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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360°59′，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ω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r A和r B。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Δt＝(r A—r B)／u′后，球会到达童B。但圆盘在转动，故球离开童A的手时，除了径向速度外u′，还具有切向速度u tA，而童B的切向速度为u tB。由于u tA>u tB，所以当经过时间Δt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F C。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=(r A—r B)/u′，在这段时间内球偏离AB直线的距离BB′=(u T A－u tB)⊿t′=ω(r A—r B)⊿t′= u′ω（⊿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′ω（⊿t′）2，可得a′=2 u′ω，

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：

F C＝m a′=2m u′ω。

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2×106km 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图 2 图3

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。

图5

（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、自由落体的科里奥利效应——落体偏东

由于科里奥利效应，从高处自由下落的石块并不准确地沿竖直方向下落，而是要偏向东方，不过这一效应很小。例如，从高50m的塔顶自由下落的石块着地时不过偏东5.4mm。所以，以地面参考系来计算洲际弹道导弹和人造地球卫星的轨道时，也要考虑科里奥利效应。

参考文献

[1] 刘力，科学出版社，《新课程理念下的物理教学论》。

[2]张民生，高等教育出版社，《自然科学基础》。

[3]张三慧，清华大学出版社，《大学物理学》。

[4] 周培源，人民教育出版社，《理论力学》。