感受地球的自转难点.doc

感受地球的自转研究性学习与学科整合课案贵州省平坝县红湖学校（561104）付盛华摘要研究性学习课程作为一个独具特色的课程领域，自2000年首次成为我国基础教育课程体系的有机构成，被公认为我国当前课程改革的一大亮点。本文以感受地球的自转这一课题为载体，再现了研究性学习课程的研究方法、研究过程及研究成果，给予了评价并提出反思。关键词 研究性学习；地球自转的证据、课题的产生伽利略有一句名言：“地球在转。”当时没有人相信地球在转。今天，所有人都相信，地球不仅在围绕太阳公转，还在不停自转，那么，这种自转究竟在地球上留下了什么蛛丝马迹？我们如何找到这些现象并证明地球在不停自转呢？、课题的研究方式与方法研究方式：小组合作方式研究方法：文献研究法、课题的研究成果1、地球自转的力学分析由于自转影响，地球严格上说是一个非惯性参照系。而考虑地球绕地轴自转时，可以认为它的角速度是沿着地轴的一个恒矢量，对该类的空间转动参照系，要加上惯性力后，牛顿第二定律成立。方程形式为：图一其中，为物体在空间转动参照系中的加速度，为物体所受的合外力，为地球自转的角速度矢量，指物体相对于非惯性参照系的速度。其中，、就是物体在地球这一非惯性参照系中的两项惯性力。就是我们熟知的惯性离心力，其方向自转动圆心沿半径向外，而叫做科里奥利力，是由于参照系的转动及质点对此转动参照系的相对运动所引起的。方向垂直于和所决定的平面，并按右手螺旋法则及负号决定。如图一所示。（注：有关科里奥利力的知识在此不展开叙述，读者可参看相关力学教程。）由此可见，地球的自转至少会从三方面产生影响：一是由于自转导致地球上的观察者观察到的相对运动现象；二是由于惯性离心力的作用而产生的影响；三是由于科里奥利力的作用而产生的影响。2、地球在不停自转的证据2.1、由于自转而观察到的相对运动现象2.1.1昼夜交替反映了地球在不停自转因为地球不停地绕地轴自西向东旋转（地轴是一根假想轴，它连接南级和北极，并总是指向北极星），自转时总是有半个球面向着太阳，太阳光把它照得很亮，这就是白昼；另外半个球面背着太阳，没有阳光，大地一片黑暗，那就是黑夜。随着地球不停地自转，太阳光在地球上的照射点也不断地由东向西移动，昼半球和夜半球互相交替，白天和黑夜也在互相变化。地球自转一周需要24小时，我们叫它一天。毛泽东诗词中 “坐地日行八万里，巡天遥看一千河”便反映了人跟随地球在不停自转。同样，在不同纬度的地方所观察到的太阳视运动不同，以及在某些地方出现的极昼或极夜现象，均说明了地球的自转。2.1.2地球同步卫星的定位反映了地球在不停自转首先，地球同步卫星能定位于赤道上空某一确定高度。这说明地球同步卫星一定在绕地心做圆周运动；同时，地球同步卫星能与轨道上某一点保持相对静止。这说明地球也在不停自转，地球自转角速度等于地球同步卫星做圆周运动的角速度。2.2、惯性离心力的作用而产生的影响2.2.1重力与重力加速度的区别反映了地球在不停自转同一质量的物体，在地球上不同的纬度的地方，其重力不同。在地球的两极，物体的重力最大，在赤道上，物体的重力最小。这是因为重力等于地球对物体的万有引力的一个分力。而地球上的物体都跟随地球绕地轴做圆周运动，在两极处圆周运动半径为零，重力和该处万有引力相等；在赤道上圆周运动半径最大，重力等于该处万有引力与向心力的差值。根据测量，两极处重力加速度为9.83m/s2,赤道上的重力加速度为9.78m/s2。同样，当摆钟从某一纬度移到另一纬度时，走时会出现误差也是由于重力加速度不同的原因。2.2.2海洋潮汐现象反映了地球在不停自转B惯性离心力万有引力A惯性离心力万有引力图三地球海面月球太阳新月大潮图二AB在月球和太阳引力作用下，海水按时涨上来，落下去，落下去，又涨上来，天天如此，海洋水面发生这种周期性涨落的现象就是海洋潮汐。地球大多数地方每天都有两次高潮和两次低潮，时间间隔为12小时25分钟。在月球和太阳的影响下，海面被拉成与鸡蛋一样的椭球形状（如图二）。值得注意的是，无论是A部分还是B部分的海面均被拉起。拉起的原因如图三所示。在A点，由于惯性离心力与万有引力方向相同，将海面拉起；在B点，虽然惯性离心力与万有引力方向相反，由合力方向仍然沿惯性离心力的方向，亦将海面拉起，从而形成了图二所示的椭球形状。由此可见，如果地球不是在不停自转，就不可能每天出现两次高潮和低潮了。同样，地球是赤道凸起，两极扁平的椭球体，形状像个桔子这一事实正是由于地球自转的影响而形成的。