地轉(zhuǎn)偏向力是如何產(chǎn)生的？（精編版）

1、地轉(zhuǎn)偏向力是如何產(chǎn)生的？【多圖，啰嗦長文，慎入】謝題主 黃祖標(biāo)邀。作為一個(gè)高中地理老師，我也來講幾句吧。（好久沒答題了，知 乎現(xiàn)在的答題界面好不適應(yīng)）先說結(jié)論吧，地偏力的產(chǎn)生，并不是因?yàn)槲矬w受到了力動(dòng)了，而是我們參考的參照系自己在動(dòng)，讓我們誤以為是物體受力。所以在慣性系下，根本就不存在什么地偏力，它只是慣性產(chǎn)生的一種錯(cuò)覺。本文結(jié)構(gòu)： 1. 非慣性系和慣性力2. 地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力3. 地轉(zhuǎn)偏向力的產(chǎn)生4. 地轉(zhuǎn)偏向力的計(jì)算 （高中范疇）（待補(bǔ)完）（第一、第二部分比較啰嗦，想看圖解的同學(xué)可以直接從第三部分開始）1. 非慣性系和慣性力這里的幾位答主已經(jīng)指出，地轉(zhuǎn)偏向力 本質(zhì)上是一種慣性力，是一種

2、虛擬的力。對于沒有接觸過非 慣性系的同學(xué)來說，非慣性系的概念本身還是比較難以理解 的，所以我還是從非慣性系開始講起。對非慣性系有所了解 的同學(xué)可以直接看第二部分。舉一個(gè)非慣性系的案例電 梯：請大家想想自己在生活中乘坐廂式電梯的經(jīng)歷，假設(shè)你 站在電梯轎廂里，你是否能判斷該電梯是在上升還是在下降 呢？想必是可以的，大家會(huì)說，當(dāng)電梯上升的時(shí)候，會(huì)感覺 身體一沉，電梯下降的時(shí)候會(huì)感覺身子一輕，這種“超重”或“失重”現(xiàn)象可以幫助我們判斷電梯是在上升還是在下沉。現(xiàn)在讓我們來分析一下這種現(xiàn)象。假設(shè)你手中用橡皮筋拉著一個(gè)質(zhì)量為 m 的鐵球站在靜止的電梯中。電梯啟動(dòng)， 開始以勻加速度 a 上升，你會(huì)注意到“超重

3、”，并且橡皮筋被拉長了。橡皮筋被拉長，顯然意味著，除了鐵球自身的重力外，橡皮筋受到了額外的拉力。如果你在事后用拉力計(jì)測量，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，想要將橡皮筋拉到同樣的長度，所需的力剛好等于鐵球的重力 g 加上額外的拉力ma （鐵球質(zhì)量乘上轎廂加速度）。換句話說，電梯轎廂的加速度a，被轉(zhuǎn)移到了鐵球上，只不過方向相反。那么這個(gè)額外的拉力來自哪兒呢？你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)額外的拉力，壓根就找不到施力物體，就像是憑空產(chǎn)生的。當(dāng)然，如果你站在電梯之外，你就很容易看清。電梯啟動(dòng)時(shí)，如果以地面為參照系的話，鐵球其實(shí)根本就沒有動(dòng)，它只是試圖呆在原地，但在開始起步的電梯中，顯得就是要往下墜了。這個(gè)只能在電梯里觀測到，在地面上

4、觀測就消失無蹤的拉力，便是一種慣性力，它是虛擬力。鐵球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有改變，站在電梯里的你之所以覺得它動(dòng)了，是因?yàn)殡娞莺丸F球相對的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變了，鐵球的慣性產(chǎn)生了它正在受拉力的錯(cuò)覺。所以什么是慣性力呢？當(dāng)你認(rèn)為本該靜止的參照系其實(shí)本身是有加速度的時(shí)候，這些加速度就會(huì)轉(zhuǎn)移到這個(gè)參照系下的所有物體上，讓你誤以為他們在受力。上述的例子如果你能理解，那么你就邁出了理解地偏力的第一步。但是加速度的存在，并不一定意味著加速或者減速。按照高一物理所學(xué)，力是一種矢量，所以加速度作為“速度的變化”，既可以指速度大小的變化，也可以指速度方向的變化。比如正在轉(zhuǎn)彎的汽車。在車輛左轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，你可以清晰地感受到有一個(gè)力在把

5、你向右壓去，這其實(shí)也是慣性力在作怪。因?yàn)閼T性想要維持原來的速度方向，但車輛的前進(jìn)方向變了， 所以原來的速度將你擠到了車門上。如果你以地面為參照系， 那么這個(gè)向右的力其實(shí)也是不存在的，是車輛轉(zhuǎn)彎的加速度 體現(xiàn)在了你的身上。（ ll.html ）同樣的例子可以用于解釋為什么掄水桶時(shí)，桶中的水不易灑出。因?yàn)橥爸械乃艿綉T性力的作用，就如同被擠在車門上的你一樣，被擠在了桶底。（ 1008/t20100825_730961.htm）所以，在參考系旋轉(zhuǎn)時(shí)，也 會(huì)產(chǎn)生慣性力。 它和維持旋轉(zhuǎn)的向心力大小相同，方向相反。因?yàn)樗耆怪庇谖矬w的運(yùn)動(dòng)方向，所以它不改變速度的大小，只改變速度的方向。對，沒錯(cuò)，在汽車和

