例析物理定律在理解地理重难点中的妙用

河南 李跃进

众所周知，地理是一门综合学科，兼有自然科学和人文科学的客观规律。物理是自然科学的典型学科，物理定律是以经过多年重复实验和观察为基础，并在科学领域内普遍接受的典型结论，这些定律渗透在中学的各个学科中，因此，用物理定律理解地理重难点，可以获得事半功倍的效果。笔者对一些地理重难点内容进行了认真研究，现本文以几个重难点为例，简要介绍几条物理定律在理解地理重难点中的妙用，以当引玉之砖，供读者参考。

一、万有引力定律与天文知识

运用万有引力定律可以帮助我们理解天文知识方面的重难点。第一，理解天体系统的成因。宇宙中的恒星、星云、行星、卫星等各种物质通称为天体，这些天体不停地运动，运动的天体相互绕转形成多层次天体系统。天体之间为什么会相互绕转？是由于天体之间存在相互吸引的万有引力，为天体相互绕转提供了向心力。由此可知，万有引力是形成天体系统的根本原因。第二，理解生命存在的条件。地球上之所以有生命存在是因为有适宜的温度、适合生物生存的大气和液态水。其中，适合生物生存的大气是怎样形成的呢？因为地球的体积和质量适中，万有引力适中，可以将大量气体聚集在周围，形成适合生物生存的大气层。若天体的体积和质量过小(如月球)，万有引力过小，则不能将大气聚集在周围；若天体的体积和质量过大(如木星)，万有引力过大，则会将大气紧紧贴在表面。万有引力过大和过小都不能形成适合生物生存的大气层，也就不会有生命存在。由此可知，万有引力与生命存在的条件密切相关。第三，理解海洋潮汐的成因。潮汐是发生在沿海地区的一种自然现象，是海水在日、月引潮力作用下发生的周期性涨落现象。一天中，海水通常发生两次涨落，白天的海水涨落称为潮，夜晚的海水涨落称为汐，二者合称潮汐。那么，形成潮汐的日、月引潮力从哪里来呢？引潮力是万有引力与惯性离心力的合力，其中，万有引力是指月球和太阳与地球上单位质量物体的引力，惯性离心力是指地球因与月球和太阳相互绕转而产生的离心力。由此可知，万有引力是形成海洋潮汐的重要原因。

二、开普勒定律与地球公转

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运用开普勒定律可以帮助我们理解“地球公转”的重难点(见图2)。第一，理解日地距离的变化。由开普勒第一定律可知，地球在公转过程中，日地距离在不断地发生变化。如图2所示，每年1月初地球公转经过近日点A处，日地距离最近(约1.471亿千米)，每年7月初地球公转经过远日点E处，日地距离最远(约1.521亿千米)。第二，理解地球公转速度的变化。由开普勒第二定律可知，地球在公转过程中，公转速度与日地距离呈负相关。如图2所示，每年1月初地球公转经过近日点A处，公转速度最快(线速度30.3千米/秒，角速度61分/天)，每年7月初地球公转经过近日点E处，公转速度最慢(线速度约29.3千米/秒，角速度约57分/天)。第三，理解行星公转周期的变化。由开普勒第三定律可知，行星绕太阳的公转周期与该行星到太阳的距离呈正相关。因此，在太阳系中，距离太阳越远，行星的公转周期越长。

