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中学地理中许多的自然现象,如风的偏向、大气环流、气旋与反气旋、台风、洋流的形成以及河岸冲刷现象,等等,都需应用到地球自转偏向力的知识,中学阶段老师强调偏转方向的记忆,即:北半球水平运动的物体向右偏,南半球水平运动的物体向左偏,赤道上水平运动的物体不发生偏转。但是为什么偏向,是什么力使物体偏向,教材中却没有说明原理,也没有相应的演示实验。因此笔者研制了“地球自转偏向模拟演示卡”以增强学生对地转偏向力的理解。在教学中,演示卡操作简单,实验效果较好。
2 教具装置图
如图1所示。
图1 教具装置图
3 仪器特点及用途
3.1 特点
本教具将中学生难以理解的复杂理论知识,用简单的模拟卡片演示出来,使地球自转偏向这一无论宏观还是微观都无法显示的力得以呈现,使地球自转偏向力的教学更形象、科学、生动和有趣。
3.2 用途
本教具可模拟物体在水平方向运动时以下几种情形的地球自转偏向。
(注:左、右均指物体的移动方向之左、右)
(1)在北半球,水平运动的物体由低纬向高纬运动时,物体运动方向向右偏;
(2)在北半球,水平运动的物体由高纬向低纬运动时,物体运动方向向右偏;
(3)在赤道,水平运动的物体向北运动时,物体运动方向不发生偏向;
(4)在赤道,水平运动的物体向南运动时,物体运动方向不发生偏向;
(5)在南半球,水平运动的物体由低纬向高纬运动时,物体运动方向向左偏;
(6)在南半球,水平运动的物体由高纬向低纬运动时,物体运动方向向左偏。
4 制作材料
小地球仪一个、白色和黑色细线各一段、硬质透明塑料片两片、红色绝缘胶带一小段、胶水一瓶等。
5 制作方法
(1)在小地球仪上,选两条经线(如以165°E和135°W为例),将白色细线分别沿经线用胶水粘贴于小地球仪上至南、北极点。
图2 经纬线的粘贴
在小地球仪上,选两条对称纬线(如以30°N和30°N为例)和赤道,将黑色细线分别沿纬线用胶水粘贴于小地球仪上。
(2)将两片透明硬质塑料片分别制作成如图3所示形状的卡片。
图3 卡片
(3)将红色绝缘胶布剪成两个形状完全一样的箭头。
(4)将卡片1沿虚线对折,把卡片2较长端放入对折处重合,两端用透明胶带绕紧,使卡片2能用手来回抽动。
(5)在卡片1和卡片2竖直处贴上红色向上箭头,二者能重合。
6 使用方法
(1)将卡片2移至最左端,使两箭头重合。 左手将演示卡上箭头与小地球仪上165°E、 30°N的交点贴紧,箭头沿经线指向北极点,表示地面物体水平运动的方向为正北方,如图4所示。用右手慢慢抽出卡片2,红色箭头至135°W 、30°N的交点处停止。红色箭头与135°W产生一个夹角,箭头指向东北方向,表明物体的运动方向发生偏向且向右偏,如图5所示。
结论:在北半球,水平运动的物体由低纬向高纬运动时,物体运动方向向右偏。
图4
图5
(2)左手将演示卡片上箭头与小地球仪上165°E、 30°N的交点贴紧,箭头沿经线指向南极点,表示地面物体水平运动的方向为正南方。用右手慢慢抽出卡片2,红色箭头至135°W 、30°N的交点处停止。红色箭头与135°W产生一个夹角,箭头指向西南方向,表明物体的运动方向发生偏向且向右偏,如图6所示。
结论:在北半球,水平运动的物体由高纬向低纬运动时,物体运动方向向右偏。
图6
(3)左手将演示卡上箭头与小地球仪上165°E、 赤道的交点贴紧,箭头沿经线指向北极点,表示地面物体水平运动的方向为正北方。用右手慢慢抽出卡片2,红色箭头至135°W 、赤道的交点处停止。红色箭头与135°W重合,箭头沿经线指向北极点,表明物体的运动方向不发生偏向,如图7所示。
