“大气”模拟实验

李浩渔+钱子逸+芮雪+孟飞+刘雨泓+张苏扬

指导教师 李 飞

热力环流模拟实验

实验目的：通过对热力环流形成的动态模拟演示，直观地观察和理解热力环流的成因、过程和运动形式。通过实验活动动手绘热力环流模式图，描述运动过程，从而加深对热力环流形成机理的理解，同时培养实践操作能力和求真务实的探索精神。

实验材料：透明长方体水槽、白色泡沫板、剪刀、装满冰块的纸杯、橡皮泥、香、打火机、胶带各一。

实验步骤：①将装满冰块的纸杯和橡皮泥置于水槽底部两端（为保证实验效果，两者尽可能保持最大间距）。②将点燃的香垂直立于橡皮泥上。③将剪切过的泡沫板迅速盖住水槽，并用胶带将泡沫板与水槽顶端玻璃进行密封。

注意事项：①实验尽可能在无风恒温的室内进行。②水槽的体积尽可能大，保证纸杯与香的水平间距，留足泡沫板与纸杯和香的垂直距离。③香的摆放务必要竖直且与纸杯高度一致。④确保泡沫板对水槽的密封性。

实验现象及原理：随着时间的推移，可观察到烟（香的位置）呈上升运动并流向纸杯一侧的上方，然后在纸杯上方呈下沉运动并流回香的位置，从而形成环流，证明由于地面冷热不均会引起大气环流运动。（图1）

实验原理如图2所示，由于燃烧的香与装满冰块的纸杯冷热状况不同，使附近的空气产生热胀冷缩现象。香附近的空气因受热膨胀体积变大，使同质量的空气密度减小、气压降低而产生上升运动；纸杯附近的空气因遇冷收缩体积变小，使同质量的空气密度变大、气压升高而产生下沉运动。

由于地面冷热不均引起空气垂直运动，垂直运动又使同一水平高度产生气压高低差异，气流在水平方向上总是从高气压向低气压运动，从而产生空气的水平运动，这些联动的过程最终形成环流。究其原因是由于地面的冷热状况差异所致，故称之为热力环流。

实验应用：高中地理教材介绍的海陆风、城市风等形成原理与上述实验基本一致，海陆风主要由于海陆热力性质差异，导致同纬度的海洋和陆地增温降温不同而产生冷热差异；城市风主要由于“城市热岛效应”使市区温度比郊区高而形成热力环流。因此，该实验可用来讲解高中教材中相对应的内容。

温室效应模拟实验

实验目的：通过观察鞋盒内两支温度计读数在短时间内的巨大差异，感知温室效应的过程与作用。

实验材料：鞋盒、水银温度计、黑色绘图纸、泡沫板各二份；透明塑料薄膜、胶带、剪刀、手表各一。

实验步骤：①将剪切过的黑色绘图纸平铺在鞋盒底部。②将两支温度计分别平放在鞋盒底部的绘图纸上，尽可能靠近鞋盒底部的边缘，以保证实验时温度计处在鞋盒内侧阴影处，避免阳光直射。③用剪切过的塑料薄膜覆盖住其中一只鞋盒，并用胶带确保密封，制成“微型温室”。④将两只鞋盒移到室外太阳光能均匀照射的地方，鞋盒底部垫上泡沫板，以减少地温对鞋盒内温度的影响。⑤观察两支温度计读数的变化。

实验现象及原理：见表1。

大气对太阳短波辐射几乎透明，却强烈吸收地面长波辐射。大气在吸收地面长波辐射的同时，自己也向外辐射波长更长的长波辐射，其中向下达到地面的部分称为逆辐射。地面接受逆辐射后温度上升，从而大气对地面起到保温作用。使用透明塑料薄膜制成的“微型温室”，可让阳光直接照射温室，经过一系列的热量传递，加热室内空气，而塑料薄膜又可以不让室内热空气向外散发并阻止其与室外空气进行热量交换，使室内温度保持高于外界的状态。

实验应用及注意事项： ①温室有两大特点：室内温度高且不易散热。生活中常见的玻璃育花房和塑料蔬菜大棚就是典型的温室。使用透明玻璃或塑料薄膜来做温室，可使室内温度明显高于外界，特别是在寒冷的冬季，从而为植物的快速生长提供有利条件。②鞋盒底部和地面之间要垫上泡沫板以减少地温对鞋盒内温度的影响，确保塑料薄膜对鞋盒的密封，以阻止鞋盒内外的空气和热量交换。③温度计务必置于鞋盒内侧阴影处，避免阳光对温度计的直接照射，从而影响实验效果。

实验优点：用时短，可操作性强，利于演示，紧密联系生活。

实验不足：鞋盒的体积较小，而且对鞋盒的密封难以保证，同时温度计是平放在鞋盒底部而不是垂直悬空于鞋盒内，因此实验结果可能偏差较大。

作者单位：南京师范大学附中江宁分校2014级高一（8）班（211102）