科里奥利效应和傅科摆小论文

科里奥利效应和傅科摆小论文
科里奥利效应和傅科摆小论文

科里奥利现象和傅科摆小论文

小论文人员分配:

组长:耿蕾

主讲:耿蕾

查资料:杜欣赵华鞠大升

写论文:鞠大升赵华杜欣耿蕾

我们生活在一个物质的世界,人类从古至今在不停地对身边的一切进行探索,从小的现象得到启发,进而上升到理论,直至推动整个社会的发展。

科里奥利现象和科里奥利力是常常发生在我们的事,

傅科摆是科里奥利力的一个重要应用。

(一)科里奥利现象和科里奥利力

我们现在从一个简单的例子说起。如图1.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V A和V B,童A以相对于圆盘的速度V’沿半径

方向向童B抛出一球。如果圆盘是静止的,则经过一段

时间△t=(V A-V B)/V’后,球会到达童B,但结果是球

图1:水平转盘

到达了童B转动的前方一点B’,对这个现象可如下分析,

由于圆盘在转动,故球离开童A的手时,除了具有径向速度V’外,还具有切向速度V tA,而童B 的切向速度为V tB,由于童B的位置靠近圆心,所以V tA>V tB,在垂直于AB的方向上,球运动得比B远些。这是在盘外不转动的惯性系观察到的情形。

对于以圆盘为参考系的B,他只看到A以初速度向他抛来一球,但球并未沿直线到达他,而是向球球运动的前方的右侧偏去了,这一结果的分析发现,地球在具有径向初速度V’的同时,还具有了垂直于这一方向而向右的加速度a’,应用牛顿第二定律对于加速度的解释,既然球出手后在水平方向上没有受到“真实力”的作用,那么球一定受到了一个垂直于速度V’而向右的惯性力Fc。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)的加速现象中科里奥利效应,产生此效应的虚拟的惯性力叫科里奥利力。

利用此例可导出科里奥利力的定量公式。以转动系为参考系,球从A到达B’的时间是△t’=(V A-V B)/V’。在△t’时间内球偏离AB的距离BB’=(V tA-V tB)△t’=ω(V A-V B)△t’= V’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为0,以a’表示以加速度应用BB’=1/2 a’(△t’)2,与上一结果比较可得:a’=2V’ω。在此转动参考系内形式地应用牛顿第二定律,可得科里奥利力大小为F C=ma’=2m V’ω。在此例中,圆盘沿逆时针方向转动,科里奥利力方向指向质点运动的右方。同理,如果圆盘沿顺时针方向转动,则科里奥利力的方向指向质点运动的左方。

一般地可以证明,当质量为m的质点相对于转动参考系(角速度矢量为ω)的速度为V时,则在转动参考系内观察到的科里奥利力为

Fc=2m V ×ω。(1)

转动参考系上物体运动时受另一种惯性力(科里奥利力)的作用现象是法国一位工程师和物理学家科里奥利发现的。我们的地球就是一个转动参考系,所以在地面上运动的物体一般都受科里奥利力的作用。1851年,法国科学家傅科做了一个著名的实验,他从巴黎葬院的穹顶上悬挂了一副67米长的绳索,下面吊着一个28公斤重的摆锤。随着每一次摆动,地上巨大的沙盘便留下摆

锤运动的痕迹,令观摩者相顾惊诧的事情发生了,这只大摆没有始终按一条直线来回往复,而是经过一段时间后,摆动方向偏转了很大角度,傅科宣布:“我们看到了地球的转动。”假如这个实验在北极做,傅科摆一昼夜便会转过360度,而在赤道上,摆动就不会发生偏转。

(二)科技馆科里奥利力显示仪解析

北京科技馆的科里奥利力显示仪就能很明显地观察到科里奥利力的效果,启动仪器按钮, 两个小圆盘开始逆时针转动带动皮带运动,此时皮带中间部位保持平行,如图2所示。过一会儿,大盘开始顺时针转动,如图3,在大小盘同时转动时,皮带中间部位向里相互靠近,稍后,两个小圆盘停止转动,在大圆盘转动的作用下,皮带被向外甩开成腰鼓状,如图4所示。

整个实验过程分为上述三个阶段, 每个阶段动皮带的运动情况都有所不同。第一阶段只有两小圆盘转动时,相当于给皮带一个动力,使皮带开始运动。第二阶段大盘与小盘同时并反向转动时,相当于皮带在非慣性系里运动,皮带必然受到科里奥利力的作用,由右手定则可知,大盘转动的角速度ω方向应垂直纸面向里,根据科里奥利力的计算公式Fc =2m V × ω,其中V 为皮带运动的速度,则由右手定则即可得出皮带上一个单位元所受的科里奥利力的方向,如图5,而这些力的整体效果就是使皮带向里凹。第三阶段,只有大盘转动时,皮带受离心力作用而向外甩开成腰鼓状。

同理,我们可以想象,假如将实验的第二阶段改为大盘和两个小盘均作顺时针转动,则如图6所示,皮带上每一个单位元均受到使皮带向外扩张的科里奥利力作用,那么皮带运动的总体效果就是向外被甩开成腰鼓状。

图4:大盘转动 图5:皮带受力解析

图6:同时顺时针转动

(三) 用科里奥利力解析傅科摆

下面用科里奥利力向大家详细介绍一下有关傅科摆的问题。

傅科摆是法国物理学家傅科(J.B.L.Foucault )1851年在巴黎万神殿的圆拱屋顶上悬挂一个长约67米的大单摆,发现在摆的过程中,摆动平面不断作顺时针方向的偏转,从而证明地球是在不断自转的。

上面已经说明,在一般情况下,科里奥利力的公式为:

f c =2m v ×ω (2)

w : 转动系的角速度矢量,w 的方向与转轴重合,指向按右手螺旋法则规定。

图2:小盘转动

图3:大小盘同时转动

对于北半球A点的傅科摆来讲,如图7示:当摆在A点有任意速度V时,其速度均可分为三个分

量,径向分量Vr ,角向分量VΦ ,轴向分量V//.

对于Vr :根据公式,可知其受到的科里奥利力为:f c r = 2m v r ×ω ,其大小为2mv r ω , 方向为沿y 轴正方向.

对于VΦ :则根据分式有,f Φ = 2m v Φ ×ω , 其大小为2mv Φω ,方向为沿x 轴的正方向.

对于V // :因为V // 与ω的方向夹角为0,所以其不受科里奥利力的作用。

则小球受到的科里奥利力为:

f c = f c r + f Φ (3)

并且该力肯定会在这样的一个平面上, 这个平面是由V 和ω的方向所组成的平面,并且与速度V 垂直.

