科里奥利力与地转偏向力
_地转偏向力_与_科里奥利力_
图 5 北半 球近地面沿纬线向东 运动物体偏转方向分析
当物体沿纬线 向西 运动 时,
f
* c
与
f
* c
方向 相
反, 指向地轴,
f
* c
的水平分量
f
* c
s in
仍然是垂直
于物体速度方向水平向右的.
同理可证, 在南半球,
f
* c
s in
方向水平向左的.
是直于物体速度
沿赤 道 运 动 的 物体,
f
* c
的 水平 分 量 永 远 等
于0. 我们不妨 把沿 纬 线运 动 时的 地 转偏 向力 记 做
f
* d
,
则有:
f
* d
=
f
* c
sin
.
5 斜穿经纬线运动的偏向是上述两种成因不同的偏 向现象的叠加
由速度的合成原理可知, 近地表物体的水平运动 速度均可分解为沿经线的运动和沿纬线的运动; 这 2 种运动所造成的偏向趋势虽然是相同的, 但是产生原 因是不同的.
右偏, 在南半球向左偏, 赤道上无偏转. 使水平运动物 体的运动方向发生偏转的力称为地转偏向力. ∀
#综合自然地理∃, 科学出版社, 刘南威、郭有立, 1993, 65 页: ! 由于地球自转的结果, 所有在北半球做
水平运动的物体都要发生向右偏转的效应, 在南半球
情况相反. 这种因地球自转而使运动物体偏离原方向 的力叫科里奥利力, 也叫地转偏向力. 它只 影响运动
力, 因此称为科里奥利力 % %∀ 2) 物理教科书 #全日制普通 高级中学 教科书 ( 必 修) 物理第 一
册∃, 人民教育出版社, 人民教育出版社物理室, 2003, 66 页: ! 在高中地理课本! 沿地表 水平运动物体 的偏 移∀中提到的! 地转偏向力∀, 也是一种惯性力, 它是因 地球自转而引起的. ∀
谬误与真知：马桶、台风与“地转偏向力”
谬误与真知：马桶、台风与“地转偏向力”“为什么北半球的马桶冲水时水流是逆时针向内旋转的？”“因为地转偏向力使水流一边向下流一边向它的右边拐。
”这是一个在日常生活中会偶尔听到的话题，故勿论其对错。
那么，到底这个“地转偏向力”是什么呢？地转偏向力，是一个更为普遍的“力”之中的一个特例，这个“力”的大名就叫做科里奥利力。
它是由法国数学家、工程师科里奥利(Gaspard-Gustave Coriolis)从理论力学中推导出来的，所以也以他的名字命名。
为什么我们要在这个“力” 字上加引号呢？因为它不是一个真正的力。
真正的力除了有受力物体也应该有施力物体，但如果这个科里奥利力有施力物体的话，那这个施力物体也太玄乎了，能让北半球所有水流都向右拐。
这其实不是一个真正的力，物理学家们把它称作一种惯性力，也就是说是由物体的惯性产生的力。
那么，在什么情况下才会出现这种力呢？科里奥利说了，在一个转动的参考系中就会出现科里奥利力，只要是在这个参考系中运动的物体都会好像受到一股垂直于运动方向的力，从而偏离开它的轨道。
科里奥利他说的“转动的参考系”，其实这个转动就是说这个参考系相对于一个惯性系在转动【注1】，那么这个参考系本身就是一个非惯性系了。
科里奥利力就是这个非惯性系里边的一个惯性力。
不过科里奥利力也不是对所有物体都一视同仁的。
对于相对参考系不动的物体，它不会作任何打扰，它专爱找运动物体的麻烦。
它的公式是：Fic=-2ω×mv。
在这里，m是物体的质量，ω是指示参考系旋转速度和方向的向量（就是方向和数量的一个组合），而v则是物体在这个参考系中运动的速度向量。
这个乘号也有讲究，它不是一般2×3的那种乘法，而是一种特别为向量设计的乘法，通常叫做叉乘。
而Fic就是这个物体在这个参考系中受到的科里奥利力。
现在我们可以解释为什么北半球的水流总有向右偏的倾向了。
我们向来认为地球是不动的，就算是物理学家做实验，在很多情况下都选取大地作为参考系。
科里奥利力与地转偏向力
科里奥利力与地转偏向力一、问题提出：在中学阶段学习地理知识时我们学到了地转偏向力，认识到地转偏向力是因为地球自转而产生的，是一种能促使地表水平运动物体方向产生偏转的力，而且地转偏向力与科氏力有关.但是当时一直无法理解地转偏向力的实质：地转偏向力是不是就是科里奥利力？还是科里奥利力的水平分量？是不是只有沿经线运动才受地转偏向力影响？在学习了大学物理惯性力的相关知识后我决定对当年的疑问展开探究。
