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巧用物理学相关知识,助力高中地理教学——以“地球运动及其地理意义”为例

作者:www.jiaoshilw.com 更新时间:2018/10/15 10:04:39

高中自然地理部分知识和物理知识交叉的地方较多,“地球运动及其地理意义”章节中涉及不少物理概念,对高中地理教师的科学素养提出更高要求。地理教师不但要能讲清本学科知识,而且应借助物理学相关理论解释地理事象,增强地理课堂的魅力,提高学生学习兴趣,使学生触类旁通,增强认知水平,最终使知识在更高层次、更大尺度上得到有机整合。

 

 

一、利用物理实验导入新课

 

 

导入“地球自转”的方法多种多样,为了提升学生体验,增强实验意识,笔者常利用校天文馆傅科摆的演示说明地球在围绕地轴旋转。1543年,波兰天体物理学家哥白尼在《天体运行论》一书中首先完整地提出了地球自转和公转的概念。此后,大量的观测和实验都证明了地球自西向东自转,同时围绕太阳公转。法国物理学家莱昂·傅科(1819—1868)在1851年的一天,在法国巴黎万神庙圆屋顶的中央将他亲手制作的傅科摆吊上去进行摆球实验。他用一根长67米的钢丝,重约28千克、直径约30厘米的大铁球制成一个“超级摆”,后人称之为“傅科摆”。在傅科摆下面放有直径6米的沙盘并画上刻度,让摆摆动起来。随着时间的推移,大约每小时傅科摆的摆面要沿顺时针方向旋转11°20′。这个物理实验让学生直观地见证了地球在时刻不停地围绕地轴自西向东自转。

 

 

二、运用物理量描述圆周运动

 

 

角速度和线速度是高中物理描述圆周运动的两个基本物理量。角速度的大小描述了物体与圆心连线扫过角度的快慢;线速度的大小描述了做圆周运动的物体通过弧长的快慢。地球自转一周,除南北极点外,各地都在一个恒星日内绕地轴转过2π弧度,所以地球自转的角速度除南北两极点外,其他地点都相同,大约每小时转动弧度。在圆周运动中,通过物理推导,得出线速度的大小等于角速度大小与半径的乘积,即v=ωr。在直角三角形OBO′(图1)中,由r=R·cosφ、v=ωr,得v=ωr·R·cosφ。地球自转角速度ω除南北两个极点外都相等。由于cosφ在纬度区间[0°,90°)上为单调减函数,所以地球自转的线速度由赤道向两极递减,南北纬60°处线速度(v=ω×R×cos60°)为赤道的1/2。

 

 

 

 

三、运用离心惯性力解释地球形状

 

 

地球围绕地轴匀速转动,此时将地球视作非惯性参考系。不同纬度的地球各地均受到一种离心方向的惯性力,物理学上称为离心惯性力。根据离心惯性力的物理表达式,不同纬度的地球各地,沿纬线圈做圆周运动的半径r不同,离心惯性力的大小不等(图2)。离心惯性力与旋转半径r呈正比,赤道处自转半径r最大,受到的离心惯性力最大,其他各地所受离心惯性力由赤道向两极递减,这就导致地球由赤道向两极离心膨胀程度不一样,经过漫长的时间,地球成为目前两极略扁、赤道略鼓的椭球体。

 

 

 

 

四、开普勒第一定律与地球公转轨道

 

 

德国天体物理学家开普勒(1571—1630)用了20年时间研究了丹麦天文学家第谷·布拉赫(1546—1601)的行星观测记录,发现如果假设行星的绕日运动是匀速圆周运动,计算所得的数据与第谷·布拉赫的观测数据不符;只有假设行星绕日运动的轨道不是正圆,而是椭圆,才能解释这种差别。开普勒分别于1609和1619年发表了开普勒行星运动三大定律。开普勒第一定律:所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上。地球是太阳系八大行星之一,其公转遵循开普勒第一定律,即地球公转轨道为接近正圆的椭圆(图3)。

 

 

 

 

五、开普勒第二定律与地球公转速度

 

 

由于太阳位于地球公转椭圆轨道其中一个焦点上,随着地球公转,日地距离不断变化。每年1月初,地球离太阳最近,公转的角速度和线速度都较快;7月初位于远日点附近,公转速度较慢。在课堂教学中,相当一部分地理教师不分析其中原因,对近、远日点地球公转速度的差异不做解释或不会解释。早在400多年前,开普勒在其行星运动第二定律中指出:对任意一个行星来说,它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积(图4)。行星绕日公转从t1到t2与t3至t4所用时间相等,扫过的面积S1=S2。由于行星的轨道不是圆,行星与太阳的距离就在不断变化。第二定律告诉我们,当它离太阳比较近的时候,运行的速度比较快,而离太阳较远时速度较慢。

 

 

五、开普勒第三定律与地球公转周期

 

 

此外,开普勒在1619年提出了第三定律——所有行星椭圆轨道半长轴的三次方与其公转周期二次方的比值相等。其物理表达式为,比值是一个对所有行星都相同的常量。由开普勒第三定律可得八大行星距太阳越远,公转周期越长(表1)。例如,类地行星绕日公转的椭圆轨道中,地球的半长轴介于金星与火星之间,所以,地球公转周期1年比金星224.7天长,比火星1.9年短。

 

 

 

 

 

 

六、万有引力定律与地球绕日公转的原因

 

 

地理课堂教学中,有的学生会思考行星绕日公转的动力,这就涉及到众行星与太阳间的引力。开普勒行星运动三大定律发现之后,人们开始更深入地思考:是什么原因使行星绕太阳运动?意大利伽利略、德国开普勒以及法国数学家笛卡尔都提出过自己的解释。艾萨克·牛顿时代的科学家,如胡克、哈雷等对这一问题的认识更进一步。胡克等人认为,行星绕太阳运动是因为受到了太阳对它的引力。牛顿对此进行了深入思考,并于1687年在其传世之作《自然哲学的数学原理》中提出万有引力定律,科学地阐述了地球绕日公转的原因。▲

 

 

参考文献:

 

 

[1]中华人民共和国教育部.普通高中地理课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018.