物理學(xué)上的角動(dòng)量守恒與自然現(xiàn)象

1、物理學(xué)上的角動(dòng)量守恆與自然現(xiàn)象香港教育學(xué)院陳用角動(dòng)理和角動(dòng)量守恆，是中學(xué)高級(jí)程度物理科課程內(nèi)的一個(gè)課題。在課程發(fā)展議會(huì)編訂的課程綱要中，已列舉出可應(yīng)用角動(dòng)量守恆解釋的例子，這包括溜冰員，芭蕾舞蹈員，空中飛人和高臺(tái)跳水員等的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，教師如能將此等例子一一與學(xué)生討論，應(yīng)足夠顯示學(xué)習(xí)這一條定律的重要性。不過，這定律還和一些重要的自然現(xiàn)象有非常密切的關(guān)係。茲臚列數(shù)項(xiàng)這些關(guān)係，以供各物理科教師於教學(xué)時(shí)作參考之用。（1） 氣旋的旋轉(zhuǎn)方向北極赤道赤道南極地球自轉(zhuǎn)軸圖一北半球某小島熱氣上升我們都知道北半球颱風(fēng)的旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針，而南半球颱風(fēng)的旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針的。這現(xiàn)象如引用角動(dòng)理守恆原理，實(shí)不難解釋。圖一顯

2、示地球以角速度旋轉(zhuǎn)，C點(diǎn)為太平洋上一海島，因太陽熱力使島上空氣受熱上升，有南北兩團(tuán)空氣流向C點(diǎn)補(bǔ)充。假設(shè)北方氣團(tuán)質(zhì)量為 ，至地球自轉(zhuǎn)軸距離為 ，則該氣團(tuán)的角動(dòng)量是 。當(dāng)它向南流動(dòng)至C時(shí)，與地球自轉(zhuǎn)軸的距離為 ，因 > ，又因角動(dòng)量守恆，氣團(tuán)的角速度自然變小。換句話說，它的旋轉(zhuǎn)速度追不上地球?？墒悄戏綒鈭F(tuán) 北移後，與地軸的距離由 減少至 。角速度增大，即是氣團(tuán)比地球轉(zhuǎn)得快了。這樣，在海島上因氣團(tuán)相匯，就形成了一個(gè)逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)如圖二所示。若將C點(diǎn)設(shè)於南半球，運(yùn)用同樣原理，可知在C點(diǎn)形成的是一個(gè)順時(shí)針的氣旋。南下氣流偏西北上氣流偏東圖二逆時(shí)針氣旋的形成 所以，利用角動(dòng)量原理，可知凡在北半球形成

3、的氣旋，都是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而在南半球形成的氣旋，都是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的。（2） 地面風(fēng)的偏移赤道圖三地面風(fēng)的偏轉(zhuǎn)以北半球?yàn)槔伸督咏嗟莱Ｓ袩釟饬飨蛏仙?，接近北極則有泠氣流下降，在大氣層分別產(chǎn)生圖三所示的A、B兩股氣流，而這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)氣流又帶動(dòng)了溫帶地域的旋流C。而三個(gè)旋流在地面產(chǎn)生的風(fēng)向，亦因?yàn)槿缟瞎?jié)中所討論的角動(dòng)量守恆的效果，而產(chǎn)生熱帶常吹東北風(fēng)，溫帶常吹西南風(fēng)的現(xiàn)象。（3） 四季的形成 南北半球各有春夏秋冬四季，都是多虧地球自轉(zhuǎn)的角動(dòng)量守恆。由於角動(dòng)量這矢量守恆，地球自轉(zhuǎn)軸經(jīng)常指向同一方向（就是北極星的方向），才能產(chǎn)生四季。北半球直射形成夏季圖四角動(dòng)量守恆的情況試想像地球角動(dòng)量不守恆如圖五所示，

4、地軸時(shí)而向這，時(shí)而向那，那還有四季可言?？赡鼙卑肭蛴肋h(yuǎn)是冬季，北極的冰帽會(huì)把整個(gè)俄國(guó)和加拿大覆蓋呢。北半球經(jīng)常斜射，形成永遠(yuǎn)冬季圖五角動(dòng)量不守恆的可能情況（4） 地球自轉(zhuǎn)的證明假設(shè)在地球北極處懸一單擺，令其擺動(dòng)，則擺錘在擺動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一角動(dòng)量而使其擺動(dòng)平面在空間的方向保持不變。但因地球在空間自轉(zhuǎn)的關(guān)係，鐘擺平面相對(duì)於地球上的觀察者，會(huì)發(fā)生一逆時(shí)針的轉(zhuǎn)移（圖六），並且每小時(shí)旋轉(zhuǎn)了360。但這實(shí)驗(yàn)若不是在北極處進(jìn)行，則擺動(dòng)平面相對(duì)地面的旋轉(zhuǎn)速度為地球自轉(zhuǎn)角速度乘以該地緯度的正弦（圖七），即是說，若在赤道進(jìn)行這實(shí)驗(yàn)，觀察者根本不會(huì)看到擺動(dòng)平面的旋轉(zhuǎn)。要進(jìn)行這實(shí)驗(yàn)，擺繩必須相當(dāng)長(zhǎng)（最少200呎），擺錘也

5、要有60磅。香港般含道九號(hào)香港教育學(xué)院羅富國(guó)第二分院，是一座古老的建築物，中央旋梯所圍繞的空間，開說最初就是裝有這樣一個(gè)鐘擺，可惜鐘錘在淪陷時(shí)期給日軍盜去。（5） 太陽系的起源太陽的質(zhì)量佔(zhàn)全太陽系的99%以上，可是它的角動(dòng)量?jī)H為全太陽系的2%。如果根據(jù)拉普拉斯的星雲(yún)假說，假設(shè)太陽系原來是一大片角速度相若的星雲(yún)，大部份的物質(zhì)北極北極數(shù)小時(shí)前數(shù)小時(shí)後圖六鐘擺相對(duì)於觀察者的逆時(shí)針轉(zhuǎn)移數(shù)小時(shí)前數(shù)小時(shí)後圖七鐘擺在北半球的逆時(shí)針轉(zhuǎn)移凝聚於中心成為太陽，則根據(jù)角動(dòng)量守恆的原理，太陽自轉(zhuǎn)速度應(yīng)會(huì)非常的高，但這推論明顯與事實(shí)不符。隨後才引發(fā)起霍伊爾等人提出比較複雜而又能解釋太陽角動(dòng)量的太陽系起源假說。後記其實(shí)角動(dòng)量守恆這一概念，除可與上述宏觀的自然現(xiàn)象扯上關(guān)係外，還可應(yīng)用於以下的例子引起槍