结论:在赤道,水平运动的物体向北运动时,物体运动方向不发生偏向。
图7
(4)小地球仪放于水平桌面上,左手将演示卡上箭头与小地球仪上165°E、 赤道的交点贴紧,箭头沿经线指向南极点,表示地面物体水平运动的方向为正南方。用右手慢慢抽出卡片2,红色箭头至135°W 、赤道的交点处停止。红色箭头与135°W重合,箭头沿经线指向南极点,表明物体的运动方向不发生偏向,如图8所示。
结论:在赤道,水平运动的物体向南运动时,物体运动方向不发生偏向。
图8
(5)左手将演示卡上箭头与小地球仪上165°E、 30°S的交点贴紧,箭头沿经线指向北极点,表示地面物体水平运动的方向为正北方。用右手慢慢抽出卡片2,红色箭头至135°W 、30°S的交点处停止。红色箭头与135°W产生一个夹角,箭头指向西北方向,表明物体的运动方向发生偏向且向左偏,如图9所示。
结论:在南半球,水平运动的物体由低纬向高纬运动时,物体运动方向向左偏。
图9
(6)左手将演示卡上箭头与小地球仪上165°E、 30°S的交点贴紧,箭头沿经线指向南极点,表示地面物体水平运动的方向为正南方。用右手慢慢抽出卡片2,红色箭头至135°W 、30°S的交点处停止。红色箭头与135°W产生一个夹角,箭头指向东南方向,表明物体的运动方向发生偏向且向左偏,如图10所示。
结论:在南半球,水平运动的物体由低纬向高纬运动时,物体运动方向向左偏。
图10
7 结论
通过以上演示可得出地球表面运动物体偏向的规律。
(1)由使用方法1、2可以得出:在北半球,水平运动的物体因为地球的自转,物体运动方向发生偏向且向右偏;
(2)由使用方法3、4可以得出:在赤道,物体运动方向不发生偏向;
2、将舞台的颜色调整为黑色。
3、找一张地图,导入到舞台后,复制一下图片,两张图片排放如图。
4、接下来把两张图片转换为一个图形元件。
5、画一个圆形,和图片高度一样。
6、选择刚才的图形元件和圆转换为影片剪辑,并把圆分到新的一层里。
7、现在制作地图的移动动画,要制作成循环的效果。最后将圆形转换为遮罩。
8、运行后就可以看到自转的地球了。
9、但是这里太平了,就需要再给这个元件进行处理。画一个同样大小的圆,然后使用径向渐变填充,制作出阴影效果。
解决与地球自转有关的物理问题,除了要熟练掌握匀速圆周运动、万有引力定律及与地球自转的相关知识外,解题的关键是空间想象能力、建模能力,特别是如何把空间问题转化为平面问题来处理的能力。具体问题可根据空间关系分为二类。
1轨道平面与赤道平面平行
地球上的物体、赤道平面上运行的卫星与赤道空间关系如图1所示,从北极上空往下看可转化为平面图如图2所示。
例1(2004年上海)太阳从东边升起,西边落下,是地球上的自然现象,但在某些条件下,在纬度较高地区上空飞行的飞机上,旅客可以看到太阳从西边升起的奇妙现象,这些条件是
A.时间必须是在清晨,飞机正在由东向西飞行,飞机的速度必须较大
B.时间必须是在清晨,飞机正在由西向东飞行,飞机的速度必须较大
C.时间必须是在傍晚,飞机正在由东向西飞行,飞机的速度必须较大
D.时间必须是在傍晚,飞机正在由西向东飞行,飞机的速度不能太大
解析选C。太阳清晨从东边升起,傍晚往西边落下,现在太阳在西边,故必定是傍晚。由于地球自西向东自转,若以地面为参考系,则太阳由东向西绕地轴旋转,其旋转快慢与地球的自转快慢相同。当飞机也是由东向西以与地球自转相同转速沿圆周飞行时,就可以看到太阳在西边静止不动,既不升起,也不下落;只有当飞机以较大的速度向西飞行使其转速大于地球的自转速度,也既大于太阳绕地轴转动的速度,我们才可以看到太阳从西边升起。高纬度地面上某一点随地球自转的线速度的大小v比低纬度的小,飞机速度的大小容易超过这个v,才有可能看到太阳从西边升起。
