6.科里奥利力演示仪

科里奥利力演示仪

【仪器介绍】

如图6-1所示，科里奥利力演示仪由底座、

转盘、飞轮、塑料串珠等构成。 【操作与现象】

一手握住底座上方的转盘，使传盘固定，另

一手驱动飞轮，使飞轮绕水平自转轴转动，可以

观察到飞轮边缘上的塑料串珠都在同一竖直平

面内作圆周运动，呈一朵花的形状。

飞轮绕自转轴转动的同时，驱动转盘使飞轮

绕转盘支承轴转动，可以观察到塑料串珠构成的

花的形状发生了改变，串珠产生了向竖直转动平

面内或外的偏移，一眼望去，串珠的边缘似乎起

了波浪。 【原理解析】

塑料串珠发生偏移的原因，是因为受到了科里奥利力的作用。科里奥利力是由法国气象学家科里奥利在1835年提出的，是为了描述非惯性系（旋转体系）的运动而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非惯性系（旋转体系）中的运动方程，大大简化了非惯性系的处理方式。 科里奥利力：ω ⨯=v m f 2 （6-1）

式中f 就为科里奥利力，v 为质点相对非惯性系

（旋转体系）运动的线速度，ω 为质点绕垂直轴转动的角速度。f 的方向可由右手螺旋法则来判

断。

取四个特殊位置（上、下、左、右）的珠子

来判断串珠的运动变化。假设转盘是逆时针转动，

即非惯性系的转动角速度ω 的方向竖直向上，若

飞轮绕自转轴在纸平面内的转动也是逆时针的，

此时四个位置上的珠子相对于飞轮（非惯性系）

的线速度v

如图6-2所示，则可以判断出：左、右

两颗珠子所受的科里奥利力为零；上面的珠子受到的科里奥利力为ωmv f 2=，方向垂直纸面向内（如图6-2所示），从而该位置上的串珠向内偏移；下面的珠子也受到同样大小的科里奥利力，方向却是垂直纸面向外图6-1 科里奥利力演示仪

（如图6-2所示），从而该位置上的串珠向外偏移。

【知识拓展】

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。通常情况下，科里奥利力是一个比较微弱的力，只有物体相对地球的运动速度比较大、时间比较长时，科里奥利力的作用效果才比较显著。

科里奥利力产生的影响总结如下：

1 、在地球科学领域

由于自转的存在，地球并非一个惯性系，而是一个转动参照系，因而地面上质点的运动会受到科里奥利力的影响。地球科学领域中的地转偏向力就是科里奥利力在沿地球表面方向的一个分力。地转偏向力有助于解释一些地理现象，如河道的一边往往比另一边冲刷得更厉害。

2、傅科摆

摆动可以看作一种往复的直线运动，在地球上的摆动会受到地球自转的影响。只要摆面方向与地球自转的角速度方向存在一定的夹角，摆面就会受到科里奥利力的影响，而产生一个与地球自转方向相反的扭矩，从而使得摆面发生转动。1851年法国物理学家傅科预言了这种现象的存在，并且以实验证明了这种现象，他用一根长67米的钢丝绳和一枚27千克的金属球组成一个单摆，在摆垂下镶嵌了一个指针，将这个巨大的单摆悬挂在教堂穹顶之上，实验证实了在北半球摆面会缓缓向右旋转（傅科摆随地球自转）。由于傅科首先提出并完成了这一实验，因而实验被命名为傅科摆实验。

3、信风与季风

地球表面不同纬度的地区接受阳光照射的量不同，从而影响大气的流动，在地球表面延纬度方向形成了一系列气压带，如所谓“极地高气压带”、“副极地低气压带”、“副热带高气压带”等。在这些气压带压力差的驱动下，空气会沿着经度方向发生移动，而这种沿经度方向的移动可以看作质点在旋转体系中的直线运动，会受到科里奥利力的影响发生偏转。由科里奥利力的计算公式不难看出，在北半球大气流动会向右偏转，南半球大气流动会向左偏转，在科里奥利力、大气压差和地表摩擦力的共同作用下，原本正南北向的大气流动变成东北－西南或东南－西北向的大气流动。

随着季节的变化，地球表面延纬度方向的气压带会发生南北漂移，于是在一些地方的风向就会发生季节性的变化，即所谓季风。当然，这也必须牵涉到海陆比热差异所导致气压的不同。

科里奥利力使得季风的方向发生一定偏移，产生东西向的移动因素，而历史上人类依靠风力推动的航海，很大程度上集中于延纬度方向，季风的存在为人类的航海创造了极大的便利，因而也被称为贸易风。

4、热带气旋

马桶下水方向与科氏力有关，热带气旋（北太平洋上出现的称为台风）的形成也受到科里奥利力的影响。驱动热带气旋运动的原动力一个低气压中心与周围大气的压力差，周围大气中的空气在压力差的驱动下向低气压中心定向移动，这种移动受到科里奥利力的影响而发生偏转，从而形成旋转的气流，这种旋转在北半球沿着逆时针方向而在南半球沿着顺时针方向，由于旋转的作用，低气压中心得以长时间保持。

5、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。