巧借初中物理妙释高中地理

2014-01-14田国全

地理教学 2014年16期

关键词：参照物摩擦力热量

田国全

（武汉市钢都中学, 湖北武汉 430081）

巧借初中物理妙释高中地理

田国全

（武汉市钢都中学, 湖北武汉 430081）

地理是一门兼具文理学科特点的综合学科，学生甫一跨入高中阶段即面临难度相对较高的自然地理内容的学习，难免会因对自然地理一些概念、规律的不理解而出现认识障碍，从而影响到后续内容的学习，继而对地理学科产生畏难情绪。如果此时教师能够借用学生初中阶段比较熟悉的其他学科的知识作铺垫、作衔接、作类比，无疑会大大降低学生学习地理的难度，提高对地理学科的学习兴趣。

地球自转的方向自西向东，这是很多学生的常识性认识，但为什么由于地球自转产生的晨昏线的移动方向却是自东向西的？初中物理知识告诉我们，判断一个物体是否运动必须选择合适的参照物，并且被指定的参照物应该假定它是静止的，在没指明参照物的情况下，一般以地面作为参照物。这就像一名摩托车手，在旁人看来他是前进的，但在他自己看来，分明是大地以相同的速度向后退去（见图1），这就是选取不同物体作为参照物的结果。由于晨昏线是太阳照射在地球上形成的昼夜半球的分界线，以太阳为参照物它是静止的，地球是自西向东运动的(自转)，但人们通常习惯以地面为参照物，所以我们只能认为地球是静止的，而晨昏线则是相对地球表面自东向西运动的，并且晨昏线自东向西移动的速度也与地球自转的速度相等，即每小时15°（见图2）。

图1 以地面为参照物车是前进的，以车为参照物地面是以相同的速度后退的

图2 以太阳为参照物地球自西向东自转，以地面为参照物晨昏线是自东向西移动的

一架飞机自西向东飞行，机上乘客会感到白昼时间比平时短，自东向西飞行则会感到白昼时间比平时长，很多学生对此现象难以理解，甚至一些老师也解释不清。其实这种现象可以用初中物理中运动速度的叠加来解释，就像顾客乘扶手电梯上楼一样，如果人的行走方向与电梯的前进方向一致，上楼的总速度就等于电梯前进的速度与人行走速度的总和（见图3）。类似地，地球自西向东自转，地球表面的人无论乘何种交通工具向东移动，其总速度都等于地球自转的速度与人移动速度的总和，相当于“加快”了地球自转的速度，所以感到白昼时间变短了（见图4）。反之，自东向西前进，相当于“减慢”了地球自转速度，当然会感到白昼时间延长了。

图3 人在前行的扶梯上行走，会感到前进速度变快了

图4 飞机向东飞，人会感觉自转速度“加快”了

地球绕日公转的速度是在不断变化的，近日点公转速度最快，远日点公转速度最慢，其中的道理虽然可以用开普勒定律来解释，但学生不易理解、难以记忆。其实这里的规律完全可以用初中学过的机械能守恒原理来理解和记忆，图5中滚摆与地球是相互吸引的两个物体，在二者相距最近时（滚摆的最低点）动能最大、势能最小、运动速度最快，相距最远时（滚摆的最高点）势能最大、动能最小、运动速度最慢，同理我们可以得出地球公转时近日点速度最快、远日点速度最慢（见图6）。

图5 滚摆在“近地点”运动速度最快，“远地点”运动速度最慢

图6 近日点地球的公转速度最快、远日点地球的公转速度最慢

热力环流的形成过程中，为什么同一地点高空的气压肯定比近地面要低，为什么近地面较热的地区会形成低压区、较冷的地区则会形成高压区？此处同样令很多学生感到困惑。如果同学们回忆一下初中物理中学过的液体压强的计算公式：P=ρg h就可知道其中的原因了：在液体密度相等的情况下，深度越大压强就越大，在深度相同的情况下液体密度越大压强也越大。空气与液体一样同属于流体，其压强产生的原理和影响因素非常类似，如图7的类比就可以帮助我们理解为什么海拔高的地区大气压较低。

图7 在流体密度相同的情况下深度不同受到的压强也不同

空气具有热胀冷缩的性质，由ρ= m / V得知空气受热后体积膨胀密度会变小，空气遇冷收缩时密度会变大，再根据P=ρg h，当海拔相同时空气密度越小则大气压也就越小，空气密度越大则大气压也越大（见图8）。这就是近地面热区形成低气压、冷区形成高气压的原因。