例2一颗在赤道上空运行的人造卫星,其轨道半径为r=2R(R为地球半径),卫星的运动方向与地球自转方向相同。已知地球自转的角速度为ω,地球表面处的重力加速度为g。
(1)求人造卫星绕地球转动的角速度。
(2)若某时刻卫星通过赤道上某建筑物的正上方,求它下次通过该建筑物上方需要的时间。
解析(1)地球对卫星的万有引力提供作圆周运动的向心力
(2)卫星下次通过该建筑物上方时,卫星比地球多转2π 弧度,所需时间
例3(2004年广东)某颗地球同步卫星正下方的地球表面上有一观察者,他用天文望远镜观察被太阳光照射的此卫星,试问,春分那天(太阳光直射赤道)在日落12小时内有多长时间该观察者看不见此卫星?已知地球半径为R,地球表面处的重力加速度为g,地球自转周期为T,不考虑大气对光的折射。
解析设所求的时间为t,用m、M分别表示卫星和地球的质量,r表示卫星到地心的距离。则根据万有引力定律和圆周运动有
春分时,太阳光直射地球赤道,如图3所示,图中圆E表示赤道,S表示卫星,A表示观察者,O表示地心。由图可看出当卫星S绕地心O转到图示位置以后(设地球自转是沿图中逆时针方向),其正下方的观察者将看不见它。据此再考虑到对称性,有
2轨道平面与赤道平面垂直
极地卫星与赤道平面垂直其空间关系如图4所示,当卫星运行至赤道平面共面时,从北极上空往下看可转化为平面图如图5所示。
例4可发射一颗这样的人造地球卫星,使其圆轨道
A.与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面同心圆
B.与地球表面上某一经度线所决定的圆是是共面同心圆
C.与地球表面上的赤道线是共面同心圆,且卫星相对地球表面是静止的
D.与地球表面上的赤道线是共面同心圆,但卫星相对地球表面是运动的
解析人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力是地球对它的万有引力,也就是说地球的球心是人造地球卫星做圆周运动的圆心,地球只有纬度为零的赤道的圆心与地球的球心是重合的,其他纬线是平面的圆心与地球的球心不重合,故不可能发射与非赤道纬线共面的人造地球卫星。由于地球的自转,地球每一条经线所决定的圆都在绕地轴转动,而发射的人造地球卫星若是通过南北极,它与某一经线在某一时刻能共面,但是这条经线马上就会与人造地球卫星所在的平面成一角度。同步卫星就是定点在赤道的上空,且相对地球的表面是静止的,人造地球卫星的轨道可以是与赤道共面的同心圆,只要其高度不是同步卫星的高度,则卫星相对地球表面就是运动的,综合所述,C、D两选项正确。
例5侦察卫星在通过地球两极上空的圆轨道上运动,它的运行轨道距地面高度为h,已知地球半径为R,地面表面处的重力加速度为g,地球的自转周期为T。
(1)试求该卫星的运行速度;
(2)要使卫星在一天内将地面上赤道各处在日照条件下的情况全部拍下来,卫星在通过赤道上空时,卫星上的摄像机应拍摄地面上赤道圆周的弧长S是多少?
解析(1)设地球质量为M,卫星质量为m,卫星在运行时,由万有引力提供向心力:
设地球表面有个质量为m0的物体,则:
由上述二式联立,卫星的运行速度为:
(2)设卫星的运动周期为T',则:
从以上的例子可以看出,解决“与地球自转有关的物理问题”关键是能想象物理情景,把空间问题转化为平面问题来处理。
地球自转的地理意义(1)昼夜更替(2)地方时(3)沿地表水平运动的物体发生偏移,北半球右偏,南半球左偏.
