例析物理定律在理解地理重難點中的妙用

河南 李躍進

眾所周知，地理是一門綜合學科，兼有自然科學和人文科學的客觀規律。物理是自然科學的典型學科，物理定律是以經過多年重復實驗和觀察為基礎，并在科學領域內普遍接受的典型結論，這些定律滲透在中學的各個學科中，因此，用物理定律理解地理重難點，可以獲得事半功倍的效果。筆者對一些地理重難點內容進行了認真研究，現本文以幾個重難點為例，簡要介紹幾條物理定律在理解地理重難點中的妙用，以當引玉之磚，供讀者參考。

一、萬有引力定律與天文知識

運用萬有引力定律可以幫助我們理解天文知識方面的重難點。第一，理解天體系統的成因。宇宙中的恒星、星云、行星、衛星等各種物質通稱為天體，這些天體不停地運動，運動的天體相互繞轉形成多層次天體系統。天體之間為什么會相互繞轉？是由于天體之間存在相互吸引的萬有引力，為天體相互繞轉提供了向心力。由此可知，萬有引力是形成天體系統的根本原因。第二，理解生命存在的條件。地球上之所以有生命存在是因為有適宜的溫度、適合生物生存的大氣和液態水。其中，適合生物生存的大氣是怎樣形成的呢？因為地球的體積和質量適中，萬有引力適中，可以將大量氣體聚集在周圍，形成適合生物生存的大氣層。若天體的體積和質量過小(如月球)，萬有引力過小，則不能將大氣聚集在周圍；若天體的體積和質量過大(如木星)，萬有引力過大，則會將大氣緊緊貼在表面。萬有引力過大和過小都不能形成適合生物生存的大氣層，也就不會有生命存在。由此可知，萬有引力與生命存在的條件密切相關。第三，理解海洋潮汐的成因。潮汐是發生在沿海地區的一種自然現象，是海水在日、月引潮力作用下發生的周期性漲落現象。一天中，海水通常發生兩次漲落，白天的海水漲落稱為潮，夜晚的海水漲落稱為汐，二者合稱潮汐。那么，形成潮汐的日、月引潮力從哪里來呢？引潮力是萬有引力與慣性離心力的合力，其中，萬有引力是指月球和太陽與地球上單位質量物體的引力，慣性離心力是指地球因與月球和太陽相互繞轉而產生的離心力。由此可知，萬有引力是形成海洋潮汐的重要原因。

二、開普勒定律與地球公轉

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運用開普勒定律可以幫助我們理解“地球公轉”的重難點(見圖2)。第一，理解日地距離的變化。由開普勒第一定律可知，地球在公轉過程中，日地距離在不斷地發生變化。如圖2所示，每年1月初地球公轉經過近日點A處，日地距離最近(約1.471億千米)，每年7月初地球公轉經過遠日點E處，日地距離最遠(約1.521億千米)。第二，理解地球公轉速度的變化。由開普勒第二定律可知，地球在公轉過程中，公轉速度與日地距離呈負相關。如圖2所示，每年1月初地球公轉經過近日點A處，公轉速度最快(線速度30.3千米/秒，角速度61分/天)，每年7月初地球公轉經過近日點E處，公轉速度最慢(線速度約29.3千米/秒，角速度約57分/天)。第三，理解行星公轉周期的變化。由開普勒第三定律可知，行星繞太陽的公轉周期與該行星到太陽的距離呈正相關。因此，在太陽系中，距離太陽越遠，行星的公轉周期越長。

