高中地理中涉及的物理知识

本期开始，小编陆续总结整理学习地理过程中需要的物理知识储备，这样学起来融会贯通，事半功倍。首先，我们来看看“第一章行星地球”中涉及到的物理知识。

01

万有引力定律，物体间相互作用的一条定律，1687年为牛顿所发现。任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，而与它们之间的距离的平方成反比。如果用m1、m2表示两个物体的质量，r表示它们间的距离，则物体间相互吸引力为F=(Gm1m2)/r^2，G称为万有引力常数。（用于解释天体系统的绕转运动）

02

第一宇宙速度（V1）：航天器沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度，也叫环绕速度。按照力学理论可以计算出V1＝7．9公里／秒。航天器在距离地面表面数百公里以上的高空运行，地面对航天器引力比在地面时要小，故其速度也略小于V1。

第二宇宙速度（V2）：当航天器超过第一宇宙速度V1达到一定值时，它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星，这个速度就叫做第二宇宙速度，亦称逃逸速度。按照力学理论可以计算出第二宇宙速度V2＝11。2公里／秒。由于月球还未超出地球引力的范围，故从地面发射探月航天器，其初始速度不小于10．848公里／秒即可。

第三宇宙速度（V3）：从地球表面发射航天器，飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度，就叫做第三宇宙速度。按照力学理论可以计算出第三宇宙速度V3＝16．7公里／秒。需要注意的是，这是选择航天器入轨速度与地球公转速度方向一致时计算出的V3值；如果方向不一致，所需速度就要大于16．7公里／秒了。可以说，航天器的速度是挣脱地球乃至太阳引力的惟一要素，目前只有火箭才能突破宇宙速度。

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电磁波，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态，电磁波不依靠介质传播，在真空中的传播速度等同于光速。电磁辐射由低频率到高频率，主要分为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。人眼可接收到的电磁波，称为可见光（波长380～780nm）。电磁辐射量与温度有关，通常高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射，温度越高辐射量越大，但大多不能被肉眼观察到。

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无线电短波通信是指短波通信是波长在100米～10米之间，频率范围3兆赫～30兆赫的一种无线电通信技术。短波通信发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备，通信距离较远，是远程通信的主要手段。由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响，所以短波通信的稳定性较差，噪声较大。

无线电长波通信，是利用波长长于1000米（频率低于300KHz）的电磁波进行的无线电通信，亦称低频通信。它可细分为在长波（波长10一1000米），甚长波（100km一10km），超长波（10000km一1000km）和极长波（1一10万公里）波段的通信。长波主要用地波形式传播。天波虽可由电离层反射，传播较远，但电离层吸收强，且低层参数变化大，极不稳定，只会导致干涉和衰落；地波传播主要与大地的导电率有关，传播比较稳定，在陆地一般传播距离为几十到几百公里。地波在海面上传播时，海水导电率高，衰减较小，传播距离比陆地要远的多，可达数百到数千公里。在频段高端（150～300kHz），大气噪声较小，天线效率较高，可通电话和电 ，被广泛用于海上通信。长波具有穿透岩石和土壤的能力，也用于地下通信，在频段低端（30～60kHZ），电磁波能穿透一定深度的海水，可以用于对水下舰艇的通信。

06

极光是出现于星球的高磁纬地区上空，是一种绚丽多彩的发光现象。地球的极光是来自地球磁层或太阳的高能带电粒子流（太阳风）使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生。极光常常出现于纬度靠近地磁极地区上空，一般呈带状、弧状、幕状、放射状，这些形状有时稳定有时作连续性变化。极光产生的条件有三个：大气、磁场、高能带电粒子。这三者缺一不可。长期观测统计结果表明，极光最经常出现的地方是在南北磁纬度67度附近的两个环带状区域内，分别称作南极光区和北极光区。在极光区内差不多每天都会发生极光活动。

07

线速度：物体上任一点对定轴作圆周运动时的速度。它的一般定义是质点(或物体上各点)作曲线运动（包括圆周运动）时所具有的即时速度。在匀速圆周运动中，线速度的大小虽不改变，但它的方向时刻在改变。它和角速度的关系是v=ω*r。

v=ωr=2πrf=2πr/T

上式中v为线速度，ω为角速度，r为半径，f为频率，T为周期。（用于解释地球自转角速度和线速度的变化规律）

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开普勒第二定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。（用于解释地球公转轨道近日点和远日点的速度大小关系）

