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1、 鬻 撂 蠢掌 2 0 1 0 年 第 1 7 期 地 理 纵 横 科里奥利效应、费雷尔法则 和中学地理教育 上海市浦东教育发展研究院 ( 2 0 0 1 3 5) 李功爱 地转偏向力或称科里奥利力 ( C o r i o l i s f o r c e )，又 简称科氏力，在我国高中地理教学标准中有所要求 ，在 高中地理教材中有所描述，是高中地理教学中有关地球 运动、大气运动、海水运动的基础知识，在高中地理教 学中是一个难点。 如果从字面上来理解科里奥利力 ，以下解释应该 是权 威而且通俗 的 ： “ 在古典力学 中 ，视 为一种惯性 力，1 8 3 5 年由G 一 G 科里奥利 ( 1 7
2、 9 2 1 8 4 3) 首先提 出。科里奥利认为 ：如果物体所遵循的牛顿运动定律要 应用在旋转参考系统的话，某种惯性力应包括在力学方 程式之内。这种惯性力 ，在参考系统反时针旋转时 ，施 于运动物体方向的右方 ；顺时针旋转时 ，则施于左方。 在地球上，物体由南向北或纵向运动，其可见偏斜，在 北半球朝 右，在南半球朝左 。总结来说 ，科里奥利偏 斜，与物体运动、地球运动以及纬度都有关系。科里奥 利效应对弹道学以及气象学和海洋学都很重要 ；对天体 物理学也有极大意义。” ( 不列颠简明百科全书中 文版8 7 0 页，中国大百科全书出版社2 0 0 5 年9 月第一版 ) 如果以转动的地球为参考
3、系来分析在地球表面做 水平运动的物体 ( 如大气 、海水 )，把物理学 中的科 里奥利力应用到地理学 中 ( 广义上包括气 象学和海洋 学 )，那么在地球表面做水平运动物体的方向会发生改 变，因为其运动方向由于地球自转产生的科里奥利力而 发生了偏移 ( 始终依地球上的经线作东西方向 、纬线作 南北方向 )。 可以看出 ，我 国学者把科 里奥利力 ( 以转动的地 球为参考系 ) 翻译为地转偏向力是比较准确 、传神的。 一 、地理教学出现 了一些错误应用科里奥利 力、错误解释地理事实、虚构地理规律的现象 在地球上运动的 ( 以地球做旋转参考系 ) 某运动 物体受到的科里奥利力是虚拟 的 ( 虽然也
4、是可 以计算 出其 “ 大小”)。某在地球上运动的 ( 以地球做旋转 参考系 ) 运动物体受到的科里奥利力“ 大小”为：f = 2 my C O s i n 0( 式中m为物体质量 ，v 是水平运动物体相对 于参考系的速度，C O 为地球自转角速度 ，0 为物体所 处 的纬度) 。在单位质量的条件下 ，上式可 以改写为f = 2 v ( 1) s i n 0。因此从上式可以看 出，科里奥利力与水平 运动物体的速度有关 ，与水平运动物体所处的地理纬 度有关，纬度越高 ，科里奥利力越大。如果假设水平 运动物体的速度一定 ，则其在不同纬度地区受到的科里 奥利力由2 C O s i n 0决定，因此2
5、 0 3 s i n 0 又称为 “ 科里奥 利因子” ( 见王峥 、丁金宏 理论地理学概论 第1 5 页 ，科学出版社 ，2 0 0 0 年版 ) 。由于全球 C O 一致，各地 0 不一 ，所 以科里奥利力正比于s i n 0 。由于极点s i n 0 等于 l，赤道s i n 0 等于 0，所 以有了极点科里奥利力 最大 、赤道科里奥利力最小的结论 ，即同质量 、同速度 作水平运动的物体其方 向在极点偏转最甚 、赤道偏转为 零。用科里奥利力来解释地理现象是有限制的，适合于 大尺度 、大范围、长时间的地理现象 ( 如下垫面相对均 段玉山副教授在 日本等国课 改反思的基础 上 ，站 在国际的
