巧借初中物理 妙釋高中地理

田國全

（武漢市鋼都中學, 湖北 武漢 430081）

巧借初中物理 妙釋高中地理

田國全

（武漢市鋼都中學, 湖北 武漢 430081）

地理是一門兼具文理學科特點的綜合學科，學生甫一跨入高中階段即面臨難度相對較高的自然地理內容的學習，難免會因對自然地理一些概念、規律的不理解而出現認識障礙，從而影響到后續內容的學習，繼而對地理學科產生畏難情緒。如果此時教師能夠借用學生初中階段比較熟悉的其他學科的知識作鋪墊、作銜接、作類比，無疑會大大降低學生學習地理的難度，提高對地理學科的學習興趣。

地球自轉的方向自西向東，這是很多學生的常識性認識，但為什么由于地球自轉產生的晨昏線的移動方向卻是自東向西的？初中物理知識告訴我們，判斷一個物體是否運動必須選擇合適的參照物，并且被指定的參照物應該假定它是靜止的，在沒指明參照物的情況下，一般以地面作為參照物。這就像一名摩托車手，在旁人看來他是前進的，但在他自己看來，分明是大地以相同的速度向后退去（見圖1），這就是選取不同物體作為參照物的結果。由于晨昏線是太陽照射在地球上形成的晝夜半球的分界線，以太陽為參照物它是靜止的，地球是自西向東運動的(自轉)，但人們通常習慣以地面為參照物，所以我們只能認為地球是靜止的，而晨昏線則是相對地球表面自東向西運動的，并且晨昏線自東向西移動的速度也與地球自轉的速度相等，即每小時15°（見圖2）。

圖1 以地面為參照物車是前進的，以車為參照物地面是以相同的速度后退的

圖2 以太陽為參照物地球自西向東自轉，以地面為參照物晨昏線是自東向西移動的

一架飛機自西向東飛行，機上乘客會感到白晝時間比平時短，自東向西飛行則會感到白晝時間比平時長，很多學生對此現象難以理解，甚至一些老師也解釋不清。其實這種現象可以用初中物理中運動速度的疊加來解釋，就像顧客乘扶手電梯上樓一樣，如果人的行走方向與電梯的前進方向一致，上樓的總速度就等于電梯前進的速度與人行走速度的總和（見圖3）。類似地，地球自西向東自轉，地球表面的人無論乘何種交通工具向東移動，其總速度都等于地球自轉的速度與人移動速度的總和，相當于“加快”了地球自轉的速度，所以感到白晝時間變短了（見圖4）。反之，自東向西前進，相當于“減慢”了地球自轉速度，當然會感到白晝時間延長了。

圖3 人在前行的扶梯上行走，會感到前進速度變快了

圖4 飛機向東飛，人會感覺自轉速度“加快”了

地球繞日公轉的速度是在不斷變化的，近日點公轉速度最快，遠日點公轉速度最慢，其中的道理雖然可以用開普勒定律來解釋，但學生不易理解、難以記憶。其實這里的規律完全可以用初中學過的機械能守恒原理來理解和記憶，圖5中滾擺與地球是相互吸引的兩個物體，在二者相距最近時（滾擺的最低點）動能最大、勢能最小、運動速度最快，相距最遠時（滾擺的最高點）勢能最大、動能最小、運動速度最慢，同理我們可以得出地球公轉時近日點速度最快、遠日點速度最慢（見圖6）。

圖5 滾擺在“近地點”運動速度最快，“遠地點”運動速度最慢

圖6 近日點地球的公轉速度最快、遠日點地球的公轉速度最慢

熱力環流的形成過程中，為什么同一地點高空的氣壓肯定比近地面要低，為什么近地面較熱的地區會形成低壓區、較冷的地區則會形成高壓區？此處同樣令很多學生感到困惑。如果同學們回憶一下初中物理中學過的液體壓強的計算公式：P=ρg h就可知道其中的原因了：在液體密度相等的情況下，深度越大壓強就越大，在深度相同的情況下液體密度越大壓強也越大。空氣與液體一樣同屬于流體，其壓強產生的原理和影響因素非常類似，如圖7的類比就可以幫助我們理解為什么海拔高的地區大氣壓較低。

圖7 在流體密度相同的情況下深度不同受到的壓強也不同

空氣具有熱脹冷縮的性質，由ρ= m / V得知空氣受熱后體積膨脹密度會變小，空氣遇冷收縮時密度會變大，再根據P=ρg h，當海拔相同時空氣密度越小則大氣壓也就越小，空氣密度越大則大氣壓也越大（見圖8）。這就是近地面熱區形成低氣壓、冷區形成高氣壓的原因。

圖8 同一海拔，大氣密度越小大氣壓就越小，大氣密度越大大氣壓就越大

我們在說東亞的季風氣候時，通常說其是由于“海陸熱力性質的差異”形成的。對學生來說這個概念太籠統，不利于舉一反三地去思考、解決問題，與其這樣說，還不如直接告訴學生所謂的“海陸熱力性質”就是他們初中物理學過的“比熱容”。學生已經知道自然界中水是比熱容最大的物質，吸收相同的熱量水的溫度升高得最少、放出相同的熱量水的溫度降低得也最少（見圖9）。夏季同樣是吸收熱量，比熱容較大的海洋溫度低一些形成冷高壓、比熱容相對較小的陸地溫度高一些形成熱低壓，風就從海洋吹向陸地；冬季同樣是放出熱量，比熱容較大的海洋溫度高一些形成熱低壓、比熱容相對較小的陸地溫度低一些形成冷高壓，風就從陸地吹向海洋，這就是東亞季風氣候的形成原因。利用這一原理還可以解釋海陸風的形成及風向（見圖10）。