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地转偏向力：当物体相对与地球表面运动时会受到一个叫地转偏向力的力的影响而改变方向，但地转偏向力并不是一个真正的力，而是一种惯性力。地转偏向力对航天，航空来说是一种不可忽视的力，地转偏向力在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消失在赤道处，而且在日常生活中地转偏向力很小，是忽略不计的。它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。具体公式如下：

f=2mvωsinφ

其中，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

地理意义：

对于洋流，河流，风及其他具有水平运动的事物产生影响。

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当振动在介质中传播时，有两种形式，一种叫做P波，又叫做纵波。这种波的特点就是在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向一致。另一种叫做S波，又叫横波。这种波的特点就是在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向垂直。电磁波、光波都是横波。固体有切变弹性，所以在固体中能传播横波，纵波在固体、液体和气体中都可以传播。

本期我们来看看“第二章 地球上的大气”中涉及到的物理知识。

01

热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分，这种现象叫做热传递。

热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差，就会有热传递现象发生，并且将一直继续到温度相同的时候为止。

发生热传递的唯一条件是存在温度差，与物体的状态，物体间是否接触都无关。热传递的结果是温差消失，即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到相同的温度。

在热传递过程中，物质并未发生迁移，只是高温物体放出热量，温度降低，内能减少（确切地说是物体里的分子做无规则运动的平均动能减小），低温物体吸收热量，温度升高，内能增加。因此，热传递的实质就是内能从高温物体向低温物体转移的过程，这是能量转移的一种方式。

热传递有三种方式：传导、对流和辐射。

（1）热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分，叫做传导。

热传导是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中，热传导过程往往和对流同时发生。各种物质都能够传导热，但是不同物质的传热本领不同。善于传热的物质叫做热的良导体，不善于传热的物质叫做热的不良导体。各种金属都是热的良导体，其中最善于传热的是银，其次是铜和铝。瓷、纸、木头、玻璃、皮革都是热的不良导体。最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物质。液体中，除了水银以外，都不善于传热，气体比液体更不善于传热。

（2）靠液体或气体的流动来传热的方式，叫做对流。

对流是液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体更明显。

利用对流加热或降温时，必须同时满足两个条件：一是物质可以流动，二是加热方式必须能促使物质流动。

（3）热由物体沿直线向外射出，叫做辐射。

用辐射方式传递热，不需要任何介质，因此，辐射可以在真空中进行。

地球上得到太阳的热，就是太阳通过辐射的方式传来的。

由实验得知，物体的温度越高，辐射中最强部分的波长越短，反之则越长。由于地球表面的温度比太阳低得多，所以地面辐射的波长比太阳辐射长得多。相对于太阳辐射来说，地面辐射为长波辐射。

一般情况下，热传递的三种方式往往是同时进行的。

题1下列事例中，热传递的主要方式是哪种？

（1）炉子上烧水使整壶水都变热。对流

（2）夏天喝饮料，把冰块放入饮料中降温。 传导

（3）冬天在炉子旁取暖。 辐射

（4）把金属勺放在热汤中，勺把会烫手。 传导

题2冬天落在田里的雪，能保护越冬作物不致冻坏，这是由于雪和雪下方不流动的空气都是热的，雪和空气都是热的不良导体，它们可以防止热传导；同时雪又阻止其下方的空气和上方的空气间发生对流；银白色的雪又能防止土壤中的热向外辐射。

题3冬天为保暖穿棉衣、羽绒衣。夏天为防止冰棒熔化，用棉被把冰棒裹起来。试分析其中的道理。

棉花、羽绒都是热的不良导体，棉花及羽绒中间的空隙里有不流动的空气，空气也是热的不良导体。冬天，穿上棉衣可以防止身上的热通过传导的方式散发出去，同时也防止了热的对流。夏天，用棉被包裹棒冰，是防止空气中的热通过传导和对流传给冰棒，避免冰棒的熔化。

题4房间里的暖气片应装置在房间的上部还是下部，为什么？

暖气片应装置在房间里的下部。装置暖气片的目的是为了使整个房间里的空气都热起来，要使空气热，必须通过对流的方式才能达到目的。为形成空气对流的条件，必须使暖气片从房间的下部加热空气，空气变热后密度变小，这样热空气上升，冷空气下沉，形成对流，使整个房间里都热起来。

02

一种光学现象。指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。光遇到水面、玻璃以及其他许多物体的表面都会发生反射。当光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反射。（太阳灶的原理）

