“大氣”模擬實驗

李浩漁+錢子逸+芮雪+孟飛+劉雨泓+張蘇揚

指導教師 李 飛

熱力環流模擬實驗

實驗目的：通過對熱力環流形成的動態模擬演示，直觀地觀察和理解熱力環流的成因、過程和運動形式。通過實驗活動動手繪熱力環流模式圖，描述運動過程，從而加深對熱力環流形成機理的理解，同時培養實踐操作能力和求真務實的探索精神。

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，從而形成環流，證明由于地面冷熱不均會引起大氣環流運動。（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，使附近的空氣產生熱脹冷縮現象。香附近的空氣因受熱膨脹體積變大，使同質量的空氣密度減小、氣壓降低而產生上升運動；紙杯附近的空氣因遇冷收縮體積變小，使同質量的空氣密度變大、氣壓升高而產生下沉運動。

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，從而產生空氣的水平運動，這些聯動的過程最終形成環流。究其原因是由于地面的冷熱狀況差異所致，故稱之為熱力環流。

實驗應用：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差異，導致同緯度的海洋和陸地增溫降溫不同而產生冷熱差異；城市風主要由于“城市熱島效應”使市區溫度比郊區高而形成熱力環流。因此，該實驗可用來講解高中教材中相對應的內容。

溫室效應模擬實驗

實驗目的：通過觀察鞋盒內兩支溫度計讀數在短時間內的巨大差異，感知溫室效應的過程與作用。

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側陰影處，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溫度的影響。⑤觀察兩支溫度計讀數的變化。

實驗現象及原理：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，經過一系列的熱量傳遞，加熱室內空氣，而塑料薄膜又可以不讓室內熱空氣向外散發并阻止其與室外空氣進行熱量交換，使室內溫度保持高于外界的狀態。

實驗應用及注意事項： ①溫室有兩大特點：室內溫度高且不易散熱。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溫度的影響，確保塑料薄膜對鞋盒的密封，以阻止鞋盒內外的空氣和熱量交換。③溫度計務必置于鞋盒內側陰影處，避免陽光對溫度計的直接照射，從而影響實驗效果。

實驗優點：用時短，可操作性強，利于演示，緊密聯系生活。

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，因此實驗結果可能偏差較大。

作者單位：南京師范大學附中江寧分校2014級高一（8）班（211102）