如果对V 整体来分析,因为V 不与Z 轴平行,所以必受科里奥利力的作用.其所受科里奥利力f c 的方向垂直于一个平面,这个平面是由V 和ω的方向所组成的平面.所以f c 垂直于V, 使V 发生偏转. 在小球摆动的平面上,小球的运动就成为图8示。 傅科摆的摆面轨迹,由于初条件不同,会有两种不同的摆动,会别如图9,10所示。

图9:以一定初速从平衡位置出发 图10:偏离平衡位置从静止出发

下面我们来计算傅科摆摆面进动的角速度Ω和纬度Φ的关系。

如图11示,设傅科摆于某时刻处于位置O ,过一时间△t 后,它随地球自转到 O ‘ ,通过O ,O ’作子午线的切线,共同交地轴于N 点。在O 点的水平面(地球的切面)上选直角坐标系xoy ,其中Oy 指北,Ox 指东。将此平行移动到O ‘,O ’x ’ , O ’y ’分别与Ox ,Oy 平行。这时,O ‘y ’, O ‘ N 的夹角,它等于∠ONO ’ ,就是摆面转过的角度。∠ONO ’ =∠OCO ’ cos θ, 而∠OCO ’ =w △t (w 为地球自转的角速度,θ是纬度ψ的余角)。于是 Ω = ∠ONO ’ /△t = ωcos θ = ω sin ψ (4) 这个式子表明 , 在南北极处ψ= ±π/2 ,Ω=±ω ,则此处的科里奥利现像会最明显; 在赤道处ψ=0 ,Ω=0,这里傅科摆一般不会发生进动; 在北京,

图7:傅科摆受科里奥利力解释

图8:傅科摆摆面轨迹

图11: 傅科摆摆面进动角速度

ψ=40°,Ω=0.6427ω, T=2π/ω = 24 小时,则t = 2π/Ω =2π/0.6427Ω =( 1/0.6427)× 24小时 =37.34小时, 这和天文馆的傅科摆是一样的.

(四)生活中的科里奥利现象

下面介绍一些现实生活中受科里奥利力影响形成的现象:我国地处北半球,物体在地面上运动,受地转偏向力作用而自行向右偏转,这种现象在日常生活中还从来没有观察到。人在走路时,也从来不会不自觉地偏到右边去。这完全是因为地转偏向力很小,其效应被其他作用力的效应所掩盖。地转偏向力的效应只有在长时间累积的条件下,才容易察觉。试解释以下现象:

1.柏而定律:该定律是自然地理中一条著名的、从实际观察总结出来的规律,即北半球河流右岸比较陡削,南半球则左岸比较陡削。这可以由地转偏向力得到说明,北半球河水在地转偏向力作用下,对右央求冲刷甚于左岸,长期积累的结果,右岸比较陡峭。

2.大气环流:大气运动的能量来源于太阳辐射,气压梯度力是大气运动的源动力。全球共有赤道低压带,南、北半球纬度30°附近的副热带高压带,南、北半球纬度60°附近的副极地低压带,南、北半球的极地高压带等七个气压带。气压带之间在气压梯度力和地转偏向力的作用下形成了低纬环流圈、中纬环流圈和高纬环流圈。由于受地转偏向力的作用,南北向的气流却发生了东西向的偏转。北半球地面附近自北向南的气流,有朝西的偏向。在气压带之间形成了六个风带,即南、北半球的低纬信风带,南、北半球的中纬西风带,南、北半球的极地东风带。

3.气旋和反气旋:气旋与反气旋是大气中最常见的运动形式,也是影响天气变化的重要天气系统。在气压梯度力和地转偏向力的共同作用下,大气并不是径直对准低气压中心流动,也不是沿辐射方向从高气压中心流出。低气压的气流在北半球向右偏转成按逆时针方向流动的大旋涡,在南半球向左转成按顺时针方向流动的大旋涡,大气的这种流动很象江河海流中水的旋涡,所以又叫气旋。夏秋季节,在我国东南沿海经常出现的台风,就是热带气旋强烈发展的一种形式。高气压的气流在北半球按顺时针方向旋转流出,在南北半球按逆时针方向旋转流出,高气压的这种环

流系统叫反气旋。

4.傅科摆:地球的自转对单摆的运动也会产生影响,单摆的振动平

面将顺时针方向不断偏转。傅科1851年在巴黎的教堂第一次用摆长达

67m,摆球为直径略大于30m的铁球,质量为28kg,单摆振动时所画出

的随圆长轴等于3m,摆的振动周期为16s,而随圆旋转的周期则为32h。

在历史上,傅科以此第一次显示了地球的自转。

5.复线火车:我国地处北半球,火车在行驶中受地转偏向力作用,因而对右轨压力大于左轨压力,普通单轨铁路上经常有相反方向的火车行驶,其左右正好相反,结果两轨磨损差不多相同。由于受火车发展历史的影响,调度员用来指挥火车开、停、允许不允许进站等的行车信号都设在火车前进方向的左侧路边,因而复线火车都是靠左行。火车由于受到指向运动右侧的地转偏向力,而使复线铁路上靠左走的火车所受的地转偏向力均指向内侧。设一列火车质量为2000t,速度为20m/s,列车所在地点的纬度为45°,地转偏向力的水平分量大小: F C水平=2mVωsin45°=4.1×103N 这只相当于列车自重的万分之二,仅为列车所受阻力的百分之几。这样大小的力,其作用效果只能表现为右轨磨损较甚,而不会使复线上相向而行的两列火车相撞。

查阅资料出处:

1. 《新概念物理教程﹒力学》1995年7月版赵凯华罗蔚茵著高等教育出版社出版 2.《大学物理学﹒力学》2000年8月版张三慧著清华大学出版社

浅论科里奥利力与漩涡方向的关系

浅论科里奥利力与漩涡方向的关系 谷俊青PB05000805 如果大家把澡盆放满水后拔去塞子,仔细观察一下,也许会因为见到的结果各不相同而议论纷纷。但是在北半球,一般较多的是向左旋的情况。实际上,在水流出来的时候确实有一股想使它向左旋转的倾向或影响力,总之,在北半球,所有的澡盆里都存在着具有这样作用的自然力。(20世纪40年代科学家卡皮罗在每次实验后,把污水倒入水槽时发现在漏水口处形成的旋涡总按固定的方向旋转,这个现象引起了他的注意。于是在水流下时他故意用手指向相反方向搅动,但手离开后旋涡又恢复原来的旋转方向。这是否与漏水口的形状有关?于是他做了许多不同形状的漏水口,但试验结果总是相同。他对此困惑不解,于是他到世界各地去做同样的试验,使他大为惊奇的是在南半球水流漩涡的方向与北半球刚好相反,在北半球是逆时针的而在南半球是顺时针的,在赤道附近两种情况几乎各有一半。卡皮罗喜出望外,他终于找到了结论,在原漩涡的方向与在地球上所处位置有关。后来人们把这种现象称为卡皮罗现象。) 很容易的,我们想到了科里奥利力。地球的自转使得在北半球上的物体均受到它的向右作用,由于它的存在,北半球火车由南向北快速行驶时右边轨道上所受的压力要大些,由南向北的河流东岸受冲刷较厉害,而南半球恰恰相反。这些现象都可用科里奥利力来解释。 不妨设在地球的北半部存在一个盛满温度均匀的水(可以看作其不受热对流的影响)的较大容器,水处于对地球相对静止的状态,空气流动及其它干扰因素均忽略不计:取一小段离塞子(容器下部)最近的一小段水柱,可视其为质点。当塞子拔掉的瞬间,这段小水柱由于受液体压强的作用,从而有向下运动的趋势。 F分=mgcosθ; 从而北半球的物体受到向右的偏向力 该水柱受到与斜线方向垂直向右的偏向力:F偏=mrv*ω(此时v很小,接近于0);

