地理中的物理 物理中的地理.pdf

一 一 物理 学 致甩 一一 一 一 二 一 一 一 一 一 一 地理中的物理物理中的地理 口 华瑞芬华冰 随着素质教育的不断深入 对同学们综 合运用所学知识解决实际问题的要求也越来 越高 这主要体现在学科间知识的综合 下 面举例说明地理知识在求解物理问题中的应 用 希望能够引起同学们的注意 一 地磁场 问题 大家都知道 地球是一个大磁体 地磁南 极 S 极 在地理北极附近 地磁北极 N极 在地理南极附近 地磁南 北极的连线与地轴 之间有一个夹角 叫做地磁偏角 是由我国北 宋时期的科学家沈括最先发现的 比西方国 家早了四百多年 由于在磁体的外部 磁感 线是从北极出来到磁体的南极去 所以悬挂 在地球表面上的小磁针静止时 总是N极指 北 S极指南 菠 寺 例1 已知在 北半球 地磁场 的竖 直分量向下 某飞机在我国上空匀速巡航 机翼保持水平 飞行 高度不变 由于地磁场 的作用使金属机翼上有电势差 设飞行员左 方机翼末端的电势为E 右方机翼末端 的电 势为E 2 则 A 若飞机从西往 东飞 E 1 比 高 B 若飞机从 东往 西飞 E 2 比E 高 C 若飞机从 南往北飞 E 比 高 D 若飞机从北往 南飞 E 2 比E 1 高 黟解析 由于北半球地磁场的竖直 分量向下 飞机水平匀速巡航时 机翼在磁场 中的运动相当于金属棒在竖直向下的磁场中 做垂直切割磁感线运动 则根据右手定则可 知 机翼左端的电势将高于右端 应选A C 点评有关地磁场 的问题是在 学 习物理知识过程中经常涉及 的知识点 如电 磁感应 带 电粒子在磁场 中的运动等 如果 同学们能够熟知地磁场的分布特点 这将会 对求解相关问题带来极大的方便 二经纬网问题 沿地理南北方 向过两极点的圆为经线 又称子午线 其中定义本初子午线为零度 经线 以其为参照 向东1 8 0 范围内为东经 向西1 8 0 范围为西经 它们均为半圆 其中 东经 1 8 0 与西经 1 8 0 两经线重合 沿东西方向以地轴上某点为圆心而环绕 地球一周的圆称为纬线 不同纬线的长度不 同 赤道最长 向两极逐渐缩短 到两极点则 缩为一点 不同的纬线度数不同 赤道纬度 为零度 向南 北到极点分别为南纬 北纬 南 北极点分别为南纬9 0 o 北纬9 O 例2 图2 我 国土地辽阔 沿东西方向 分布在 东经7 0 o 到 东经1 3 5 o 的广大范围 内 所 以我国发射的同步通信卫星 一般定点在赤 道上空3 6 x l O k m 东经1 0 0 附近 假设某颗 通信 卫星计划定 点在赤道 上 空东经1 0 4 位 置 经测量得知刚进入轨道时 这颗卫 星位 于 赤道上空3 6 x 1 0 k m 东经 1 0 3 处 为 了把 它 调整到1 0 4 处 可短时间启动卫星上的小型 发动机调整卫星高度以改变其周期 从 而使 其 自动 漂移 到预定经度 然后再短 时间启 一 一 莩芋 譬 鬈 堂 是 簟 一 一 量 j 动发动机调整卫星的高度实现定点 这两次 调整高度 的方向依次应该是 A 向下 向上 B 向上 向下 C 向上 向上 D 向 下 向 下 尚 解析地球同步卫星绕地球运行 的角速度 等于地球 自转的角速度O 1 则由 G m w Zr 可 知 上 式 说 明 增 大 r V 卫星与地球之间的距离r 即卫星升高 时 卫 星的角速度将变小 相同时间内卫星绕地球 自西 向东旋转的弧度将小于地球转 过的弧 度 卫星落后于地球 反之 卫星将超过地球 根据题 目 要求及上述分析可知 卫星应 先降低再升高 应选A 三自转与公转问题 地球每时每刻都在不停地绕着地轴自西 向东 自转 自转周期为2 3 时5 6 分4 秒 通常取 为2 4 b 时 地球上各处 的角速度都相同 两极 点的角速度为零 线速度则各不相 同 赤道 上的线速度最大 向两极线速度逐渐减小 两 极点的线速度则为零 地球在自 转的同时 还会绕太阳自西向 东公转 公转周期为3 6 5 天5 时4 7 4 4 6 秒 通常 取 3 6 