图解热力环流教学中的常见悖论.docx
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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。
①
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
②
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。
如
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。
其
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。
而
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。
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[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)__