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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．
&&& 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
&&& 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
&&& <font color="# 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个气压带．气压带之间在气压梯度力和地转偏向力的作用下形成了低纬环流圈、中纬环流圈和高纬环流圈．由于受地转偏力的作用，南北向的气流，却发生了东西向的偏转．北半球地面附近自北向南的气流，有朝西的偏向．在气压带之间形成了六个风带，即南、北半球的低纬信风带，南、北半球的中纬西风带，南、北半球的极地东风带．
&&& <font color="# 气旋和反气旋
气旋与反气旋是大气中最常见的运动形式，也是影响天气变化的重要天气系统．在气压梯度力和地转偏向力的共同作用下，大气并不是径直对准低气压中心流动，也不是沿辐射方向从高气压中心流出．低气压的气流在北半球向右偏转成按逆时针方向流动的大旋涡，在南半球向左偏转成按顺时针方向流动的大旋涡，大气的这种流动很像江河海流中水的旋涡，所以又叫气旋．夏秋季节，在我国东南沿海经常出现的台风，就是热带气旋强烈发展的一种形式．高气压的气流在北半球按顺时针方向旋转流出，在南半球按逆时针方向旋转流出，高气压的这种环流系统叫做反气旋．
&&& <font color="# 傅科摆
地球的自转对单摆的运动也会产生影响，假如没有地转偏向力，单摆将在直线AB上来回摆动，事实上，单摆从A向B摆动时，由于地转偏向力的作用而逐渐向右偏移，并没有到达B点而是到达C点．从C向回摆动时仍然逐渐向右偏移，结果到达D点．依次推论，摆动平面将以顺时针方向不断偏转，如图4中虚线箭头所示．每一次来回摆动，摆动平面所偏转的角度是很小的．任何可察觉的偏转角都要求比较长的时间．适应此要求的摆长较大而摆球较重的摆称做傅科摆．傅科1851年在巴黎的教堂第一次做此实验时，所用的摆长达67m，摆球为直径略大于30cm的铁球，铁球质量为28kg，所画出的椭圆长轴等于3m，摆的振动周期为16s，而椭圆旋转的周期则为32h．在历史上，傅科以此第一次显示了地球的自转．今天，在普及天文学知识的机构中，都备有傅科摆．
& & 5 复线火车
&&& 我国地处北半球，火车在行驶中受地转偏向力作用，因而对右轨压力大于左轨压力，普通单轨铁路上经常有相反方向的火车行驶，其左右正好相反，结果两轨磨损差不多相同．由于受火车发展历史的影响，调度员用来指挥火车开、停、允许不允许进站等的行业信号都设在火车前进方向的左侧路边，因而复线火车都是靠左行．火车由于受到指向运动右侧的地转偏向力，而使复线铁路上靠左走的火车所受的地转偏向力均指向内侧．设一列火车质量为２.０×１０６ｋｇ，速度为20m／s，列车所在地点的纬度为45°，则地转偏向力的水平分量的大小为
&&& FC水平=2mｖωsin45°=4.1×103N．
这只相当于列车自重的万分之二，大小仅为列车所受阻力的百分之几．这样大小的力，其作用效果只能是表现为右轨磨损较甚，而不会使复线上相向而行的两列火车相撞．
&&& 四、对学科间综合的几点认识
&&& <font color="#
有利于探讨一些跨学科的问题
&&& 分学科教学各自强调学科的系统性，内容偏旧、偏多、偏深，有不少地方重复，内容繁琐，占有课时较多，知识面较窄，应用性较差，阐明科学思想方法，介绍科学发展史等人文因素的内容显见淡薄，涉及人口、能源、环境等与人类命运有关的因素也难系统反映．学科间的综合有利于把一些跨学科的内容纳入到课程中去，有利于课程的多样化，适应不同学生的需要．
&& <font color="# 有利于理论联系实际
根据青少年爱活动，受好新鲜事物，有强烈探索意向的特点，学科间的综合可从观察、实验开始，引导学生动手、动脑，参加实践，记录数据，收集资料．学生作为独立的个体，发现和认识有意义的新知识、新事物、新方法，通过知识整理与讨论来形成概念、获取结论，掌握其中的规律．阐述重要原理或概念之后，尽可能地挑选一些学生能够接受的各学科中的问题，要求学生用学到的知识来解决，有意识地把所学知识与实际问题联系起来，解释自然现象和社会问题，培养学生运用知识去观察、分析、综合问题的良好学习习惯．
&&& <font color="#
有利于体现当代科学技术发展的趋势
当前科学技术发展的趋势是自然科学的各个分支正加速横向联系，学科之间相互交错和渗透，各学科的成就互为利用的范围日益扩大．学科间的综合应适当加强那些从事社会主义建设、适应现代生活、继续学习所必需的新知识，使学习内容具有科学性、基础性和先进性，有利于学生从多方面认识自然科学对现代化生活和生产的重大意义．
&&& <font color="# 有利于知识的理解和巩固
学科间的综合开阔了学生的视野，扩大了知识面，熟悉了不同学科间知识的交叉点和同一概念的不同表述，使知识能相互渗透，能帮助学生辨析概念的本质，加深对知识的理解，有利于对所学知识的巩固．
&&& <font color="# 有利于非智力因素的培养
根据各门学科的特点，将传授知识、开发智能和育人相结合．通过科学发展史、科学人物和我国科学成就的介绍，培养学生爱科学、爱祖国的思想，激发学生为人民富裕和国家富强而献身的精神．用辩证唯物主义的观点和方法阐述科学知识，使学生受到辩证唯物主义观点的教育．有利于培养动机、兴趣、情感、意志、性格等非智力因素，为培养有理想、有道德、有文化、有纪律的社会主义建设人才，提供重要的保证．
&& <font color="# 有利于个性发展和对能力的培养
在面向大多数学生的同时，学科间综合有一定的弹性和较强的适应性，通过一些选修内容、阅读材料、小制作、小实验、小采集、社会调查、自由研究等，能因材施教，促进学生的个性发展．学科间的综合，能强化不同学科间知识的综合应用能力，提高学生综合思考和解决问题的水平．能培养学生的科学兴趣，拓宽学生的知识视野，丰富学生的研究方法，发掘学生的创造潜能．能培养学生的创新意识、创新精神和创新能力．能培养学生全面的综合素质，为将来成为创新型人才奠定全面的素质基础．
&&& 参 考 文 献
&&& 1 ［美］Ⅰ?阿西莫夫著，暴永宁等译．现代科学中的100个问题．北京：科学普及出版社，
赵景员，王淑贤．力学．北京：高等教育出版社．，204
&&& 3 梁昆淼．力学．1978，第2版．北京：高等教育出版社．，171
&&& 4 郑军，余国祥．物理课程论
南宁：广西教育出版社．1996．
&&& 5 成玲瑜．也谈复线火车为什么靠左行
中学物理教学参考，1995（3）：21
&&& 6 高级中学课本，地理（必修）第2版
北京：人民教育出版社．1995
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