地球公转的地理意义(1)昼夜长短和正午太阳高度的变化
昼夜长短的变化。北半球:夏半年,昼长夜短,越向北昼越长①太阳直射点在那个半球北极圈以北出现极昼现象那个半球昼长②赤道全年;冬半年,昼短夜长,越向北昼越短昼夜平分;③春秋分日全球北极圈以北出现极夜现象昼夜平分,南半球:与北半球相反;
正午太阳高度的变化。春秋分日:由赤道向南北方向降低由太阳直射点向南北;随纬度的变化夏至日:由23o26’N向南北降低方向降低;冬至日:由23o26’S向南北降低;23o26’N以北在夏至日达到最大值离直射点越近高度;随季节的变化23o26’S以南在冬至日达到最大值越大;南北回归线之间每年有两次直射;
(来源:文章屋网 )
关键词 小学科学;生成性教学资源;生成课堂
中图分类号:G623.6 文献标识码:B
文章编号:1671-489X(2016)09-0069-03
1 案例背景
昼夜交替一课是鄂教版小学科学六年级上册第6课,教学内容主要分为三部分。
第一部分:通过每天看到太阳东升西落、地球上昼夜交替循环出现等自然现象,引导学生提出“昼夜交替”现象是由什么原因引起的科学问题。让学生借助手电筒、地球仪模拟出现“昼夜交替”现象的几种不同情况:
1)地球不动,太阳绕着地球转;
2)太阳不动,地球绕着太阳转(地球不自转);
3)地球自转(但不公转);
4)地球绕着太阳公转的同时也自转。
第二部分:探索引起“昼夜交替”现象的真正成因。在学生充分推测能够出现“昼夜交替”现象后,把推测的理由用语言文字或画图的形式表示出来,让学生明白是什么原因引起“昼夜交替”现象的。这一部分是本课的重点。让学生通过模拟实验对每一种假设小组内合作进行验证。本部分的教学旨在引导学生重演一次人类认识昼夜交替现象的过程,体验人类探究昼夜交替现象成因的过程,促进学生科学探究能力的发展。
第三部分:通过让学生了解哥白尼等科学家的故事,认识科学家在科学探索道路上的艰辛历程,学习科学家的前赴后继、勇往直前的精神和探索科学的热情。
本课主要让学生在不断地“假设、验证”中,经历一次探究昼夜交替现象成因的过程,认识到地球在不停地自转,自转一周为24小时。
2 片段一
师:在课前我们先来一个科学知识抢答比赛,好不好? 请同学们举手抢答,判断是对还是错。
教师出示5道判断题:
1)地球是静止的,不能转动;
2)地球能够围绕自身转动;
3)太阳围绕地球转动;
4)地球围绕太阳转动一周的时间约30天;
5)地球自转一周约24小时。
学生举手踊跃,抢答全部正确。
师:大家真了不起,掌握的科学知识真不少啊!
【评析和反思】本环节通过科学知识抢答比赛,营造出一种研究“地球与宇宙”方面知识的氛围,既激发了学生的研究兴趣,还可以让教师了解学生对地球自转和公转方面的知识的储备情况。
在动态生成课堂中,教师要善于开发和利用学生资源,唤起学生的学习动机和欲望,充分利用学生已有的生活经验和知识积累,创设一个充满智慧、活力、生成的教学情境。
3 片段二
师:(先后出示学校白天和黑夜两幅图片)我们先来看一幅图片,它是什么地方?
生:是我们学校。
师:这幅图片又是什么地方?
生:还是我们学校。
师:这两幅图片主要的区别是什么?
生:一个是白天的校园,一个是晚上的校园。
师:那白天是怎样形成的?晚上又是怎样形成的?
生:太阳从东方升起,学校一片光明,形成白天;太阳从西方落下,学校没有了阳光,进入晚上。
师:昼夜主要的区别是什么?
生:昼有阳光,夜没有阳光。
师:一昼夜有多长时间?
生:一昼夜有24小时。
师:(播放“昼夜交替”视频)我们再来看一段视频,你观察到昼夜还有什么特点?
生:昼夜不断地交替发生。
师:在生活中是不是像这样,白天过后就是――夜晚,晚上过后一定是――白天,然后一定是――夜晚,昼夜就这样不断地交替发生。
【评析和反思】本环节通过观看“学校的白天和黑夜两幅图片”和“昼夜交替”现象视频,一是激发学生的探究兴趣;二是为学生创设一个探究“昼夜交替”自然现象的浓厚氛围,使学生在不知不觉中进入到探究活动中去。
科学就在身边,从学生熟悉的校园情景中来展开教学研究,充分挖掘学生生活中的生成性教学资源进行教学。学生因对昼夜现象有着丰富的生活体验(学生每天置身于其中,对白天和晚上的校园景色非常熟悉),所以他们对“白天和夜晚是怎样形成的”和“昼夜主要区别是什么”两个问题会理解得更加深刻。
4 片段三
师:产生昼夜自然现象与哪些天体有关?
