巧借初中物理 妙釋高中地理

田國全

（武漢市鋼都中學(xué), 湖北 武漢 430081）

巧借初中物理 妙釋高中地理

田國全

（武漢市鋼都中學(xué), 湖北 武漢 430081）

地理是一門兼具文理學(xué)科特點的綜合學(xué)科，學(xué)生甫一跨入高中階段即面臨難度相對較高的自然地理內(nèi)容的學(xué)習(xí)，難免會因?qū)ψ匀坏乩硪恍└拍睢⒁?guī)律的不理解而出現(xiàn)認(rèn)識障礙，從而影響到后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，繼而對地理學(xué)科產(chǎn)生畏難情緒。如果此時教師能夠借用學(xué)生初中階段比較熟悉的其他學(xué)科的知識作鋪墊、作銜接、作類比，無疑會大大降低學(xué)生學(xué)習(xí)地理的難度，提高對地理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。

地球自轉(zhuǎn)的方向自西向東，這是很多學(xué)生的常識性認(rèn)識，但為什么由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的晨昏線的移動方向卻是自東向西的？初中物理知識告訴我們，判斷一個物體是否運動必須選擇合適的參照物，并且被指定的參照物應(yīng)該假定它是靜止的，在沒指明參照物的情況下，一般以地面作為參照物。這就像一名摩托車手，在旁人看來他是前進(jìn)的，但在他自己看來，分明是大地以相同的速度向后退去（見圖1），這就是選取不同物體作為參照物的結(jié)果。由于晨昏線是太陽照射在地球上形成的晝夜半球的分界線，以太陽為參照物它是靜止的，地球是自西向東運動的(自轉(zhuǎn))，但人們通常習(xí)慣以地面為參照物，所以我們只能認(rèn)為地球是靜止的，而晨昏線則是相對地球表面自東向西運動的，并且晨昏線自東向西移動的速度也與地球自轉(zhuǎn)的速度相等，即每小時15°（見圖2）。

圖1 以地面為參照物車是前進(jìn)的，以車為參照物地面是以相同的速度后退的

圖2 以太陽為參照物地球自西向東自轉(zhuǎn)，以地面為參照物晨昏線是自東向西移動的

一架飛機自西向東飛行，機上乘客會感到白晝時間比平時短，自東向西飛行則會感到白晝時間比平時長，很多學(xué)生對此現(xiàn)象難以理解，甚至一些老師也解釋不清。其實這種現(xiàn)象可以用初中物理中運動速度的疊加來解釋，就像顧客乘扶手電梯上樓一樣，如果人的行走方向與電梯的前進(jìn)方向一致，上樓的總速度就等于電梯前進(jìn)的速度與人行走速度的總和（見圖3）。類似地，地球自西向東自轉(zhuǎn)，地球表面的人無論乘何種交通工具向東移動，其總速度都等于地球自轉(zhuǎn)的速度與人移動速度的總和，相當(dāng)于“加快”了地球自轉(zhuǎn)的速度，所以感到白晝時間變短了（見圖4）。反之，自東向西前進(jìn)，相當(dāng)于“減慢”了地球自轉(zhuǎn)速度，當(dāng)然會感到白晝時間延長了。

圖3 人在前行的扶梯上行走，會感到前進(jìn)速度變快了

圖4 飛機向東飛，人會感覺自轉(zhuǎn)速度“加快”了

地球繞日公轉(zhuǎn)的速度是在不斷變化的，近日點公轉(zhuǎn)速度最快，遠(yuǎn)日點公轉(zhuǎn)速度最慢，其中的道理雖然可以用開普勒定律來解釋，但學(xué)生不易理解、難以記憶。其實這里的規(guī)律完全可以用初中學(xué)過的機械能守恒原理來理解和記憶，圖5中滾擺與地球是相互吸引的兩個物體，在二者相距最近時（滾擺的最低點）動能最大、勢能最小、運動速度最快，相距最遠(yuǎn)時（滾擺的最高點）勢能最大、動能最小、運動速度最慢，同理我們可以得出地球公轉(zhuǎn)時近日點速度最快、遠(yuǎn)日點速度最慢（見圖6）。