圖9 吸收相同的熱量，水的溫度升高得最少

圖10 白天吸熱時時水體溫度較低，夜晚放熱時水體溫度較高

但在學習海陸風的形成時，很多同學又對“為什么空氣受熱會上升”有了疑問，甚至有的老師也陷入了“空氣上升是因為空氣密度變小、空氣密度變小是因為空氣上升”的思維怪圈，其實這里如果引入初中物理“物體的浮沉條件”就很好解釋。物理知識告訴我們，當ρ物>ρ液時物體下沉，當ρ物<ρ液時物體上浮，當ρ物=ρ液時物體懸浮（見圖11），我們以某一團空氣為研究對象，此時這一團空氣相當于“物”，周圍其他空氣相當于“液”，當它受熱時密度減小，所以“上浮”，當它遇冷時密度增大所以“下沉”（見圖12）。

圖11 不同密度的物體在同種液體中的浮沉情況

圖12 空氣受熱密度變小“上浮”，空氣遇冷密度變大“下沉”

近地面風的形成涉及水平氣壓梯度力、地轉偏向力、摩擦力三種力，很多同學知道摩擦力始終與風向相反，它的改變會影響風速，但對為什么也會影響風向感到困惑，其實這里也可以用初中物理知識來解釋。根據牛頓第一定律可知，當物體受到的合外力為零時將處于靜止或勻速直線運動狀態（見圖13）。同理，近地面的風處于穩定狀態時（空氣作勻速直線運動）受到的合外力為零，即水平氣壓梯度力、地轉偏向力、摩擦力處于三力平衡狀態，如果摩擦力大小發生改變，就會打破這種平衡，由于水平氣壓梯度力的大小和方向不受風的影響，要重新建立三力平衡狀態（使空氣作勻速直線運動），地轉偏向力的大小和方向必然會發生改變，因為地轉偏向力始終垂直于風向，所以風向肯定發生了變化，又因為摩擦力始終與風向相反，所以摩擦力的方向也肯定發生了變化（見圖14）。掌握這一原理我們也就可以理解為什么海上形成的臺風登陸后移動方向一般都會變化的原因了。

圖13 物體受到的合外力為零時，處于靜止或勻速直線運動狀態

圖14 近地面風穩定時水平氣壓梯度力、地轉偏向力、摩擦力達到平衡狀態

地球上存在生命的條件之一是地球表面70%以上都被液態水所覆蓋，水是如何平衡地球表面不同地區、不同季節的熱量差異的？有的資料在講解“水循環的意義”時提到了“潛熱輸送”的概念，雖然很嚴謹但無疑增加了學生理解的難度，其實“潛熱”就是學生在初中物理中學到的“三態變化中伴隨的熱量變化”，熔化、汽化、升華均是吸熱的過程，凝固、液化、凝華均是放熱過程（見圖15）。夏季海冰融化（熔化過程）吸收一部分熱量使地表不至于過熱，冬季海水結冰（凝固過程）放出一部分熱量使地表不至于過冷，大大緩解了同一地區冬夏之間的氣溫差異；水循環的過程中，液態水在較熱的地區蒸發（汽化過程）吸收熱量，水蒸氣隨大氣環流到達較冷的地區凝結降水（液化過程）放出熱量，大大緩解了不同地區之間的氣溫差異（見圖16）。當然，空氣和海水也會在較熱的區域吸熱（熱傳遞）、然后通過全球性的大氣環流、洋流等形式到達較冷的區域后再放熱（熱傳遞），也可以緩解不同地區之間的氣溫差異。

圖15 物質的三態變化中伴隨著能量變化

圖16 海洋上海水蒸發吸熱、陸地上水汽凝結放熱，即可將海洋的熱量帶到陸地上

河流水與湖泊水之間的相互補給，其原理就是初中物理中學過的“連通器”（見圖17）。受大氣降水的影響，河流水的水位變化比湖泊水大一些，豐水期河流水位高于湖泊水位，河水補給湖泊水；枯水期河流水位低于湖泊水位，湖水補給河水（見圖18）。河流水與地下水之間的相互補給規律與之類似。

圖17 連通器中各容器的水位最終會保持一致

圖18 枯水期湖水補給河水，豐水期河水補給湖水

除此之外，借用初中物理的光學知識也可以解釋一些高中地理現象，如地球上形成晝夜半球是因為光的直線傳播，恒星會“眨眼”是因為光在大氣中的折射，晴朗的天空呈蔚藍色是因為光的散射，陰雨天氣光線比平時暗一些是因為云層反射了太陽光等等，在此不再一一列舉。

總之，教師在備課過程中要了解學生的知識儲備，特別是其他學科的知識儲備，站在學生的角度思考問題，用學生熟悉的知識和語言解釋地理現象和原理，這樣才能做到學生學起來輕松、教師教起來順手，從而收到事半功倍的教學效果。

（責任編校：朱楠）