生:太阳和地球。
生:可能还有月球。
师:现在争论的焦点是――月球是否和产生昼夜自然现象有关?请大家来分析一下:有月亮时一定是晚上吗?没有月亮时就一定不是晚上吗?
生:我认为没有关系,因为夜晚有时看到月亮,有时看不到月亮,所以月亮出不出现,不是产生白天和夜晚的原因。
师:我们已经知道地球是围绕太阳转动的,在地球围绕太阳转动的过程中,地球怎样转动才能让白天和黑夜轮流出现,产生昼夜交替现象?请大家大胆猜想,在小组内讨论一下,等一会儿汇报自己的观点。
(课件出示:猜想地球怎样转动才能让昼夜交替发生?)
学生分组讨论,教师积极参与各组讨论。
师:刚才大家讨论得很热烈,请各小组汇报你们的观点和想法。
生:我们都知道,月亮围绕地球转,地球带着月亮围绕太阳绕,这说明地球在转动,地球在转动的过程中产生了昼夜交替的变化。
生:地球围绕自身转动引起昼夜交替。
师:怎么个自转法?请你演示一下。
学生用肢体演示自转,发现有两种自转方法,每种自转有两种不同的转动方向。
师:哦!我们发现地球自转可能有两个方向,一个是自西向东,一个是自东向西。
师:还有不同的观点吗?
生:地球围绕太阳转动引起昼夜交替。
师:怎么个转法?
学生用肢体演示公转,发现有两种公转方法,每种公转有两种不同的转动方向。
师:我们发现地球公转也有两个方向,一个是自西向东,一个是自东向西。
师:还有不同的观点吗?
生:我想还可能存在一种情况:公转的同时也在自转。
师:刚才大家发现地球的运动形式主要有自转和公转两种基本形式,所以引起“昼夜交替”的原因可能是和地球自转有关,也有可能是和地球公转有关。如果我们去研究“地球边自转边公转”这个假设,实验结果产生昼夜交替现象的话,你能确定昼夜交替的原因是自转还是公转吗?
生:不能确定。
师:既然不能确定是哪一种转动引起昼夜交替,所以我们今天就不对这种假设进行研究。我们就研究地球自转和地球公转两种假设。
【评析和反思】这个环节对教材进行了适当处理。既然学生已经知道“太阳围绕地球转(地心说)”是不对的,所以不必花费时间去实验探究“太阳围绕地球转”等实验,把课堂上节约的时间用于引导学生猜测“地球围绕太阳转”的过程中地球可能会出现的运动形式,探究这些运动形式中哪一个因素与昼夜交替现象产生有关。
教师在设计教学活动的时候,首要的任务是分析教材、吃透教材,分析学生学情,弄清学生的知识储备,在教学的生成点上预设多种通道,才能为学生的个性化活动和发展创设更大的空间。六年级学生知识比较丰富,已经知道月亮围绕地球转、地球围绕太阳转等天文知识,对地球自转产生昼夜交替现象的知识也有所接触,所以在设计本环节教学活动时把着力点放在猜想地球的运动形式和运动方向上,意在激发学生的创新精神和开放性思维能力。
其次,要进行弹性教学活动设计,预留出时间和空间,让学生去生成。当学生猜测出“地球围绕太阳转”过程中的运动形式可能有自转、公转、自转的同时公转等,期待学生能够生成更多。于是教师让学生用肢体动作演示什么是自转、什么是公转、什么是自转的同时公转。学生模拟这三种运动形式后,会发现地球的运动基本形式有两种:自转和公转,自转和公转都有两个不同的转动方向。
5 片段四
师:我们用什么办法来证明哪种假设是正确的?
生:我们可以做实验。
出示“昼夜交替”实验装置,介绍实验器材。
师:我们可以做模拟实验,老师为了方便大家的研究,专门制作了一套教具。
师:(出示太阳模拟装置)它这是模拟什么?为什么?
生:它是模拟太阳,因为它和太阳一样通体发光。
师:(出示地球模拟装置)它这是模拟什么?为什么?
生:它是模拟地球的,因为它和地球一样都是球体的。
师:我们的模拟实验器材太阳小、地球大,实际上太阳比地球大得多。观察这个地球仪,上面有两个开关,打开自东向西开关,看看地球怎样转动?