二、两种惯性力: “离心惯性力”与“科里奥利力”牛顿第二定律适用的范围是惯性系. 当地球自转对我们研究的问题影响很小时, 可以认为地面是惯性系. 但地转偏向力的成因恰恰是地球自转造成的, 此时地面为非惯性系. 如果选取地轴作为参考系, 忽略地球公转对问题研究的影响, 地轴可近似认为是惯性系. 而地面是相对于惯性系做匀速转动的非惯性系.在非惯性系中, 牛顿第二定律是不成立的. 如果要在非惯性系中继续应用牛顿第二定律来研究问题,则需要人为引入惯性力. 而离心惯性力、科里奥利力都是惯性力.由图可知，离心惯性力是沿半径方向背离圆心的, 而科里奥利力沿切线方向, 与参考系旋转方向相反. 两种惯性力根本不同, 而在中学地学的学习过程中我们常常把二者混为一谈。
三、沿经线运动的物体所受地转偏向力北半球某物体沿经线由 A 点向 B 点运动, 在物体运动期间A、B 两点随地球自转移动到 A ′B ′位置;从 A 点到 B 点地面上各自转线速度( 沿纬线方向速度)逐渐增大, 而物体沿纬线方向的速度始终保持在 A 点处时的大小,因此物体移动过程中将不断落后, 向右偏离原来所在经线, 最后到达B’点右侧的某一位置. 反过来, 如果物体沿经线由 B 点向 A 点运动,由于从 B 点到 A 点自转线速度逐渐减小, 那么物体在移动过程中仍然将不断向右偏离原来所在经线, 最后到达 A ′点右侧的某一位置.同理可证, 南半球沿经线运动的物体将向左偏.近地表物体沿经线运动的情况, 与物体在旋转圆盘上沿径向运动的情况是同一类型. 这种情况下物体所受的惯性力是科里奥利力.四、沿纬线运动的物体所受地转偏向力以地面为参考系, 物体处于平衡状态, 因此必须引入离心惯性力f*c , 这样, 万有引力F、地表对物体的作用力FN 以及离心惯性力f*c 三力平衡, 如左下图所示, 使物体相对于地面保持静止. 万有引力F、地表对物体的作用力FN 都是物体实际受到的作用, 都有施力物体, 而离心惯性力f*c 是人为引入的, 其作用就是使得牛顿定律在非惯性系中依然适用. f*c = mw^2r （其中w 是地球自转角速度, r 是物体所在纬线圈的半径.）假设物体沿纬线自西向东相对地面以速度v 相对匀速运动. 那么, 物体绕轴做圆周运动的实际角速度增加,由于离心惯性力f*c = mw^2r , 所以f*c 必将增加, 成为f*c ′.在地面上看, 万有引力F、地表对物体的作用力FN 以及离心惯性力f*c 三力不再平衡. 离心惯性力多了个增量△f*c = f*c ’- f*c , △f*c 与f*c 方向相同.我们可以把△f*c 分解为与地表垂直和水平的两个分量. 如果物体所在纬度为? , 不难看出, 其中的水平分量△f*c sin ? 就是我们所探讨的水平方向的地转偏向力. 这个力垂直于物体速度方向,水平向右, 如右上图所示. 当物体沿纬线向西运动时, △f*c 与f*c 方向相反, 指向地轴, △f*c 的水平分量△f*c s in ? 仍然是垂直于物体速度方向水平向右的.同理可证, 在南半球, △f*c sin ? 是直于物体速度方向水平向左的.沿赤道运动的物体, △f*c sin ?的水平分量永远等于0 .在右上图中，f*d= △f*c sin ? ，即把沿纬线运动时的地转偏向力记做了f*d五、斜穿经纬线运动的偏向是上述两种成因不同的偏向现象的叠加由速度的合成原理可知, 近地表物体的水平运动速度均可分解为沿经线的运动和沿纬线的运动; 这两种运动所造成的偏向趋势虽然是相同的, 但是产生原因是不同的.为了更便于理解，查阅出地转偏向力的大小公式：（见如下截图，其中?为纬度,A 为地转偏向力的大小）六、结论总的来说, 认为地转偏向力就是科里奥利力是不准确的. 只有沿经线运动物体的地转偏向力才是科里奥利力. 而沿纬线运动物体的地转偏向力是离心惯性力沿地表的一个分力七、地转偏向力与三圈环流的形成明白了地转偏向力的实质，我们便可以理解中学阶段难以理解的三圈环流的形成过程：从北半球来看（不考虑下垫面），赤道地区上升的暖空气，在气压梯度力作用下，由赤道上空向北流向北极上空（南风），受地转偏向力影响，由南风逐渐右偏成西南风，到30°N 附近上空时偏转成了西风，来自赤道上空的气流不能再继续北流，而是变成自西向东运动。
