高中学科融合“物理+”——解析地理“地转偏向力”问题

张 一 王 璐 徐悠扬

（1.南京信息工程大学教师教育学院，江苏 南京 210044；2.苏州农业职业技术学院园艺科技学院，江苏 苏州 215008）

学科融合是以在承认学科间存在差异性的基础上，打破学科之间的“壁垒”，着重强调不同学科之间的互相渗透，彼此交叉.学科融合能够促进对不同知识的理解和应用，是培养创新思维和产生创新型学术成果的方法.中学阶段各学科间联系密切，在现代教育教学活动中，各学科要相互渗透，加强不同学科之间的联系和融合，以一个整体的眼光去学习.消除学科之间的壁垒，活跃学生的思维，从其他相关学科中汲取营养，为学生综合素养的提高和终身发展打好基础.[1]因此提出“物理+”的思想，即在中学物理教育中，融合物理学科知识与其他各种学科知识.

从科学发展角度来看，科学本身就是内在统一的整体，科学体系在教学中被分裂为若干学科.物理学科，作为自然科学的基础学科，其蕴含了研究物质世界最基本、最普遍、最一般的规律.它既是一门基础学科，又是一门前沿学科，对其他自然科学的发展影响深远.但是物理学科纵向逻辑严密，理论完善，在中学教学中物理本身学科理论体系完整，逻辑严密，但与其他学科交叉联系并未普遍体现.其理论知识和研究方法较抽象.在具体教学中，学生的个体情况各不相同，教师因为对学生个体情况了解不到位，可能会造成学生学习上的困惑.所以物理成为公认的“难题”.再者，高中阶段的学生认知水平虽然处于形式运算阶段，其抽象思维已有适度的发展，但这种抽象的能力仍然离不开具体形象的支撑.学生还不能从物理现象中抽象出本质原理，不能从特殊归纳到一般，也不能将所学的知识和理论从一般演绎到特殊.学生在知识内化迁移和运用知识解决问题时会遇到困难.因此，“物理+”[2]的基本理念是将物理学科知识融入其他学科中，用物理来解释其他学科知识.为抽象的物理理论找到具体表现，易于理解的实例.进行融合教学，[3]符合现代教育观念，具有重要意义.

中学地理中，存在许多涉及物理知识的地理现象，如“风向的偏转”“河岸的冲刷”“大气的环流”等.在高中地理部分，教师往往用“运动的物体受地转偏向力作用，北右南左（北半球向运动方向的右侧偏，南半球向运动方向的左侧偏）”这样一句话，以定论的形式让学生记住这个推论.这个时候，大部分学生会产生疑问“什么是地转偏向力？为什么会产生地转偏向力？它对物体会有怎样的影响？”诸如此类的疑问.这类问题涉及到物理学中的“科里奥利力”.[4]“科里奥利力”对运动物体的影响在日常生活中是比较常见的，其推导也并不复杂，但很多高中物理教材并未涉及此部分知识，只有在部分竞赛辅导书中，才略有涉及.大部分学生对这部分知识缺乏深入的理解，[5]只知道结论，并不能理解其中的物理原理，在解决地理学科有关地转偏向力的问题时，这种只记结论的方式，很难让学生真正掌握与应用知识.

1 “地转偏向力”的解释

在人教版的地理教材中，教材中仅仅提及“由于地球自转，地球表面的物体运动时，其运动方向发生一定的偏转：在北半球向右偏转；在南半球向左偏转；在赤道上没有偏转.”[6]让学生们记住“地转偏向力”但没有解释形成的原因.学生难以理解产生这个力的原因，只是通过死记硬背的方式应付考试.

下面以人教版地理学科选择性必修1教材中的一个思考题为例，来研究“地转偏向力”.

例题.崇明岛是我国的第三大岛，也是世界上最大的河口冲击岛屿.如图1所示，它位于长江入海口，三面环江，一面临海.全岛面积达1200km2，东西长76km，南北宽13-18km，形似“春蚕”.岛上地势平坦，西北部和中部稍高，西南部和东部略低.崇明岛是如何形成的？人类活动对崇明岛有什么影响？岛屿的未来又会是什么样子呢？

图1 崇明岛示意图

长江携带着大量泥沙，自西向东流动（图1中自左向右流动），在崇明岛西侧分为北侧和南侧两股支流.根据地理教材中介绍“地球上运动的物体会受到一个地转偏向力”，下面来研究这个力是什么？为什么会产生这个力？这个力有什么样的作用效果？

2 建立模型，推导演算

长江是由无数水滴组成，直接研究长江水的整体较复杂，可以选取一个极小的运动的水滴进行研究.首先，地球是一个永不停歇地自转的球体.站在极点上方的高空往下看，地球就像是一个旋转的大转盘.为了方便思考，可以把模型简化为一个旋转的圆盘.[7，8]长江中的一滴极小的水滴在转动的地球上流动，小到可以把这滴水近似看作一个运动的小球.这样，这个问题就从研究一滴水在地球上的运动变成了一个小球在转动圆盘上的运动（图2）.小球在圆盘上的运动大致可以分为3种情况：① 径向运动；②切向运动；③与径向成一定角度运动.不难发现，我们可以先讨论第①②两种情况，第③种情况只要将速度分解到切向和径向便可得到结论.下面展开讨论.

