前言

    “三十年河东,三十年河西”是我国民间非常流行的一句谚语,比喻人事的盛衰兴替、变化无常,有时候会向反面转变,难以预料。

    与其它谚语一样,这句谚语也出自先人对生活的观察和提炼,它最开始的出处来自于黄河:从前黄河河道不固定,历史上发生过无数次的改道。某个地方原来在河的东面,若干年后,因黄河水流改道,这个地方会变为在河的西面。同样的,某个地方原来在河的西面,若干年后这个地方会变为在河的东面。

    追寻黄河改道的原因,我们往往会立刻想到黄河的泥沙及其在下游的淤积,黄河河床较高,泥沙淤积严重,在古代的生产力水平下经常泛滥,所以黄河经常改道。实际上,河流河道不固定的因素还有一个,这个因素无时无刻不在影响着我们的生活――这就是地转偏向力。

赤道两侧奇特的自然现象
    探究新知
    地转偏向力的概念及观察
    地球上存在着的一种力,在这种力的作用下,地球上水平运动的物体,无论朝着任何方向运动,都要和直线方向发生偏离,在北半球右偏,在南半球左偏。这种现象是地球自转的效应,也是地球自转的有力证据。这种力是法国科学家科里奥利首先发现的,称为科里奥利力,简称科氏力,也就是地转偏向力。
    这个方向怎么来判断呢?
    许多同学总是从自己站立的位置来判别“左”和“右”,要知道“左”和“右”是一个相对的说法,必需明确是谁的“左”,谁的“右”?当然是相对运动物体原来的方向,换一句话,就是:你的视线与物体运动方向一致。为了方便起见,我们可以采用左右手定向的方法来确定运动物体的偏向:即北半球用右手,南半球用左手,使掌心朝上,四指大拇指自然平展,使四指指向与物体水平运动方向一致,则大拇指的指向即为运动物体的偏向。
    地转偏向力的大小我们可以根据这个公式来获得:f=2mvωsinφ
    其中:f为地转偏向力的大小;m为物体质量;v为物体的水平运动速度分量;ω为地球自转的角速度;φ为物件所处的纬度。
    实际上,地转偏向力和物体受到的其他力比较起来极为渺小,因此不易为人们觉察(作为北半球的居民,你平时走在路上时,有没有感觉到地转偏向力的干扰,使得你不由自主地向右偏呢?)。我们可以通过上面的公式简单计算一下地转偏向力的大小:在纬度30度的地方,质量70千克的某人,速度为10米/秒,这几乎是世界短跑冠军的速度了,算一下他受到的地转偏向力是多大?

    很小是不是?基本上可以忽略不计了!那么现实生活中我们如何直观的观察地转偏向力呢?

    如果没有这样的条件,我们还可以做一个示意性的试验,它直观的展示了地转偏向力的存在:

    (1)准备一个圆盘,把圆盘的中心固定起来,使它能转动,再准备一支笔,一把直尺。

    (2)将圆盘固定,不转动。把直尺放在圆盘的任意位置。然后用铅笔紧靠直尺的边沿在圆盘上划直线。这时候笔尖在圆盘上留下的痕迹AB当然是一条直线。

圆盘不转动

    这说明在不转动的圆盘上,运动着的笔尖完全遵循你手用力的方向前进,没有偏向力来干扰。

    (3)现在以逆时针的方向把圆盘转动起来,而使直尺仍保持原来的位置固定不动,让铅笔尖紧挨着直尺边沿前进,前进的方向,上下左右各个方向都可试一试,这回情况就与静止的圆盘不同了:
圆盘逆时针转动

    当笔尖从直尺边沿的起跑点A跑至B处时,圆盘己转动了一个角度,圆盘上笔尖留下的起跑点A转到了A'的位置,结果笔尖在圆盘上留下的痕迹A'B便不是直线,而是一条不断向右偏转着的曲线。

    如果以顺时针方向来转动圆盘,那么笔尖在圆盘上留下的足迹是一条不断向左偏转的曲线。
    对直尺来说,笔尖的运动始终呈直线状态,因为它始终没有离开直尺的边沿。但是对转动着的圆盘来说,笔尖的运动明明是曲线运动。这就是偏向力在起作用!

    地转偏向力产生的原因

    其实,在我们具备了一定物理知识的情况下,揭示地转偏向力的原理并不难。地转偏向力是地球自转过程中产生的、相对于地球上的观察者而“存在”的一种惯性力。物体静止时,不受地转偏向力的作用,而当物体运动时,由于其本身的惯性作用,总是力图保持其原来的运动方向和运动速度,地转偏向力的方向同物体运动的方向相垂直,并且对物体的运动方向产生一定影响,使之向右或向左偏转。这种物体的运动方向,对地理的经纬线方向确实发生了偏向,是具体可见的;对物体运动的初始方向,却没有发生变向,而是一直按惯性方向或物理方向前进的,因此是不可见的。所以,这种变向是一种视变向,是现象而不是本质。如果你感兴趣可以看看后面的知识拓展部分,也许对你有帮助哦!

    考考你:地转偏向力在地球上不同纬度地区都是一样大小吗?

