地球自转产生的科里奥利效应aaaaaaa

1、地球自转产生的科里奥利效应姓 名：王德光单 位：弥勒县第一中学完成时间：2011年 11月 11 日地球自转产生的科里奥利效应摘要：地球自转产生科里奥利效应，科里奥利力在北半球，使运动物体向原来 运动方向之右偏转；在南半球则相反，使运动物体向原来运动方向之左偏转。 科里奥利效应对在地球上运动的物体、气流和洋流的运动方向产生很大的影 响，例如：贸易风、飓风和龙卷风的形成；天气预报节目中的为卫星云图；水 流的漩涡；轨道的磨损和河岸的冲刷；傅科摆摆动平面的旋转等现象。 STS 教 育重视科学知识在社会生产和生活中的应用，强调基本理论的实践性和社会 性，地球自转产生的科里奥利效应跟我们实际生活联系进紧

2、密，可以作为高中 STS教育的校本教材在物理和地理教学中使用，以开拓学生的视野。 关键字： 科里奥利效应；贸易风；漩涡；磨损；冲刷新课程改革的核心理念是改变学生的学习方式 ，培养学生终身探究的乐趣， 提升学生的科学素养；现代科学方法教育的重要内容是提高学生的科学素养， 引导学生会用整体的、综合的观点分析问题，培养创新能力； STS 教育体现出 了现代理科教育的综合化趋势和科学精神与人文精神的统一， STS 教育的跨学 科、综合性、实践性以及科学与人文的融合，有利于培养学生综合应用知识分 析问题习惯和能力。 STS 教育重视科学知识在社会生产和生活中的应用，强调 基本理论的实践性和社会性， 让学

3、生在研究现实问题的过程中学会运用物理知 识、物理思想和物理方法解决日常生活经常遇到的问题，让学生在生活中触摸 到物理知识，感受到物理知识的魅力，让学生在获得系统的物理知识的同时，加强了与学生生活、现代科学技术和社会发展的联系。所以，教师要适时地从 技术应用的角度展示物理学，体现物理学的应用性和实践性，发展学生的好奇 心与求知欲，发展学生探索的兴趣，提升学生的创新意识和创新能力，发展学 生探索自然、理解自然的兴趣与热情。因此，因为地球自转产生的科里奥利效 应跟我们实际生活相联系， 可以作为高中 STS 教育的校本教材在物理和地理教 学中使用，以开拓学生的视野，拓展学生的知识面。一、 地球自转的特

4、征1、 地球自转具有确定的方向、周期和速度。地球自转的方向是自西向 东转，如果在北极上空俯看，其转动方向是逆时针，而在南极上空俯看，其转 动方向是顺时针。 地球自转 360是一个恒星日， 所需时间是 23时 56分，人们 在生活中实际应用的周期是太阳日，一个太阳日所需时间是 24 时 0 分，实际 地球自转 36059，太阳日之所以不同于恒星日是由于参考点不同， 太阳日是 地球相对于太阳的自转周期。 地球自转的角速度除南北两极外在全球都是一致 的，是每小时 15或每分钟 15或每秒 15，地球自转的角速度不是一成不变 的，因潮水和地球固体表层的相对移动，其间摩擦力要阻碍地球的转动而导致 地球自

5、转速度的减小，所以地球自转有长期变慢的趋势。据研究，在 6 亿多年 前，地球上一年大约有 424 天；在 4 亿前，一年有 400天； 2.8 亿年前，一年 有 390 天，而现在，地球上一年只约有 365 天了。2、地球自转所引起的惯性离心力是地球形状成为一个扁球体的原因之一。 地球自转最显著的是表现出天体的周日运动和地转偏向力的作用。 天体的周日 运动是地球自转的反映，每天可以看到天体东升西落的现象，有规律地重复出 现。太阳的周日运动是地球上表现最为明显的，太阳每天从东方地平线升起， 直达天空最高位置， 然后转向西方逐渐落入地平线下， 导致地球上的昼夜交替， 也使地表各种自然过程具有昼夜节