6、水桶的例子中， 這種慣性力的名字就叫做離心力。如果你可以理解離心力是如何產(chǎn)生的，你就邁出了理解地偏力的第二步。（不過需要說明的是，汽車中的乘客和水桶中的水是相對于汽車、水桶靜止的，而地偏力只對相對運(yùn)動(dòng)的物體起作用，所以離心力和地偏力還是有一定的區(qū)別的）小結(jié)一下，這一部分的要點(diǎn)有：當(dāng)選取的參照系具有加速度時(shí)，參照系下的物體會(huì)受到慣性力的影響。非慣性系下物體，慣性力會(huì)讓其產(chǎn)生與參照系加速度大小相同，方向相反的加速度。當(dāng)參照系在旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生垂直于物體速度方向的慣性力，只改變物體的運(yùn)動(dòng)方向。接著，讓我們來看看地球表面是怎么產(chǎn)生慣性力的吧。2. 地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力在上述講述非慣性系的例子中，你可能已

7、經(jīng)發(fā)現(xiàn)， 我經(jīng)常使用一個(gè)表述“如果以地面為參照系”。很顯然，我是將“地面”放在了那些非慣性系的對立面上，我 假設(shè)了地面本身是沒有加速度的，是慣性系，所以我才能在地面上大談慣性產(chǎn)生的種種錯(cuò)覺。這一點(diǎn)非常符合我們的日常經(jīng)驗(yàn)，我們無法感受到我們腳下的大地正在運(yùn)動(dòng)，所以我們很容易誤以為我們和地面的相對靜止是理所當(dāng)然的。所以你就想，地面就算是運(yùn)動(dòng)，也應(yīng)該是做勻速運(yùn)動(dòng)的吧，如果不是地震，地面怎么可能會(huì)有加速度嘛。當(dāng)然有。最直接的證明， 便是大名鼎鼎的傅科擺。 （傅科擺： 即使不離開地球，我也能證明它在轉(zhuǎn)）（ ） 傅 科擺相對于地面的旋轉(zhuǎn)，便是地面本身具有加速度的證明。由于地球自轉(zhuǎn)，地球上的每一處地面，都在

8、圍繞地軸做圓周運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過程中，地面的運(yùn)動(dòng)方向，就好像繞圈子的汽車一樣，是時(shí)時(shí)在變化的，所以會(huì)產(chǎn)生慣性力是理所當(dāng)然的事a 地有一個(gè)物體正在向上情。我們以赤道為例，假設(shè)赤道上以速度 v 運(yùn)動(dòng)。也就是說，它的運(yùn)動(dòng)方向是垂直當(dāng)?shù)氐仄矫嫦蛏系模合乱粋€(gè)瞬間，由于地球正在自轉(zhuǎn)，a 地的位置發(fā)生了變化，但是由于慣性的原因，速度v 的大小和方向并沒有第一時(shí)間改變，于是變成了這樣：但是，這是上帝視角，地面上生活的渺小的人類，習(xí)慣于使用“地平面”作為自己的參考系，所以他們看到的情況是這樣的：（地上人：發(fā)生了什么？）你可以看到，雖然速度v 的大小沒有發(fā)生變化，但是在人類看來，它的速度方向發(fā)生了改變，仿佛冥冥之中有

9、一 個(gè)力產(chǎn)生了加速度改變了該物體的運(yùn)動(dòng)方向，這便是地球自 轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力了。這一切的根源，在于我們選用了本身就 具有加速度的地面作為我們的參照系，所以參照系的加速度 就體現(xiàn)在物體之上了。但這并不是問題的全部。畢竟，說好 的赤道上地偏力為0 呢？3. 地轉(zhuǎn)偏向力的產(chǎn)生看完上述的案例你可能會(huì)覺得哪里不對。沒錯(cuò)，上文所說的慣性力，并不是我們在中學(xué)階段所接觸的地偏力。在中學(xué)地理中，我們不會(huì)討論垂直運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)，也沒有見過地偏力在垂直方向上發(fā)揮作用。如果想要產(chǎn)生中學(xué)階段所討論的轉(zhuǎn)偏向力，我們需要增加幾個(gè)條件：我們所討論的運(yùn)動(dòng)，是平行于地平面的水平運(yùn)動(dòng)；我們所討論的地偏力，僅限于它在水平方向上所產(chǎn)生的效果。

