谈谈科里奥利效应

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1、万方数据物理与工程V01．16No．52006谈谈科里奥利效应姚琴芬1蒋耀妹2(1江苏广播电视大学，江苏南京210036)(2南京工程学院基础部物理教研室，江苏南京211167)(收稿日期：200605—15)摘要本文介绍了自然界中一种非常重要的现象：科里奥利效应．利用作矢量图的方法，解释了南北运动和东西运动物体的偏转，以及气旋和反气旋的形成．方法浅显易懂，对非物理系的学生理解该方面的内容作了尝试性的研究．关键词科里奥利力；科里奥利效应；矢量图1引言科里奥利力在大学物理课程中基本上是作为选读内容来处理的，学生最多是听说过而已，更不用说理解了．但是科里奥利效应却对我们的生

2、活有着非常重要的影响，因此，在课堂上能够补充讲授科里奥利力方面的内容还是很有必要的．但对于非物理系学生来说，不能像对物理系的学生一样要求他们．如何让非物理系学生更易理解这方面的内容，以至可以对生活中一些现象作出解释，本文试图作一个试探性的研究．2科里奥利力的基本公式法国人科里奥利在1835年最先用数学方法描述了科里奥利效应，所以科学界用他的姓氏来命名此种力，而这种力的本质即是由于地球自转产生的偏向力．从大学物理的学习中可以知道，我们对于物理问题的讨论通常是对于惯性系而言的，但是我们的地球是一个转动缓慢的参考系，并不是严格的惯性系(由于宇宙空间中到处都存在着引力，真正理想

3、的惯性系是无法找到的)．讨论科里奥利效应时，就不能把地球看成是惯性系．但是对非惯性系来讲我们只要加上适当的惯性力，。1牛顿运动定律的形式就仍然成立，这是解决力学问题的另一种方法．惯性力是没有施力物体的，它不是物体间的相互作用．地球的自转会导致物体的运动受到两种惯性力的作用：惯性离心力和科里奥利力．若将地球看成非惯性系，研究相对于地球运动的物体时，我们应加上惯性离心力矗和科里奥利力A，运动方程式为∑F。+矗+爪一rtla相(1)其中，∑F：为物体所受外力，是相互作用力；n相为物体相对于地球的加速度；，i一一2rnm×口[1．2

4、．物体受到的地球引力和惯性离心力的合力为物体

5、的重力，由于物体运动时离地轴的距离变化不太大，惯性离心力的效应用重力代替[1]，这时可以只考虑科里奥利力矗的效应，式(1)变为芝：F：一mgk一2meo×口相一，加相(2)由文献[1]，易推导出在直角坐标系中的运动方程为f赫一∑F。+2mcoysin0{面一∑F。一2啪(主sin口+zoos0)(3)l磁一∑F。一mg+2砌多cos口物理教材大多是利用上述方程结合转动力学概念来给出科里奥利效应的解释，但是上述方程比较复杂，不能形象地得出结论．本文尝试用矢量分析方法来谈谈科里奥利效应．3科里奥利效应由于地球的自转，科里奥利力的表达式为爪一一2mm×口，在考虑简单情形时，比

6、如南北运动和东西运动的物体，如果用矢量分析法中的右手螺旋万方数据物理与工程V01．16No．52006法则，我们就很容易理解其在运动轨迹上的偏转．3．1南北运动南北运动的物体，自转角速度(-0沿着直径方向，指向北极，而速度t，的方向指向该点切线方向，地球自转轴和质心轴并不在同一直线上，但偏差很小，所以我们在讨论科里奥利力时忽略了地球自转轴和地球质心轴的小量偏差．由右手螺旋法则可判定，科里奥利力的方向为一∞×"／3的方向，画出矢量图，如图1所示，分别作出了(a)北半球上由南向北运动；(b)北半球上由北向南运动；(c)南半球上由北向南运动；(d)南半球上由南向北运动的矢量图

7、．从图中可以看出，在北半球运动的物体，都会向它的右侧偏转，在地球上的人看来好似受到了向右的“某种力”的推动．同样的，在南半球运动的物体，都会向它的左侧偏转，好似受到了向左的“某种力”的推动．所以，在北半球，南北方向的河流更多冲刷右岸，南北行驶的火车更易磨损右侧的铁轨，南北发射的炮弹也会向右发生微小偏移．而在南半球则情况正好相反．生活中常见的例子还有，快速行进的飓风；高速飞行的飞机等都会受到科里奥利效应的影响．(a)北半球上由南向北运动(b)(c)南半球上由北向南运动(d)南半球上由南向北运动图1南北运动物体的科里奥利力矢量图3．2东西运动同样，对于东西运动的物体，由右手

8、螺旋法则，图2中分别作出了(a)北半球自西向东运动的物体；(b)北半球自东向西运动的物体；(c)南半球自西向东运动的物体；(d)南半球自东向西运动的物体的矢量图．．由图2可以看出北半球和南半球自西向东运动的物体受到科里奥利力为沿着该纬度所在圆面的径向向外，而北半球和南半球自东向西运动的物体受到的科里奥利力的方向为向内指向该纬度所在圆面的圆心．沿着地心方向，物体受到万有引力的作用，把科里奥利力沿着地心方向和垂直于地心方向正交分解，对于北半球自西向东运动的物体和南半球自东向西运动的物体都有向南的分力(图3)，则物体运动的轨迹会南偏，而对于北半