为何南北半球的地球偏转力（科里奥利力）方向不同？
为何南北半球的地球偏转力（科里奥利力）方向不同？地球上水平运动的物体，无论朝着哪个方向运动，都会发生偏向：在北半球向右偏，在南半球向左偏，这种现象称作地球自转偏向力。
物体静止时，不受地转偏向力的作用，地转偏向力是地球自转运动影响的结果，当物体运动时，由于其本身的惯性作用，总是力图保持其原来的运动方向和运动速度，地转偏向力的方向同物体运动的方向相垂直，并且对物体的运动方向产生一定影响，使之向右或向左偏转。
地球自转的线速度各地不同，在北半球，当气流自北向南运动时，即从自转速度较小的纬度吹向自转线速度较大的纬度，这时，气流会偏离始发时的经线，发生向右偏，即原来的北风逐渐转变为东北风；其他情形也是同样的道理。
在赤道上作水平运动的物体不会发生偏向现象，因为赤道上的自转偏向力为零。
风在气压梯度力的作用下吹起来了。
可是出人意料，风一旦起步行走，却并不朝着气压梯度力所指的方向从高压一边直接迈向低压一边，而是不断地偏转它的方向，在北半球向右偏转，在南半球则向左偏转。
这是无数次观测早已证明了客观事实。
可见，一定还有一种什么力量从风的一侧拉着它转向。
经过人们深入实践和研究，这种力终于找到了。
这就是地转偏向力。
这个名称的本身就已告诉我们：促使风向发生偏转的力量原来是因为地球自转而引起的。
在不停地旋转着的地球上，受地转偏向力作用的不仅是风，一切相对于地面运动着的物体都受到它的作用，不过因为地转偏向力和物体受到的其他力比较起来极为渺小，不为人们觉察罢了。
尽管如此，在经历了漫长的岁月以后，地转偏向力还是在地球上某些地方留下了它的痕迹。
人们发现，沿着水流的方向，在北半球，河流的右岸往往比左岸陡峭；在南半球，河流的左岸比右岸陡峭。
这是地转偏向力存在的一个见证。
这种水流对左右岸冲刷作用的差异是微不足道的，但河里的水日夜奔流，一千年，一万年，一亿年，就会显现出来的。
那末地球自转怎么会产生偏向力的呢？要解答这个问题，先来做一个实验：用纸板做一个圆盘，把圆盘的中心固定起来，使它能够转动，再准备一支铅笔、一把直尺就行了。
【初中地理】八年级地理复习资料之地转偏向力成因
【初中地理】八年级地理复习资料之地转偏向力成因【—八年级地理之地转偏向力成因】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。
其原因概括如下：为了维持物体的水平惯性运动，经纬度网络随着地球自转产生相对加速度。
下面是“算如流”给出的通俗解释。
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.除了北极和南极，所有纬度的角速度都是相同的。
从北向南飞行时，南部的圆圈较大，即南部的纬度越长，因此线速度较大。
因此，北部的小线速度明显低于南部的线速度，因此由于惯性，线速度向右偏移。
北方也是如此。
从快的地方到慢的地方，速度是“向前”的，前进方向向右偏移。
2.沿纬线向东西方向飞，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.赤道不受地转偏转力的影响，因为地球的中心正是纬度旋转圈的中心。
两者重合，重力可以抵消向外的力。
最后，北极和南极的偏转力最大。
george-gate的《定性分析地转偏向力》[1]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。
摘要：由于赤道上的地平面绕平行于该平面的轴旋转，空气相对于地平面的水平运动产生的地转偏转力位于垂直于地平面的平面上，因此只有垂直地转偏转力，不是水平地转偏转力。
科里奥利力
应用
气体质量流量计
•
质量流量计让被测量的流体通过一个转动或者振动
中的测量管，流体在管道中的流动相当于直线运动，测量
管的转动或振动会产生一个角速度，由于转动或振动是受
到外加电磁场驱动的，有着固定的频率，因而流体在管道