6、奏， 使地表热量平衡， 有利于生物正常生存。 二、 科里奥利效应1、科里奥利效应在旋转体系中做直线运动的物体由于惯性相对于旋 转体系产生的运动方向偏移的现象叫科里奥利效应， 产生科里奥利效应的虚拟 的惯性力叫科里奥利力。但科里奥利力实际上是不存在的，他是由于人处在转 动系中时所若认为的匀速直线运动与惯性系中的匀速直线运动不同所产生的 惯性力。科里奥利力来源于地球的自转，这是指地球上运动着的物体因地球自 转而产生的使运动方向偏离的惯性力，对于水平运动尤为明显。科里奥利力的 方向跟物体运动方向相垂直，在北半球它指向物体运动方向的右方，使物体向 原来运动方向之右偏转；在南半球则相反，使物体向原来运动

7、方向之左偏转。 科里奥利力的大小跟物体运动的速度和所在纬度有关， 而物体静止时或位于赤 道，则不受科里奥利力的作用。科里奥利力对在地球上运动的物体、气流和洋 流的运动方向产生很大的影响。2、我们用在匀速转动参考系中运动的物体来说明这种惯性力。例：如图 1 所示，设在以角速度 沿逆时针方向转动的水平圆盘上，沿 同一半径坐着两个儿童，童 A 靠外，童 B 靠内，二者离转轴 O 的距离分别为 rA和rB。童 A以相对于圆盘的速度 u沿半径方向向童 B抛出一球。（ 1）在惯性系（地面）上观察到的情形，如图 1（a）所示。如果圆盘是 静止的，则经过一时间 t （rArB） u后，球会到达童 B。但圆盘在

8、转动，故 球离开童 A 的手时，除了径向速度外 u，还具有切向速度 utA ，而童 B 的切 向速度为 utB。由于 utAutB，所以当经过时间 t 后，球并不到达童 B，而是到达童 B 转动的前方某点 B/图1（2）在非惯性系（转动圆盘）上观察，即在圆盘上的那两个儿童看到球 是如何运动的呢？他们是在固定在圆盘上的转动参考系内观察的。 童 B 只看到 童 A 以初速度 u向他抛来一球，但球并不沿直线到达他，而是向球运动的前 方的右侧偏去了如图 1（ b）所示。这一观测结果他认为是球离开童 A 的手后， 在具有径向初速度 u的同时，还具有了垂直于这一方向而向右的加速度a/。用牛顿第二定律解释此

9、加速度产生的原因时， 他认为既然球出手后在水平方向 并没有受到什么“真实力”的作用，那么一定是球受到了一个垂直于速度u而向右的惯性力 FC。这种在转动参考系中观察到的运动物体， 由于转动参考系 中各点的线速度不同而产生加速度的现象叫科里奥利效应， 产生此效应的虚拟 的惯性力叫科里奥利力。（ 3）推导如图 1 所示的情况下科里奥利力的定量公式。在转动参考系内 观察，球从 A 到达 B的时间是 t= （rArB）/ u，在这段时间内球偏离 AB直线 的距离 BB=（uTAutB） t =（rArB） t= u（ t ）2。在 t 很小的 情况下，可以认为沿 BB的运动是匀加速运动而初速度为零，以

10、a表示此加 速度，则有 BB=0.5 a （ t ）2。跟上一结果比较，则有：0.5 a （ t ） 2=u（ t ） 2，可得 a=2 u， 在此转动参考系内形式地应用牛顿第二定律，科里奥利力的大小为： FCma=2mu。所以，在如图 1 所示圆盘沿逆时针方向转动的情况下，此时科里奥利力的 方向指向质点运动的右方，使运动轨迹向顺时针方向偏转。用同样的分析方法 可以得出，如果圆盘沿顺时针方向转动，则上述科里奥利力的方向指向质点运 动的左方，使运动轨迹向逆时针方向偏转三 、实际生活中的科里奥利效应因地球在自转，所以地面参考系是一个转动参考系，也就是一个非惯性参 考系。因地球自转角速度太慢，所引起

