用物理知識解釋地理現(xiàn)象

陜西省漢陰縣漢陰中學（725100） 胡仕才

中學地理學科是一門綜合性很強的學科，它綜合了自然科學和社會科學等多種知識，著名科學家錢學森稱它是一個“開放的復雜系統(tǒng)”。要搞好中學地理課的教學，教師必須博覽群書，廣泛涉獵多學科的知識。在地理課教學中緊扣教學內(nèi)容，利用學生已有的物理知識來解釋一些地理現(xiàn)象和理解一些自然現(xiàn)象的形成，能培養(yǎng)學生的學習興趣，促進對知識的掌握。

一、極光的成因

極光是常常出現(xiàn)于南北兩極，緯度靠近磁極地區(qū)上空大氣中的彩色發(fā)光現(xiàn)象。從前，愛斯基摩人以為那是鬼神引導死者靈魂上天堂的火炬。極光實際上是從宇宙中飛向地球的帶電粒子轟擊大氣層，使氣體分子發(fā)出的光。高層大氣是由多種氣體組成的，不同元素的氣體受轟擊后所發(fā)出的光的顏色不一樣。例如氧被轟擊后發(fā)出綠光和紅光，氮被轟擊后發(fā)出紫色的光，氬轟擊后發(fā)出藍色的光，因而極光就顯得絢麗多彩，變幻無窮。

為什么只有兩極附近才能看到極光呢？這就和磁場力有關(guān)，如圖1所示。帶電粒子在磁場中運動會受到磁場給它的一個力的作用，物理中把它叫洛侖茲力。它的作用使帶電粒子旋轉(zhuǎn)。在地磁場的作用下，從宇宙射向地球的帶電粒子，大部分就會以螺旋線的方式旋轉(zhuǎn)匯聚到磁場最強的地球兩極附近，如圖2所示。只有大量的帶電粒子才能有足夠的電量激發(fā)大氣發(fā)光。越靠近地磁極，匯集的帶電粒子也越多，極光出現(xiàn)的次數(shù)和規(guī)模當然也越大。

圖1

圖2

二、天空為什么是藍色

這個簡單的問題，回答起來卻并不簡單，需要用到很多物理知識。它是由光的衍射、散射、康普頓效應共同造成的，如圖3所示。在組成太陽光的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等7種光中，紅光波長最長，紫光波長最短。天空中有很多人肉眼看不見的納米級的小微粒，如小水滴、冰晶、灰塵等，太陽光中的很少一部分光，會正好照射在它們的身上。波長較長的紅、橙、黃、綠光，在遇到這些微粒時，可以繞過它們繼續(xù)傳播，大致還是沿原方向前進，這就是光的衍射。因為這些光的前進方向和大多數(shù)沒有遇到阻礙的白光相同，而它們的數(shù)量又太少，這就像往大海里撒一把糖，它們的色彩會被由白光組成的大部隊遮蓋住，我們看不出來。而藍光波長剛好能和微粒的直徑相比擬，遇到這些微粒，會從微粒的表面向四面八方發(fā)射，這種現(xiàn)象叫光的散射。每一個微粒就相當是一個散發(fā)藍光的光源，有微粒的地方就有藍光發(fā)出，地球大氣每一立方米平均就有百萬個小的微粒，它們就等同與數(shù)不清的藍星星在眨自己的藍眼睛，于是我們看到天空處處都是藍的。剩下的靛光和紫光，它們的波長更短，在遇到微粒時，一部分會直接被反射回太空，所以從高于大氣層的地方看地球，除了藍色還會在地球邊緣處看到淡紫色；另一部分靛光和紫光會和微粒發(fā)生碰撞，碰撞后的紫光、靛光能量會變低，波長變長，再次蛻變?yōu)樗{光，這種現(xiàn)象叫康普頓效應。這又是天空藍色的另一個重要來源。

圖3

三、風向

地球上哪些區(qū)域愛刮什么方向的風，這是由圓周運動里的離心現(xiàn)象和近心現(xiàn)象造成的。地球上所有的物體都隨地球的自轉(zhuǎn)做圓周運動，也包括地球表層的大氣。做圓周運動的物體所受的力、質(zhì)量、相對轉(zhuǎn)動軸的速度、到圓心的距離（半徑）滿足下面這個公式：。F、m一定時，當v變大時，r也會變大，物體到圓心的距離變大，物體做遠離圓心的運動，這就是離心現(xiàn)象；當v變小時，r也會變小，物體到圓心的距離變小，物體做靠近圓心的運動，這就是近心現(xiàn)象。物體在做離心或近心運動時，以螺旋線的方式行進。例如人造衛(wèi)星，增大它的速度，它將運動到更大半徑的圓上，它做的是離心運動，如圖4所示。

圖4

減小速度可以讓它返回到地球，它做近心運動，如圖5所示。簡單的說，就是速度過大（超過某一個值），做圓周運動的物體會向外運動；速度過?。ㄐ∮谀硞€值），做圓周運動的物體會向內(nèi)運動。弄明白上面的物理知識，我們就可以用它來判斷風向了。

圖5

如果氣壓是西高東低，則由水平氣壓梯度力產(chǎn)生的風向是自西向東的，由于地球自西向東旋轉(zhuǎn)，對地軸來說，風的速度就大于地球自轉(zhuǎn)的速度，風將按照螺旋線遠離圓心做離心運動，如圖6所示，即風向偏向赤道。相反，如果氣壓是東高西低，則風向和地球自轉(zhuǎn)方向相反，相對地軸來說，風的速度就小于地球自轉(zhuǎn)的速度，風將按照螺旋線靠近圓心做近心運動，如圖7所示，即風向偏向兩極。

圖6

四、河岸沖刷

圖7

圖8

圖9

我們知道，在北半球，面向河流的方向，右岸被水流沖刷的很嚴重；而在南半球，面向河流的方向，左岸被水流沖刷的很嚴重，這是為什么呢？其實這也是離心現(xiàn)象和近心現(xiàn)象所造成的。在北半球，如果河流是自西向東流，那么河流的流向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，對地軸而言，河流的速度大小大于地球自轉(zhuǎn)速度，河水將做離心運動，所以對靠近赤道一側(cè)的河道沖刷嚴重。當人面向河流流向時，赤道一側(cè)是人的右手，即河水對河床右岸沖刷嚴重，如圖8所示。如果河流是自東向西流，那么河流的流向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，對地軸而言，河流的水流速度小于地球自轉(zhuǎn)速度。河水將做近心運動，所以對靠近極地一側(cè)的河道沖刷嚴重。當人面向河流流向時，極地一側(cè)是人的右手，即河水對河床左岸沖刷嚴重，如圖9所示。