中受到的科里奥利力仅与其质量和运动速度有关，而质量
和运动速度即流速的乘积就是需要测量的质量流量，因而
通过测量流体在管道中受到的科里奥利力，便可以测量其
质量流量。 应用相同原理的还有粉体定量给料秤，
在这里可以将粉体近似地看作流体处理。
应用
• 2 陀螺仪 • 旋转中的陀螺仪会对各种形式的直线
运动产生反映，通过记录陀螺仪部件受到 的科里奥利力可以进行运动的测量与控制 。 • 陀螺仪实验
fcor 2mω v
F ma
fcor称为科里奥利力
2mω v mω (ω r)
式中F为科里奥利力；m为质点的质量；v'为相对于转 动参考系质点的运动速度（矢量）；ω为旋转体系的角速度 （矢量）；×表示两个向量的外积符号（ v'×ω ：大小等于 v*ω,方向满足右手螺旋定则）。
意义
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
旋转体系中质点的直线运动科里奥利力 是以牛顿力学为基础的。1835年，法国气象 学家科里奥利提出，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
性系中引入牛顿定律。
推导
相对于k’系做匀速运 动的点具有科里奥
地球偏向力
地转偏向力的原因
地转偏向力的原因是地球自转。
地转偏向力亦称科氏力，是以地球经纬网为参照系的力。
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，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。
在北半球，科里奥利力使风向右偏离其原始的路线；在南半球，这种力使风向左偏离。
风速越大，产生的偏离越大。
于是，在北半球，当空气向低压中心辐合时会向右弯曲，形成了一个逆时针方向的旋转气流。
从高压中心辐散出来的空气，则因为向右弯曲而形成了顺时针方向的旋风。
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科里奥利力与地转偏向力
一、问题提出：
在中学阶段学习地理知识时我们学到了地转偏向力，认识到地转偏向力是因为地球自转而产生的，是一种能促使地表水平运动物体方向产生偏转的力，而且地转偏向力与科氏力有关.但是当时一直无法理解地转偏向力的实质：地转偏向力是不是就是科里奥利力？还是科里奥利力的水平分量？是不是只有沿经线运动才受地转偏向力影响？在学习了大学物理惯性力的相关知识后我决定对当年的疑问展开探究。
二、两种惯性力: “离心惯性力”与“科里奥利力”
牛顿第二定律适用的范围是惯性系. 当地球自转对我们研究的问题影响很小时, 可以认为地面是惯性系. 但地转偏向力的成因恰恰是地球自转造成的, 此时地面为非惯性系. 如果选取地轴作为参考系, 忽略地球公转对问题研究的影响, 地轴可近似认为是惯性系. 而地面是相对于惯性系做匀速转动的非惯性系.在非惯性系中, 牛顿第二定律是不成立的. 如果要在非惯性系中继续应用牛顿第二定律来研究问题,则需要人为引入惯性力. 而离心惯性力、科里奥利力都是惯性力.
由图可知，离心惯性力是沿半径方向背离圆心的, 而
科里奥利力沿切线方向, 与参考系旋转方向相反. 两种
惯性力根本不同, 而在中学地学的学习过程中我们常常
把二者混为一谈。
三、沿经线运动的物体所受地转偏向
力
北半球某物体沿经线由 A 点向 B 点运动, 在物体
运动期间A、B 两点随地球自转移动到A ′B ′位置;
从A 点到B 点地面上各自转线速度( 沿纬线方向速度)
逐渐增大, 而物体沿纬线方向的速度始终保持在 A 点处时的大小,因此物体移动过程中将不断落后, 向右偏离原来所在经线, 最后到达B’点右侧的某一位置. 反过来, 如果物体沿经线由 B 点向 A 点运动,由于从 B 点到 A 点自转线速度逐渐减小, 那么物体在移动过程中仍然将不断向右偏离原来所在经线, 最后到达A ′点右侧的某一位置.
同理可证, 南半球沿经线运动的物体将向左偏.近地表物体沿经线运动的情况, 与物体在旋转圆盘上沿径向运动的情况是同一类型. 这种情况下物体所受的惯性力是科里奥利力.