早在十七世纪牛顿通过仔细研究了地球的自转便得出了这一结论。2.3、科里奥利力的作用而产生的影响2.3.1河流两岸陡峭程度不同反映了地球在不停自转人们发现，沿着水流的方向，在北半球，河流的右岸往往比左岸陡峭。这是地球自转的一个实证。由于水流与转动的地球有相对运动，水流将受到科里奥利力的作用（也称为地转偏向力），在北半球，科里奥利力的水平分量总是指向运动的右侧。河水日夜奔流，经过成千上万年，这种水流对左右岸冲刷作用的差异就会显现出来的。 而在南半球，科里奥利力的水平分量总是指向运动的左侧，河流的左岸比右岸陡峭。2.3.2水流的旋涡反映了地球在不停自转美国麻省理工学院谢皮罗教授，每天洗完澡拔掉浴缸的塞子放水时，都发现排水的旋涡总是按逆时针方向旋转。这就是著名的谢皮罗现象。谢皮罗经过认真研究，1962年，他发表论文，认为放水时旋涡旋转方向与地球自转有关。由于地球自西向东旋转，而美国位于北半球，所以旋涡按逆时针方向旋转。他还推论出，在南半球放洗浴水时的旋涡是顺时针方向旋转的，在赤道则不会形成旋涡。这一论断已被各国科学家在各地用实验所证实。不仅如此。自然界里有许多缠绕植物，像牵牛花，菟丝子及一些藤类植物，它们在生长过程中常常沿着竹竿或树枝之类盘旋而上。令人称奇的是它们盘旋的方向常常也是固定的。如果人为地把它反过来，也不能改变它们继续按原来的方向盘旋而上。根据文献介绍，植物这种固有的盘旋方向是由它们的基因来决定的。在植物的发源地科里奥利力的方向影响了植物的盘旋方向。经过千百万年的繁衍，这种特性在遗传基因中被固定了下来，甚至后来把它移植到另一地方也很难改变。经查阅植物学文献和野外观察，一些植物盘旋的方向和其发源地与谢皮罗现象是吻合的。2.3.3傅科摆试验证明了地球在不停自转法国人让傅科（J.B.L. Foucault,1819-1868）于1851年在巴黎国葬院（法兰西共和国的先贤祠）的大厅里进行一项有趣的实验。傅科在大厅的穹顶上悬挂了一条67米长的绳索，绳索的下面是一个重达28千克的摆锤。摆锤的下方是巨大的沙盘。每当摆锤经过沙盘上方的时候，摆锤上的指针就会在沙盘上面留下运动的轨迹。按照日常生活的经验，这个硕大无朋的摆应该在沙盘上面画出唯一一条轨迹。但人们惊奇的发现，傅科设置的摆每经过一个周期的震荡，在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹（准确地说，在这个直径6米的沙盘边缘，两个轨迹之间相差大约3毫米，如图所示）。这一实验直接证明了地球的自转。我们假定将傅科摆置于北极。从惯性系观察，摆锤仅受两个力，即地球引力与绳的拉力，这两个力均在摆平面内，它们引起的加速度也在摆平面内，因此摆平面在惯性系中是不动的,但由于地球的自转，摆平面相对于地球沿相反方向转动。在地球这个非惯性系中研究摆的运动，摆球将受到科里奥利力的作用，这个力与相垂直，导致摆平面沿与地球自转相反的方向缓缓转动。北极的观测到傅科摆旋转一周的时间是A（A=24h），而在其它纬度，相和不垂直，摆旋转一周的时间要更长。理论证明，在任意纬度上，傅科摆旋转一周所需的时间是A/sin。对于巴黎，这个数字是31.8小时，对于北京，这个数字是37.25小时，而在赤道，由于相和平行，科里奥利力为零，摆不发生偏转。2.3.4由于科里奥利力的作用而产生的影响还有很多，如质点从距地面有限高度自由下落，其落地位置偏东；质点以一定速度竖直上抛，其落地位置偏西；从地面附近向赤道附近推进的空气流（即贸易风），由于受到科里奥利力的作用，会发生偏转，如北半球地面附近自北向南的气流，有朝西的偏向，即成为东北贸易风相信随着科学的不断进步，人们将发现更多由于地球自转而留下的蛛丝马迹。、课题评价与反思课题评价：这是对高一学生提出的一个研究性学习课题，课题知识主要属于物理学科，同时涉及到的学科是地理与生物。课题立意较新，有一定高度和难度。课题采用小组合作的研究方式和文献研究法的研究方法，旨在培养学生搜集、分析、处理资料的能力，培养自主学习的习惯，体会团队合作的作用。课题反思：课题未能涉及培养学生动手能力的内容，设计或制作证明地球自转的实验或反映地球自转所产生的影响的模型可作为课题进一步研究的方向。同时，在文献研究过程中，发现以下这个实验：“在一只装满水的圆缸上，放一张硬纸做的大卡片地，卡片上开有一道缝，在水静止不动时将木屑撒到这道缝上，于是有一些