巧借理科模型 破解“輻射”難題

浙江

一、思維原點(diǎn) 一知半解

對流層大氣的受熱過程這一知識原理一直是教學(xué)的重難點(diǎn)，由于其內(nèi)容抽象、概念繁多、與物理學(xué)交叉等特點(diǎn)，增加了教學(xué)的難度。與此同時，對流層大氣的受熱過程也是學(xué)生理解“氣溫”“地溫”問題的思維原點(diǎn)。何為思維原點(diǎn)？筆者認(rèn)為，所謂思維原點(diǎn)，就是某一地理現(xiàn)象背后蘊(yùn)含的地理原理，是解釋地理現(xiàn)象時的思考依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。例如，旱澇災(zāi)害這一地理現(xiàn)象背后的思維原點(diǎn)就是水循環(huán)原理。在考慮旱澇災(zāi)害的成因這類問題的時候，應(yīng)該從水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)(降水、蒸發(fā)、下滲、地表徑流、地下徑流等)去思考，就會更加符合認(rèn)知規(guī)律。對流層大氣的受熱過程這一地理原理則是解釋氣溫、地溫高低問題的思維原點(diǎn)。從學(xué)生作業(yè)、考試反饋來看，學(xué)生對這一地理原理的掌握還不夠扎實(shí)，筆者舉例加以說明，見例1。

【例1】(浙江省名校Z20聯(lián)盟2019屆第一次聯(lián)考)下表為6月29日北京和杭州天氣資料，據(jù)此完成第1題。

城市最高氣溫最低氣溫天氣杭州31℃25℃陣雨北京37℃25℃多云轉(zhuǎn)晴

1.與杭州相比，北京該日最高氣溫較高的原因是

( )

A.大氣輻射強(qiáng) B.地面輻射強(qiáng)

C.地面反射弱 D.大氣保溫強(qiáng)

【參考答案】B

這是2019屆高三2018年8月返校考試卷，學(xué)生在一輪復(fù)習(xí)沒有到位的情況下，答題情況并不理想，詳見表1。

表1 杭州地區(qū)四所聯(lián)考學(xué)校選擇題第4題得分情況統(tǒng)計表

學(xué)校余杭高級中學(xué)嚴(yán)州中學(xué)桐廬中學(xué)淳安中學(xué)平均分1.361.031.011.16

注：上述四校均為所在縣、市、區(qū)省一級重點(diǎn)中學(xué)

通過上表數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，在一輪復(fù)習(xí)尚未到位的情況下，學(xué)生的答題情況很不理想，這數(shù)據(jù)的背后反映的是學(xué)生對對流層大氣受熱過程這一知識原理仍然似懂非懂的現(xiàn)象，需要教師進(jìn)一步點(diǎn)撥。筆者認(rèn)為，“輻射”本身屬于物理學(xué)概念，相對抽象。對流層大氣的受熱過程涉及太陽輻射、地面輻射、大氣輻射、湍流、潛熱等諸多概念，學(xué)生難消化、難掌握。據(jù)了解，新高考物理選考內(nèi)容中也鮮有涉及“輻射”，教師只是在授課過程中“點(diǎn)到即止”，學(xué)生不求甚解。因此，即便對于選考物理的同學(xué)而言，學(xué)科知識也難以相互借鑒；對于選考組合中沒有搭配物理的同學(xué)而言，更是苦不堪言。

二、模型引入

面對上述困擾學(xué)生的疑難問題，筆者聯(lián)想到許多地理“臨界”取極值的問題，例如人口規(guī)模最大、水庫水位最高等問題，引入一個簡單初中科學(xué)模型幫助學(xué)生理解，見圖1。

圖1 盛水容器水位變化模型

盛水容器的水位高低變化情況：

①當(dāng)進(jìn)水管水量始終大于出水管水量，水位不斷上升；隨著出水管水量不斷增大，當(dāng)進(jìn)水管水量等于出水管水量，水位達(dá)到最高；