浅谈科里奥利力在自然界和人类生活中的影响

浅谈科里奥利力在自然界和人类生活中的影响 摘要:分析了科里奥利力的产生原理,并给出其计算公式。举例说明了科里奥利力在自然界及人类生活中的影响。并与地质学专业相联系,说明科里奥利力在地质 作用中可能的影响。旨在引导人们了解科里奥利力,从而更好地将其应用到实 际的生活生产中去,并继续研究探索,发现更多的奥秘。 关键词:科里奥利力、惯性力、偏转 0 引言 地球是一个转动的参照系,在地球表面或内部以某一速度运动的物体,如果其运动 方向与地轴转动方向不平行,则会受到科里奥利力(简称“科氏力”)的作用。科里奥利力在自然界以及人们的生活中都有着重要的影响以及应用。了解其原理有助于我们更好地利用它或减小它带来的不利影响。 1 原理分析 科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性,在旋 转体系中进行直线运动的质点,由于惯性,有沿着原 有运动方向继续运动的趋势,但是由于体系本身是旋 转的,在经历了一段时间的运动之后,体系中质点的 位置会有所变化,而它原有的运动趋势的方向,如果 以旋转体系的视角去观察,就会发生一定程度的偏离。 运动物体在转动体系中受到的科里奥利力为:(示意图 如右) 其中为物体的质量,为小球相对于转动系的速度,为转盘旋转的角速度。 由于地球的旋转,在北半球物体运动会受到向右的科里奥利力,而在南半球则向左。 2 应用 不论是在自然界、生活中、或在军事等领域,科里奥利力在很多方面都扮演者重要的角色。 在自然界中:气流涡旋的形成便是空气在向气压中心运动时受到科里奥利力的作用偏离了直线运动轨迹,从而旋转着向低压中心运动,形成了涡旋。而在南北半球,由于受到科里奥利力作用方向不同,北半球是逆时针的,南半球则相反。在北半球河流由于受到科里奥利力的作用也会对右岸产生更强的侵蚀作用。 在生活中:由于科里奥利力的影响,北半球的双轨铁路由于右侧受到更大的压力,导致右轨的磨损程度明显大于左轨。同样,傅科摆也可以用科里奥利力来解释:傅科摆是科里奥利力在摆动中的表现。在北半球安置的傅科摆, 在每次摆动时均偏右, 致使摆动平面沿顺时针方向转动。在南半球则与之相反。 在军事中:由于竖直方向上的运动也会受到科里奥利力的作用,自由落体的物体落地点会偏东,而竖直上抛的物体则会偏西。因此在炮弹的投掷或发射中应当考虑到这一因素的影响。 次外,在地质构造运动中,科里奥利力也是有着一定影响的。例如:据前人研究,在断层错动中会产生科里奥利应力。而对于断层错动产生的科里奥利法向应力是否会影响到主震地震矩的释放,目前并没有定论。因此这也需要我们这些后继者继续努力,去做进一步的研究,发现更多的科学奥秘。

科里奥利力与季风气候

科里奥利力(地转偏向力) 定义:由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力。 是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性。 产生原因简述如下:物体为保持水平惯性运动,经纬网因随地球自转而产生相对加速度。 存在条件:非赤道地区对于地面拥有水平运动方向速度分量的物体大小: f=2mvωsinφ(后附证明) m为物体质量 f为地转偏向力的大小 v为物体的水平运动速度分量 ω为地球自转的角速度 sin是正弦函数 φ为物件所处的纬度 方向 垂直于物体速度的水平分量方向,北半球向右,南半球向左 物理学中的科里奥利力 在旋转体系中进行直线运动的质点,由于惯性,有沿著原有运动方向继续运动的趋势,但是由于体系本身是旋转的,在经历了一段时间的运动之后,体系中质点的位置会有所变化,而它原有的运动趋势的方向,如果以旋转体系的视角去观察,就会发生一定程度的偏离。 当一个质点相对于惯性系做直线运动时,相对于旋转体系,其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系,我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线,这个力就是科里奥利力。 科里奥利力实际上是不存在的,是由于人处在转动系中时所认为的匀速直线运动与惯性系中的匀速直线运动不同所致。对于转动系中的人来说,匀速直线运动是指物体相对于转盘的速度不变的运动。而对于在惯性系中的人来说,匀速直线运动是指相对地面速度不变的运动。于是可以通过按照两个参考系的匀速直线运动的标准分别计算极短时间dt内的位移,然后再在转动系中分析这两个位移的差异,进而求出科里奥利力。 关于科里奥利力的较严格的数学证明 首先将运动分为纬线(速度记为vx,正方向与地球自转方向相同)和经线(速度记为vy,正方向自南向北),并设地球半径为R,地球角速度为ω,物体质量为m,纬度为θ(北纬正值,南纬负值),一切计算忽略公转。 1.纬线方向 若物体静止,则其相对于太阳速度为v0=ω*R*cos θ……① 受向心力fn0=v0^2/(R*cos θ)*m……② 又此时相对地球静止,因此所受合力即为向心力fn0,该力与大地平行方向上的分力即为向心力在与大地平行方向上的分力,也即fn0*sin θ 当物体沿纬线方向以速度vx运动时,相对于太阳速度为v=vx+v0 受向心力fn'=(vx+v0)^2/(R*cos θ)*m……③ 此时所受地球的引力、支持力等合力在与大地平行方向上不变,仍为fn0*sin θ。但向心力已变为fn'*sin θ。 若以地球为非惯性参考系,则该物体受到惯性力:fn=fn'*sin θ-fn0*sin θ……④ 由①②③④得:fn=(2vx*v0+vx^2)/(R*cos θ)*m 又因为vx<

