巧用物理學(xué)相關(guān)知識，助力高中地理教學(xué)

曹元

摘 要：文章基于提高學(xué)生理性思維能力和科學(xué)素養(yǎng)，利用物理學(xué)的相關(guān)概念、定律，對“地球運(yùn)動及其地理意義”中疑難問題進(jìn)行解釋、演繹和剖析。

關(guān)鍵詞：科際聯(lián)系；物理概念；物理規(guī)律；地球運(yùn)動

高中自然地理部分知識和物理知識交叉的地方較多， “地球運(yùn)動及其地理意義”章節(jié)中涉及不少物理概念，對高中地理教師的科學(xué)素養(yǎng)提出更高要求。地理教師不但要能講清本學(xué)科知識，而且應(yīng)借助物理學(xué)相關(guān)理論解釋地理事象，增強(qiáng)地理課堂的魅力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生觸類旁通，增強(qiáng)認(rèn)知水平，最終使知識在更高層次、更大尺度上得到有機(jī)整合。

一、利用物理實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入新課

導(dǎo)入“地球自轉(zhuǎn)”的方法多種多樣，為了提升學(xué)生體驗(yàn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)意識，筆者常利用校天文館傅科擺的演示說明地球在圍繞地軸旋轉(zhuǎn)。1543年，波蘭天體物理學(xué)家哥白尼在《天體運(yùn)行論》一書中首先完整地提出了地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的概念。此后，大量的觀測和實(shí)驗(yàn)都證明了地球自西向東自轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞太陽公轉(zhuǎn)。法國物理學(xué)家萊昂·傅科（1819—1868）在1851年的一天，在法國巴黎萬神廟圓屋頂?shù)闹醒雽⑺H手制作的傅科擺吊上去進(jìn)行擺球?qū)嶒?yàn)。他用一根長67米的鋼絲，重約28千克、直徑約30厘米的大鐵球制成一個(gè)“超級擺”，后人稱之為“傅科擺”。在傅科擺下面放有直徑6米的沙盤并畫上刻度，讓擺擺動起來。隨著時(shí)間的推移，大約每小時(shí)傅科擺的擺面要沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)11°20′。這個(gè)物理實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生直觀地見證了地球在時(shí)刻不停地圍繞地軸自西向東自轉(zhuǎn)。

二、運(yùn)用物理量描述圓周運(yùn)動

角速度和線速度是高中物理描述圓周運(yùn)動的兩個(gè)基本物理量。角速度的大小描述了物體與圓心連線掃過角度的快慢；線速度的大小描述了做圓周運(yùn)動的物體通過弧長的快慢。地球自轉(zhuǎn)一周，除南北極點(diǎn)外，各地都在一個(gè)恒星日內(nèi)繞地軸轉(zhuǎn)過2π弧度，所以地球自轉(zhuǎn)的角速度除南北兩極點(diǎn)外，其他地點(diǎn)都相同，大約每小時(shí)轉(zhuǎn)動■弧度。在圓周運(yùn)動中，通過物理推導(dǎo)，得出線速度的大小等于角速度大小與半徑的乘積，即v=ωr。在直角三角形OBO′（圖1）中，由r=R·cos φ、v=ωr，得v=ωr·R·cos φ。地球自轉(zhuǎn)角速度ω除南北兩個(gè)極點(diǎn)外都相等。由于cos φ在緯度區(qū)間[0°， 90°）上為單調(diào)減函數(shù)，所以地球自轉(zhuǎn)的線速度由赤道向兩極遞減，南北緯60°處線速度（v=ω×R×cos 60°）為赤道的1/2。

三、運(yùn)用離心慣性力解釋地球形狀

地球圍繞地軸勻速轉(zhuǎn)動，此時(shí)將地球視作非慣性參考系。不同緯度的地球各地均受到一種離心方向的慣性力，物理學(xué)上稱為離心慣性力。根據(jù)離心慣性力的物理表達(dá)式，不同緯度的地球各地，沿緯線圈做圓周運(yùn)動的半徑r不同，離心慣性力的大小不等（圖2）。離心慣性力與旋轉(zhuǎn)半徑r呈正比，赤道處自轉(zhuǎn)半徑r最大，受到的離心慣性力最大，其他各地所受離心慣性力由赤道向兩極遞減，這就導(dǎo)致地球由赤道向兩極離心膨脹程度不一樣，經(jīng)過漫長的時(shí)間，地球成為目前兩極略扁、赤道略鼓的橢球體。