6、视野，提 出课程改革中 “ 差异化”理念 ，认为 课程改革要充分考虑学科特点，人文学科与数理学科差 异很大 ，地理科文理特性差异显著 ，人文地理 、自然地 理处理方法要考虑差异性 ，反对大一统的理念，反对知 识虚无主义 ，反对地理教学泛化。 林培英教授认为要考虑不 同教学方法对学科 内容 的适用性如何 ，以地理学科起点建立地理教学论体系， 可以考虑逐步形成地理课程与教学论分论，从而探究更 具针对性的教学方法如 自然 、人文、区域、技术地理的 独特的教学方法。 夏志芳教授认为，高师地理课程与教学论的研究 6 要扎根于基础教育地理教学的土壤 ，直面基础教育课程 改革中地理学科所遇到的问题 ，并在其
7、参会论文 中，对 地理教学 目标的撰写这一中学教师普遍困惑而又容易被 忽视的问题 挂 行了阐述 。 闭幕式上，全国高师地理课程与教学论专业委员 会主任夏志芳教授对本次会议进行了总结，对东北师范 大学校领导的高度重视，城市与环境科学学院院长袁孝 亭教授为首的团队的精心组织、周密的安排 ，以及与会 领导、专家与教师对本次会议的大力配合表示感谢。大 会还组织参观了长春第一汽车制造厂 、东北师范大学城 市与环境科学学院等。与会代表认为大会安排紧凑 ，信 息量大 ， 对教学 、研究工作有重大的促进作用。 地理纵横 2 0 1 0年 第 1 7期 一 的大气层、海洋、外层空间)；地转偏向现象不是运 动着的
8、大气、水流本身产生的而是地球 自转产生的；科 里奥利力只能使在地球上做水平运动的物体改变它 的 “ 方向”而不能改变它的速度大小。 但是在高中地理教材和高中地理教学中却对科里 奥利力 ( 地转偏向力 )出现了一些错误解释 、错误应 用。 一 种是混淆了参考系，将观测者错误地置于 “ 地 球”之外 。比如有的教材设计了学生用笔在旋转的纸上 画直线的活动 ，企图用笔在旋转盘上的轨迹来说明水平 运动的偏向。不用说学生难以完成此活动，实际上学生 不在 “ 圆盘”上观察笔的轨迹，也就离开了地球这转 动参考系。虽然表面看来笔迹因纸面旋转方向而不同似 乎和南北半球地转偏向规律相同，但笔的轨迹实际是直 线运动
9、和旋转运动的复合，并不是科里奥利力的影响。 一 种是混淆了科里奥利力和惯性离心力 ，将离心 现象当作地转偏向。比如有的考题用旋转雨伞上的雨滴 沿伞面旋转下滑的现象来表示地转偏向现象 ，而这种现 象其实是雨滴在地球重力和雨伞旋转产生的离心力的共 同作用下的运动轨迹。 一 种是错误地将科里奥利力应用到河流 曲流的发 育中，夸大了科里奥利力对河岸和河床形态的影响。有 的高中地理教科书上称北半球的河流右岸由于科里奥利 力的影响容易受冲刷形成港口，网上甚至有人还归纳 出了所谓的 “ 自然地理中著名的柏而定律” (“ 北半球 河流右岸比较陡峭、南半球河流左岸比较陡峭” )。且 不说科里奥利力对地理现象的解
10、释适合于大尺度、大范 围、长时间的地理现象 ( 河流是线状的水体 、有相对短 暂的发育和径流周期 ，显然不是大尺度、大范围 、 长时 间的地理现象 )，仅就南北半球河流的实际状况而言 ， 有这种所谓的 “ 北半球河流右岸壁较陡峭、南半球河流 左岸比较陡峭”的规律吗? 就拿我国最大的河流长江 来说 ，统计上存在这种所谓 “ 规律 ”吗? 答案显然是 否定的。因为河流流经地区河床的岩层 、岩性不是 “ 均 一 ”的 ，河流水流的速度 ( 大小和方向 ) 不是稳定的 ， 实际的陆地地表更不是均一的 “ 理想大陆”。所以不能 用科里奥利力来解释河流弯曲、河道迁移、河床形状 ( 应该指出，国内外地理教材
11、都有把科里奥利力错误应 用于河流河道、河床发育的现象 )。至于大河的入海口 地 区，如果入海 水流比较平稳 ( 季 节变化 、年际变化 小 )、三角洲比较松软平坦 ，可能有科里奥利力存在 ； 但是考虑河口地区同时受到潮汐的影响，涨潮水与河K I 径流的方向相反，如果涨潮水也受到科里奥利力影响， 其方向应与河E l 入海径流所受到的科里奥利力方向相反 7 垒篁 从而两者有互相消减现象 ；同时由于不少河 口地区是人 类活动强烈的地区，尤其是近百年河 口水利工程建设形 成了大大小小的人工设施 ( 如导堤 、驳岸、丁字堤 、人 工航道 、人工港等 )，人为改变或者固定了河口水流方 向， 使得人们无法观