什么是科里奥利力

科里奥利力是在转动系统中出现的一种效应。法国工程师、数学家科里奥利(1792-1843)首先描述了这种力并用数学公式表示出来。当物体运动的参考系统为转动物体时(运动方向不沿转动轴),就出现科里奥利力。认识它对气象学、弹道学和海洋学的研究是极其重要的。科里奥利力的作用在生活中处处可见,自然界中人能接触到的科里奥利力表现在它决定风的方向以及飓风和龙卷风的旋转。地球是一个转动体系,它转动的角速度是不变的。但是地球各处运动的线速度因纬度高低而不同。因此,物体在地球上沿南北方向运动时就受到科里奥利力的作用。 换句话说,北(南)半球上的物体在沿经线运动时,就受到向右(左)的科里奥利力的作用,物体偏向东(西),因此,南北走向的河流东岸冲刷较多。 受河岸被冲刷的启发,有人建议采取适当的睡觉方式,使身体内的主要血管沿南北方向,血流就会增强对管壁的冲刷作用,使刚刚沉积在血管壁上的胆固醇被血流冲刷下来,这样就可以延缓血管的硬化,达到延年益寿的目的。 科里奥利曾任巴黎综合工科学校分析和力学副教授。1835年,在他发表的论文《论物系相对运动的方程组》中指出,在一个旋转面上,除了物体运动的通常效应外,还有与运动方向成直角的惯性力作用于物体。这种力作用的结果,是使物体本来应走的直线变成了曲线。第一次世界大战时,英德双方在福克兰群岛(约南纬50度)附近的海面上,展开了一场有名的海战。战斗的紧要关头,英军瞄准好的炮弹,像着了魔似的不可思议都落在离德国军舰左方约100码的地方。后经调查才发现,其原因就是英国在本土上校准大炮的瞄准器时,忽略了南北半球科里奥利力方向相反这一情况。 同是一战时期,德军用巨型加农炮在距巴黎70英里处轰击巴黎,如果用通常瞄准法,炮弹本该偏离目标1英里以上,但德军考虑了科里奥利力的作用,作了修正瞄准,结果炮弹准确地打到了巴黎市内。 在地球北半球出现低气压区时,周围高气压区的空气就会刮进来,使气压平衡。从南向北的方向的风,本应刮进低气压中心,可是由于科里奥利力的存在,风总是偏东,而从北向南的风又总是偏西,这样风不能直接刮进低气压中心,形成了台风眼,以台风眼为中心,风是逆时针方向刮。 一般南北方向的风都会受到科里奥利力的作用。从日本九州往西的帆船被风送往西南方向。因此,日本自古以来就和中国东南部、东南亚国家的贸易繁盛。在文化等方面深受中国和东南亚各国的影响,科里奥利力在这方面起了很大作用。 因重力而振动的振子,振动面不变。由于地球自转,摆的振动面会慢慢转动,这是科里奥利力在起作用。1851年法国科学家付科在巴黎大教堂穹顶下吊了一个重28公斤的铁球,悬挂的钢丝长67米,付科以此证明了地球的自转。这种摆被称为付科摆。 浴缸排水时,因受到科里奥利力的作用,水会发生旋转。北半球所有的浴缸排水时都是沿逆时针方向打旋。当然,很难使每次实验都达到预想的效果,因为普通浴缸不是为了显示科里奥利力而设计的。浴缸放水时打旋的方向还取决一些不可控制的因素。 一块石头从高塔上落下,不少人认为会垂直落地,其实不然,在北半球石头下落就相当于从南往北走,除了受重力作用,还要受到科里奥利力的作用。石头落下不是垂直而是偏向东方,有人计算过,从333米高塔落下的石头应该偏东10.5厘米左右。 伸开双臂作旋转运动的滑冰表演者,突然手臂一收拢,旋转就加快了。原来当伸开旋转的手臂收拢时,就好像在地球上从南向北走一样,受到了科里奥利力的作用,因此,旋转加快了。以上是部分有关科里奥利力的作用的例子,如果你留心,还能发现更多。

浅谈地转偏向力的影响

浅谈地转偏向力的影响 黄琪1142041084 生命科学学院2011级生态专业 摘要:水平地转偏向力亦称地偏力,因为地球自转而产生的以地球经纬网为参照系的力。地转偏向是科氏力(科里奥利力)在沿地球表面方向的一个分力。对于自然界和人们的生活有着潜移默化的影响,从气流洋流的流向,到皮鞋的磨损都与地转偏向力有关。 关键词:地转偏向力北半球大气运动手性植物洋流冲积平原 1.地转偏向力简介 由于地球自转而产生作用于运动物体的力,称为地转偏向力,简称偏向力。它只在物体相对于地面有运动时才产生(实际不存在),只能改变水平运动物体运动的方向,不能改变物体运动的速率。地转偏向力可分解为水平地转偏向力和垂直地转偏向力两个分量。由于赤道上地平面绕着平行于该平面的轴旋转,空气相对于地平面作水平运动产生的地转偏向力位于与地平面垂直的平面内,故只有垂直地转偏向力,而无水平地转偏向力。由于极地地平面绕着垂直于该平面的轴旋转,空气相对于地平面作水平运动产生的地转偏向力位于与转动轴相垂直的同一水平面上,故只有水平地转偏向力,而无垂直地转偏向力。在赤道与极地之间的各纬度上,地平面绕着平行于地轴的轴旋转,轴与水平面有一定交角,既有绕平行于地平面旋转的分量,又有绕垂直于地平面旋转的分量,故既有垂直地转偏向力,也有水平地转偏向力。 2.产生的原因及计算方式 2.1产生原因

George-Gate的《定性分析地转偏向力》一文从科里奥利力的角度分析得出:对于水平运动的物体,在北半球,其所受的地转偏向力指向运动方向的右手边,在南半球,地转偏向力指向运动方向的左手边;对于在竖直方向运动的物体,无论在哪个半球,若物体竖直向上运动,则地转偏向力指向正西方,若物体竖直向下运动,则地转偏向力指向正东方。对于一个作一般运动的物体,可将其速度分解成竖直方向和水平方向两个分量,分别求出两分速度对应的地转偏向力后对两力求矢量和。 由于除南北两极外,各纬度的角速度都一样,从北向南飞的时候,南边的圈大,即越向南纬线越长,所以线速度大,所以在北边的时候具有的一个小的线速度与南边的线速度相比就显的慢了,所以其就由于惯性表现出往右偏。向北也一样,由快的地方到慢的地方,速度“超前”了,前进方向上也就向右偏了。 沿纬线向东西方向飞(这里要分两种情况讨论,1:由西向东,2:由东向西),这时候由于万有引力的方向指向地心,而纬圈转的方向指向的圆心并不是地心,所以由于这个角度,万有引力不能完全提供你围着纬线的圆心转的那个向心力,所以一综合:情况1下:严格按照纬度方向运动的物体会向赤道方向受到一个重力的分力。情况2中:严格按照纬度方向运动的物体同样会受到向着赤道的分力。这种情况2不符合所谓的北半球都向右偏离。个人认为:由于无法做到完全按纬度,实际情况中,所有运动肯定与纬线方向有夹角,一旦有夹角,就可以直接看南北方向的分量,而这一分量会向右偏。 赤道不受地转偏向力正是因为地心正好就是纬圈旋转的圆心,二者重合了,正好重力可以抵消掉向外的力。最后,南北两极地转偏向力最大。