四、 開普勒第一定律與地球公轉(zhuǎn)軌道

德國天體物理學(xué)家開普勒（1571—1630）用了20年時(shí)間研究了丹麥天文學(xué)家第谷·布拉赫（1546—1601）的行星觀測記錄，發(fā)現(xiàn)如果假設(shè)行星的繞日運(yùn)動是勻速圓周運(yùn)動，計(jì)算所得的數(shù)據(jù)與第谷·布拉赫的觀測數(shù)據(jù)不符；只有假設(shè)行星繞日運(yùn)動的軌道不是正圓，而是橢圓，才能解釋這種差別。開普勒分別于1609和1619年發(fā)表了開普勒行星運(yùn)動三大定律。開普勒第一定律：所有行星繞太陽運(yùn)動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。地球是太陽系八大行星之一，其公轉(zhuǎn)遵循開普勒第一定律，即地球公轉(zhuǎn)軌道為接近正圓的橢圓（圖3）。

五、開普勒第二定律與地球公轉(zhuǎn)速度

由于太陽位于地球公轉(zhuǎn)橢圓軌道其中一個(gè)焦點(diǎn)上，隨著地球公轉(zhuǎn)，日地距離不斷變化。每年1月初，地球離太陽最近，公轉(zhuǎn)的角速度和線速度都較快；7月初位于遠(yuǎn)日點(diǎn)附近，公轉(zhuǎn)速度較慢。在課堂教學(xué)中，相當(dāng)一部分地理教師不分析其中原因，對近、遠(yuǎn)日點(diǎn)地球公轉(zhuǎn)速度的差異不做解釋或不會解釋。早在400多年前，開普勒在其行星運(yùn)動第二定律中指出：對任意一個(gè)行星來說，它與太陽的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積（圖4）。行星繞日公轉(zhuǎn)從t1到t2與t3至t4所用時(shí)間相等，掃過的面積S1=S2。由于行星的軌道不是圓，行星與太陽的距離就在不斷變化。第二定律告訴我們，當(dāng)它離太陽比較近的時(shí)候，運(yùn)行的速度比較快，而離太陽較遠(yuǎn)時(shí)速度較慢。

五、開普勒第三定律與地球公轉(zhuǎn)周期

此外，開普勒在1619年提出了第三定律——所有行星橢圓軌道半長軸的三次方與其公轉(zhuǎn)周期二次方的比值相等。其物理表達(dá)式為，比值是一個(gè)對所有行星都相同的常量。由開普勒第三定律可得八大行星距太陽越遠(yuǎn)，公轉(zhuǎn)周期越長（表1）。例如，類地行星繞日公轉(zhuǎn)的橢圓軌道中，地球的半長軸介于金星與火星之間，所以，地球公轉(zhuǎn)周期1年比金星224.7天長，比火星1.9年短。

六、萬有引力定律與地球繞日公轉(zhuǎn)的原因

地理課堂教學(xué)中，有的學(xué)生會思考行星繞日公轉(zhuǎn)的動力，這就涉及到眾行星與太陽間的引力。開普勒行星運(yùn)動三大定律發(fā)現(xiàn)之后，人們開始更深入地思考：是什么原因使行星繞太陽運(yùn)動？意大利伽利略、德國開普勒以及法國數(shù)學(xué)家笛卡爾都提出過自己的解釋。艾薩克·牛頓時(shí)代的科學(xué)家，如胡克、哈雷等對這一問題的認(rèn)識更進(jìn)一步。胡克等人認(rèn)為，行星繞太陽運(yùn)動是因?yàn)槭艿搅颂枌λ囊?。牛頓對此進(jìn)行了深入思考，并于1687年在其傳世之作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出萬有引力定律，科學(xué)地闡述了地球繞日公轉(zhuǎn)的原因。

參考文獻(xiàn)：

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