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動，由牛頓第一定律（慣性定律）可知，它應該做勻速直線運動，不會偏轉方向。但是，作為觀察者的人隨地球一起自轉做圓周運動。所以，從人看來，該小球并非做直線運動，而是偏離了直線軌道發生偏轉了，這就好像小球受到了一個垂直于運動方向的“力”一樣，這個“力”就叫做地轉偏向力。所以，地轉偏向力實際上是相對運動所產生的一種慣性力。湘教版地理教科書對地轉偏向力做了這樣的描述：“地轉偏向力只作用于水平運動的物體，始終垂直運動的方向，并隨著物體水平運動速度的增大而增大。在北半球，它指向運動方向的右側；在南半球，它指向運動方向的左側；沿赤道運動的物體，不受地轉偏向力的影響。”我們可以從相對運動的角度幫助學生理解地轉偏向力的方向。如圖3，在北半球的A點向北發射一個物體，這個向北運動的物體由于隨地球自轉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（地轉偏向力不是實際存在的力）并且地球上各點的線速度相同，那么，該物體相對地面將沿AB方向運動。然而，隨著向北運動，地面的自轉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，這就是地轉偏向力。如果該物體在北半球向南發射，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。當它向赤道方向運動時，向東的速度分量比地面的線速度小，相對地面向西（右）偏移，可見地轉偏向力同樣是向右的。用同樣的方法分析南半球的地轉偏向力是向左的。

圖3

圖4

為了更形象地說明地轉偏向力的特點，教學中教師可以制作“地轉偏向力演示儀”給學生進行實驗演示。實驗裝置很簡單，所需器材唾手可得，一塊硬紙板、一個金屬小球、一小段細木桿、一支萬能膠即可做成。如圖5為俯視圖，勻速轉動的轉盤相當于地球，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動，以一定的初速度相對轉盤沿虛線方向滾出。盤上的虛線代表地球上的緯度線，當小球從“高緯度”向“低緯度”運動的過程中會在轉盤的白紙上留下痕跡，從痕跡可清楚地看出小球向“西”發生了偏轉。這個實驗很形象地模擬了地轉偏向力的方向，使學生更容易理解。

理解了地轉偏向力的方向，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。大氣流動是在地轉偏向力和氣壓力的共同作用下產生的。如果在北半球形成一個低壓區，周圍的大氣在氣壓力作用下向低壓區運動形成風，從南方吹來的風在地轉偏向力作用下向低壓區的東面運動，而從北方吹來的風則向著低壓區的西面運動，同時，它們又靠近低壓區，形成了沿逆時針方向環繞低壓區轉動的風。

3. 報道稱3.11日本大地震造成地球自轉周期減小1.6微秒，其原因何在？

為了加深學生的理解，還可以給學生播放花樣滑冰的視頻，花樣滑冰的運動員在冰面上轉動，當他把伸開的雙臂向身體并攏時，身體的轉速會驟然加快。這里面包含的物理原理和大地震造成地球自轉周期減小的物理原理是一樣的。

三、反思

在高中各學科之間存在許多交叉和聯系，地理教學過程中不可避免的會遇到涉及其他學科知識的問題。在相關知識的教學中，適當的從其他學科知識的角度進行教學活動能有助于學生加深對地理知識的理解，更有利于提高學生的綜合素養。一是可以借鑒國外教材的做法。在美國高中理科教材《科學發現者》中較多的采用諸如“與其他學科的聯系”的形式對學科交叉知識進行必要的介紹，建議在編寫高中地理教材時加上“聯系其他學科”的閱讀材料，提供給學生學習。二是鼓勵學生把這些跨學科問題作為研究性學習的課題，利用學校里其他學科的教師資源，查找各學科的相關資料進行探究式學習活動。三是在校本教研中加強不同學科教師之間的交流，相互學習，擴大教師的知識面，以適應新課程對教學提出的更高要求。四是由地理和物理教師一起開發校本選修課，選擇部分學科關聯知識進行選修課的開發，提供給學生自主選學。