用物理知识解释地理现象

陕西省汉阴县汉阴中学（725100） 胡仕才

中学地理学科是一门综合性很强的学科，它综合了自然科学和社会科学等多种知识，著名科学家钱学森称它是一个“开放的复杂系统”。要搞好中学地理课的教学，教师必须博览群书，广泛涉猎多学科的知识。在地理课教学中紧扣教学内容，利用学生已有的物理知识来解释一些地理现象和理解一些自然现象的形成，能培养学生的学习兴趣，促进对知识的掌握。

一、极光的成因

极光是常常出现于南北两极，纬度靠近磁极地区上空大气中的彩色发光现象。从前，爱斯基摩人以为那是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬。极光实际上是从宇宙中飞向地球的带电粒子轰击大气层，使气体分子发出的光。高层大气是由多种气体组成的，不同元素的气体受轰击后所发出的光的颜色不一样。例如氧被轰击后发出绿光和红光，氮被轰击后发出紫色的光，氩轰击后发出蓝色的光，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。

为什么只有两极附近才能看到极光呢？这就和磁场力有关，如图1所示。带电粒子在磁场中运动会受到磁场给它的一个力的作用，物理中把它叫洛仑兹力。它的作用使带电粒子旋转。在地磁场的作用下，从宇宙射向地球的带电粒子，大部分就会以螺旋线的方式旋转汇聚到磁场最强的地球两极附近，如图2所示。只有大量的带电粒子才能有足够的电量激发大气发光。越靠近地磁极，汇集的带电粒子也越多，极光出现的次数和规模当然也越大。

图1

图2

二、天空为什么是蓝色

这个简单的问题，回答起来却并不简单，需要用到很多物理知识。它是由光的衍射、散射、康普顿效应共同造成的，如图3所示。在组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等7种光中，红光波长最长，紫光波长最短。天空中有很多人肉眼看不见的纳米级的小微粒，如小水滴、冰晶、灰尘等，太阳光中的很少一部分光，会正好照射在它们的身上。波长较长的红、橙、黄、绿光，在遇到这些微粒时，可以绕过它们继续传播，大致还是沿原方向前进，这就是光的衍射。因为这些光的前进方向和大多数没有遇到阻碍的白光相同，而它们的数量又太少，这就像往大海里撒一把糖，它们的色彩会被由白光组成的大部队遮盖住，我们看不出来。而蓝光波长刚好能和微粒的直径相比拟，遇到这些微粒，会从微粒的表面向四面八方发射，这种现象叫光的散射。每一个微粒就相当是一个散发蓝光的光源，有微粒的地方就有蓝光发出，地球大气每一立方米平均就有百万个小的微粒，它们就等同与数不清的蓝星星在眨自己的蓝眼睛，于是我们看到天空处处都是蓝的。剩下的靛光和紫光，它们的波长更短，在遇到微粒时，一部分会直接被反射回太空，所以从高于大气层的地方看地球，除了蓝色还会在地球边缘处看到淡紫色；另一部分靛光和紫光会和微粒发生碰撞，碰撞后的紫光、靛光能量会变低，波长变长，再次蜕变为蓝光，这种现象叫康普顿效应。这又是天空蓝色的另一个重要来源。

图3

三、风向

地球上哪些区域爱刮什么方向的风，这是由圆周运动里的离心现象和近心现象造成的。地球上所有的物体都随地球的自转做圆周运动，也包括地球表层的大气。做圆周运动的物体所受的力、质量、相对转动轴的速度、到圆心的距离（半径）满足下面这个公式：。F、m一定时，当v变大时，r也会变大，物体到圆心的距离变大，物体做远离圆心的运动，这就是离心现象；当v变小时，r也会变小，物体到圆心的距离变小，物体做靠近圆心的运动，这就是近心现象。物体在做离心或近心运动时，以螺旋线的方式行进。例如人造卫星，增大它的速度，它将运动到更大半径的圆上，它做的是离心运动，如图4所示。

图4

减小速度可以让它返回到地球，它做近心运动，如图5所示。简单的说，就是速度过大（超过某一个值），做圆周运动的物体会向外运动；速度过小（小于某个值），做圆周运动的物体会向内运动。弄明白上面的物理知识，我们就可以用它来判断风向了。

图5

如果气压是西高东低，则由水平气压梯度力产生的风向是自西向东的，由于地球自西向东旋转，对地轴来说，风的速度就大于地球自转的速度，风将按照螺旋线远离圆心做离心运动，如图6所示，即风向偏向赤道。相反，如果气压是东高西低，则风向和地球自转方向相反，相对地轴来说，风的速度就小于地球自转的速度，风将按照螺旋线靠近圆心做近心运动，如图7所示，即风向偏向两极。

图6

四、河岸冲刷

图7

图8

图9

我们知道，在北半球，面向河流的方向，右岸被水流冲刷的很严重；而在南半球，面向河流的方向，左岸被水流冲刷的很严重，这是为什么呢？其实这也是离心现象和近心现象所造成的。在北半球，如果河流是自西向东流，那么河流的流向与地球自转方向相同，对地轴而言，河流的速度大小大于地球自转速度，河水将做离心运动，所以对靠近赤道一侧的河道冲刷严重。当人面向河流流向时，赤道一侧是人的右手，即河水对河床右岸冲刷严重，如图8所示。如果河流是自东向西流，那么河流的流向与地球自转方向相反，对地轴而言，河流的水流速度小于地球自转速度。河水将做近心运动，所以对靠近极地一侧的河道冲刷严重。当人面向河流流向时，极地一侧是人的右手，即河水对河床左岸冲刷严重，如图9所示。