图2 地球公转示意图

三、牛顿第一定律与风的形成

图3 牛顿第一定律实验示意图

运用牛顿第一定律可以帮助我们理解“风的形成”的重难点。第一，理解高空风向的形成(见图4)。在高空，“风的形成”只考虑水平气压梯度力和地转偏向力两个力的作用。最初，大气只受水平气压梯度力作用，风从无到有，风向与等压线垂直；随后，大气产生与风向垂直的地转偏向力，风在北半球向右偏，在南半球向左偏；在水平气压梯度力的作用下，风速逐渐加快，地转偏向力逐渐加大，风的偏向逐渐加剧；直到风向与等压线平行时，水平气压梯度力与地转偏向力成为大小相等、方向相反、作用在同一直线上的平衡力，即作用在大气上的外力为零。由牛顿第一定律可知，此时大气开始保持匀速直线运动状态，高空风向最终与等压线平行。第二，理解近地面风向的形成(见图5)。在近地面，风的形成要考虑水平气压梯度力、地转偏向力和摩擦力三个力的作用。由高空风向的分析可知，风向与等压线平行时，水平气压梯度力与地转偏向力成为平衡力；此时，如果加上摩擦力，三个力要重组成平衡力，风向与等压线一定不平行。当风向与等压线呈一定角度斜交时，水平气压梯度力、地转偏向力和摩擦力重组成平衡力，即作用在大气上的外力为零。结合牛顿第一定律可知，此时大气开始保持匀速直线运动状态，近地面风向最终与等压线斜交。

图4 北半球高空风的形成示意图

图5 北半球近地面风的形成示意图

四、质能互换定律与能量来源

1905年，德国著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在《物体的惯性同它所含的能量有关吗》一文中提出质能互换定律，表述为：物质是质量和能量的统一体，物质的质量和能量可以互相转换，物体贮存的能量等于物体质量与光速平方的乘积。该定律第一表达式为E=mc2，其中，E表示物体贮存的能量，m表示物体的质量，c表示光速；第二表达式为ΔE=Δmc2，其中，ΔE表示物体释放的能量，Δm表示物体亏损的质量，c表示光速。

运用质能互换定律可以帮助我们理解能量来源方面的重难点。第一，理解太阳辐射能的来源。太阳是一个巨大炽热的气体球，源源不断地以电磁波的形式向四周放射能量，称为太阳辐射。太阳辐射能十分巨大，每分钟射向地球的太阳辐射能，相当于燃烧4亿吨烟煤产生的热量，这还只是总太阳辐射能的22亿分之一。那么，这么多的太阳辐射能是从哪里来呢？太阳辐射能来源于核聚变反应(见图6)。太阳内部在高温、高压环境下，1个氘原子核和1个氚原子核经过聚变反应，产生1个氦原子核、1个中子，且原子核出现了质量亏损。由质能互换定律可知，该反应原子核亏损的质量转化成了能量；由公式ΔE=Δmc2计算出，该反应可释放出14兆电子伏特的巨大能量。氢弹的原理就是核聚变。第二，理解地球内部热能的来源。地球内部热能是地壳运动、岩浆活动、变质作用和地震等内力作用的主要能源。研究发现，从地表到地心温度从10℃左右一直上升到4 500℃。其中，岩石圈下界温度在1 000℃以上，地幔与地核界面温度约3 700℃，地核的外核与内核界面温度约4 300℃，地心温度约4 500℃。那么，这么多的地球内部热能是从哪里来呢？地球内部热能主要来源于核裂变反应(见图7)。以U-235为例，一个中子轰击一个U-235核经过裂变反应，产生1个Cs-140、1个Rb-92、两个中子，且原子核出现了质量亏损。由质能互换定律可知，该反应原子核亏损的质量转化成了能量；由公式ΔE=Δmc2计算出，该反应可释放出200兆电子伏特的巨大能量。原子弹的原理就是核裂变。

图6 核聚变示意图

图7 核裂变示意图

五、能量守恒定律与能量转化和转移

19世纪40年代，德国著名物理学家迈尔和亥姆霍兹、英国著名物理学家焦耳等人从不同侧面各自独立发现了能量守恒定律(见图8)。该定律表述为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总量保持不变。该定律第一表达式为E1=E2，其中，E1为转化前各种形式(或各个物体)能量的总和，E2为转化后各种形式(或各个物体)能量的总和；第二表达式为ΔE增=ΔE减，其中，ΔE增为一些形式(或一些物体)能量的增加量，ΔE减为另一些形式(或另一些物体)能量的减少量。