圖2 地球公轉示意圖

三、牛頓第一定律與風的形成

圖3 牛頓第一定律實驗示意圖

運用牛頓第一定律可以幫助我們理解“風的形成”的重難點。第一，理解高空風向的形成(見圖4)。在高空，“風的形成”只考慮水平氣壓梯度力和地轉偏向力兩個力的作用。最初，大氣只受水平氣壓梯度力作用，風從無到有，風向與等壓線垂直；隨后，大氣產生與風向垂直的地轉偏向力，風在北半球向右偏，在南半球向左偏；在水平氣壓梯度力的作用下，風速逐漸加快，地轉偏向力逐漸加大，風的偏向逐漸加劇；直到風向與等壓線平行時，水平氣壓梯度力與地轉偏向力成為大小相等、方向相反、作用在同一直線上的平衡力，即作用在大氣上的外力為零。由牛頓第一定律可知，此時大氣開始保持勻速直線運動狀態，高空風向最終與等壓線平行。第二，理解近地面風向的形成(見圖5)。在近地面，風的形成要考慮水平氣壓梯度力、地轉偏向力和摩擦力三個力的作用。由高空風向的分析可知，風向與等壓線平行時，水平氣壓梯度力與地轉偏向力成為平衡力；此時，如果加上摩擦力，三個力要重組成平衡力，風向與等壓線一定不平行。當風向與等壓線呈一定角度斜交時，水平氣壓梯度力、地轉偏向力和摩擦力重組成平衡力，即作用在大氣上的外力為零。結合牛頓第一定律可知，此時大氣開始保持勻速直線運動狀態，近地面風向最終與等壓線斜交。

圖4 北半球高空風的形成示意圖

圖5 北半球近地面風的形成示意圖

四、質能互換定律與能量來源

1905年，德國著名物理學家阿爾伯特·愛因斯坦在《物體的慣性同它所含的能量有關嗎》一文中提出質能互換定律，表述為：物質是質量和能量的統一體，物質的質量和能量可以互相轉換，物體貯存的能量等于物體質量與光速平方的乘積。該定律第一表達式為E=mc2，其中，E表示物體貯存的能量，m表示物體的質量，c表示光速；第二表達式為ΔE=Δmc2，其中，ΔE表示物體釋放的能量，Δm表示物體虧損的質量，c表示光速。

運用質能互換定律可以幫助我們理解能量來源方面的重難點。第一，理解太陽輻射能的來源。太陽是一個巨大熾熱的氣體球，源源不斷地以電磁波的形式向四周放射能量，稱為太陽輻射。太陽輻射能十分巨大，每分鐘射向地球的太陽輻射能，相當于燃燒4億噸煙煤產生的熱量，這還只是總太陽輻射能的22億分之一。那么，這么多的太陽輻射能是從哪里來呢？太陽輻射能來源于核聚變反應(見圖6)。太陽內部在高溫、高壓環境下，1個氘原子核和1個氚原子核經過聚變反應，產生1個氦原子核、1個中子，且原子核出現了質量虧損。由質能互換定律可知，該反應原子核虧損的質量轉化成了能量；由公式ΔE=Δmc2計算出，該反應可釋放出14兆電子伏特的巨大能量。氫彈的原理就是核聚變。第二，理解地球內部熱能的來源。地球內部熱能是地殼運動、巖漿活動、變質作用和地震等內力作用的主要能源。研究發現，從地表到地心溫度從10℃左右一直上升到4 500℃。其中，巖石圈下界溫度在1 000℃以上，地幔與地核界面溫度約3 700℃，地核的外核與內核界面溫度約4 300℃，地心溫度約4 500℃。那么，這么多的地球內部熱能是從哪里來呢？地球內部熱能主要來源于核裂變反應(見圖7)。以U-235為例，一個中子轟擊一個U-235核經過裂變反應，產生1個Cs-140、1個Rb-92、兩個中子，且原子核出現了質量虧損。由質能互換定律可知，該反應原子核虧損的質量轉化成了能量；由公式ΔE=Δmc2計算出，該反應可釋放出200兆電子伏特的巨大能量。原子彈的原理就是核裂變。

圖6 核聚變示意圖

圖7 核裂變示意圖

五、能量守恒定律與能量轉化和轉移

19世紀40年代，德國著名物理學家邁爾和亥姆霍茲、英國著名物理學家焦耳等人從不同側面各自獨立發現了能量守恒定律(見圖8)。該定律表述為：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而能量的總量保持不變。該定律第一表達式為E1=E2，其中，E1為轉化前各種形式(或各個物體)能量的總和，E2為轉化后各種形式(或各個物體)能量的總和；第二表達式為ΔE增=ΔE減，其中，ΔE增為一些形式(或一些物體)能量的增加量，ΔE減為另一些形式(或另一些物體)能量的減少量。