5 天 最 例3 如图3 所示 某地球 同步卫 星正下方的地面上有一 观 察者 他用天文望远 镜观察被太 阳光照射 的 这颗卫星 试 问 春分这 天 太阳光直射赤道 在 日落前 1 2 小时内 有 多 图3 长时间该观察者看不见此卫星 已知地球半 径为尺 地球表 面的重 力加速度 为g 地球 自 转周期为 不考虑大气对光的折射 岛 少 解析设所求的时间为t 用m M 分别表示卫星和地球的质量 r 表示卫星到地 心的距离 则根据万有引力定律有 G 一 等 r s i n R 2 一 2 霄 n M 联立以上各式可解得 ia r c s l n 一 l f gl 点评以同步卫星为载体 考查同 学们对天体运动的理解和掌握情况 把天体 运动与其他知识 如能量 结合起来 则是较 为常见的考题 这有利于考查我们综合运用 知识解决问题的能力 四估算问题 例4 带有一个元电荷 质量相同 的灰 尘粒子形成稳定的均匀的云层 求每个 粒子 的质 量 谚解析该题乍一看无处人手 一是 研究对象模糊不清 二是 已知条件不足 为 此我们可在云层中选取两个灰尘粒子作为研 究对象 建立起质点模型 每一个质点受到 另一个质点对它的库仑力为唯 i e 因为 题中有 稳定的云层 由此说明每个质点 受到的合力为零 因为每一对质点之间还存 在着万有引力 I G 即库仑力等于万有 广 引力 据此可求出每个粒子的质量为m一1 9 x 1 0 9 kg 例5 在通常情况下 从地面或海 平面竖直向上 每米增加电势约为1 0 x l 0 V 1 试估算地球表面所带的电量 地球 半径 靴 6 x 1 0 m 2 大气的电导率 电阻率的倒数 可近 似表示为A A 卜尺 其中A 3 1 I T1 m 1 0 5 x 1 0 o Q m 3 据此估算流向大地的电 流 强 多 解析 1 由于地球半径 很大 在地球 表面附近 的场强 可近似看作匀 强 电 场 故有E I O x l O V m 可设地球是一个表 面均匀带负电的球体 则有 尼 则Q E R 1 O x l O 6 x l O k 9 X1 0 9 C 4 x l 0 C 2 在地球表面取一层厚度为d l m的 大气层 为研究对象 其 电阻 a 1 a 0 1 d 则 U UA o4 R 1 0 1 0 3 1 0 1 4 x 3 1 4 x 6 x 1 0 A 1 3 5 6 4 8 A 例6 试估算地球每年的降水量 已知地表的太阳常数 6 3 0 J m2 s 趣 解析太阳光照射到地表水面时 假设全部太阳能都被地球表面的水吸收 使 水蒸发变成水汽 水汽上升到高空后无论如 何流动 终将凝成水滴或雪花落回到地球表 面 因此地球一年的降水量应近似等于一年 内被蒸发的水的总质量 把地球看作一个球体 地球 的半径为 6 4 x l 0 6 m 则地球的表面积为S 4 R 由于 地球表面有近6 0 被水覆盖 同时考虑到任 一 时刻太阳光仅能照到地球表面的一半 则 在一年的时间 内被水吸收的太阳能约为 E 一 4 t r R2 T x6 0 2 由于水的汽化热A 2 5 x 1 0 J k g 为简化 计算 取叮 r 一3 则一 年内被蒸 发的水 的总质 量约为 m E k 2 r r R2 T 6 0 1 2 1 0 k g 物理 学 致用 即地球一年内的降水量约为1 2 0 0 万亿 吨 或1 2 0 0 万亿立方米 例7 试估算春分 日的时候 北回 归线上某地正午的太阳辐射能量是夏至 日同 一 时间的多少倍 鹣 解析由于春分 日时太阳直射赤 道 对北回归线则是倾斜的 如图4 所示 由 地理知识知 北回归线纬度为北纬2 3 5 据 此可计算出此时北回归线正午 的太 阳高度角 为0 9 0 一 2 3 5 6 6 5 夏至 日时北回归线上 的正午太阳则是当顶直射 太阳光的直射与 斜射可用图5 表示 图中的一束光照对 面 虚线部分 是直射 对a C 面则是斜射 显然0 6 面的面积Js 小于a c 面的面积 图4 图5 设这束光在单位时间内辐射的能量为