从地球的自转谈学科间的综合

   随着我国高考制度的改革，教育部试行了“3+综合”的高考模式，强调有机结合中学各学科内容的交叉、渗透和综合，旨在考查学生理解、掌握和运用中学所学知识的能力，必将对推行素质教育产生积极的影响．物理学科如何适应时代的需要，引导学生把物理知识与其它学科知识结合起来解决实际问题，培养学生的综合素质和以创造为主要特征的思维能力，提高学生多学科综合思考和解决问题的水平等，是亟待解决的课题．
    地球自转的角速度约为7.3×-5rad／s，虽然不算大，却产生一些可观察到的与自转有关的现象．法国物理学家科里奥利（Coriolis）1835年第一次详细地研究了这种现象，因此称做“科里奥利效应”．科里奥利效应与在非惯性参照系中研究物体的运动有关．本文拟从地球的自转，用中学物理知识结合地理学科内容，对观察到的与地球自转有关的现象作些讨论，并谈谈对学科间综合的几点认识．
    一、用物理视角认识地转偏向
    地球自转引起的现象是立体空间的，让我们先体会一下平面上的情况．假定有一个旋转游戏台，整体在转动，那么，游戏台上所有点转动的角速度相等，中心附近的点运动较慢，而靠近外缘的点运动较快．如果你站在中心附近的点上，想要直接从中心出发的一条直线上走向靠近外缘的点，在中心附近的出发点上，你取得了该点的速度，惯性效应使你保持缓慢运动．当你越往外走的时候，脚下的台面运动得越快．你本身的慢速和台面的快速的结合，使你觉得被推向与旋转运动相反的方向去．如果旋转游戏台在逆时针方向转动，当你向外走时，你的路线会明显地顺时针方向弯曲．如果你从靠近外缘的一点出发向内行进，你保持着出发点的快速运动，但你脚下的台面运动得越来越慢．因此，你会觉得你在旋转方向上被越推越远．如果旋转游戏台在逆时针方向转动，那么，你的路线会再次明显地顺时针方向弯曲．
    物体在地球表面运动，由于惯性，它要保持原有速度的大小和方向．其次，地面的观察者认为地面上各点都是静止的，而实际上各点都绕地轴转动，物体到达不同的点，就要参考所到达点绕地轴转动的速度来判断它的运动情况．地球的自转，使物体相对于地面的观察者速度要发生偏向．地球上水平运动的物体，无论朝哪个方向运动，都发生偏向，因为任何物体在运动的时候都有惯性，总是力图保持原来的方向和速度．如图1所示，在北半球，质点向北沿经线取A1B1方向做水平运动，经过一定时间后，经线L1转至L2的位置．沿经线方向运动的质点，由于惯性，必然保持原来的方向和速度沿A2B2的方向前进．这时，在L2位置上的人看来，运动质点已经离经线方向而向右偏了．同样道理，沿纬线方向运动的质点也向右偏，图上C1D1则取C2D2方向前进．南半球则向左偏．只有在赤道上，水平运动没有右偏或左偏的现象，因为那里的经线是互相平行的．
   
    
   图1
   
    二、以物理知识和技能为载体，揭示地转偏向力的本质
    为简单起见，我们仍讨论物体在平面内的运动．以一圆盘为转动参照物，圆盘绕一与盘面垂直的轴线O转动，角速度为ω．设一物体原来在A点，沿圆盘半径以速度ｖ相对于圆盘做匀速直线运动．如果圆盘没有转动，则在Δt时间内，物体运动到B．如果只有圆盘的转动，物体没有相对于圆盘的运动，则在Δt时间内物体运动到A′点，如图2所示．相对于惯性参照系，物体参与了两个运动：以速度ｖ相对于圆盘的运动和随同圆盘一起的转动．所以实际上物体是由A沿曲线AB′运动到B′，物体在Δt时间内由于半径的增大而多走了一段横向路程Δｓ
   
    
   图2 图3
   
   
    Δｓ=-=ωΔt=ｖω（Δt）2．
    在Δt很小的情况下，Δｓ可以看成是一直线．ｖ和ω都是常量，所以Δｓ正比于时间Δt的平方．于是对Δｓ这一段位移可以应用匀变速直线运动的公式，得
    Δｓ=a（Δt）2／2，
    将这一公式和上式对比，可得
    a=2ｖω．
    这一加速度的方向与物体相对于圆盘的速度ｖ垂直，并在圆盘的平面内与圆盘的转动轴线垂直．这个加速度称做科里奥利加速度，要使物体获得这一加速度，就必须由其它物体施一外力于此物体，外力的方向与加速度方向一致，其大小为
    F=ma=2mｖω．
    让我们再来看一个实验．将一有光滑小孔的小球穿在细铜丝上，将细铜丝拉直，两端沿圆盘半径固定．当圆盘快速地以角速度ω转动时，小球向外滑动．同时细铜丝被拉弯，如图3所示．铜丝的张力使得小球获得科里奥利加速度．
    对于这个实验，惯性参照系上的观察者和转动参照系上的观察者有不同的解释：惯性参照系上的观察者看到物体既有半径方向的速度ｖ，又有角速度ω，所以有科里奥利加速度，此加速度由铜丝施于这个物体上的力F产生．在转动参照系上的观察者看到物体只有沿半径方向的速度ｖ，没有角速度ω．他未观察到横向的加速度，但是他看到了铜丝施一作用力于物 体上．因此，这一观察者认为必须有一个力FC作用在物体上，FC和F大小相等，方向相反，这样物体才能保持平衡，这个力FC叫做科里奥利力．在地理学科中称为地转偏向力，是转动参照物中的观察者所设想的力，它并不真实存在，只不过是惯性的结果．科里奥利力的 方向与科里奥利加速度的方向相反，它的大小是
    FC=2mｖω．
    地球是空间转动系统，以地球为参照物研究物体的运动时，通常只需考虑科里奥利力的水平分量．在北半球，地面上运动物体所受科里奥利力或其水平分量总是指向运动的右侧，即所谓“北半球的右偏效应”．在南半球，情况正好相反，沿地面运动的物体所受科里奥利力或其水平分力总是指向运动的左侧，即所谓“南半球的左偏效应”．
    三、知识的综合应用
    我国地处北半球，物体在地面上运动，受地转偏向力作用而自行向右偏转，这种现象在日常生活中还从来没有观察到．人在走路时，也从来不会不自觉地偏到右边去．这完全是因为地转偏向力很小，其效应被其他作用力的效应所掩盖．地转偏向力的效应只有在长时间累积的条件下，才容易察觉．
    1 柏尔定律
    该定律是自然地理中一条著名的、从实际观察总结出来的规律，即北半球河流右岸比较陡削，南半球则左岸比较陡峭．这可以由地转偏向力得到说明，北半球河水在地转偏向力作用下，对右岸冲刷甚于左岸，长期积累的结果，右岸比较陡 峭．
    2 大气环流
    大气运动的能量来源于太阳辐射，气压梯度力是大气运动的源动力．全球共有赤道低压带，南、北半球纬度30°附近的副热带高压带，南、北半球纬度60°附近的副极地低压带，南、北半球的极地高压带等七