12、测到长时间条件下的科里奥利力对 河口的影响。有的高中地理教材引用了遥感拍摄的黄河 河 口新形成的某条沙堤形状来 “ 说明”科里奥利力对河 道 、地貌的影响 ，如果对照一下该河 口地区历史时期和 最新的遥感照片 ，实地调查一下 ，就可 以看 出这种 “ 说 明”是错误的。有的高中地理教材称地转偏向力 ( 科里 奥利力 ) 对 “ 地貌”产生了 “ 重大影响”，这种断言也 是错误的。 另一种是企图用不能 说明科里奥利力的 “ 实验” 来模拟或者观察科里奥利力。一些地理教师设计些小 “ 实验”试图说明、观察科里奥利力的存在或者地转偏 向力的存在，如雨伞实验、马桶实验、水池实验等， 实际上这些小实验是
13、不可能观察到科里奥利力的 。这种 “ 实验”或者原理错误 、或者条件不足 ，而且地球环境 如此复杂怎么可能简单 “ 模拟 ”呢? 网络上有一些用 小球在光滑的旋转圆盘上做直线运动的动画来表示科里 奥利效应 ，虽然注明了其圆盘的中心是极点 ， 观察者在 极点 ，圆盘面是以极点为中心的地平面。但是对 电脑前 的观看者来说，该动画演示的结果是小球越远离极点 ， 偏离现象越是明显，与科里奥利因子2 I ) s i n 0 不符合。 而且应该强调 ，这个演示的真正观察者是在极点而不是 电脑前的观看者 ，这个演示也只是一个 “ 动画”而不是 一 个 “ 实验”。 在课堂中还出现了一些善意的 “ 谎言”。比
14、如， 我们 中国人 家里的抽水马桶的水流是向右旋转流下去 的；我们北半球人家里的水池是逆时针流下去的；赤道 南北两侧的浴缸里的漩涡方向是相反的 ( 据说这个谎言 出于旅游经济的善意 )，等等。其实 ，实验证明这是善 意的“ 谎言” ，理论计算这是不可能的 “ 结果 ”，事 实证明这是 “ 莫须有”。 二、科里奥利效应和费雷尔法则 科 里奥利力是一个 理论力学 问题 ，它是通过理论 计算得 出而不是通过实验得 出的；科里奥 利力是 “ 虚 拟 ”的力 ( p s e u d o f o r c e ，f a l s e f o r c e ) 而不是 “ 真实” 的力 ，是看上去似乎存在的 “
15、视力”而不是确实存在 的“ 动力” ；科里奥利力是以旋转物体为 ( 如转动的 地球 ) 参照系的非惯性系中的 “ 惯性力”而不是适合牛 顿运动定律中的 “ 向心力”的反作用力 “ 离心力”。因 此为了避免陷入在物理学上推导、验证科里奥利力的谜 豳 一 垒熏 2 0 1 0 年 第 1 7 期 地 理 纵 横 团，通常又把 由于科里奥利力产生的水平运动物体的偏 向现象称为科里奥利效应 ( 前述 不列颠简明百科全 书关于科里奥利力的解释也有此词 ) 。 将科里奥利力应用到地理学 中并归纳出 “ 地转 偏向规律”的是美国人威廉 费雷尔。威廉 费雷尔 ( Wi l l i a m F e r r e
16、1 ) 生于1 8 1 7 年逝于1 8 9 1 年 ，主要研究气象 和海洋 ，其在气象学历史上是鼎鼎大名的人物。在气象 学上， 费雷尔把科里奥利力应用到大气圈研究中， 提出 了著名的 “ 中纬环流”模型，费雷尔的中纬环流和哈德 莱的低纬环流 、极地环流构成了地球大气 “ 三圈环流” 的基本模型。由于那时的气象学、海洋学均属于自然地 理学 ，因此他也应该是 自然地理学的名人 。威廉 费雷 尔研究了科里奥N1 8 3 5 年提出的科里奥利力，1 8 5 8 年发 表了费雷尔法则：如果一个物体在地球表面运动 ，不论 其方向如何 ，总有由地球 自转产生的偏向力，使得它在 北半球偏向于右，在南半球偏向于左。费雷尔法则简单 明了 ，是对科里奥利力产生的地转偏 向现象的扼要 归 纳，使得当时技术条件下无法观测的大尺度 、长时间的 全球大气 、洋流的运动及其分布有了推论的依据。由于 有了费雷尔法则 ，才有中文的译称 “ 地转偏向力”。 在 M J M o n