    在物体运动速度相同的情况下,地转偏向力随纬度的增高而增大。在两极,地转偏向力最大;沿赤道方向运动的物体,其运动轨迹与赤道重合,不发生偏向,即地转偏向力等于零。究其原因,物体产生水平偏向的原因是物体运动的惯性,要保持原来的方向不变。在赤道上,所有的经线或纬线都是平行的,记住,这一点很特殊!这样水平运动的物体保持原来的平行方向不变,其运动方向始终与经线或纬线的夹角保持不变。根据经线或纬线来判断其方向,当然就没有变化了。

    地转偏向力的影响

    地转偏向力虽然很小,但是对大范围流动的气流、河流、洋流等流体的水平运动方向影响很大,具有重要的地理意义,必须加以考虑。不过需要同学们注意的是,地转偏向力不是对所有物体的运动都有同等的重要意义。在讨论某些物体运动时,因为地转偏向力比其他的作用力小得多,可以忽略不计。

    地转偏向力对大气运动的影响

    地转偏向力在大尺度的大气运动中的影响非常显著,风在气压梯度力作用下被推向低气压一侧,但当风一旦起步向前,地转偏向力立刻产生,并把风向拉向右边(指北半球)。风在气压梯度力的持续推动下加快速度,越吹越大,地转偏向力也跟着加大,使劲地拉着风向右偏转。由于地转偏向力的方向与风向时刻保持垂直,于是在拉转风向的同时,地转偏向力本身也不断向右偏转,也就是越来越转到气压梯度力的反方向去。当风向被拉到转到和气压梯度力的方向成90度的角度时,虽然气压梯度力依旧存在,且和先前一样大小,但在风的方向上有效分力已等于零,因而风不再受力的作用加速,而靠着惯性等速前进。这时候地转偏向力也正好转到了气压梯度力的背后,于是风向也不再偏转。在平衡状态下,风向与等压线保持平行。

    地转偏向力对河流的影响
    河流的两岸,由于地转偏向力的作用,北半球河流流向的右岸受到流水的冲刷比左岸要厉害一些,因而右岸往往比左岸要稍陡一些。长时间的结果就是河流的河道发生扭曲、改变。

    其实地转偏向力不仅仅对风和河流产生影响,任何一个环绕地表的远距离运动都会受到它的捉弄。在一战期间,德军用他们引以自豪的射程为113千米的大炮轰击巴黎时,懊恼地发现炮弹总是向右偏离目标。直到那时为止,他们从没担心过地转偏向力的影响,因为他们从来没有这样远距离的开火。

    习题精选
    1.下列四幅图中能够正确反映北半球近地面风向的是()
    2.下图中①地处在北半球的低压区,箭头表示①地的风向,四幅图中风向表示正确的是()
    3.读下图,回答:
    (1)图中①是______压,②是______。
    (2)图中③是______力,④是______力。
    (3)该风向形成图是()
        A.北半球的风向形成图     B.南半球的风向形成图
        C.图中的风向右偏         D.图中的风向左偏
    (4)气压场中的风一旦形成,立刻就受到______力的作用,使风向逐渐偏离气压梯度力的方向,北半球向______偏转,南半球向______偏转。______力只改变风的方向,不能改变风的速度。

参考答案

1.D 
2.A 
3.(1)高 低(2)地转偏向力 气压梯度 风向 (3)BD (4)地转偏向 右 左 地转偏向
    知识拓展 地转偏向力是怎么形成的?  

    由物理学知道,如果质点相对于以匀角速转动的参照系运动,则该质点要受到一种惯性力的作用,该惯性力依赖于相对速度和参照系的转动角速度以及质点的质量,这种惯性力称为科里奥利力。同理,由于地球的自转,当物体相对于地面运动时,对于站在地面上的观察者来说,感到物体运动的方向发生了改变,设想物体受到一力的作用,此力称为地转偏向力,也就是物理学中的科里奥利力。地球除绕太阳作公转外,还不停地绕地轴作逆时针方向的旋转,其地转角速度以Ω表示,它的大小为:
    Ω=7.29×l0-5(弧度/秒)
    Ω的方向是沿着地轴垂直于北极点地平面向上(这里的“日”是指恒星日,一恒星日等于23时56分)。由于地球的自转,使各处的地平面发生转动。就北半球来说,以极地平面为例,由于地球的旋转使极地地平面产生一个绕它的垂直轴作逆时针方向的转动,它的角速度就是地转角速度。若有物体相对于极地地面运动时,站在地面上的观察者会感到物体受到一个平行于地平面的力的作用,这个力称为水平地转偏向力。再以赤道平面为例,在赤道上,与其上任何一点相切的地平面都随着地球的自转而绕着穿过这一点与地轴相平行的一个轴转动。只有水平方向的角速度。地球自转时,赤道地平面的东边一侧“下降”,而西边一侧“上升”。若有物体相对于地平面运动时,地球上的观察者感到向东运动的物体受到向上的力的作用,而向西运动的物体,受到向下的力的作用。所以认为在赤道平面上运动的物体只受到垂直方向力的作用,此力即为垂直地转偏向力。
    在赤道和极地之间的各纬度上,由于地球的自转,使其各处的地平面产生转动。此转动可分解看成一个绕垂直轴的转动(相当于极地平面的情况)和一个绕水平轴的转动(相当于赤道平面的情形)。地转角速度在垂直和水平两个方向均有分量。所以,若物体要同时受到垂直和水平两个方向的作用。因此认为在中间纬度地区运动的物体,既受水平地转偏向力的作用,又受垂直地转偏向力的作用。
    上面从地平面日转动分析了地转偏向力的物理意义。此力是站在转动地球上的观察者感动到的由于地球自转而作用于相对于地球运动的空气质点上的力。