图8 同一海拔，大气密度越小大气压就越小，大气密度越大大气压就越大

我们在说东亚的季风气候时，通常说其是由于“海陆热力性质的差异”形成的。对学生来说这个概念太笼统，不利于举一反三地去思考、解决问题，与其这样说，还不如直接告诉学生所谓的“海陆热力性质”就是他们初中物理学过的“比热容”。学生已经知道自然界中水是比热容最大的物质，吸收相同的热量水的温度升高得最少、放出相同的热量水的温度降低得也最少（见图9）。夏季同样是吸收热量，比热容较大的海洋温度低一些形成冷高压、比热容相对较小的陆地温度高一些形成热低压，风就从海洋吹向陆地；冬季同样是放出热量，比热容较大的海洋温度高一些形成热低压、比热容相对较小的陆地温度低一些形成冷高压，风就从陆地吹向海洋，这就是东亚季风气候的形成原因。利用这一原理还可以解释海陆风的形成及风向（见图10）。

图9 吸收相同的热量，水的温度升高得最少

图10 白天吸热时时水体温度较低，夜晚放热时水体温度较高

但在学习海陆风的形成时，很多同学又对“为什么空气受热会上升”有了疑问，甚至有的老师也陷入了“空气上升是因为空气密度变小、空气密度变小是因为空气上升”的思维怪圈，其实这里如果引入初中物理“物体的浮沉条件”就很好解释。物理知识告诉我们，当ρ物>ρ液时物体下沉，当ρ物<ρ液时物体上浮，当ρ物=ρ液时物体悬浮（见图11），我们以某一团空气为研究对象，此时这一团空气相当于“物”，周围其他空气相当于“液”，当它受热时密度减小，所以“上浮”，当它遇冷时密度增大所以“下沉”（见图12）。

图11 不同密度的物体在同种液体中的浮沉情况

图12 空气受热密度变小“上浮”，空气遇冷密度变大“下沉”

近地面风的形成涉及水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力三种力，很多同学知道摩擦力始终与风向相反，它的改变会影响风速，但对为什么也会影响风向感到困惑，其实这里也可以用初中物理知识来解释。根据牛顿第一定律可知，当物体受到的合外力为零时将处于静止或匀速直线运动状态（见图13）。同理，近地面的风处于稳定状态时（空气作匀速直线运动）受到的合外力为零，即水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力处于三力平衡状态，如果摩擦力大小发生改变，就会打破这种平衡，由于水平气压梯度力的大小和方向不受风的影响，要重新建立三力平衡状态（使空气作匀速直线运动），地转偏向力的大小和方向必然会发生改变，因为地转偏向力始终垂直于风向，所以风向肯定发生了变化，又因为摩擦力始终与风向相反，所以摩擦力的方向也肯定发生了变化（见图14）。掌握这一原理我们也就可以理解为什么海上形成的台风登陆后移动方向一般都会变化的原因了。

图13 物体受到的合外力为零时，处于静止或匀速直线运动状态

图14 近地面风稳定时水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力达到平衡状态

地球上存在生命的条件之一是地球表面70%以上都被液态水所覆盖，水是如何平衡地球表面不同地区、不同季节的热量差异的？有的资料在讲解“水循环的意义”时提到了“潜热输送”的概念，虽然很严谨但无疑增加了学生理解的难度，其实“潜热”就是学生在初中物理中学到的“三态变化中伴随的热量变化”，熔化、汽化、升华均是吸热的过程，凝固、液化、凝华均是放热过程（见图15）。夏季海冰融化（熔化过程）吸收一部分热量使地表不至于过热，冬季海水结冰（凝固过程）放出一部分热量使地表不至于过冷，大大缓解了同一地区冬夏之间的气温差异；水循环的过程中，液态水在较热的地区蒸发（汽化过程）吸收热量，水蒸气随大气环流到达较冷的地区凝结降水（液化过程）放出热量，大大缓解了不同地区之间的气温差异（见图16）。当然，空气和海水也会在较热的区域吸热（热传递）、然后通过全球性的大气环流、洋流等形式到达较冷的区域后再放热（热传递），也可以缓解不同地区之间的气温差异。