生:自西向东自转。
师:再打开自西向东开关,看看地球又怎样转动?
生:自东向西自转。
师:我在地球仪上我们学校的位置上贴了一面小标记,你们说说它有什么作用?
生:它是一个观察点,观察我们学校是否产生昼夜交替。
师:(师边说边演示)你真聪明,我们做实验时一定要观察小标记,看小标记是否被太阳照亮?是处于“白天”还是“晚上”?
师:这是什么?
生:一个圆形滑道,它模拟地球围绕太阳公转的轨道。
师:我们做的轨道是圆形的,实际上地球公转轨道是椭圆形的。谁来试试,地球是怎样沿着轨道运动的?
学生演示,教师提醒大家观察。
师:地球在运动时身子有些倾斜,并且倾斜的方向保持不变,所以我们在移动地球时要注意像这样移动。你再试试。
师:还有一点,要观察清楚小标记是处于白天还是晚上?对教室内的光线有没有特殊要求?
生:最好把灯关掉,窗帘和门关上,教室内尽量黑暗一些,这样我们就能看清楚小标记是处于白天还是夜晚。
【评析和反思】这个教学环节主要内容是组织学生去设计实验和引导学生思考怎样用教师自制的教具做实验。目的:一是有意识地锤炼学生设计实验的能力,发展学生的科学素质;二是通过教具,把复杂抽象的天文现象用具体的模拟器材展现出来,降低学生科学探究的难度。
在动态生成课堂教学中,教师要起到引领作用,为学生提供必要的资源,为突破教学重难点扫清障碍,如自制教具、制作多媒体课件等。六年级学生的空间想象力不是很强,对宇宙空间的概念、天体运动形式等没有很好地建立,抽象思维能力不足。为了解决这些问题,本课制做出一套“昼夜交替”模拟实验教具。这套实验装置比较真实地模拟了地球围绕太阳转动的自然现象,可操作性强,把复杂的天文现象简单化,降低了学生实验探究的难度,提高了课堂教学效率。
6 本课生成性教学案例评价分析
本教学设计的评价重点是关注学生在科学探究活动中的表现,关注学生探究能力的提升。在课堂教学中,教师着重关注学生在探究活动中的自主意识、参与热情,如何探究、探究如何等方面,将学生探究状态作为课堂教学评价的聚焦点和出发点。
1)重点评价学生参与科学探究的广度和深度,学生之间是否友好合作,整个课堂的探究气氛是否热烈、民主、有序。采取小组形式教学,每个小组限4~5人,小组内合理分工,从形式上创造条件,使每一个学生都能投入到探究活动的全过程。
重点评价学生之间是否能很好地合作研究;学生学习热情是否高涨,是否有适度的紧张感和愉悦感;学生是否敢于提出问题、发表见解,思维是否敏捷、有条理,是否善于质疑;等等。
2)重点评价学生在探究活动中是否有生成性,思维是否有创造性。教师为学生创设一个良好的科学探究氛围,提供有结构的实验材料,设计合理的教学活动,充分发掘教材中的生成性资源,为学生提供足够的时间和空间去自主实验,实现生成性教学。
如教学中设计了让学生演示“什么是地球自转和公转”的教学活动,学生通过演示很快会发现地球有两种不同的运动形式,而且这两种不同的运动形式都可能有两种不同的运动方向。学生在做“昼夜交替”模拟实验中,初步得出实验结论后,教师引导学生继续实验研究,看看还能发现什么?(学生深入观察后会发现:地球上同一个地方,当地球的转动方向改变时,昼夜出现的顺序会不同。由此为下一节课研究“谁先看到日出”做准备。)
参考文献
“举头望明月,低头思故乡”
月亮给人的感慨中最多的是思念,思念故乡、思念远方的亲人和朋友。“但愿人长久,千里共婵娟”,就是表达这样的情感。月亮是离我们最近的天体,作为茫茫宇宙中,地球唯一的天然卫星,确实和地球分外多情。月亮的直径约为3476公里,是地球的1/4;质量约7350亿亿吨,相当于地球质量的1/80左右,月球表面的重力约是地球重力的1/6。不知道你有没有注意到:月亮永远用同一张“脸”对着地球,仿佛一种始终如一、含情脉脉的神情。这是因为月亮自转的周期与其绕地球公转的周期一样,都是27.3天。科学家称这种现象为“同步自转”。