03

光的散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。偏离原方向的光称为散射光。散射光波长不发生改变的有丁铎尔散射、分子散射；波长发生改变的有拉曼散射、布里渊散射和康普顿散射等。丁铎尔散射首先由J.丁铎尔研究，是由均匀介质中的悬浮粒子（如空气中的烟雾、尘埃）以及浮浊液、胶体等引起的散射。真溶液不产生丁铎尔散射，化学中常根据有无丁铎尔散射来区别胶体和真溶液。分子散射是由分子热运动所造成的密度涨落引起的散射。波长发生改变的散射与散射物质的微观结构有关。

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大气压强。大气对浸在它里面的物体产生的压强叫大气压强，简称大气压或气压。地球周围包着一层厚厚的空气，它主要是由氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气和氦、氖、氩等气体混合组成的，通常把这层空气的整体称之为大气层。它上疏下密地分布在地球的周围，总厚度达1000千米，所有浸在大气里的物体都要受到大气作用于它的压强，就像浸在水中的物体都要受到水的压强。

由于地球对空气的吸引作用，空气压在地面上，就要靠地面或地面上的其他物体来支持它，这些支持着大气的物体和地面，就要受到大气压力的作用。单位面积上受到的大气压力，就是大气压强。

用分子运动的观点解释是，因为气体是由大量的做无规则运动的分子组成，而这些分子必然要对浸在空气中的物体不断地发生碰撞。每次碰撞，气体分子都要给予物体表面一个冲击力，大量空气分子持续碰撞的结果就体现为大气对物体表面的压力，从而形成大气压。若单位体积中含有的分子数越多，则相同时间内空气分子对物体表面单位面积上碰撞的次数越多，因而产生的压强也就越大。

（1）大气压强与海拔高度

地球上面的空气层密度不是相等的，靠近地表层的空气密度较大，高层的空气稀薄，密度较小。大气压强既然是由空气重力产生的，高度大的地方，它上面空气柱的高度小，密度也小，所以距离地面越高，大气压强越小。

地面上空气的范围极广，常称“大气”。离地面200公里以上，仍有空气存在。虽其密度很小，但如此高的大气柱作用于地面上的压强仍然极大。人体在大气内毫不感觉受到气压的压迫，这是因为人体的内外部同时受到气压的作用且恰好都相等的缘故。

（2）气体压强与体积的关系

这里所说的气体压强并不是指大气压强，而是指一定质量的气体的压强。

由于气体的压强实质上是大量的做无规则运动的气体分子与容器壁不断碰撞而产生的，因此当其他条件不变的情况下，气体体积减小会使气体分子与容器壁碰撞的次数增多而使压强增大。

在温度不变时，一定质量的气体体积越小，压强越大；体积越大，压强越小。打气筒就是利用这一原理制成的。

（3）密闭容器内气体压强的影响因素

一定量的密闭气体，其压强与其体积、温度等因素有关，具体可以表示为：PV=nRT

其中P表示气体压强，V表示气体总体积，n表示气体所含分子量，R为常量，T为气体的温度。由此也可印证，“在温度不变时，一定质量的气体体积越小，压强越大；体积越大，压强越小。”

（4）沸点与大气压的关系

实验表明，一切液体的沸点，都是气压减小时减小，气压增大时增大，同种液体的沸点不是固定不变的。说水的沸点是100℃必须强调是在标准大气压下。

由于气压随高度降低，所以水的沸点随高度降低，例如：海拔1000米处水沸点约97℃，3千米处约91℃，在海拔8844.43米的珠穆朗玛峰顶，水在72℃就可以沸腾，因而在高山上烧饭要用不漏气的高压锅，锅内气压可以高于标准大气压，使水沸点高于100℃，不但饭熟得快，还可以节省燃料。

（5）流体压强与流速的关系

流体压强与流速的关系：在气体和液体中，流速越大的位置压强越小（即伯努利原理）。飞机的升力：机翼上方的空气流速大，压强小；下方的空气流速小，压强大，这一压强差产生压力差，使飞机获得竖直向上的升力。

05

海陆热力性质差异。热量，是指在热力系统与外界之间依靠温差传递的能量。热量是一种过程量，所以热量只能说“吸收”“放出”。不可以说“含有”“具有”。而该传递过程称为热交换或热传递。热量的单位为焦耳（J）。