图8 能量转化示意图

运用能量守恒定律可以帮助我们理解能量转化和转移方面的重难点。第一，理解矿物能源的形成(见图9)。能源矿产又称矿物能源，主要包括煤、石油和天然气等。在地质时期，地球上曾经十分温暖湿润，生长着大片森林，生物种类繁多，植物通过光合作用合成有机物，动物有的以植物为食，有的以其他动物为食；植物的枯枝落叶、动物的排泄物以及动植物遗骸，经过搬运作用沉积到海底或湖底，又经过地壳运动被深深掩埋；在高温、高压环境下，这些沉积物发生了一系列复杂的物理、化学变化，最终形成了矿物能源。由能量守恒定律可知，矿物能源的形成，实质就是“太阳能→生物能→化学能”的能量转化和转移过程。第二，理解气温垂直递减率的大小(见图10)。大气对流层气温随高度的增加而递减。其中，干绝热直减率是指干空气或未饱和湿润空气在绝热上升过程中气温随高度增加的递减率，湿绝热直减率是指饱和湿润空气在绝热上升过程中气温随高度增加的递减率。因此，空气的干绝热上升过程无水汽凝结现象，湿绝热上升过程有水汽凝结现象。水汽凝结就是水由气态变为液态，会向四周释放热量，相当于延缓了空气降温。因此，湿绝热直减率小于干绝热直减率。由能量守恒定律可知，空气湿绝热上升过程中的水汽凝结，实质就是“内能→热能”的能量转化和转移过程。

图9 能量形成示意图

图10 能量转移示意图

六、光的传播定律与太阳光照

光的传播定律包括光的直线传播、光的独立传播、光的反射和光的折射四条定律。光的直线传播定律(见图11)表述为：在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。光的反射定律(见图12)表述为：反射光线、入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分居法线两侧，反射角等于入射角。光的折射定律(见图12)表述为：折射光线、入射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分居法线两侧，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比为一常数。

图11 光的直线传播定律示意图

图12 光的反射、折射传播定律示意图

运用光的传播定律可以帮助我们理解太阳光照方面的重难点。第一，理解日食、月食和影子的形成。月球绕着地球转，地球绕着太阳转。由光的直线传播定律可知，当月球位于太阳和地球之间，且三者在一条直线上时，月球挡住了太阳射向地球的光线，月球身后的黑影正好落到地球上，形成了日食，这种现象只出现在朔；当地球位于太阳和月球之间，且三者在一条直线上时，地球挡住了太阳射向月球的光线，地球身后的黑影正好落到月球上，形成了月食，这种现象只出现在望。物体有影子、影长会变化也是这个道理。第二，理解海市蜃楼的形成。海市蜃楼是指平静的海面、河面、湖面、雪原、沙漠、戈壁等地方，偶尔会在空中或地下出现高大楼台、城郭、树木等幻景，这是因为光的折射和全反射而形成的自然现象。在平静的海面，白天海水蒸发需要消耗热量，海水比热容大、增温缓慢，因此低层空气温度低、形成光密介质；相反，高层空气温度高、形成光疏介质。在炎热的沙漠，白天沙土比热容小、增温迅速，沙土传导热量性能极差，因此低层空气温度高、形成光疏介质；相反，高层空气温度低、形成光密介质。物体的反射光线由光密介质射入光疏介质，入射角小于折射角。由光的折射定律可知，随着入射角的增大，折射角也不断增大。当折射角增大到90°时，对应的入射角称为临界角。若入射角大于临界角，折射光线消失，就出现全反射。在光的折射和全反射作用下，平静海面物体反射的光线会形成“Λ”形光路图，人们就看到了飘浮在空中的上蜃景(见图13—甲)；炎热沙漠物体反射的光线会形成“V”形光路图，人们就看到了嵌入地下的下蜃景(见图13—乙)。

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