《大氣層》中模糊概念的澄清和疑難問題的解決

徐珺

1平流層的起始高度為什么赤道和兩極不同

關(guān)于平流層的高度，有的教師認(rèn)為是8～55千米，有教師認(rèn)為是12～55千米，還有的認(rèn)為是17～55千米.圖1是與教材完全類似的圖片，從圖1可以看出，平流層的高度是12～55千米.平流層的起始高度到底是多少？

對(duì)流層在兩極的厚度約為8千米，到赤道增大到17～18千米，所以平流層的起始高度是有差異的.教材中的12千米取的是平流層起始高度的平均值.

平流層的起始高度為什么在赤道和兩極不同呢？

原因有二：一是赤道附近受太陽輻射熱較多，溫度較高，水汽可上升到較高的高度，兩極反之；二是赤道附近的物體（大氣和水汽也一樣）受到的重力較小，所以水汽能上升到的高度較高.具體解析：如圖2所示，在慣性系中，（萬有）引力=向心力（提供物體隨著地球轉(zhuǎn)動(dòng)）+重力，即重力是萬有引力的一個(gè)分力.地球上的物體（如圖3中假設(shè)是m1）受到的引力大小如圖3中公式所示，地球是赤道略扁的球體，所以物體在赤道時(shí)r最大，引力最小.向心力的大小為f=m1Rω2（R是物體m1距地軸的距離，ω是地球自轉(zhuǎn)的角速度），在赤道R最大，ω最大，m1是一個(gè)定值，所以f最大.根據(jù)三力的關(guān)系，能判斷赤道上的物體受到的重力是最小的.當(dāng)物體在兩級(jí)時(shí)（地軸上相當(dāng)于靜止），向心力為0，引力=重力.此時(shí)重力最大，它的方向與引力相同，指向地心.

鏈接1重力的方向是否指向地心

重力的方向指向地心，嚴(yán)格的說是不正確的.

萬有引力的方向“指向地心”；向心力的方向“垂直指向地軸”.重力=萬有引力-向心力（矢量減，平行四邊形法則，如圖2所示）.“平”的方向是指平靜水

[JZ][CDH01147]

[FL（K2]（4） 測(cè)量小燈泡的電功率.

探究性實(shí)驗(yàn)9個(gè)：

（1）探究浮力大小與哪些因素有關(guān)；

（2）探究杠桿的平衡條件；

（3）探究水沸騰時(shí)溫度變化的特點(diǎn)；

（4）探究光的反射規(guī)律；

（5）探究平面鏡成像時(shí)像與物的關(guān)系；

（6）探究凸透鏡成像的規(guī)律；

（7）探究電流與電壓、電阻的關(guān)系；

（8）探究通電螺線管外部磁場(chǎng)的方向；

（9）探究導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件.

以上20個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)是修訂版課程標(biāo)準(zhǔn)首次以“學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)”的要求列出，這說明這些實(shí)驗(yàn)的重要性，學(xué)生實(shí)驗(yàn)是落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)的重要載體，課余時(shí)間開放實(shí)驗(yàn)室是解決少數(shù)民族地區(qū)農(nóng)村初中實(shí)驗(yàn)器材不足，實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，課時(shí)分散的有效途徑，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手多做課外實(shí)驗(yàn).

3.4指導(dǎo)學(xué)生課外小制作、小實(shí)驗(yàn)

利用日常生活中的材料，如廢牙刷、牙膏皮、一次性輸液管、小藥瓶、礦泉水瓶、塑料吸盤、易拉罐等，根據(jù)所學(xué)過的原理、方法，設(shè)計(jì)與制作同學(xué)們熟悉的有關(guān)物理儀器，完成一些簡(jiǎn)單有趣的物理實(shí)驗(yàn)，如用小藥瓶、礦泉水瓶制作簡(jiǎn)易的浮沉子；用兩個(gè)塑料吸盤做“模擬馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”等.

總之，《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)初中物理教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高的要求，少數(shù)民族地區(qū)物理教育工作者，都面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，教師要積極投身于物理課程改革中，關(guān)注民族教育，關(guān)注物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，為提高少數(shù)民族地區(qū)教育教學(xué)質(zhì)量盡一份力.

面的方向，而豎直向下的方向就是和水平面垂直向下的方向，不是和地球切面垂直向下的方向.所以說重力的方向是豎直向下，而不是指向地心.

隨著地球緯度的變化，重力的大小和方向都有一定的變化.

