“大氣”模擬實驗

李浩漁+錢子逸+芮雪+孟飛+劉雨泓+張?zhí)K揚

指導教師 李 飛

熱力環(huán)流模擬實驗

實驗?zāi)康模和ㄟ^對熱力環(huán)流形成的動態(tài)模擬演示，直觀地觀察和理解熱力環(huán)流的成因、過程和運動形式。通過實驗活動動手繪熱力環(huán)流模式圖，描述運動過程，從而加深對熱力環(huán)流形成機理的理解，同時培養(yǎng)實踐操作能力和求真務(wù)實的探索精神。

實驗材料：透明長方體水槽、白色泡沫板、剪刀、裝滿冰塊的紙杯、橡皮泥、香、打火機、膠帶各一。

實驗步驟：①將裝滿冰塊的紙杯和橡皮泥置于水槽底部兩端（為保證實驗效果，兩者盡可能保持最大間距）。②將點燃的香垂直立于橡皮泥上。③將剪切過的泡沫板迅速蓋住水槽，并用膠帶將泡沫板與水槽頂端玻璃進行密封。

注意事項：①實驗盡可能在無風恒溫的室內(nèi)進行。②水槽的體積盡可能大，保證紙杯與香的水平間距，留足泡沫板與紙杯和香的垂直距離。③香的擺放務(wù)必要豎直且與紙杯高度一致。④確保泡沫板對水槽的密封性。

實驗現(xiàn)象及原理：隨著時間的推移，可觀察到煙（香的位置）呈上升運動并流向紙杯一側(cè)的上方，然后在紙杯上方呈下沉運動并流回香的位置，從而形成環(huán)流，證明由于地面冷熱不均會引起大氣環(huán)流運動。（圖1）

實驗原理如圖2所示，由于燃燒的香與裝滿冰塊的紙杯冷熱狀況不同，使附近的空氣產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。香附近的空氣因受熱膨脹體積變大，使同質(zhì)量的空氣密度減小、氣壓降低而產(chǎn)生上升運動；紙杯附近的空氣因遇冷收縮體積變小，使同質(zhì)量的空氣密度變大、氣壓升高而產(chǎn)生下沉運動。

由于地面冷熱不均引起空氣垂直運動，垂直運動又使同一水平高度產(chǎn)生氣壓高低差異，氣流在水平方向上總是從高氣壓向低氣壓運動，從而產(chǎn)生空氣的水平運動，這些聯(lián)動的過程最終形成環(huán)流。究其原因是由于地面的冷熱狀況差異所致，故稱之為熱力環(huán)流。

實驗應(yīng)用：高中地理教材介紹的海陸風、城市風等形成原理與上述實驗基本一致，海陸風主要由于海陸熱力性質(zhì)差異，導致同緯度的海洋和陸地增溫降溫不同而產(chǎn)生冷熱差異；城市風主要由于“城市熱島效應(yīng)”使市區(qū)溫度比郊區(qū)高而形成熱力環(huán)流。因此，該實驗可用來講解高中教材中相對應(yīng)的內(nèi)容。

溫室效應(yīng)模擬實驗

實驗?zāi)康模和ㄟ^觀察鞋盒內(nèi)兩支溫度計讀數(shù)在短時間內(nèi)的巨大差異，感知溫室效應(yīng)的過程與作用。

實驗材料：鞋盒、水銀溫度計、黑色繪圖紙、泡沫板各二份；透明塑料薄膜、膠帶、剪刀、手表各一。

實驗步驟：①將剪切過的黑色繪圖紙平鋪在鞋盒底部。②將兩支溫度計分別平放在鞋盒底部的繪圖紙上，盡可能靠近鞋盒底部的邊緣，以保證實驗時溫度計處在鞋盒內(nèi)側(cè)陰影處，避免陽光直射。③用剪切過的塑料薄膜覆蓋住其中一只鞋盒，并用膠帶確保密封，制成“微型溫室”。④將兩只鞋盒移到室外太陽光能均勻照射的地方，鞋盒底部墊上泡沫板，以減少地溫對鞋盒內(nèi)溫度的影響。⑤觀察兩支溫度計讀數(shù)的變化。

實驗現(xiàn)象及原理：見表1。

大氣對太陽短波輻射幾乎透明，卻強烈吸收地面長波輻射。大氣在吸收地面長波輻射的同時，自己也向外輻射波長更長的長波輻射，其中向下達到地面的部分稱為逆輻射。地面接受逆輻射后溫度上升，從而大氣對地面起到保溫作用。使用透明塑料薄膜制成的“微型溫室”，可讓陽光直接照射溫室，經(jīng)過一系列的熱量傳遞，加熱室內(nèi)空氣，而塑料薄膜又可以不讓室內(nèi)熱空氣向外散發(fā)并阻止其與室外空氣進行熱量交換，使室內(nèi)溫度保持高于外界的狀態(tài)。

實驗應(yīng)用及注意事項： ①溫室有兩大特點：室內(nèi)溫度高且不易散熱。生活中常見的玻璃育花房和塑料蔬菜大棚就是典型的溫室。使用透明玻璃或塑料薄膜來做溫室，可使室內(nèi)溫度明顯高于外界，特別是在寒冷的冬季，從而為植物的快速生長提供有利條件。②鞋盒底部和地面之間要墊上泡沫板以減少地溫對鞋盒內(nèi)溫度的影響，確保塑料薄膜對鞋盒的密封，以阻止鞋盒內(nèi)外的空氣和熱量交換。③溫度計務(wù)必置于鞋盒內(nèi)側(cè)陰影處，避免陽光對溫度計的直接照射，從而影響實驗效果。

實驗優(yōu)點：用時短，可操作性強，利于演示，緊密聯(lián)系生活。

實驗不足：鞋盒的體積較小，而且對鞋盒的密封難以保證，同時溫度計是平放在鞋盒底部而不是垂直懸空于鞋盒內(nèi)，因此實驗結(jié)果可能偏差較大。

作者單位：南京師范大學附中江寧分校2014級高一（8）班（211102）