图2 转盘初始位置

2.1 研究小球沿径向运动

此时，可以将其等效为这样的模型：半径为R的圆盘与水平面平行，在盘上A点瞄准C点，将质量为m的小球以速度v0射出，经过t秒后小球经过B点.当圆盘绕通过盘中心O的竖直轴以角速度ω匀速旋转，仍然在盘上A点瞄准C点将小球以速度v0射出，t秒后小球运动到何处（不考虑空气阻力及重力影响且射出小球不影响圆盘的角速度）.

圆盘上的A点和B点的线速度为vA=ωrOA，vB=ωrOB，因为rOA＜rOB，所以vA＜vB.小球从A点开始运动，经过t秒后小球并不能运动到B′处，只能运动到弧BB′上的一点D处（图3）.若以圆盘为参考系来观察小球的运动状况，不难发现，小球在做垂直于半径且向右的运动.根据牛顿第一定律“力是改变物体运动的原因”，小球本来想做的是径向上的匀速直线运动，但是现在它的运动状态被改变了，变成了一个曲线运动，所以可以认为，小球受到了一个力，这个力称为“科里奥利力”.下面对这个力进行研究.

图3 t秒后转盘位置

圆盘转动t秒后，半径OC转动到OC′位置处，小球运动到D处，（如图4）画出B′点和D点处的速度.对速度进行分解.

图4 B′和D点处速度分解示意图

2.2 研究小球沿切向运动

可以构建这样的一个简单的圆周运动模型：在与水平面平行的圆盘上有一根轻质绳束缚住一个小球，使其绕圆心做圆周运动，小球质量为m，可视为质点.绳长l匀速运动速率为v1，小球质量为m，如图5所示.[9]

图5 小球运动示意图

图6 小球运动示意图

为了便于计算，取沿半径方向指向圆心为正，设科里奥利力为FC.易得小球所受的拉力恒定为

方向指向圆心.

此种情况与（2.2.2）仅在（11）式存在不同，结论与（2.2）一致.

证明过程与（2.2.2）一致，所得结论为FC=2mω2v1″，方向为垂直于运动方向向左.

综上所述，在旋转圆盘上做圆周运动的物体，受到科里奥利力FC=2mω2v1″，圆盘顺时针旋转时，FC垂直于运动方向向右；圆盘逆时针旋转时，FC垂直于运动方向向右.

2.3 研究小球沿任意方向运动

2.4 研究小球在地球上运动

现在将圆盘推广到地球上，如图7，在纬度为θ处，速度为v运动的物体，其速度投影到平面圆上为v′=vsinθ，其受到的地转偏向力大小为F=2mωvsinθ.地球是逆时针旋转的，所以在北极点高空观测地球，地球在做逆时针转动，北半球运动的物体受到一个垂直于运动方向向右的地转偏向力；在南极点的高空观测，地球是顺时针旋转的，所以在南半球运动的物体受到一个垂直于运动方向向左的地转偏向力.而在赤道上的物体纬度为0，其所受地转偏向力就等于0.这就可以解释地转偏向力“北右南左”.

图7 地球示意图

在上面分析中得到了地球上运动的小水滴会受到一个“地转偏向力”，在北半球，这个力的方向垂直于物体运动方向向右.如果有无穷多这样的小水滴汇聚成长江，会受到一个向右偏的“地转偏向力”在图1中表现为：江水会向南岸偏.导致了南岸水流比北岸水流快，泥沙不易堆积；北岸水流慢，泥沙易堆积.很多年后，崇明岛北岸将会和启东的河岸连接起来.

3 其他应用

研究了河流运动中的“地转偏向力”，知道了“科里奥利力”之后，可以举一反三，用“地转偏向力”来解释一系列问题，如：季风带中风向的偏转——从高压向低压，北半球向右偏，南半球向左偏（图8）；[10]能够便于学生理解南北半球的气旋与反气旋的旋转方向——从高压向低压，北半球向右偏，南半球向左偏.

图8 季风带示意图

4 总结

运用“物理+”的思维，将物理学科和地理学科融合，运用物理的学科知识对地理中所涉及到的地转偏向力，进行简单的推导，解释了其产生的原因，不仅锻炼了学生的逻辑思维能力，还按照新课标的要求，培养了学生“学物理，用物理”的意识.更重要的是，在高中阶段就体现出学科融合的趋势，让学生融会贯通地理解学习知识.通过运用已有物理知识对“地转偏向力”进行解释，帮助学生把“北右南左”的定性问题，精确到能够具体求所受的地转偏向力大小的定量问题.在这过程中，不仅加深了对地理部分“地转偏向力”知识的认识和理解，也加强了对所运用物理知识的理解和掌握，提升学生的综合素养.