但因?yàn)橄蛐牧h(yuǎn)小于萬有引力（由公式可知），重力的大小變化不明顯，方向的變化也不明顯，一般近似地認(rèn)為重力方向指向地心；近似地認(rèn)為重力是萬有引力.

鏈接2飛機(jī)的飛行高度

中型以上長(zhǎng)航線（短航線的飛機(jī)一般在6000米至9600米飛行）的民航飛機(jī)都在海拔7000千米～12000千米的給定的高空飛行.飛機(jī)飛行共分為6個(gè)高度層，第1～6層依次是：7000千米、8000千米、9000千米、10000米、11000千米、12000千米.

飛行時(shí)，以正南正北方向?yàn)榱愣冉缦?，凡航向偏右（偏東）的飛機(jī)飛偶數(shù)高層，即8000千米、10000米、12000千米高度層；凡航向偏左（偏西）的飛機(jī)飛奇數(shù)高度層，即7000千米、9000千米、11000千米高度層. 如從北京飛往杭州，杭州位于北京南面偏東方向，飛機(jī)飛偶數(shù)高度層，回程則飛奇數(shù)高度層.這樣，相向飛行的飛機(jī)不在同一高度，可以避免相撞.

2溫度隨高度變化圖為何一反常態(tài)，教學(xué)怎樣設(shè)計(jì)效果會(huì)更好

圖4是與教材完全類似的圖片，按常規(guī)的說法應(yīng)該是“高度隨溫度的變化圖”，因橫坐標(biāo)常為自變量，縱坐標(biāo)常為因變量.但描述的卻是“溫度隨高度的變化圖”，有的教師上課時(shí)，將圖4翻轉(zhuǎn)后變成圖5，目的是“糾偏”，使之走上“常規(guī)”.教材中的畫法卻一反常態(tài)？這部分內(nèi)容怎樣設(shè)計(jì)教學(xué)效果才會(huì)更好呢？

人們對(duì)大氣層高度理解的習(xí)慣認(rèn)知是上、下方位的，高度作為縱坐標(biāo)非常自然和貼切，與生活習(xí)慣完全相符，如圖4看起來也特別順眼.盡管與常規(guī)的自變量和因變量的位置反了，但并不礙事.其實(shí)沒有特別規(guī)定橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的是自變量還是因變量，只是習(xí)慣成自然而已.前述，教師將圖進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，“糾偏”走上“正規(guī)”，是一種可行的方法，使之與習(xí)慣對(duì)接.但整個(gè)教學(xué)需要十分重視暴露轉(zhuǎn)換的思想和過程，使學(xué)生明確其目的和意義.

有的教師使用了表1所示的高度和溫度對(duì)應(yīng)的一些數(shù)據(jù)，讓學(xué)生在坐標(biāo)上描點(diǎn)，明白圖4是怎樣描繪出來的，來呈現(xiàn)認(rèn)知的過程.

表1

高度/km

0

5

9

12

20

30

50

60

70

86

97

106

溫度/℃

19

9

37

65

57

48

13

25

49

81

63

75

教學(xué)效果更好的是有的教師先出示一張照片（圖6），提出思考和討論：

（1）富士山的山頂冰天雪地，山腳卻郁郁蔥蔥，這說明了什么？——高度越高，溫度越低.

（2）如果山的高度能達(dá)到10千米、100千米，溫度變化情況還是這樣嗎？

其實(shí)溫度的變化并非如此簡(jiǎn)單.若有一支溫度計(jì)，它能測(cè)出極大范圍內(nèi)的溫度.當(dāng)將它的位置在大氣層中逐漸升高時(shí)，溫度計(jì)內(nèi)的液面位置將會(huì)呈現(xiàn)十分復(fù)雜的變化，如圖7所示.請(qǐng)學(xué)生說說溫度隨高度變化的規(guī)律.如果建立一個(gè)坐標(biāo)系，請(qǐng)用一條圖線來表示溫度隨高度變化的規(guī)律.然后教師直接將溫度計(jì)內(nèi)的液面連接起來，動(dòng)態(tài)地描繪出溫度變化的光滑曲線，如圖8所示.在溫度隨高度的變化圖像中，自變量是高度，因變量是溫度.我們通常習(xí)慣于將自變量設(shè)為橫坐標(biāo)，將因變量設(shè)為縱坐標(biāo).按照習(xí)慣的做法，請(qǐng)將溫度隨高度變化的圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如圖8所示.

這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，我們感受到了兩個(gè)量之間的變化關(guān)系，很是生動(dòng).所以幫助學(xué)生建構(gòu)圖形、概念等的形成過程，動(dòng)態(tài)、生動(dòng)的感知過程的發(fā)展變化，非常有利于學(xué)生高階思維的培養(yǎng).