11、的科里奥利效应也十分微弱，要观察到 微弱的科里奥利效应，需要在一个长时间和大尺度空间中观察，但是，我们在 日常生活中还是能看到科里奥利效应。1、在大尺度空间下观察的科里奥利效应地球上的贸易风、飓风和龙 卷风（1）在地球上，热带部分的空气，因热上升，并在高空向南北推进；而 两极附近的空气，则因冷下降，并在地面附近向赤道附近推进，形成了一种对 流，故称贸易风，但由于受到科里奥利力的作用，南北向的气流，却发生了东 西向偏转。如果气流自南北方向推进，则所受科里奥利力的方向沿东西方向， 所以北半球地面附近自北向南的气流，有朝西的偏向，成为东北贸易风；在南 半球地面附近自南向北的气流，有朝西的偏向，而成为

12、东南贸易风。而大气上 层的反贸易风，在北半球为西南贸易风，在南半球则为西北贸易风。（2）、我们在天气预报节目的卫星云图中看到的逆时针气旋。强热带风暴 是在热带低气压中心附近形成的，当外面的高气压空气向低气压中心挤进时， 由于科里奥利效应，气流的方向将偏向气流速度的右方，因而形成了从高空望 去是沿逆时针方向的漩涡， 所以在夏季的天气预报节目中的卫星云图中常出现 这种漩涡式的强热带风暴图景（如图 2 所示）。例如夏秋季节，我国东南沿海 经常出现的台风，就是这种热带气旋强烈发展形成的，如果这种科里奥利效应 更加集中就会形成飓风和龙卷风。而在南半球，因科里奥利效应产生的强热带 风暴漩涡是沿顺时针方向旋

13、转的漩涡。2、在大尺度空间下观察的科里奥利效应木星表面的漩涡气流木星表面笼罩着一厚层彩色大气， 这大气也因为各处压强的不同而产生强 烈的对流。 由于木星的高速自转 （周期约 10h），这气流受科里奥利力的作用也 产生漩涡。如图 3所示，是探测器旅行者 2号在 2106km之外拍摄的木星表面 漩涡的照片。 大的黑色漩涡实际上是红色的， 叫大红斑，其长度可达 40000km， 足以吞下几个地球。由于中心是高压而又是在木星的南半球，所以漩涡是逆时 针方向的。在它的下面还有许多较小的白色卵形斑，也都是科里奥利力效应产生的漩涡。3、水流的科里奥利力效应漩涡。美国科学家谢皮洛曾注意到浴盆内的水泄出时产生的

14、漩涡， 当底部中心有 孔的大盆中的水泄出时，可在孔的上方看到反时针方向的漩涡。在澳大利亚同 样的实验，则看到顺时针方向的漩涡。所以，我国地处北半球，我们看到水流 的漩涡一般是逆时针方向旋转的漩涡。4、在长时间观察下的科里奥利效应轨道的磨损和河岸的冲刷（1）在北半球，物体自北向南运动，科里利力则指向西方，这种长年 累月的作用， 使得北半球河流右岸的冲刷甚于左岸， 因而此较陡峭。 例如:我国 沿晋陕两省边界向南流的黄河两岸，一般西岸显得陡峭一些，这是千万年长时 间积累的科里奥利效应的作用结果。（2） 地处于北半球的双轨单行铁路，火车在行驶中受到科里奥利力作 用，右轨所受到的压力大于左轨，因而右轨磨

15、损较甚。但单轨双行的铁路，左 右轨磨损相差不多。在南半球的情况和此相反，河流左岸冲刷较甚，而双轨单 线铁路的左轨磨损较甚。- 8 -3）、北半球上傅科摆的摆动平面的旋转现象傅科在 1851 年首先发现的。 他当时在巴黎的一个大厅悬挂了一个摆长为 67m，摆球直径约为 30厘米，重 28 的铁球，振动周期为 16 秒，椭圆旋转的 周期为 32小时的摆。该摆在摆动时， 其摆动平面沿顺时针方向每小时转过 11 15的角度（如图 5 所示）。这个转动就是科里奥利效应的结果，它显示了地 球的自转。而在南半球，傅科摆的振动面将沿逆时针方向转动。北京天文馆也 悬挂着一个这样的佛科摆， 摆长 10m，其摆动平面每小时沿顺时针方向转过 9 40。5、自由落体的科里奥