谈谈科里奥利力的影响

谈谈科里奥利力的影响 摘要相对于地球运动的物体会受到科里奥利力的作用, 本文对地球上物体受科里奥利力影响的各种现象加以描述。包括水平运动物体的偏转,落体偏东,傅科摆和对分子光谱的影响。 关键词科里奥利力,水平运动物体的偏转,落体偏东,傅科摆,分子光谱 一引言 在地球上, 相对于地球运动的物体(运动方向平行于地轴时除外) 会受到一种惯性力的作用, 这种惯性力是以首先研究它的法国数学家科里奥利的名字命名的, 叫做科里奥利力,由于科里奥利力垂直于物体的运动方向, 所以不能影响物体运动速度的大小, 但它可以改变物体的运动方向。 科里奥利力的计算公式如下: F=2mv×ω F=-2mω×v.(from Wiki) 式中F为科里奥利力;m为质点的质量;v为质点的运动速度;ω为旋转体系的角速度;×表示两个向量的外积符号。 二科里奥利力的影响 (一)水平运动物体的偏转 地球上一切运动的物体, 如气流、海洋、河流、交通工具及飞行物等, 除了运动方向平行于地轴外,都要受到科里奥利力的作用.如将科里奥利力分解成竖直方向和水平方向的两 个力,则垂直分力使运动物体的重力略有改变(增加或减少) , 水平分力可能使物体运动方 向发生变化(北半球偏右, 南半球偏左, 赤道上不偏) .地球上高、中、低纬度的三圈大气环流、洋流系统的形成, 气旋与反气旋的旋转, 大河两岸的不对称, 都同地转偏向力的作用有关. 它们既是地球自转的后果, 也是地球自转的证据. (二)落体偏东 落体偏东(或抛体偏西) 是科里奥利力对沿垂直方向运动物体作用的结果。落体偏东的数值以赤道最大, 向两极减小至0. 总的说来, 数值都很小. 例如, 在纬度400 的地方, 在 离地面200 m 高处自由下落的物体, 偏东的数值约为4175 cm , 加上其它因素(如风) 的干扰, 难于察觉。在很深的矿井中所做的落体实验, 除赤道上证明是偏东外, 在北南半球由于地球自转惯性离心力的影响, 分别是偏东略南和偏东略北. (三)傅科摆 傅科摆是科里奥利力在摆动中的表现. 在北半球安置的傅科摆, 在每次摆动时均偏右, 致使摆动平面沿顺时针方向转动. 在南半球安置的傅科摆, 在每次摆动时均偏左, 致使摆 动平面沿逆时针方向转动. (四)对分子光谱的影响 科里奥利力会对分子的振动转动光谱产生影响。分子的振动可以看作质点的直线运动,分子整体的转动会对振动产生影响,从而使得原本相互独立的振动和转动之间产生耦合,另外由于科里奥利力的存在,原本相互独立的振动模之间也会发生能量的沟通,这种能量的沟通会对分子的红外光谱和拉曼光谱行为产生影响。 三小结 目前对科里奥利力的研究已基本有了定论, 其产生的原因、大小、方向及其性质都已基本没有争议,科里奥利效应是自然界非常重要的一种效应,在人类生产生活中有着重要应用。 参考文献 [1]吴新华,李宏伟.浅谈科里奥利力的影响及应用.河北北方学院学报(自然科学版) [J] .2008 .2:36~38.

下面用科里奥利力向大家详细介绍一下有关傅科摆的问题

科里奥利现象和傅科摆小论文 小论文人员分配: 组长:耿蕾 主讲:耿蕾 查资料:杜欣赵华鞠大升 写论文:鞠大升赵华杜欣耿蕾 我们生活在一个物质的世界,人类从古至今在不停地对身边的一切进行探索,从小的现象得到启发,进而上升到理论,直至推动整个社会的发展。 科里奥利现象和科里奥利力是常常发生在我们的事, 傅科摆是科里奥利力的一个重要应用。 (一)科里奥利现象和科里奥利力 我们现在从一个简单的例子说起。如图1.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V A和V B,童A以相对于圆盘的速度V’沿半径 方向向童B抛出一球。如果圆盘是静止的,则经过一段 时间△t=(V A-V B)/V’后,球会到达童B,但结果是球 图1:水平转盘 到达了童B转动的前方一点B’,对这个现象可如下分析, 由于圆盘在转动,故球离开童A的手时,除了具有径向速度V’外,还具有切向速度V tA,而童B 的切向速度为V tB,由于童B的位置靠近圆心,所以V tA>V tB,在垂直于AB的方向上,球运动得比B远些。这是在盘外不转动的惯性系观察到的情形。 对于以圆盘为参考系的B,他只看到A以初速度向他抛来一球,但球并未沿直线到达他,而是向球球运动的前方的右侧偏去了,这一结果的分析发现,地球在具有径向初速度V’的同时,还具有了垂直于这一方向而向右的加速度a’,应用牛顿第二定律对于加速度的解释,既然球出手后在水平方向上没有受到“真实力”的作用,那么球一定受到了一个垂直于速度V’而向右的惯性力Fc。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)的加速现象中科里奥利效应,产生此效应的虚拟的惯性力叫科里奥利力。 利用此例可导出科里奥利力的定量公式。以转动系为参考系,球从A到达B’的时间是△t’=(V A-V B)/V’。在△t’时间内球偏离AB的距离BB’=(V tA-V tB)△t’=ω(V A-V B)△t’= V’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为0,以a’表示以加速度应用BB’=1/2 a’(△t’)2,与上一结果比较可得:a’=2V’ω。在此转动参考系内形式地应用牛顿第二定律,可得科里奥利力大小为F C=ma’=2m V’ω。在此例中,圆盘沿逆时针方向转动,科里奥利力方向指向质点运动的右方。同理,如果圆盘沿顺时针方向转动,则科里奥利力的方向指向质点运动的左方。 一般地可以证明,当质量为m的质点相对于转动参考系(角速度矢量为ω)的速度为V时,则在转动参考系内观察到的科里奥利力为 Fc=2m V ×ω。(1) 转动参考系上物体运动时受另一种惯性力(科里奥利力)的作用现象是法国一位工程师和物理学家科里奥利发现的。我们的地球就是一个转动参考系,所以在地面上运动的物体一般都受科里奥利力的作用。1851年,法国科学家傅科做了一个著名的实验,他从巴黎葬院的穹顶上悬挂了一副67米长的绳索,下面吊着一个28公斤重的摆锤。随着每一次摆动,地上巨大的沙盘便留下摆

地转偏向力

地转偏向力 地转偏向力 水平地转偏向力亦称地偏力,因为地球自转而产生的以地球经纬网为参照系的力。地转偏向是科氏力(科里奥利力)在沿地球表面方向的一个分力。是常被引入的第3类惯性力,前两类为平动惯性力和惯性离心力,当物体相对做匀速圆周的参考系有速度时,引入此力,由于比较复杂,很少被讲到,所以经常被人遗忘,表达式为f=2mvωsinφ 概述 由于地球自转而产生作用于运动空气的力,称为地转偏向力,简称偏向力。它只在物体相对于地面有运动时才产生(实际不存在),只能改变(水平运动)物体运动的方向,不能改变物体运动的速率。地转偏向力可分解为水平地转偏向力和垂直地转偏向力两个分量。由于赤道上地平面绕着平行于该平面的轴旋转,

地转偏向力 空气相对于地平面作水平运动产生的地转偏向力位于与地平面垂直的平面内,故只有垂直地转偏向力,而无水平地转偏向力。由于极地地平面绕着垂直于该平面的轴旋转,空气相对于地平面作水平运动产生的地转偏向力位于与转动轴相垂直的同一水平面上,故只有水平地转偏向力,而无垂直地转偏向力。在赤道与极地之间的各纬度上,地平面绕着平行于地轴的轴旋转,轴与水平面有一定交角,既有绕平行于地平面旋转的分量,又有绕垂直于地平面旋转的分量,故既有垂直地转偏向力,也有水平地转偏向力。产生原因 原因简述如下:物体为保持水平惯性运动,经纬网因随地球自转而产生相对加速度。 下面是“算如流”给出的通俗解释 地转偏向力

