高中适用的地理模拟：科里奥利效应

关于此实验

在没有摩擦的旋转木马上滑动一个冰球。俯视时，冰球沿着一条完全笔直的路线前进，但圆盘在它下方转动，因此圆盘上的乘坐者会看到冰球偏离瞄准方向，沿曲线运动。地球也是一个巨大的旋转圆盘：远距离移动的风和洋流在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。比较同一次投掷的两种视角，然后转到地球上，看看在不同纬度推动一团空气时，它会偏转多远。

学习目标

说明科里奥利效应是在旋转参考系中观察到的一种表观偏转
预测北半球和南半球的偏转方向
解释为什么这种效应在两极附近最强，而在赤道上不存在
使用科里奥利参数 f = 2Ω sin φ 估算惯性圆的大小
将科里奥利效应与大型风暴的旋转以及全球风带联系起来

使用方法

1使用默认设置按下“投掷”。比较两个视图中的路径。哪一个是直线？
2观察外部视图中的虚线瞄准线。冰球到达边缘时，目标在哪里？
3将旋转速度加倍，然后将投掷速度减半。哪些变化会使冰球落在比瞄准点更远的位置？
4开启“顺时针旋转”。现在骑乘者看到冰球向哪个方向弯曲？
5切换到“在地球上”。在北纬45°处推动空气，并观察它转一圈。然后试试10°、0°和-45°。
6在北纬45°处将风速加倍。圆的大小和所需时间会怎样变化？

模型

a_{Cor} = - 2 Ω \times v

在以角速度 Ω 旋转的参考系中观测到的科里奥利加速度

f = 2Ω sin φ

纬度 φ 处的科里奥利参数（地球上 Ω = 7.29 × 10⁻⁵ rad/s）

r = \frac{v}{∣ f ∣}, T = \frac{2 π}{∣ f ∣}

惯性圆的半径和周期：空气以速度 v 运动，且不受其他水平力作用

s = Ω R t = \frac{Ω R ^{2}}{v}

从圆盘中心掷出的冰球落在沿边缘偏离瞄准点这么远的位置，是因为冰球穿过圆盘时，边缘转过了 Ωt。

假设

冰球无摩擦地滑动，不会弹起。到达边缘时，它就会离开圆盘。
投掷者随圆盘一起运动，因此冰球出手时带有其出手位置的侧向速度。
在地球上，空气被推动一次后便不再受到压力差、摩擦或其他力的作用，因此会在某一纬度附近的一小块平坦区域内沿惯性圆运动。
忽略圆周范围内 f 随纬度的变化，并将旋转产生的离心效应视为重力的一部分。

在课堂上试试这个实验

Q1为什么圆盘上的人会觉得有一个力把冰球推向侧面，而从上方观察的人却认为没有侧向力作用？
Q2科里奥利效应会使运动中的空气向右偏转，那么为什么北半球的飓风会逆时针旋转？
Q3为什么飓风几乎从不在赤道南北约5°范围内形成？
Q4一个水槽的宽度约为0.5 m，排空需要20秒。请用 f = 2Ω sin φ 解释为什么科里奥利效应无法决定水槽的排水方向。
Q5远程火炮和导弹必须考虑科里奥利效应，而足球则不必。为什么？

常见问题

科里奥利力是真实存在的力吗？

它被称为虚拟力或惯性力。没有什么东西在侧向推动冰球。只有当你从旋转参考系（例如圆盘或地球）来描述运动时，这种力才会出现；在该参考系中，为了使运动定律成立，就需要引入这种力。

科里奥利效应会使两个半球的马桶水朝相反的方向排出吗？

不是。水槽或马桶中的水所受的科里奥利加速度，比碗盆形状和水的倾倒方式等其他因素小数百万倍。它只在大范围移动或持续很长时间的运动中才有影响，例如天气系统和洋流。

偏转为什么取决于纬度？

地球自转中，只有绕当地垂直方向的分量会使水平运动转向。在两极，地面完全绕垂直轴旋转；而在赤道，地面根本不会绕垂直轴旋转，因此 f = 2Ω sin φ 从最大值降至零。