10、所以，我們在高中所接觸的“地轉(zhuǎn)偏向力”，全稱應(yīng)該是“水平地轉(zhuǎn)偏向力”，它是水平運(yùn)動(dòng)的物體所受的地轉(zhuǎn)偏向力的水平分量。我依然以赤道為例， 假設(shè)赤道上a 地有一個(gè)物體正在以速度v 做自西向東的水平運(yùn)動(dòng)，那么它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)應(yīng)該是：下一瞬間，由于地球正在自轉(zhuǎn)，a 地的位置發(fā)生了變化，但是由于慣性的原因，速度v 的大小和方向并沒有第一時(shí)間改變，于是變成了這樣：以地面為參照系的話，就是這樣的：如果是俯視 視角的話，你看到的畫面是這樣的：（為了方便大家的觀看習(xí)慣，我把上面的北極點(diǎn)俯視狀態(tài)，改成了上北下南左西右 東的一般定向法，請大家自行轉(zhuǎn)化一下哈）你可以看到，在 這個(gè)過程中，物體的水平運(yùn)動(dòng)方向并沒有因此改變，

11、依然是 在自西向東運(yùn)動(dòng)，所以物體在水平方向上并未偏轉(zhuǎn)，也就是說，物體并不受水平地轉(zhuǎn)偏向力，水平地轉(zhuǎn)偏向力為0 。只不過此前是純粹的水平運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在變成“斜向上”運(yùn)動(dòng)了，物 體運(yùn)動(dòng)的速度被向上“抬”了一下， 仿佛受到了一個(gè)向上的力， 這個(gè)力便是垂直地轉(zhuǎn)偏向力。所以赤道上，水平地轉(zhuǎn)偏向力為 0 ，只有垂直地轉(zhuǎn)偏向力。我們再來看一看極點(diǎn)的情況，以北極點(diǎn)為例， 假設(shè)有一個(gè)物體在北極點(diǎn)以速度v 向南運(yùn)動(dòng)。因?yàn)楸睒O點(diǎn)的四周有無數(shù)個(gè)向南的方向，所以我們在初始的運(yùn)動(dòng)方向上固定一個(gè)三角形的標(biāo)記。下一個(gè)瞬間，由于地球的自轉(zhuǎn)，固定在地面上的三角標(biāo)記會(huì)向東運(yùn)動(dòng)，而速度的方向則保持不變：認(rèn)為地面是靜止的人類，并不會(huì)認(rèn)為是

12、固定在地面上的三角標(biāo)記發(fā)生了變化，而會(huì)看到在這個(gè)過程中，物體的運(yùn)動(dòng)方向沒有發(fā)生垂直方向上的變化，也就是垂直地轉(zhuǎn)偏向力為0 。但在水平方向上，運(yùn)動(dòng)方向被自東向西扭轉(zhuǎn)了，這個(gè)把運(yùn)動(dòng)方向向西“拉動(dòng)”的力，便是水平地轉(zhuǎn)偏向力。同理南極點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。只不過對于北極點(diǎn)來說， 向南運(yùn)動(dòng)的物體向西偏轉(zhuǎn)對于物體本身來說屬于向右偏轉(zhuǎn)， 而在南極點(diǎn)，物體只能向北運(yùn)動(dòng)，此時(shí)向西偏轉(zhuǎn)就屬于向左偏轉(zhuǎn)了。所以極點(diǎn)上，垂直地轉(zhuǎn)偏向力為0 ，只有水平地轉(zhuǎn)偏向力。那么介于赤道和兩極之間的廣大地區(qū)呢？可以推測， 應(yīng)該是介于赤道和兩極之間，垂直地轉(zhuǎn)偏向力和水平地轉(zhuǎn)偏向力都不為0 。我們舉個(gè)例子。假設(shè)有北半球某條緯線，在這條緯

13、線上有個(gè)b 地。b 地的地平面介于赤道地平面和極點(diǎn)地平面之間，和地軸是斜交的關(guān)系，就是這樣：現(xiàn)在有一個(gè) 物體在 b 地以速度v 自西向東運(yùn)動(dòng)，那么大概是這樣的：下一個(gè)瞬間，由于地球自轉(zhuǎn)，b 地的地平面向東轉(zhuǎn)去，但速度v 由于慣性保持不變，于是變成了這樣：從地面上看，發(fā)生了這樣的事情：在這個(gè)過程中，物體運(yùn)動(dòng)的方向從向正東變 成了向東南，而且從水平運(yùn)動(dòng)變成了向斜上運(yùn)動(dòng)。可見在既 非極點(diǎn)又非赤道的地區(qū)，既存在水平地偏力，又存在垂直地 偏力。在這個(gè)例子中可以看到，物體的速度向著運(yùn)動(dòng)方向的 右側(cè)進(jìn)行了偏轉(zhuǎn)。如果將物體的運(yùn)動(dòng)方向改為其他方向也是 同理，只要是位于b 地的水平運(yùn)動(dòng)的物體，運(yùn)動(dòng)方向都會(huì)發(fā)生類似的偏轉(zhuǎn)。如果擴(kuò)展到全球的話，就是這樣的：（陳海波.圖解地轉(zhuǎn)偏向力j.文教資料 ,2012,(31):193-194.）綜上，我們得到了這樣幾個(gè)結(jié)論：赤道處水平地轉(zhuǎn)偏向力為 0 ，垂直地轉(zhuǎn)偏向力最大；極點(diǎn)處垂直地轉(zhuǎn)偏向力為0