3為什么溫度隨著高度的增加呈現(xiàn)出4種不同的變化曲線

（1） 對(duì)流層（0～12 km）：地面低層大氣主要的熱源是地面輻射，大氣離地面越遠(yuǎn)，地面輻射越少，溫度會(huì)越低.

（2）平流層（12～55 km）：在平流層的大氣中有臭氧（層），能夠吸收紫外線，紫外線就是平流層的主要熱源.所以這一層大氣的溫度會(huì)隨高度增加而升高.

（3）中間層（55～85 km）：中間層的熱源源于平流層，因此離平流層越遠(yuǎn)的部位溫度越低，溫度隨高度增加而降低.

（4）暖層和外層（85 km以上）： 地面輻射幾乎為零，臭氧幾乎沒有，大氣受太陽輻射和宇宙物質(zhì)等影響，逐漸升溫.

這部分內(nèi)容是教材中基本沒有的，在教學(xué)中教師是否需要涉及，一看教師對(duì)課程和教材的理解；二看所在學(xué)校的學(xué)生程度如何；三看教學(xué)時(shí)間是否足夠.但作為教師必須對(duì)此有所了解，包括看任何一冊(cè)教材產(chǎn)生的所有疑惑，需要逐個(gè)加以解決.

4大氣層的厚度與地球的比例用蘋果皮與蘋果類比是否恰當(dāng)

有的教師對(duì)大氣層的厚度作了一個(gè)類比：地球像一個(gè)蘋果（或橘子），大氣層就是蘋果皮（或橘子皮），如圖9所示（很漂亮、很精致）.這樣的類比恰當(dāng)嗎？

地球的直徑為12756千米.大氣層的厚度一般取1000千米.它們之間相差約13倍.我們用刀一層一層地削蘋果，一般大小的蘋果可以削30來層，由此看來這個(gè)比例不是太恰當(dāng).

再者，蘋果的果實(shí)由子房和花托等發(fā)育而成.削掉的最外一層皮是花萼外層形成的，果肉是由花萼內(nèi)層、花冠、雄蕊基部和子房壁外中部形成的.子房壁內(nèi)層形成木質(zhì)化不可食用的內(nèi)果皮.再往內(nèi)就是胚珠形成的種子如圖10所示.

像蘋果果實(shí)由子房及其它的部分參與發(fā)育而成，屬于假果.真果的果實(shí)僅由子房發(fā)育而成，如圖11所示.真果和假果的可食用部分主要是果皮中的部分，如桃子，可食用的部分主要是果皮中的“中果皮”，外果皮就是削掉的最外一層皮，內(nèi)果皮（核）是不能吃的.生活中果皮的概念與科學(xué)中的果皮的概念是完全不同的.故從科學(xué)角度分析，用蘋果皮和蘋果的比例類比大氣層和地球是不恰當(dāng)、不科學(xué)的.這里的科學(xué)概念和生活形象存在著較大的差異.

子房

子房壁發(fā)育成果皮

胚珠珠被發(fā)育成種皮

卵細(xì)胞（1個(gè)）+精子（1個(gè)）融合受精卵發(fā)育成胚

極核（2個(gè)）+精子（1個(gè)）融合受精極核發(fā)育成胚乳

種子果實(shí)

在教學(xué)設(shè)計(jì)或教學(xué)時(shí)，教師需要對(duì)自己所下的結(jié)論等事先作一個(gè)十分細(xì)致的學(xué)習(xí)、咨詢、查詢和分析等，讓我們的教學(xué)即生動(dòng)活潑又科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn).

蘋果、梨、草莓、無花果、桑葚、菠蘿（鳳梨）

像桃子是真果，真果的果皮是由子房壁發(fā)育成的，明顯地分為外、中、內(nèi)三層：外果皮由一層表皮和數(shù)層厚角細(xì)胞形成，表皮外面有很多柔毛；中果皮由大型的薄壁細(xì)胞和維管束形成，是食用的主要部分；內(nèi)果皮堅(jiān)硬，由許多木質(zhì)化的石細(xì)胞形成，成為堅(jiān)硬的核，里面含有種子.真果中除了種子以外，其它部分都是果皮.所以像桃子這樣的真果，可食用的部分主要是果皮中的“中果皮”.

像蘋果是假果，假果的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，詳見上文.所以像蘋果這樣的假果，可食用的部分主要是“外果皮、中果皮等”.

綜上所述，水果可食用的部分不能說是果皮，應(yīng)該是果皮中的部分.