②當(dāng)出水管水量始終大于進(jìn)水管水量，水位不斷下降；隨著進(jìn)水管水量不斷增大，當(dāng)進(jìn)水管水量等于出水管水量，水位達(dá)到最低，并開始慢慢回升。

上述模型對于高中生而言非常熟悉，有助于學(xué)生理解掌握“收—支”的臨界值問題，地面系統(tǒng)、大氣系統(tǒng)以及地—?dú)庀到y(tǒng)的輻射差額問題本質(zhì)上也是“收—支”問題，二者不謀而合。當(dāng)然，地面系統(tǒng)、大氣系統(tǒng)和地—?dú)庀到y(tǒng)的“收—支”問題更加復(fù)雜，涉及的能量傳導(dǎo)方式(湍流、潛熱等)更加多樣，也讓這個問題更加撲朔迷離。

三、模型推廣

由于地面系統(tǒng)、大氣系統(tǒng)等涉及多個變量，尤其是大氣系統(tǒng)與外界交換熱量的方式包括傳導(dǎo)、輻射、湍流、對流、蒸發(fā)和凝結(jié)等方式，讓整個系統(tǒng)的“收”顯得千頭萬緒，增大了學(xué)生的認(rèn)知難度。為了更好地厘清這個疑難點(diǎn)，在這些系統(tǒng)的分析過程中，筆者主要通過對湘教版必修1第45頁“圖2—25太陽輻射和地面輻射、大氣逆輻射關(guān)系示意”加以解讀，并抓住核心要素加以分析，即太陽暖大地、大地暖大氣、大氣還大地。

1.地面系統(tǒng)輻射差額

把物體的收入輻射能與支出輻射能的差值稱為凈輻射或輻射差額，即輻射差額=收入輻射-支出輻射。在沒有其他方式進(jìn)行熱交換時，輻射差額決定物體的升溫或降溫。輻射差額不為零，表明物體收支的輻射能不平衡，會有升溫或降溫產(chǎn)生。輻射差額為零時，物體的溫度保持不變。地面系統(tǒng)的“收—支”日變化模型構(gòu)建：地面系統(tǒng)輻射“收—支”日變化情況：

圖2 地面系統(tǒng)輻射“收—支”模型

①白天，當(dāng)太陽冉冉升起，地面獲取的以太陽輻射為主的總輻射(收)不斷增多，盡管地溫升高后，地面輻射也在增強(qiáng)(支)，但是“收”大于“支”，輻射差額為正，地溫不斷升高。到了正午太陽輻射達(dá)到最強(qiáng)。正午以后，太陽輻射強(qiáng)度雖然開始減弱，但地面得到的熱量比失去的更多，地面存儲的熱量仍在增加，地溫持續(xù)升高。到了午后一段時間，地面得到的熱量因太陽輻射的進(jìn)一步減弱而少于失去的熱量，這時地溫開始下降。地溫最高值就出現(xiàn)在地面熱量由存儲轉(zhuǎn)為損失的時刻，地溫由上升轉(zhuǎn)為下降，這個時刻通常在地方時13時左右，地面輻射達(dá)到最強(qiáng)(斯蒂芬—玻爾茲曼定律)。

②隨著日薄西山，太陽高度角不斷減小，地面獲取的總輻射(太陽輻射和大氣逆輻射)不斷減少，而地面輻射在不斷支出，輻射差額為負(fù)，地溫持續(xù)下降。到了夜間，地面獲取的熱量來源主要靠大氣逆輻射。

2.大氣系統(tǒng)輻射差額

這里所要探討的氣溫高低主要是與人類關(guān)系密切的對流層大氣的受熱過程?？諝馀c外界熱量交換的方式有如下幾種：傳導(dǎo)、輻射、對流、湍流和蒸發(fā)凝結(jié)。根據(jù)教材“圖2—25太陽輻射和地面輻射、大氣逆輻射關(guān)系示意”，結(jié)合理科模型，對流層大氣系統(tǒng)的輻射“收—支”模型構(gòu)建如下：