圖8 能量轉化示意圖

運用能量守恒定律可以幫助我們理解能量轉化和轉移方面的重難點。第一，理解礦物能源的形成(見圖9)。能源礦產又稱礦物能源，主要包括煤、石油和天然氣等。在地質時期，地球上曾經十分溫暖濕潤，生長著大片森林，生物種類繁多，植物通過光合作用合成有機物，動物有的以植物為食，有的以其他動物為食；植物的枯枝落葉、動物的排泄物以及動植物遺骸，經過搬運作用沉積到海底或湖底，又經過地殼運動被深深掩埋；在高溫、高壓環境下，這些沉積物發生了一系列復雜的物理、化學變化，最終形成了礦物能源。由能量守恒定律可知，礦物能源的形成，實質就是“太陽能→生物能→化學能”的能量轉化和轉移過程。第二，理解氣溫垂直遞減率的大小(見圖10)。大氣對流層氣溫隨高度的增加而遞減。其中，干絕熱直減率是指干空氣或未飽和濕潤空氣在絕熱上升過程中氣溫隨高度增加的遞減率，濕絕熱直減率是指飽和濕潤空氣在絕熱上升過程中氣溫隨高度增加的遞減率。因此，空氣的干絕熱上升過程無水汽凝結現象，濕絕熱上升過程有水汽凝結現象。水汽凝結就是水由氣態變為液態，會向四周釋放熱量，相當于延緩了空氣降溫。因此，濕絕熱直減率小于干絕熱直減率。由能量守恒定律可知，空氣濕絕熱上升過程中的水汽凝結，實質就是“內能→熱能”的能量轉化和轉移過程。

圖9 能量形成示意圖

圖10 能量轉移示意圖

六、光的傳播定律與太陽光照

光的傳播定律包括光的直線傳播、光的獨立傳播、光的反射和光的折射四條定律。光的直線傳播定律(見圖11)表述為：在各向同性的均勻介質中，光是沿直線傳播的。光的反射定律(見圖12)表述為：反射光線、入射光線和法線在同一平面內，反射光線和入射光線分居法線兩側，反射角等于入射角。光的折射定律(見圖12)表述為：折射光線、入射光線和法線在同一平面內，折射光線和入射光線分居法線兩側，入射角的正弦值與折射角的正弦值之比為一常數。

圖11 光的直線傳播定律示意圖

圖12 光的反射、折射傳播定律示意圖

運用光的傳播定律可以幫助我們理解太陽光照方面的重難點。第一，理解日食、月食和影子的形成。月球繞著地球轉，地球繞著太陽轉。由光的直線傳播定律可知，當月球位于太陽和地球之間，且三者在一條直線上時，月球擋住了太陽射向地球的光線，月球身后的黑影正好落到地球上，形成了日食，這種現象只出現在朔；當地球位于太陽和月球之間，且三者在一條直線上時，地球擋住了太陽射向月球的光線，地球身后的黑影正好落到月球上，形成了月食，這種現象只出現在望。物體有影子、影長會變化也是這個道理。第二，理解海市蜃樓的形成。海市蜃樓是指平靜的海面、河面、湖面、雪原、沙漠、戈壁等地方，偶爾會在空中或地下出現高大樓臺、城郭、樹木等幻景，這是因為光的折射和全反射而形成的自然現象。在平靜的海面，白天海水蒸發需要消耗熱量，海水比熱容大、增溫緩慢，因此低層空氣溫度低、形成光密介質；相反，高層空氣溫度高、形成光疏介質。在炎熱的沙漠，白天沙土比熱容小、增溫迅速，沙土傳導熱量性能極差，因此低層空氣溫度高、形成光疏介質；相反，高層空氣溫度低、形成光密介質。物體的反射光線由光密介質射入光疏介質，入射角小于折射角。由光的折射定律可知，隨著入射角的增大，折射角也不斷增大。當折射角增大到90°時，對應的入射角稱為臨界角。若入射角大于臨界角，折射光線消失，就出現全反射。在光的折射和全反射作用下，平靜海面物體反射的光線會形成“Λ”形光路圖，人們就看到了飄浮在空中的上蜃景(見圖13—甲)；炎熱沙漠物體反射的光線會形成“V”形光路圖，人們就看到了嵌入地下的下蜃景(見圖13—乙)。

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