四、沿纬线运动的物体所受地转偏向力
以地面为参考系, 物体处于平衡状态, 因此必须引入离心惯性力f*c , 这样, 万有引力F、地表对物体的作用力FN以及离心惯性力f*c 三力平衡, 如左下图所示, 使物体相
对于地面保持静止. 万有引力F、地表对物体的作用力FN 都是物体实际受到的作用, 都有施力物体, 而离心惯性力f*c 是人为引入的, 其作用就是使得牛顿定律在非惯性系中依然适用. f*c = mw^2r （其中w 是地球自转角速度, r 是物体所在纬线圈的半径.）
假设物体沿纬线自西向东相对地面以速度v 相对匀速运动. 那么, 物体绕轴做圆周运动的实际角速度增加,由于离心惯性力f*c = mw^2r , 所以f*c 必将增加, 成为f*c ′.在地面上看, 万有引力F、地表对物体的作用力FN 以及离心惯性力f*c 三力不再平衡. 离心惯性力多了个增量△f*c = f*c’ -f*c , △f*c与f*c 方向相同.我们可以把△f*c 分解为与地表垂直和水平的两个分量. 如果物体所在纬度为∅, 不难看出, 其中的水平分量△f*c sin ∅就是我们所探讨的水平方向的地转偏向力. 这个力垂直于物体速度方向,水平向右, 如右上图所示. 当物体沿纬线向西运动时, △f*c 与f*c 方向相反, 指向地轴, △f*c 的水平分量△f*c s in ∅仍然是垂直于物体速度方向水平向右的.
同理可证, 在南半球, △f*c sin ∅是直于物体速度方向水平向左的.沿赤道运动的物体, △f*c sin ∅的水平分量永远等于0 .在右上图中，f*d=△f*c sin ∅，即把沿纬线运动时的地转偏向力记做了f*d
五、斜穿经纬线运动的偏向是上述两种成因不同的偏向现象的叠加
由速度的合成原理可知, 近地表物体的水平运动速度均可分解为沿经线的运动和沿纬线的运动; 这两种运动所造成的偏向趋势虽然是相同的, 但是产生原因是不同的.
为了更便于理解，查阅出地转偏向力的大小公式：（见如下截图，其中∅为纬度,A为地转偏向力的大小）
六、结论
总的来说, 认为地转偏向力就是科里奥利力是不准确的. 只有沿经线运动物体的地转偏向力才是科里奥利力. 而沿纬线运动物体的地转偏向力是离心惯性力沿地表的一个分力
七、地转偏向力与三圈环流的形成
明白了地转偏向力的实质，我们便可以理解中学阶段难以理解的三圈环流的形成过程：从北半球来看（不考虑下垫面），赤道地区上升的暖空气，在气压梯度力作用下，由赤道上空向北流向北极上空（南风），受地转偏向力影响，由南风逐渐右偏成西南风，到30°N 附近上空时偏转成了西风，来自赤道上空的气流不能再继续北流，而是变成自西向东运动。
由于赤道上空的空气源源不断地流过来，在30°N附近上空堆积，产生下沉气流，致使近地面气压升高，形成副热带高气压带。
近地面，在气压梯度力作用下，大气由副热带高气压带向南北流出。
向南的一支流向赤道低压，在地转偏向力影响下，由北风逐渐右偏成东北风，称为东北信风?东北信风与南半球的东南信风在赤道附近辐合上升，在赤道与副热带地区之间便形成了低纬环流圈。
近地面，从副热带高气压向北流的一支气流，在地转偏向力的作用下逐渐右偏成西南风即盛行西风。
从极地高气压带向南流的气流（北风）在地转偏向力影响
下逐渐向右偏形成东北风，即极地东风。
较暖的盛行西风与寒冷的极地东风在60°N附近相遇，形成锋面（极
锋）。
暖而轻的气流
爬升到冷而重的气
流之上，形成了副
极地上升气流。
上
升气流到高空，又
分别流向南北，向
南的一支气流在副
热带地区下沉，于
是在副热带地区与
副极地地区之间构
成中纬度环流圈;北
的一支气流在北极
地区下沉,是在副极
地地区与极地之间
构成了高纬度环流
圈。
由于副极地上升气流到高空便向南北流出,使近地面的气压降低,成了副极地低气压带。
同理，南半球同样存在着低纬、中纬、高纬三个环流圈。
因此，在近地面，共形成了7个气压带、6个风带。
八、其他地转偏向力实例：
1. 在运动场的椭园形跑道上,规定比赛时要逆时针跑·这是为了运动员进入弯曲的跑道时，地转偏向力可以抵消一部分离心，可以减小运动员身体的倾斜角度,于是速度快,却不易摔倒。
2. 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是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。
3. 在北半球,河流冲刷右岸,洋流右偏,台风路径的偏向西北,人造卫星起飞的西偏,火车右轨耗损大。