圖5 滾擺在“近地點”運動速度最快，“遠(yuǎn)地點”運動速度最慢

圖6 近日點地球的公轉(zhuǎn)速度最快、遠(yuǎn)日點地球的公轉(zhuǎn)速度最慢

熱力環(huán)流的形成過程中，為什么同一地點高空的氣壓肯定比近地面要低，為什么近地面較熱的地區(qū)會形成低壓區(qū)、較冷的地區(qū)則會形成高壓區(qū)？此處同樣令很多學(xué)生感到困惑。如果同學(xué)們回憶一下初中物理中學(xué)過的液體壓強的計算公式：P=ρg h就可知道其中的原因了：在液體密度相等的情況下，深度越大壓強就越大，在深度相同的情況下液體密度越大壓強也越大?？諝馀c液體一樣同屬于流體，其壓強產(chǎn)生的原理和影響因素非常類似，如圖7的類比就可以幫助我們理解為什么海拔高的地區(qū)大氣壓較低。

圖7 在流體密度相同的情況下深度不同受到的壓強也不同

空氣具有熱脹冷縮的性質(zhì)，由ρ= m / V得知空氣受熱后體積膨脹密度會變小，空氣遇冷收縮時密度會變大，再根據(jù)P=ρg h，當(dāng)海拔相同時空氣密度越小則大氣壓也就越小，空氣密度越大則大氣壓也越大（見圖8）。這就是近地面熱區(qū)形成低氣壓、冷區(qū)形成高氣壓的原因。

圖8 同一海拔，大氣密度越小大氣壓就越小，大氣密度越大大氣壓就越大

我們在說東亞的季風(fēng)氣候時，通常說其是由于“海陸熱力性質(zhì)的差異”形成的。對學(xué)生來說這個概念太籠統(tǒng)，不利于舉一反三地去思考、解決問題，與其這樣說，還不如直接告訴學(xué)生所謂的“海陸熱力性質(zhì)”就是他們初中物理學(xué)過的“比熱容”。學(xué)生已經(jīng)知道自然界中水是比熱容最大的物質(zhì)，吸收相同的熱量水的溫度升高得最少、放出相同的熱量水的溫度降低得也最少（見圖9）。夏季同樣是吸收熱量，比熱容較大的海洋溫度低一些形成冷高壓、比熱容相對較小的陸地溫度高一些形成熱低壓，風(fēng)就從海洋吹向陸地；冬季同樣是放出熱量，比熱容較大的海洋溫度高一些形成熱低壓、比熱容相對較小的陸地溫度低一些形成冷高壓，風(fēng)就從陸地吹向海洋，這就是東亞季風(fēng)氣候的形成原因。利用這一原理還可以解釋海陸風(fēng)的形成及風(fēng)向（見圖10）。

圖9 吸收相同的熱量，水的溫度升高得最少

圖10 白天吸熱時時水體溫度較低，夜晚放熱時水體溫度較高

但在學(xué)習(xí)海陸風(fēng)的形成時，很多同學(xué)又對“為什么空氣受熱會上升”有了疑問，甚至有的老師也陷入了“空氣上升是因為空氣密度變小、空氣密度變小是因為空氣上升”的思維怪圈，其實這里如果引入初中物理“物體的浮沉條件”就很好解釋。物理知識告訴我們，當(dāng)ρ物>ρ液時物體下沉，當(dāng)ρ物<ρ液時物體上浮，當(dāng)ρ物=ρ液時物體懸?。ㄒ妶D11），我們以某一團空氣為研究對象，此時這一團空氣相當(dāng)于“物”，周圍其他空氣相當(dāng)于“液”，當(dāng)它受熱時密度減小，所以“上浮”，當(dāng)它遇冷時密度增大所以“下沉”（見圖12）。

圖11 不同密度的物體在同種液體中的浮沉情況

圖12 空氣受熱密度變小“上浮”，空氣遇冷密度變大“下沉”

