地球上的水漩涡演示仪（视频）

一、问题来源

每天我们都能看到水漩涡，地球自西向东旋转，物体运动存在自转偏向，在地球上运动的物体，都会发生偏向，在北半球向右偏，在南半球向左偏，这种现象是科氏力在地球自转的一个非惯性系中的惯性力表现，我们称其为地转偏向力。赤道地区旋转的线速度最大（约462 m/s），随着纬度升高，线速度越来越小，到了极点减为零。而水漩涡的形成正与地球自转有关。

由于以及相关科普教具的缺失，广大民众对水漩涡的形成原理无法产生一个直观的理解，也难以系统地理解经度、纬度、角速度、线速度、地转偏向力等概念。

  二、解决方案及模型

我们团队针对此问题提出了本设计方案，又经查阅大量现有文献、专利资料后，得以确认并未发现与本设计方案内容相类似的专利及技术。

皮带Ⅰ、皮带Ⅱ、皮带Ⅲ通过变速箱可实现不同速度。通过开合电机和手动切换从动轴来实现皮带同速、不同速和静止三种运动模式的切换。运动模式切换完成后，待装置运转平稳时释放小球，即可在皮带上观察到相应运动模式的相应偏转现象。

右上角放置有线速度演示仪，演示仪类似地球仪，球面在不同纬度的地方装有灯，对于不同纬度线速度不同这个原理不是很理解的可转动，深度了解。

三、科学原理

地球自转角速度是恒定的，而不同纬度其垂直于地轴的圆截面是随纬度增高而相应减小的。其变化规律近似服从余弦函数图像变化规律（图1）：

由图1可以看出，随着纬度逐渐增大，垂直于地轴的截面半径逐渐减小，且速度减小得越来越快。即具有相同纬度差的两条相邻纬度带，它们的纬度越高，它们之间垂轴截面半径之差也越大，也就意味着这两条纬度带的地转线速度之差也随着纬度增大而越来越大，纬度越高，水漩涡越明显，增大到极点时，地轴的截面半径减小至0，赤道处两纬度带间垂轴截面半径之差极小，速度差极小，可忽略不计，解释了赤道处排除外扰因素后水漩涡的形成几乎不可见。

四、设计原理

我们设计的装置，通过不同运动速度的传送带来演示地球在自转过程中呈现不同线速度的纬度带，以滚动的小球演示跨纬度运动的物体。通过这样一个演示过程将科里奥利力的作用效果放大，同时排除诸多外在干扰因素。其原理如3所示： 

图3

在北半球，物体从低纬度向高纬度运动时，运动物体向右偏转，当物体从高纬度向低纬度运动时，运动物体向左偏转。如图4所示：

图四

其他位置的水漩涡原理相同，就不再演示。