首先要说明的是,地转偏向力向右是在北半球,在南半球则都向左,当然这些向右向左都是相对于前进方向来说的,下面说的都是北半球的情况。 1.由于各纬度的角速度都一样,从北向南飞的时候,南边的圈大,所以线速度大,所以在北边的时候具有的一个小的线速度与南边的线速度相比就显的慢了,所以其就由于惯性表现出往右偏。向北也一样,由快的地方到慢的地方,速度‘超前’了,前进方向上也就向右偏了。 2.沿纬线向东西方向飞,这时候由于重力的方向指向地心,而纬圈转的方向指向的圆心并不是地心,你可以好好想想,所以由于这个角度,向心力不能完全抵消你围着纬线的圆心转的那个离心力,所以一综合,也会往右偏。 3.赤道不受地转偏向力正是因为地心正好就是纬圈旋转的圆心,二者重合了,正好重力可以抵消掉向外的力。最后,南北两极地转偏向力最大科里奥利效应 简述 当空气环绕着旋转的地球表面远距离移动时,它最初的向东的动量在地表开始改变。我们知道,地球是由西向东旋转的,赤道地区旋转的线速度最大,随着纬度越高,线速度越来越小,到了极点减为零。设想空气从低纬度地区移向北极:在最初,空气是具有与源地相同的向东速度的;当空气接近极点时,在那儿的地球转动为零,而这股空气却继续保持着它原来的向东的动量(假设没有因为摩擦而耗损的话),于是它会相对于目的

科氏力公式推导

科氏力成因:非惯性系坐标系统下产生的附加作用力。 如图所示, 设在距圆心为r 的时刻,径向速度为v 沿Y 轴正向,切向速度为r ω沿轴X 正向。此时, X 轴的速度为0x v =r ω, Y 轴的速度为0y v v =, 则经历短暂时间dt 后,转盘转动角度=t θω, X 轴的速度为x v =()()()sin cos v dt r vdt dt ωωω++, Y 轴的速度为 ()()()cos sin y v v dt r vdt dt ωωω=++, 方法一:因为dt 是极小量,故()sin dt dt ωω=,()cos 1dt ω=,上两式变为 X 轴的速度为x v =()v dt r vdt ωω++, Y 轴的速度为()y v v r vdt dt ωω= ++, 故有 X 轴加速度为()02x x x v dt r vdt r v v a v dt dt ωωωω++??===, Y 轴加速度为()()0222y y y v v v r vdt dt v a r vdt r O dt dt dt ωωωωω?++?===+=+。

方法二:直接求极限, X 轴加速度为()()()00 0sin cos 2lim lim x x x dt dt v dt r vdt dt r v v a v dt dt ωωωωω→→++??===, Y 轴加速度为()()()0200cos sin lim lim y y y dt dt v v v dt r vdt dt a r dt dt ωωωω→→?++= ==。 切向加速度x a 即为科氏加速度,柯氏力2F m v ω=,当转动角速度矢量ω与质点线速度v 不垂直时,应将速度v 往垂直于ω的方向作投影,设夹角,v ωθ→→=,投影量为sin v θ,此时科氏力为2sin 2F m v m v ωθω→→==×切, 此外仍有径向向心加速度2y a r ω=,向心力2F m r ω=向。

科里奥利效应

Coriolis effect Figure 1: In the inertial frame of reference (upper part of the picture), the black object moves in a straight line, without significant friction with the disc. However, the observer (red dot) who is standing in the rotating (non-inertial) frame of reference (lower part of the picture) sees the object as following a curved path due to the Coriolis and centrifugal forces present in this frame. In physics, the Coriolis effect is a deflection of moving objects when they are viewed in a rotating reference frame. In a reference frame with clockwise rotation, the deflection is to the left of the motion of the object; in one with counter-clockwise rotation, the deflection is to the right. The mathematical expression for the Coriolis force appeared in an 1835 paper by French scientist Gaspard-Gustave Coriolis, in connection with the theory of water wheels, and also in the tidal equations of Pierre-Simon Laplace in 1778. And even earlier, Italian scientists Giovanni Battista Riccioli and his assistant Francesco Maria Grimaldi described the effect in connection with artillery in the 1651 Almagestum Novum, writing that rotation of the Earth should cause a cannon ball fired to the north to deflect to the east.[1] Early in the 20th century, the term Coriolis force began to be used in connection with meteorology. Newton's laws of motion govern the motion of an object in a (non-accelerating) inertial frame of reference. When Newton's laws are transformed to a uniformly rotating frame of reference, the Coriolis and centrifugal forces appear. Both forces are proportional to the mass of the object. The Coriolis force is proportional to the rotation rate and the centrifugal force is proportional to its square. The Coriolis force acts in a direction perpendicular to the rotation axis and to the velocity of the body in the rotating frame and is proportional to the object's speed in the rotating frame. The centrifugal force acts outwards in the radial direction and is proportional to the distance of the body from the axis of the rotating frame. These additional forces are termed either inertial forces, fictitious forces or pseudo forces.[2] They allow the application of Newton's laws

科里奥利力

匀速转动系统中科里奥利力的推导 建立如上图所示的转动系统。记静止坐标系为参照系S ,转动坐标系xoy 为转动参照系S ’。两个参照系有共同的轴ok ,且xoy 坐标系作匀速圆周运动,角速度为。 假设有一个点P (质量为m )在运动,其相对o 的位移为??r xi yj =+ 。这里需要注 意,xoy 坐标系是转动的,也就是说?i 和?j 是岁时间改变的:???di i j dt ω== ,???dj j i dt ω==- 。 现在,我们就可以通过对r 求两次导来求得质点P 的加速度了: ??()????dr d xi yj v xi yj x j y i dt dt ωω+===++- 222??????????????()()2()dv a xi x j yj y i x j x i y i y j dt xi yj yj xi xj yi ωωωωωωωω==++-+---=+-++- 上式中分三项,(1)x 和y 是P 相对转动参照系S ’的轴向加速度,合计为??a xi yj '=+ ,称 为相对加速度;(2)2??()yj xi ω-+=2r ω-? ,沿径矢r 指向o ,是由于xoy 系绕轴转动以角 速度ω转动引起的,称为向心加速度;(3)??2()xj yi ω- = 2v ω'-? ,由xoy 系统转动的角速度ω (=?k ω)和P 在xoy 中运动的速度v ' (=??xi yj + )共同决定,方向垂直于ω 和v ' 所决 定的平面,2v ω'-? 称为科里奥利加速度,相应的有科里奥利力为 2mv ω'? 。