近地面風(fēng)的形成涉及水平氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力三種力，很多同學(xué)知道摩擦力始終與風(fēng)向相反，它的改變會影響風(fēng)速，但對為什么也會影響風(fēng)向感到困惑，其實這里也可以用初中物理知識來解釋。根據(jù)牛頓第一定律可知，當(dāng)物體受到的合外力為零時將處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)（見圖13）。同理，近地面的風(fēng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時（空氣作勻速直線運動）受到的合外力為零，即水平氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力處于三力平衡狀態(tài)，如果摩擦力大小發(fā)生改變，就會打破這種平衡，由于水平氣壓梯度力的大小和方向不受風(fēng)的影響，要重新建立三力平衡狀態(tài)（使空氣作勻速直線運動），地轉(zhuǎn)偏向力的大小和方向必然會發(fā)生改變，因為地轉(zhuǎn)偏向力始終垂直于風(fēng)向，所以風(fēng)向肯定發(fā)生了變化，又因為摩擦力始終與風(fēng)向相反，所以摩擦力的方向也肯定發(fā)生了變化（見圖14）。掌握這一原理我們也就可以理解為什么海上形成的臺風(fēng)登陸后移動方向一般都會變化的原因了。

圖13 物體受到的合外力為零時，處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)

圖14 近地面風(fēng)穩(wěn)定時水平氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力達(dá)到平衡狀態(tài)

地球上存在生命的條件之一是地球表面70%以上都被液態(tài)水所覆蓋，水是如何平衡地球表面不同地區(qū)、不同季節(jié)的熱量差異的？有的資料在講解“水循環(huán)的意義”時提到了“潛熱輸送”的概念，雖然很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)珶o疑增加了學(xué)生理解的難度，其實“潛熱”就是學(xué)生在初中物理中學(xué)到的“三態(tài)變化中伴隨的熱量變化”，熔化、汽化、升華均是吸熱的過程，凝固、液化、凝華均是放熱過程（見圖15）。夏季海冰融化（熔化過程）吸收一部分熱量使地表不至于過熱，冬季海水結(jié)冰（凝固過程）放出一部分熱量使地表不至于過冷，大大緩解了同一地區(qū)冬夏之間的氣溫差異；水循環(huán)的過程中，液態(tài)水在較熱的地區(qū)蒸發(fā)（汽化過程）吸收熱量，水蒸氣隨大氣環(huán)流到達(dá)較冷的地區(qū)凝結(jié)降水（液化過程）放出熱量，大大緩解了不同地區(qū)之間的氣溫差異（見圖16）。當(dāng)然，空氣和海水也會在較熱的區(qū)域吸熱（熱傳遞）、然后通過全球性的大氣環(huán)流、洋流等形式到達(dá)較冷的區(qū)域后再放熱（熱傳遞），也可以緩解不同地區(qū)之間的氣溫差異。

圖15 物質(zhì)的三態(tài)變化中伴隨著能量變化

圖16 海洋上海水蒸發(fā)吸熱、陸地上水汽凝結(jié)放熱，即可將海洋的熱量帶到陸地上

河流水與湖泊水之間的相互補給，其原理就是初中物理中學(xué)過的“連通器”（見圖17）。受大氣降水的影響，河流水的水位變化比湖泊水大一些，豐水期河流水位高于湖泊水位，河水補給湖泊水；枯水期河流水位低于湖泊水位，湖水補給河水（見圖18）。河流水與地下水之間的相互補給規(guī)律與之類似。

圖17 連通器中各容器的水位最終會保持一致

圖18 枯水期湖水補給河水，豐水期河水補給湖水

除此之外，借用初中物理的光學(xué)知識也可以解釋一些高中地理現(xiàn)象，如地球上形成晝夜半球是因為光的直線傳播，恒星會“眨眼”是因為光在大氣中的折射，晴朗的天空呈蔚藍(lán)色是因為光的散射，陰雨天氣光線比平時暗一些是因為云層反射了太陽光等等，在此不再一一列舉。

總之，教師在備課過程中要了解學(xué)生的知識儲備，特別是其他學(xué)科的知識儲備，站在學(xué)生的角度思考問題，用學(xué)生熟悉的知識和語言解釋地理現(xiàn)象和原理，這樣才能做到學(xué)生學(xué)起來輕松、教師教起來順手，從而收到事半功倍的教學(xué)效果。

（責(zé)任編校：朱楠）