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图解热力环流教学中的常见悖论

高中地理《普通高中地理课程标准(实验)解读》认为,大气的不均匀受热是大气运动的主要原因,大气热力环流则是理解许多大气运动类型的理论基础。

小到城市热岛环流,大到全球性大气环流,都可以用大气热力环流的原理来解释。

因此,热力环流在大气环境部分有着极其重要的作用。

但笔者发现,因认知上的偏差,关于热力环流的内涵、外延,还存在着不少的错误观点及论断,且这种错误观点及论断还能自圆其说,形成悖论。

本文通过理论分析、实践探究来剖析并纠正热力环流的内涵及外延在教学中的常见悖论。

一、理论分析把握热力环流内涵

在开展热力环流的教学过程中,教师一般先讲近

地面受热不均,紧跟着描述空气的垂直运动,然后再讲同一水平面上出现气压高低差异,最后是空气的水平运动。

然而,空气在做垂直运动的过程中,关于近地面有没有产生气压的变化,莫衷一是。

悖论1:

密闭空气柱内的垂直运动不影响气压变化

支撑理由:

根据周淑贞关于气压的定义——单位

面积上大气柱的重量。

假设一理想密闭的大气柱,既没有空气流入,也没有空气流出,空气只做垂直运动。

在运动过程中,大气柱内部并没有发生质量的改变,

因此,大气柱底部即近地面位置上的气压并没有发生变化。

剖析:

产生这种论断的根本原因在于对气压概念

理解上的偏差。

周淑贞对气压定义时有一个重要的条

件,假设大气相对于地面而言处于静止状态,则某点气压值等于该点单位面积上所受铅直气柱的重量。

换句话讲,地理学界关于气压的定义只适用于静止的大气。

那么,运动中的气压该如何理解呢?

高中物理对气压进行了热力学上的定义,认为气压的实质是由于气体分子的热运动,热运动导致气体分子对物体表面撞击而产生了力。

重力只是导致气体分子分布在竖直方向上并按指数规律递减,一般认为这是气压产生的外因。

空气柱内的上升运动,会使近地面附近的气体分子减少,进而使气体分子撞击近地面附近空气柱表面的概率减少,最终使气压减小。

结论:

即使在密闭空气柱内,垂直运动会影响气

压的变化,上升运动会使近地面气压减小,下沉运动会使近地面气压增大。

当然,密闭空气柱这样的假设也毫无现实意义,地球的大气是开放的、流动的。

必须承认,热力环流的过程中垂直运动先发生,

而后发生水平运动。

但水平运动是否存在高空先、近地面后的顺序,也是众说纷纭。

陈锋

(德清县高级中学,浙江湖州313200)

图解“热力环流”教学中的常见悖论

高中地理2014年第19期

悖论2:

高空的大气水平运动早于近地面的大气水

平运动(如图①、②所示)

支撑理由:

①来自人教版及中图版高中地理必修I

中关于“热力环流”过程的描述:

空气受热膨胀上升和

冷却下沉,首先引起的是高空的气压出现高低差异,导

致高空的空气由高气压区向低气压区运动;高空的空气

出现水平运动之后,近地面才出现气压的高低差异,近

地面也随之出现水平运动。

②来自生活的观察经验。

烟囱排放烟雾的扩散过程。

剖析:

产生这种论断的原因在于对“热力环流”

的形成过程的人为割裂及思维定势。

据笔者观察发现,

所有现行的及以前的教材在“热力环流”部分的示意图

都将中间部分的近地面标识为“热”,因思维习惯的原

因或者表达顺序的需要,在“热力环流”形成过程中率

先阐述热空气部分,且在行文过程中亦是热空气部分文

字占先。

这就给人造成了一种错觉,认为“热力环流”

的过程中高空及近地面大气的水平运动存在先后。

实,这并不是教材的侧重点,只是在表述的时候必须得

有先后的需要而已。

的确,在生活中,我们也看到了热

空气上升然后水平方向扩散的过程,如烟囱的烟雾。

事实上,我们的眼睛欺骗了我们,我们看到的是高空烟

雾的扩散,而没有看到近地面无形的空气的流动!

近地面的空气毕竟不是密闭的,同一水平面上气

压的变化,势必立即引起空气的水平运动。

须知,热力

环流是一整体的、动态的过程。

结论:

高空的大气水平运动与近地面的大气水平

运动同时进行,不分先后。

高空的大气水平运动与近地

面大气的水平运动的先后顺序不是现行四种版本教材所

要真正表达的,教材真正要传递的是“地面冷热不均→

空气的垂直运动→同一水平面出现气压高低差异→空气

的水平运动”的思维链。

悖论3:

热力环流中,温度与气压成正比

支撑理由:

物理学中理想气体的状态方程PV/T=k

(P为气压,V为体积,T为温度,k为常数)。

一般认

为,在大气圈中存在着如下关系(固定的空气颗粒数量

的前提下,体积与密度成反比)。

T:

温度P:

气压D:

密度

当T↑则P↑则D↓

当T↓则P↓则D↑

↑:

升高↓:

下降

一方面,在大气圈中,固定体积内的空气颗粒数

量是一样的,那么,温度和气压成正比。

另一方面,如

果一个气团在保持一定气压的情况下,温度和密度之间

则是反比例关系。

剖析:

在大多数的大气交互作用中,密度和气压

是不断变化的,因此,大气中温度、气压和密度之间又

有另一种变化关系。

在对流层中,随着高度的增加,温

度和密度都将降低。

如果密度随着高度的增加而降低,

并且温度是和密度成反比例变化的,那么温度又怎会随

着高度增加而降低呢?