注:如果xoy坐标系是作变加速圆周运动,则在计算结果中会出现包含 d dt ω ω= 的项,这一 下称为切向加速度(这里不做详细推导)。

科里奥利力及其应用

科里奥利力 1 引言 科里奥利力(Coriolis force),简称为科氏力,是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力是以牛顿力学为基础的。1835年,法国气象学家和工程师科里奥利(Gaspard-Gustave Coriolis)提出,为了描述旋转体系的运动,需要在运动方程中引入一个假想的力,这就是科里奥利力。引入科里奥利力之后,人们可以像处理惯性系中的运动方程一样简单地处理旋转体系中的运动方程,大大简化了旋转体系的处理方式。由于人类生活的地球本身就是一个巨大的旋转体系,因而科里奥利力很快在流体运动领域取得了成功的应用。 2 物理学中的科氏力 科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性,在旋转体 系中进行直线运动的质点,由于惯性的作用,有沿着原有 运动方向继续运动的趋势,但是由于体系本身是旋转的, 在经历了一段时间的运动之后,体系中质点的位置会有所 变化,而它原有的运动趋势的方向,如果以旋转体系的视 角去观察,就会发生一定程度的偏离。如右图1所示,当 一个质点相对于惯性系做直线运动时,相对于旋转体系, 其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系,我们认为有一个力 驱使质点运动轨迹形成曲线,这个力就是科里奥利力。 根据牛顿力学的理论,以旋转体系为参照系,这种质点的直线运动偏离原有方向的倾向被归结为一个外加力的作用,这就是科里奥利力。从物理学的角度考虑,科里奥利力与离心力性质相似,都不是真实存在的力,而是惯性作用在非惯性系内的体现。科里奥利力的计算公式如下: F c=?2mω×v 式中F c为科里奥利力;m为质点的质量;v为质点的运动速度;ω为旋转体系的角速度;×表示两个向量的外积符号。 特殊的是,在地球上,拥有水平于地面方向运动分量的物体受里奥利力大小为:F=2mvωsin? 式中F为地转偏向力的大小;m为物体质量;v为物体 的水平运动速度分量;ω为地球自转的角速度;?为物 件所处的纬度。受力方向北半球向物体运动的右侧,南 半球向物体运动的左侧。 3 生活中的科氏力 3.1 柏而定律 该定律是自然地理中一条从实际观察总结出来的著 名规律,即北半球河流右岸比较陡削,南半球则左岸比

高考必考的地理效应

常见的地理效应 城市热岛效应 人类很早以前就发现城市的大气环境与乡村及山区具有不同的特点。英国人Lake Howard于1833年第一次对伦敦城市中心的温度比郊区高的现象进行文字记载, Manley于1958年首次提出城市热岛(Urban Heat Island,UHI)的概念。 1.表现: 城市发展到一定规模,城市气温比郊区气温高的现象。城市热

岛是以市中心为热岛中心,有一股较强的暖气流在此上升,而郊区上空为相对冷的空气下沉,形成了市区、郊区之间的热力环流。 2.形成原因 (1)热量集聚:现代化大城市中,工业生产、生活、交通产生大量废热; (2)下垫面:城市中建筑群密集,沥青和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更小的比热容(可吸收更多的热量),且反射率小,吸收率大,使得城市白天吸收储存太阳能比郊区多,夜晚城市降温缓慢仍比郊区气温高。 3.影响 (1)污染 由于热岛中心形成一个低压旋涡,造成人们生活、工业生产、交通工具运转中燃烧石化燃料而形成的硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、碳氢化合物等大气污染物质在热岛中心区域聚集,危害健康。 (2)健康 长期生活在热岛中心的人们会表现为情绪烦躁不安、精神萎靡、忧郁压抑、记忆力下降、失眠、食欲减退、消化不良、溃疡增多、胃肠疾病复发等。 (3)能源 高温天气下的热岛效应,人们使用空调、电扇等电器频次高,

消耗大量电力,增加用电负荷,同时产生更多的废热增强热岛效应。 4. 一般规律 (1)时间变化热岛强度有明显的日变化和季节变化。日变化表现为夜晚强、白天弱,最大值出现在晴朗无风的夜晚。 城市热岛的水平分布表现在热岛出现在人口密集,建筑物密度大,工商业最集中的地区,而郊区植被覆盖率高,或农田密布,热岛强度小。 (2)空间分布热岛的空间分布因高度的不同而有所差别。 表现在白天城郊差别不明显;夜晚城郊热岛强度差别大,且强度的这种差别随高度的升高而下降,到一定的高度还会出现“交叉”现象。 5.措施 绿化 (1)建设选择高效美观的绿化形式、包括街心公园、屋顶绿化和墙壁垂直绿化及水景设置,可有效地降低热岛效应,获得清新宜人的室内外环境。 建设若干条林荫大道,使其构成城区的带状绿色通道,逐步形成以绿色为隔离带的城区组团布局,减弱热岛效应 (2)行政居住区的绿化管理要建立绿化与环境相结合的管理机制并且建立相关的地方性行政法规,以保证绿化用地。 (3)规划要统筹规划公路、高空走廊和街道废热、温室气体

浅谈科里奥利力的影响及应用

第24卷第1期 2008年2月河北北方学院学报(自然科学版)Journal of H ebei No rth University (N atural Science Edition)V ol 24N o 1Feb 2008 来稿日期:20071127 基金项目:滨州学院资助项目(BZXYZDXK200610) 作者简介:吴新华(1979 ),男,山东泰安人,滨州学院物理与电子科学系,硕士. 浅谈科里奥利力的影响及应用 吴新华1,李宏伟2 (1 滨州学院物理与电子科学系,山东滨州256600;2 滨州学院教务处,山东滨州256600) 摘要:相对于地球运动的物体会受到科里奥利力的作用,对地球上物体受科里奥利力影响的3种主要的表 现形式 水平运动物体的偏转、落体偏东问题和傅科摆,以及科里奥利力的应用(主要是科氏质量流量计) 进行了论述和探讨,并对其应用前景进行展望.其中主要是利用非惯性系下的求解动力学问题的方法推出了落 体偏东的具体数值. 关键词:科里奥利力;落体偏东;傅科摆;质量流量计 中图分类号:O 313 文献标识码:A 文章编号:1673 1492(2008)01 0036 03 在地球上,相对于地球运动的物体(运动方向平行于地轴时除外)会受到一种惯性力的作用,这种惯性力是以首先研究它的法国数学家科里奥利的名字命名的,叫做科里奥利力 [1~2].由于科里奥利力垂直于物体的运动方向,所以不能影响物体运动速度的大小,但它可以改变物体的运动方向,本文主要论述和 讨论了受科里奥利力影响的3种表现形式和它的实际应用.1 科里奥利力的影响 通过定性或定量来研究科里奥利力的影响,下面对受科里奥利力影响的3种表现形式 水平运动物体的偏转、落体偏东和傅科摆进行论述. 1 1 水平运动物体的偏转 地球上一切运动的物体,如气流、海洋、河流、交通工具及飞行物等,除了运动方向平行于地轴外,都要受到科里奥利力的作用. 如将科里奥利力分解成竖直方向和水平方向的两个力,则垂直分力使运动物体的重力略有改变(增加或减少),水平分力可能使物体运动方向发生变化(北半球偏右,南半球偏左,赤道上不偏).人们可以假定自己位于地球之外,以惯性系作为参考,来研究地球上运动物体的方向偏转.不过此时便不存在科里奥利力这样的惯性力了.由于物体同时参与两种运动(相对与地球的运动和随地球的转动),按照运动合成的观点,物体偏离一种运动的目标便是自然的事情了. 地球上高、中、低纬度的三圈大气环流、洋流系统的形成,气旋与反气旋的旋转,大河两岸的不对称,都同地转偏向力的作用有关.它们既是地球自转的后果,也是地球自转的证据. 1 2 落体偏东 落体偏东(或抛体偏西)是科里奥利力对沿垂直方向运动物体作用的结果。落体偏东的数值以赤道最大,向两极减小至0.总的说来,数值都很小.例如,在纬度400的地方,在离地面200m 高处自由下落的物体,偏东的数值约为4 75cm ,加上其它因素(如风)的干扰,难于察觉。在很深的矿井中所做的落体实验,除赤道上证明是偏东外,在北南半球由于地球自转惯性离心力的影响,分别是偏东略南和偏东略北. 对于不参与地球自转的外观测者,可用地球自转在不同纬度上线速度的不同来解释落体偏东现象,不 36

