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图解“热力环流”教学中的常见悖论

第一篇：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