若干高中地理疑难问题的物理学解释

浙江省衢州市衢州第一中学（324000） 柴宏良

若干高中地理疑难问题的物理学解释

浙江省衢州市衢州第一中学（324000） 柴宏良

一、问题的提出

在高中地理教学过程中重视科学探究、强调学科之间的联系是高中地理新课程标准所倡导的教学理念。学校里，地理教师经常会跟我探讨一些地理中的疑难问题。我发现不少地理问题，特别是自然地理问题与物理学之间有着极大的联系，而教师和学生在一些问题的科学解释上存在一些偏差，主要是以天体的运动、潮汐现象、大气环流等方面的问题居多。在教学过程中，地理教师也确有需要了解这些问题的物理学原理，这样才能更有效地引导学生自主学习，让学生体会学科之间的密切联系，提高解决问题的能力。下面列举和地理教师经常探讨的几个疑难问题，尝试利用高中学生易于理解的物理学原理进行科学解释。

二、问题的探讨

1. 为什么地球面对月球的海水涨潮，背对月球的海水也涨潮呢？

图1

产生潮汐的最主要原因是月球的引力而非太阳的引力了解了潮汐的物理原理后，我们便能明白为什么产生潮汐的最主要原因是月球的引力而非太阳的引力的缘故了。根据万有引力定律可计算出，太阳对地球的引力大约是月球对地球的引力的200倍，可为何潮汐现象主要由月球的引力引起呢？其原因在于太阳离地球更远，地球的大小相对于地球到太阳的距离太微小了，以至于太阳引力作用所引起的地球上各部分的加速度相差不大，海水和地球体之间的相对运动现象较弱，所以，潮汐就不明显了。

2. 地转偏向力是怎样形成的？

地转偏向力又叫科里奥利力，因为它根本就不存在施力物体，所以它不是真正意义上的力，而是一种惯性力。为了理解这个“力”，我们可以假设有这样一种情景：一个小球在完全光滑的地面上以一定的初速度运动，由牛顿第一定律（惯性定律）可知，它应该做匀速直线运动，不会偏转方向。但是，作为观察者的人随地球一起自转做圆周运动。所以，从人看来，该小球并非做直线运动，而是偏离了直线轨道发生偏转了，这就好像小球受到了一个垂直于运动方向的“力”一样，这个“力”就叫做地转偏向力。所以，地转偏向力实际上是相对运动所产生的一种惯性力。湘教版地理教科书对地转偏向力做了这样的描述：“地转偏向力只作用于水平运动的物体，始终垂直运动的方向，并随着物体水平运动速度的增大而增大。在北半球，它指向运动方向的右侧；在南半球，它指向运动方向的左侧；沿赤道运动的物体，不受地转偏向力的影响。”我们可以从相对运动的角度帮助学生理解地转偏向力的方向。如图3，在北半球的A点向北发射一个物体，这个向北运动的物体由于随地球自转同时具有向东方向的速度分量，该速度分量和赤道的线速度相同。如果这个物体不受任何力（地转偏向力不是实际存在的力）并且地球上各点的线速度相同，那么，该物体相对地面将沿AB方向运动。然而，随着向北运动，地面的自转线速度比物体向东的速度分量小，所以物体相对地面向东偏移，沿着AC的方向运动。对地面上的人来讲，物体好像受到了向东（右）的力的作用，这就是地转偏向力。如果该物体在北半球向南发射，如图4，该物体同样具有向东的速度分量但该分量比赤道的线速度小。当它向赤道方向运动时，向东的速度分量比地面的线速度小，相对地面向西（右）偏移，可见地转偏向力同样是向右的。用同样的方法分析南半球的地转偏向力是向左的。

图3

图4

为了更形象地说明地转偏向力的特点，教学中教师可以制作“地转偏向力演示仪”给学生进行实验演示。实验装置很简单，所需器材唾手可得，一块硬纸板、一个金属小球、一小段细木杆、一支万能胶即可做成。如图5为俯视图，匀速转动的转盘相当于地球，将沾上墨水的小球放入槽中，小球在离心力的作用下沿槽加速运动，以一定的初速度相对转盘沿虚线方向滚出。盘上的虚线代表地球上的纬度线，当小球从“高纬度”向“低纬度”运动的过程中会在转盘的白纸上留下痕迹，从痕迹可清楚地看出小球向“西”发生了偏转。这个实验很形象地模拟了地转偏向力的方向，使学生更容易理解。

理解了地转偏向力的方向，就容易解释为什么北半球的气旋是逆时针运动的，而南半球的气旋则是顺时针的缘故了。大气流动是在地转偏向力和气压力的共同作用下产生的。如果在北半球形成一个低压区，周围的大气在气压力作用下向低压区运动形成风，从南方吹来的风在地转偏向力作用下向低压区的东面运动，而从北方吹来的风则向着低压区的西面运动，同时，它们又靠近低压区，形成了沿逆时针方向环绕低压区转动的风。

3. 报道称3.11日本大地震造成地球自转周期减小1.6微秒，其原因何在？

为了加深学生的理解，还可以给学生播放花样滑冰的视频，花样滑冰的运动员在冰面上转动，当他把伸开的双臂向身体并拢时，身体的转速会骤然加快。这里面包含的物理原理和大地震造成地球自转周期减小的物理原理是一样的。

三、反思

在高中各学科之间存在许多交叉和联系，地理教学过程中不可避免的会遇到涉及其他学科知识的问题。在相关知识的教学中，适当的从其他学科知识的角度进行教学活动能有助于学生加深对地理知识的理解，更有利于提高学生的综合素养。一是可以借鉴国外教材的做法。在美国高中理科教材《科学发现者》中较多的采用诸如“与其他学科的联系”的形式对学科交叉知识进行必要的介绍，建议在编写高中地理教材时加上“联系其他学科”的阅读材料，提供给学生学习。二是鼓励学生把这些跨学科问题作为研究性学习的课题，利用学校里其他学科的教师资源，查找各学科的相关资料进行探究式学习活动。三是在校本教研中加强不同学科教师之间的交流，相互学习，扩大教师的知识面，以适应新课程对教学提出的更高要求。四是由地理和物理教师一起开发校本选修课，选择部分学科关联知识进行选修课的开发，提供给学生自主选学。