公式：Q=c·m·ΔT

其中，Q表示热量（J），c是与这个过程相关的比热容，m为质量，ΔT为吸热（放热）后温度所上升（下降）值，即某一过程温度变化。

从公式中我们可以得出，当质量和热量一定的情况下，c和ΔT成反比。也就是说，比热容越大的物质，其温差越小；比热容越小的物质，其温差越大。

应用

水的比热容较大，在工农业生产和日常生活中有广泛的应用。

一、调节气候

水的比热容较大，对于气候的变化有显著的影响。在同样受热或冷却的情况下，水的温度变化小一些，水的这个特征对气候影响很大，白天沿海地区比内陆地区温升慢，夜晚沿海温度降低少，为此一天中沿海地区温度变化小，内陆温度变化大，一年之中夏季内陆比沿海炎热，冬季内陆比沿海寒冷。海陆风的形成原因与之类似。

（1）对气温的影响

据新华社消息，三峡水库蓄水后，这个世界上最大的人工湖将成为一个天然“空调”，使山城重庆的气候冬暖夏凉。据估计，夏天气温可能会因此下降5℃，冬天气温可能会上升3到4℃。

（2）热岛效应的缓解

晴朗无风的夏日，海岛上的地面气温，高于周围海上气温，并因此形成海风环流以及海岛上空的积云对流，这是海洋热岛效应的表现。近年来，由于城市人口集中，工业发达，交通拥塞，大气污染严重，且城市中的建筑大多为石头和混凝土建成，在温度的空间分布上， 城市犹如一个温暖的岛屿，从而形成城市热岛效应。在缓解热岛效应方面，专家测算，一个中型城市环城绿化带树苗长成浓荫后，绿化带常年涵养水源相当于一座容积为1.14×10m的中型水库，由于水的比热容大，能使城区夏季高温下降1℃以上，有效缓解日益严重的“热岛效应”。

水库的建立，水的增加，而水的比热容大，在同样受冷受热时温度变化较小，从而使夏天的温度不会升得比过去高，冬天的温度不会下降的比过去低，使温度保持相对稳定，从而水库成为一个巨大的“天然空调”。

二、冷却或取暖

（1）水冷系统的应用

人们很早就开始用水来冷却发热的机器，在电脑CPU散热中可以利用散热片与CPU核心接触，使CPU产生的热量通过热传导的方式传输到散热片上，然后利用风扇将散发到空气中的热量带走。但水的比热容远远大于空气，因此可以用水代替空气作为散热介质，通过水泵将内能增加的水带走，组成水冷系统。这样CPU产生的热量传输到水中后水的温度不会明显上升，散热性能优于上述直接利用空气和风扇的系统。

热机（例如汽车的发动机，发电厂的发电机等）的冷却系统也用和水做为冷却液，也是利用了水的比热容大这一特性。

（2）农业生产上的应用

水稻是喜温作物，在每年三四月份育苗的时候，为了防止霜冻，农民普遍采用“浅水勤灌”的方法，即傍晚在秧田里灌一些水过夜，第二天太阳升起的时候，再把秧田中的水放掉。根据水的比热容大的特性，在夜晚降温时，使秧苗的温度变化不大，对秧苗起了保温作用。

（3）热水取暖

冬季供热用的散热器、暖水袋。

（4）其他

诸如在炎热的夏天古代皇室用流水从屋顶上流下，起了防暑降温作用；夏威夷是太平洋深处的一个岛，那里气候宜人，是旅游度假的圣地，除了景色诱人之外，还有一个主要原因就是冬暖夏凉。

06

摩擦力。阻碍物体相对运动（或相对运动趋势）的力叫做摩擦力。摩擦力的方向与物体相对运动（或相对运动趋势）的方向相反。 摩擦力分为静摩擦力、滚动摩擦、滑动摩擦三种。

一个物体在另一个物体表面发生滑动时，接触面间产生阻碍它们相对运动的摩擦，称为滑动摩擦。滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度的大小和压力大小有关。压力越大，物体接触面越粗糙，产生的滑动摩擦力就越大。

滑动摩擦力公式：F = μ*Fn

滑动摩擦力总是比最大静摩擦力要小。它由垂直于摩擦面的压力Fn和滑动摩擦系数μ决定，它与滑动面之间的相对速度和面积无关。摩擦系数由滑动面的物质、粗糙度和（可能存在的）润滑剂所决定。（用于解释高空的风受力分析摩擦力忽略不计）

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