题目
由于地球的平均气温升高,造成两极冰山融化,海平面上升.此项效应会引起A. 地球自转的转动惯量变大,地球自转动能变大B. 地球自转的转动惯量变大,地球自转动能变小C. 地球自转的转动惯量变小,地球自转动能变大D. 地球自转的转动惯量变小,地球自转动能变小
由于地球的平均气温升高,造成两极冰山融化,海平面上升.此项效应会引起
A. 地球自转的转动惯量变大,地球自转动能变大
B. 地球自转的转动惯量变大,地球自转动能变小
C. 地球自转的转动惯量变小,地球自转动能变大
D. 地球自转的转动惯量变小,地球自转动能变小
题目解答
答案
B. 地球自转的转动惯量变大,地球自转动能变小
解析
考查要点:本题主要考查转动惯量和角动量守恒的应用,需要理解地球形状变化对自转参数的影响。
解题核心思路:
- 转动惯量的变化:冰川融化导致质量从靠近地轴的两极向赤道迁移,平均半径增大,转动惯量增加。
- 动能的变化:根据角动量守恒,转动惯量增大时角速度减小,结合动能公式 $KE = \frac{1}{2}I\omega^2$,最终动能会减少。
破题关键点:
- 转动惯量公式 $I = \sum m r^2$,质量分布离转轴越远,$I$ 越大。
- 角动量守恒 $L = I\omega$,若无外力矩作用,$I$ 增大必然导致 $\omega$ 减小。
- 动能推导:$KE = \frac{1}{2}I\omega^2$,当 $I$ 增大且 $\omega$ 减小时,需判断两者的综合影响。
转动惯量的变化
地球自转的转动惯量 $I$ 与质量分布密切相关。两极冰川融化后,水流入赤道附近的海洋,导致地球的质量分布从更靠近地轴(两极)向远离地轴(赤道)转移。由于转动惯量公式为 $I = \sum m r^2$,平均半径 $r$ 增大,整体转动惯量 变大。
动能的变化
地球自转的动能为 $KE = \frac{1}{2}I\omega^2$。若冰川融化过程中无外力矩作用,角动量 $L = I\omega$ 守恒。当 $I$ 增大时,$\omega$ 必须减小以维持 $L$ 不变。假设 $I$ 变为 $kI$,则 $\omega$ 变为 $\omega/k$,此时动能为:
$KE' = \frac{1}{2}(kI)\left(\frac{\omega}{k}\right)^2 = \frac{1}{2}I\omega^2 \cdot \frac{1}{k}.$
由于 $k > 1$,动能 减少。