问题就在于温度会随着气压和密

度两者的变化而发生变化。

在这种情况下,温度是和气

压与密度的比率成正比,因而随高度增加而降低。

地球大气层密度的变化是由于地球引力的不同,

地球大气层温度的变化是由于大气特殊的受热过程所

致。

因此,在垂直方向上,始终遵循气温与气压的正比

关系;在水平方向上,近地面由于空气受热上升,气压

降低,因此气温与气压成反比;在水平方向上的高空,

气温与气压一致;在水平方向上的非近地面、非高空的

某一位置,气温与气压关系不明。

结论:

垂直方向上,温度与气压成正比;水平方

向上,且位于近地面,温度与气压成反比;水平方向

上,且位于高空,温度与气压成正比。

当然,在由近地

面向高空的递变过程中,气温与气压关系不明。

二、实践探究明晰热力环流外延

悖论4:

热力环流中的所有运动环节都是热力作用

形成的

支撑理由:

热力环流由热力作用形成,不存在动

力作用。

剖析:

此处以实验来说明。

笔者曾做过一个简单

而有趣的实验。

在炎热的夏季,除教室前门外,教室的

其他门窗全部关闭,教室内开着空调,整个教室空间内

的气温低于教室外气温。

笔者拿着一张餐巾纸,在门

(下转第16页)

教学研究

16

2014年第19期

补。

3.各版本教材案例的选取各有优势,案例的呈现方

式多样。

如人教版和中图版在区域的选取上,涉及的范

围广泛,更能训练学生的知识迁移能力。

教师在教学

时,可根据实际情况,结合四版本教材的案例进行讲

解。

且教学中应灵活应用案例,教师有必要依据教学目

标、教学设计、学生认知水平及教师授课特点等实际情

况,对地理案例进行相应的处理。

4.合理利用案例,强调知识的迁移,而不是教“案

例”。

叶圣陶先生说过这样一句话:

“教材无非是例

子,通过例子来使学生达到举一反三的本领。

”然而,

再典型的实例也很难涵盖研究这类问题的所有内容和方

法。

因此,教师要借助教材中精选的示范性材料,不仅

使学生掌握这一个或者一组案例的基本内容,更要让学

生学会学习、分析相同或相似类型问题的基本方法,体

会学习的过程。

教育者需反思对案例教学实质的认识,

要注意研读课标,深入理解教材,避免“教案例”现象

的发生,深化对知识迁移理论的领悟,注意在案例教学

中根据学生的特点因材施教。

5.案例的组织形式也有待于探究。

在使用案例时,

要关注地理事物本身的综合性,从而避免仅从形式上

使用案例。

有学者提出,能不能选择同一个区域的案

例来进行分析,以对应课标中所提出的几个不同的标

准要求呢?

如,课标中有关“区域发展阶段”“产业转

移”“农业”“工业和城市化”等标准要点,就可以在

同一区域案例上建立起这种综合的联系。

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部.普通高中地理课程标准

(实验)[S].北京:

人民教育出版社,2003.

[2]陈澄,樊杰.普通高中地理课程标准(实验)解读

[M].南京:

江苏教育出版社,2004.

[3]林培英,朱剑刚.试论以案例分析的方法编

写教材——以高中地理教材为例[J].课程.教材.教

法,2006,26,(6):

62-66.

[4]普通高中课程标准实验教科书●地理3[M].北京:

人民教育出版社,2009.

[5]王民.普通高中课程标准实验教科书●地理必

修.第三册[M].北京:

中国地图出版社,2007.

[6]普通高中地理课程标准实验教科书●地理Ⅲ.必

修[M].长沙:

湖南教育出版社,2012.

[7]普通高中课程标准实验教科书.必修.地理第三册

[M].济南:

山东教育出版社,2009.

[8]刘彦彦.高中区域地理教科书中案例的设置分

析——以高中《地理》人教版必修3为例[J].中学地理教

学参考,2013,(Z1):

62-63.

[9]杨士军.对高中地理教学中案例选取与应用

的认识——以中图版《高中地理》为例[J].地理教

学,2013,(4):

35-38.

[10]陈倩,李琴.高中地理教学案例设计研究综述[J].

中学地理教学参考,2013,(9):

20-21.

的不同高度位置让学生观察餐巾纸的飘动方向。

观察发

现:

在低处,空气往室外流,在高处,空气往室内流。

高一

(1)班

餐巾纸往室内飘动

餐巾纸往室外飘动

低处餐巾纸往室外飘动的原因是:

因教室内空调

的制冷作用,较冷的空气形成并逐渐沉降于教室地面,

密度较大,气压较高。

教室外同一高度的空气则温度较

高,密度较小,气压较低。

餐巾纸往室外飘动符合热

力作用的一般规律——同一水平面上,冷空气形成高气

压,并向低气压方向运动。

高处餐巾纸往室内飘动的原因是:

因低处空气由

教室内往教室外方向运动,教室内空气渐少,为平衡教

室内外空气,高处空气进入教室内。

在高处,教室内气

温也是明显低于教室外,显然,高处空气由室外进入

室内并非热力作用,而是一种空气间的补偿,属动力作

用。

结论:

在相对封闭的环境中,热力环流中也存在

着动力作用。

热力环流是大气运动的一种最简单的形式,却有

着极为丰富的内涵、很不简单的外延。

(上接第24页)__

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