圖3 大氣系統(tǒng)輻射“收—支”模型

大氣系統(tǒng)輻射“收—支”日變化情況：

①清晨日出后，隨著太陽輻射增強(qiáng)，地面溫度升高，此時，地面放出的熱量隨著溫度升高而增強(qiáng)，大氣吸收地面放出的熱量，氣溫也跟著上升。正午太陽輻射達(dá)到最強(qiáng)，地方時13時，地溫最高，地面輻射最強(qiáng)。由于地面熱量傳遞給空氣需要一定的時間，所以，最高氣溫出現(xiàn)在14時。大氣輻射達(dá)到最強(qiáng)(斯蒂芬—玻爾茲曼定律)。

②隨著日薄西山，太陽高度角不斷減小，地面獲取的輻射減少，大氣獲得的總輻射(主要是地面輻射)減少，大氣的能量不斷虧損。日出前后，收支相當(dāng)，氣溫達(dá)到最低，隨著太陽高度角不斷增大，收大于支，氣溫開始回升。

四、模型應(yīng)用

為了更好地幫助學(xué)生理解這一模型，筆者例舉了兩道高錯誤率的試題加以說明。

【例2】讀我國部分地區(qū)某時等壓線分布圖(單位：百帕)，回答2，3題。

2.有關(guān)圖中甲、乙、丙、丁四地天氣狀況的敘述，正確的是

( )

A.甲地艷陽高照 B.乙處吹東北風(fēng)

C.丙處氣溫最高 D.丁處風(fēng)速最小

3.若圖中甲處氣溫為一天中的最高，則

( )

A.太陽輻射最強(qiáng) B.大氣逆輻射最強(qiáng)

C.地面輻射最強(qiáng) D.大氣吸收最多

【參考答案】2.A 3.B

【解析】第2題，甲地在高壓脊控制下，天氣晴朗，正值地方時14時左右，故艷陽高照，A正確；乙地位于冷鋒鋒后，故乙地吹西北風(fēng)，B錯誤；丙地位于海洋上，氣溫低于甲地，C錯誤；丁地等壓線較甲地密集，風(fēng)力不是最小，D錯誤。

第3題，一天中氣溫最高為地方時14時，是大氣輻射最強(qiáng)的時候，大氣輻射包括大氣逆輻射，故也是大氣逆輻射最強(qiáng)的時候，B正確；太陽輻射應(yīng)該地方時12時最強(qiáng)，A錯誤；地面輻射應(yīng)該地方時13時最強(qiáng)，C錯誤；氣溫最高時，應(yīng)該是收支平衡時，不僅僅取決于吸收最高(收)，還與“支”相關(guān)。

【例3】(2016—2017學(xué)年浙江9+1聯(lián)盟高二下期中)讀浙江某地2月某日天氣預(yù)報截圖，回答4，5題。

4.影響圖中“今天”天氣現(xiàn)象的天氣系統(tǒng)是

( )

A.冷鋒 B.暖鋒 C.低壓 D.高壓

5.圖中大氣逆輻射最強(qiáng)出現(xiàn)在

( )

A.“今天”的晚上 B.“周四”的晚上

C.“周六”的白天 D.“周日”的白天

【參考答案】4.A 5.D

【解析】第4題，根據(jù)材料信息，浙江某地2月這一時間信息以及圖中氣溫下降伴有陰雨天氣，可以推導(dǎo)出天氣系統(tǒng)為冷鋒。

第5題，根據(jù)斯蒂芬—玻爾茲曼定律，黑體總放射能力與它本身的絕對溫度的四次方成正比，即溫度越高，輻射能力越強(qiáng)。學(xué)生的一般錯誤思路是晴天大氣逆輻射作用弱，陰雨天大氣逆輻射作用強(qiáng)，而沒有理解輻射的本質(zhì)問題。

五、結(jié)語