“同步自转”现象是由地球对月亮的潮汐力引起的。我们知道,月亮和太阳对地球都有潮汐力,这个潮汐力会引起潮起潮落。而且还会引起地球自转变慢。科学家们发现,在3.7亿年前的泥盆纪中期,地球上一年大约有400天,而现在一年只有365天,说明地球的自转在变慢。
月亮对地球有潮汐力,地球对月亮自然也有潮汐力。由于太阳离地球很远,而月亮质量又不大,使得它们的潮汐力对地球影响不大,地球自转变慢的速度也不大。但相对于月亮而言,地球质量大且离月亮近,所以地球的潮汐力对月亮的影响就很大,使得月亮的自转不断变慢,最终自转与公转同步。此时潮汐力虽然仍然存在,但却不会对月亮的自转周期产生影响。
“月有阴晴圆缺”
月亮本身不发光,我们看到的月光是月亮反射的太阳光。由于地球、太阳和月亮相对位置的变化,我们看到“月有阴晴圆缺”,科学上称为月相的变化。
在阴历十五,也就是满月时,地球位于太阳和月亮的中间,被太阳光照亮的半个月球面向地球,我们可以看到圆圆的月亮,也只有这个时候,才有可能发生月食。
在阴历初一左右,此时月亮位于地球和太阳的中间,被太阳光照亮的半个月球背对地球,此时看不见月亮。只有这个时候,才有可能发生日食。
其他的时间,月亮不在地球和太阳的连线上,被太阳光照亮的半个月球与地球成一角度,地球上可以看到弯弯的月亮,这称为弦月。
“冷月无声”
尽管中秋是个团聚的佳节,但月亮似乎和热闹无缘,它总给我们皎洁、清冷,还有点孤独的感觉;明月清辉,让我们内心弥漫一种静谧。唐朝诗人李商隐说:“晓镜但愁云鬓改,夜吟应觉月光寒”。《红楼梦》中的名句:“寒塘渡鹤影,冷月葬花魂”。那月亮真的冷吗·由于月亮的引力很小,吸引不住大气,月亮表面的大气压只有地球表面大气压的一万亿分之一。没有大气的保护,使得月亮表面温差极大,面向太阳的一面,温度可以达到123℃,而背对太阳的一面,温度只有零下233℃,月亮表面的年平均气温为零下23℃。
“明月几时有,把酒问青天”
2012年10月25日,我国第16颗北斗导航卫星升空,北斗卫星导航系统中有地球轨道卫星、地球静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星(看作圆形轨道).其中地球静止轨道卫星是位于赤道上空的同步卫星,倾斜地球同步轨道卫星的轨道平面与赤道平面有一定的夹角,其周期与地球自转周期相同.则以下关于倾斜地球同步轨道卫星的说法正确的是
A.它的轨道{度比位于赤道上空的同步卫星的轨道高度低
B.它的运行速度比位于赤道上空的同步卫星的运行速度大
C.它的向心加速度大小和位于赤道上空的同步卫星的向心加速度大小相等
D.该卫星始终位于地球某条经线的正上方
此题的D选项引起了老师和同学们的积极思考与讨论,主要矛盾的焦点集中在卫星是否能始终位于某条经线正上方和地球一起转动.有的同学认为既然卫星的运动周期与地球自转周期相同,那么卫星在相同时间内转过的角度一定等于地球转过的角度,也有的同学认为如果与地球同步卫星比较,倾斜地球同步卫星在经过赤道时与地球同步卫星有相同大小的速度,则在自转方向的分速度则小于地球同步卫星速度.双方各执一词,争执不下.
笔者也与其他老师探讨这个问题,发现大部分老师认为地球倾斜同步卫星应该始终位于某条经线的正上方,追问其依据,很多老师认为同于上述第一个观点,只是在此观点的基础上,认为卫星还有一个分运动,就是相对于某一条径线来回运动,D选项可选.
那么,倾斜地球同步卫星始终位于地球某条经线的正上方吗?笔者认为,这是不可能的,请看下面的分析.