科里奥利效应

科里奥利力的有关现象 摘要:生活中的一些小现象,只要善于探索,就能得到启发,甚至上升到理论,如科里奥利效应。科里奥利力在我们的课本中没有出现,但是作为一个极其重要的物理现象,我们有必要了解科里奥利力在生活中的一些现象,以此来丰富我们对自然的认识。本文着重从生活中的现象入手,简单解释了科里奥利效应产生的原因,并列举了常见的科里奥利现象。希望对大家有所帮助。 正文: 首先从一个老师上课讲过的小例子说起。生活中如果你从桥的一头走到另一头,或者在直线行驶的汽车内从车尾走到车头,你将不会有任何困难。但是,如果你在一个不同部分以不同的速度运动的物体上行走时,那么,情况就大不一样了:假定有一个旋转台或者任何一个绕其中心旋转的平台,整个平台的整体在旋转。很显然,我们知道越靠近圆心,线速度越小;越靠近边缘,线速度越大。 我们回到老师举得例子:假定你站在中心附近的那个点上,想要直接从中心出发的一条直线上走向靠近外缘的那个点。在中心附近的出发点上,你取得了该点的速度,缓慢地运动。当你向外走时,惯性效应使你保持缓慢运动,不过,当你越往外走的时候,你脚下的台面转动得越快:你本身的慢速和台面的快速的结合,使你觉得你在被推向与旋转运动相反的那个方向去。如果旋转台是在反时针方向转动,你就会发现,当你向外走时,你的路线越来越明显地顺时针方向弯曲。 反之,如果你从靠近外缘的一点出发向内行进,你就会保持着出发点的快速运动,但你脚下的台面运动得越来越慢。因此,你会觉得你在旋转方向上被越推越远。如果旋转台是反时针方向运动,那么,你的路线会再次越来越明显地顺时针方向弯曲。科学家甚至做过一个小实验:如果你从靠近中心的一点出发,向靠近外缘的一点走去,然后回头向靠近中心的一点走去,而且沿着阻力最小的路径前进,你就会发现,你走的路径大体上是一个圆形。 法国物理学家科里奥利于1835年第一次详细地研究了这种现象,因此这种现象称为“科里奥利效应”。有时也把它称为“科里奥利力”,但它并不真是一种力,它只不过是惯性的一种作用效果。 科里奥利效应对质量大的物体作用尤其明显。在日常生活中最重大的意义,是同旋转着的地球有关。地球是绕着地轴旋转的,从赤道向南北两极运动的过程中,由于半径变小,从而使地表的线速度变小。试想:从热带向北流动的一阵风或一股海流,起初随着地球的旋转,从西向东转动得非常快。当它向北流动时,它保持着它的速度,而地表的运动速度却越来越小。因此,风或海流就会超过地表,并且越来越向东沿着曲线前进。最后,风或海流就在北半球顺时针方向划一个大圆圈(这也正是北半球的台风总是呈现一个逆时针的旋转方向),而在南半球则反时针方向划一个大圆圈。正是这种造成曲线运动的科里奥利效应,在更加集中(因而更加有力)时,就会形成飓风,如果还要更加集中和更加有力,就会形成龙卷风。

对科氏力与科氏加速度的理解(WLEI)

对科氏力与科氏加速度的理解 从字面意思来看,一般人很容易认为科氏力是导致科氏加速度的原因,然而这却是一个十分错误的理解。实际上科氏力与科氏加速度本质上是没有联系的,如果硬说有联系,也无非是二者的方向恰好相反而已。下面我将对这两个概念进行具体阐述。 科氏力:科氏力是一种本质上不存在的力,就像离心力一样,没有施力物体。它的提出主要是为了说明一种运动现象,以便于对该运动进行分析和计算。那么科氏力要说明的一种运动现象是什么样的呢?假设一个旋转的圆盘在做定轴转动,圆盘上的一个小球在惯性空间中作直线运动,那么小球的运动相对于圆盘坐标系就是在做曲线运动,则在圆盘坐标系里为了解释这种曲线运动是如何产生的,于是便引入了科氏力的概念。 设小球的质量为m ,惯性空间速度为V ,圆盘转速为ω,则科氏力可表示为 =2()F m V ω??科 括号内表示V 与ω的矢量积,方向按右手坐标系判定。 科氏加速度:科氏加速度是由于作直线运动的物体同时又做牵连的旋转运动而产生的。科氏加速度本质上也没有施力物体,引入科氏加速度主要是为了解释在惯性空间坐标系里的物体运动方向和大小发生改变的现象。设物体相对于旋转体运动速度为r V ,牵连转速为ω,那 么科氏加速度可表示为 =2r a V ω?科,方向按右手坐标系判定。 科氏力与科氏加速度的区别: (1) 二者适用的坐标系不同:科氏力适用于旋转体坐标系,而科氏加速度适用于惯性空 间坐标系。 (2) 二者所用变量不同:科氏力公式中的线速度V ,是相对于惯性空间坐标系的;而科 氏加速度公式中的r V ,是相对于旋转体坐标系的。 (3) 二者的公式中矢量积的两个变量的位置是相反的,故导致了方向的相反。 相关物理现象分析: 1)、北半球河流的右岸比左岸侵蚀的严重: 由于地球本身自转,故其就类似于一个旋转体,河流中河水类似于旋转体上小球。在旋转坐标系中,采取科氏力的概念,由于地球是两极略扁的球体,故在北半球可近似认为旋转角速度方向指向天空,根据右手定则,科氏力的方向总在河流流向的右侧,即在科氏力的作用下,河水对右岸的冲击力比左岸的大,所以北半球河流右岸侵蚀严重。 同理,南半球由于旋转方向反向,所以河流左岸比右岸的侵蚀情况严重。 2)北半球大气涡流逆时针旋转: 气象图中大气涡流都是由气象卫星在太空拍摄的,立足于惯性空间坐标系,故此处引入科氏加速度概念。根据科氏加速度的公式,根据右手定则,大气在流动时相对于惯性空间总会向左侧偏移,于是小范围持续的左侧偏移便成了逆时针旋转。 同理,南半球大气漩涡按顺时针旋转。

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