方法一速度分解,从而比较角速度大小
如图1,虚线a、b分别为倾斜地球同步卫星与地球同步卫星的轨道示意图,倾斜轨道的倾角为θ.虚线OO′为地球自转轴,A、B分别是倾斜同步卫星轨道的纬度最高点、与赤道平面的交点.对A点的运动进行讨论,其运动速度为v,此时绕地轴转动的角速度可以表达为ωA=vRcosθ>vR,其中ω0表示同步卫星的运动角速度,R为同步卫星的轨道半径.由上分析可知,在轨道的A点,倾斜同步卫星绕地轴转动的角速度大于地球自转角速度,它相对地球向东转动.
对B点的运动进行同样的讨论,其垂直地轴的线速度分量为vB′=vcosθ
由上述分析知,倾斜同步卫星虽然运动的周期与地球自转周期相同,但它在运动过程中的绕地轴转动的角速度时而大于地球自转角速度,时而小于地球自转角速度,这样不可能总在某一经线的正上方.
方法二写出卫星绕地轴转过的角度随时间变化的规律
如图2,I为倾斜地球同步卫星的圆形轨道示意图,II为其在赤道平面的投影,它们的夹角为θ,投影为一椭圆.假设卫星从轨道上C点运动到A点的时间为t,则在倾斜平面上,其转过角度为∠AOC=ωt.将A点投影到在赤道平面上,构成直角AOA′,再过A点作OC的垂线,垂足为B,将B点投影到在赤道平面上,这样构成矩形ABB′A′.卫星投影在赤道平面上转过的角度为=∠B′OA′,此角度即为卫星绕地轴转过的角度.设轨道半径为R,由图2利用几何关系得:
OA=R,OB=Rcosωt,AB=Rsinωt,
OB′=OBcosθ,A′B′=AB,
地球每时每刻都在进行着公转和自转。公转给我们带来了春夏秋冬,自转让我们拥有了白昼与黑夜。不过,一直到400多年前,人们还坚信地球是宇宙的中心。天文学家哥白尼经过长达20多年的观测和计算,了当时权威的“地心说”,建立了“日心说”。哥白尼告诉我们,地球的形状是球形,而且在不断地进行公转和自转。那么,用什么办法可以观察到地球的自转呢?
在1851年的法国,一个叫傅科的物理学家做了一个非常有趣的实验,证明地球确实在自转。傅科在巴黎国葬院大厅的穹顶上悬挂了一根67米长的绳索,绳索的下端挂着一个重达28千克的摆锤,摆锤的下方是巨大的沙P。每当摆锤经过沙盘上方的时候,摆锤上的指针就会在沙盘上面留下运动的轨迹。按照日常生活的经验,这个硕大的摆应该在沙盘上面画出唯一的一条轨迹。然而,实验开始后,观看实验的人们惊奇地发现,傅科设置的摆每经过一个周期的震荡,在沙盘上画出的轨迹就会偏离原来的轨迹一定角度,摆动过程中摆动平面在沿顺时针方向缓缓转动。
我们知道,对于一般的单摆,如果摆在摆动平面方向上没有受到外力作用,摆动的空间方向是不会改变的。使用这样的摆有一个前提,就是不考虑地球自转的影响。傅科用的摆有两点是非常特殊的:一是摆线非常长,这样便于显示出轨迹的差异;二是摆锤的重量非常大,以减少空气阻力的影响,保证摆在不增加外力的情况下能进行长时间摆动。在实验的过程中,摆动方向的变化是由于地球沿着自西向东方向转动的结果,从而有力地证明了地球是在自转。正是由于伟大的傅科演示出了这个有趣的实验,因此这种可以证明地球自转的摆被称为“傅科摆”。
如果把傅科摆分别放在地球的南极、北极和赤道上,摆动的轨迹会有什么变化呢?在中国科学技术馆二层“探索与发现”A厅就有这样一个展项,名字叫“傅科摆”。站在大大的傅科摆模型面前,你一定要有足够的耐心,仔细观察,等待三段时间后就会发现,摆动的平面在缓缓地转动。它的旁边还细观察,等待一段时间后就会发现,摆动的平面在缓缓地转动。它的旁边还有三个小模型,演示了傅科摆在南极、北极和赤道上的摆动情况。由于地球自西向东自转,在北极观察时,地球按逆时针旋转,因此摆动平面按顺时针方向转动;反之,在南极观察,摆动平面按逆时针方向转;而在赤道上,傅科摆的摆动方向没有任何改变。