大气受热过程课堂教学设计与实验指导

大气受热过程课堂教学设计与实验指导引言大气受热过程是地理学中阐释大气运动基本能量来源与传递机制的核心内容，对于理解天气变化、气候形成乃至人类活动对气候系统的影响均具有基石性作用。本节教学设计旨在通过理论探究与实验验证相结合的方式，引导学生深入理解太阳辐射、地面辐射与大气辐射三者之间的内在联系，掌握大气对太阳辐射的削弱作用和对地面的保温作用原理。本设计注重学生地理实践力的培养，力求将抽象的物理过程具象化，帮助学生构建完整的知识体系，并提升其分析和解决实际地理问题的能力。一、教学目标（一）知识与技能1.阐述大气受热过程的三个主要环节：太阳暖大地、大地暖大气、大气还大地。2.说明大气对太阳辐射的削弱作用（吸收、反射、散射）及其主要影响因素。3.解释大气保温作用的原理，明确大气逆辐射的关键作用。4.能够运用大气受热过程原理解释相关的地理现象，如昼夜温差、温室效应等。（二）过程与方法1.通过读图分析、小组讨论等方式，培养学生获取、解读地理信息及合作探究的能力。2.通过设计并操作模拟实验，引导学生观察现象、分析数据、得出结论，提升地理实验操作与探究能力。3.引导学生将所学知识与日常生活现象相联系，培养其理论联系实际的能力和地理思维。（三）情感态度与价值观1.认识大气受热过程对地球生命生存环境的重要性，树立人地协调观。2.通过对温室效应等问题的探讨，增强学生的环境意识和社会责任感。3.激发学生探究大气环境奥秘的兴趣，培养科学精神。二、教学重难点（一）教学重点1.大气受热过程的具体环节及能量传递方向。2.大气对太阳辐射的削弱作用和大气的保温作用原理。（二）教学难点1.大气逆辐射的概念及其在保温作用中的意义。2.运用大气受热过程原理分析解释实际地理现象。三、教学方法与课时安排（一）教学方法讲授法、讨论法、实验探究法、多媒体辅助教学法。（二）课时安排建议1-2课时（不含课后拓展活动）。四、教学过程设计（一）导入新课（约5分钟）情境设问：展示月球表面昼夜温差极大（白天酷热，夜晚严寒）与地球表面昼夜温差相对温和的对比数据或图片。提问：“为什么地球与月球同处宇宙空间，获得的太阳辐射相似，但昼夜温差却有如此巨大的差异？是什么因素使得地球表面的温度能够保持相对稳定，为生命的存在提供了适宜的条件？”设计意图：通过创设情境，引发学生认知冲突，激发探究兴趣，自然导入本节课的主题——大气受热过程。（二）新课讲授（约25-30分钟，穿插实验）1.太阳辐射：地球大气最重要的能量来源*教师活动：简要回顾太阳辐射的概念和主要波长范围（紫外区、可见光区、红外区）。强调太阳辐射是地球表层能量的主要源泉。*学生活动：聆听，回顾旧知。*过渡：太阳辐射到达地球后，会经历怎样的旅程？大气在这个过程中又扮演了什么角色？2.大气对太阳辐射的削弱作用*教师活动：展示“大气对太阳辐射的削弱作用示意图”。结合图示，讲解大气对太阳辐射的三种削弱方式：*吸收作用：选择性吸收（臭氧吸收紫外线，水汽和二氧化碳吸收红外线，对可见光吸收很少）。*反射作用：无选择性（云层、尘埃等，与云层厚度、尘埃颗粒大小有关）。*散射作用：选择性散射（蓝紫光易被空气分子散射，解释天空呈蓝色）和无选择性散射（粗粒散射）。*学生活动：观察图示，理解三种削弱作用的特点和差异。*设问：为什么晴朗的天空呈蔚蓝色？为什么日出日落时天空呈橘红色？（引导学生用散射作用原理解释）*实验探究一：模拟大气对太阳辐射的削弱作用（可选，或作为课后拓展）*目的：初步感知大气成分对不同光的吸收或散射差异。*材料：透明玻璃容器、清水、牛奶（或墨水）、手电筒、不同颜色的滤光片（可选）。*简要步骤：1.容器中装入清水，模拟洁净大气。用手电筒（模拟太阳辐射）从一侧照射，观察另一侧光线强度和颜色。2.向水中滴入几滴牛奶并搅拌均匀，模拟含有较多杂质或水汽的大气。再次用手电筒照射，观察光线强度和颜色变化。*现象与讨论：加入牛奶后，光线强度减弱，颜色可能偏红（因为短波被散射掉更多）。3.地面辐射与大气辐射*教师活动：*讲解：太阳辐射经过大气削弱后，大部分可见光到达地面，地面吸收太阳辐射而增温，同时向外辐射能量，称为地面辐射。地面辐射的能量主要集中在红外区，属于长波辐射。*强调：地面是近地面大气主要的、直接的热源（“太阳暖大地，大地暖大气”）。*展示“大气受热过程示意图”，引导学生关注地面辐射的方向和大气对地面辐射的吸收。指出大气中的水汽、二氧化碳等温室气体强烈吸收地面长波辐射，使大气增温。*大气增温后，也会向外辐射能量，称为大气辐射。大气辐射一部分向上射向宇宙空间，一部分向下射向地面，射向地面的大气辐射称为大气逆辐射。*学生活动：读图分析，理解地面辐射和大气辐射的概念、特点及其与太阳辐射的关系。4.大气的保温作用（温室效应）*教师活动：*总结：大气逆辐射把热量还给地面，在一定程度上补偿了地面辐射损失的热量，对地面起到了保温作用，这就是大气的保温效应，也常称为“温室效应”（“大气还大地”）。*展示“月球和地球表面受热过程对比示意图”，回归导入问题，引导学生完整阐述地球昼夜温差小的原因：白天大气削弱太阳辐射，使到达地面的太阳辐射减少，气温不会太高；夜晚大气逆辐射强，对地面保温作用好，气温不会太低。*学生活动：结合图示和所学知识，尝试解释导入提出的问题，深刻理解大气保温作用的原理。*实验探究二：模拟大气的保温作用*目的：直观理解大气（温室气体）对地面的保温效应。*材料：两个相同的玻璃或塑料容器（如广口瓶）、两个相同的温度计、少量干冰或冰块（可选，用于制造温差）、黑色硬纸板（或涂黑容器内壁，增强吸热）、透明塑料薄膜。*步骤：1.在两个容器底部铺上黑色硬纸板，各放入一支温度计，记录初始温度。2.将其中一个容器用透明塑料薄膜密封（模拟有大气且具有保温作用的情况），另一个不密封（模拟无大气或保温作用弱的情况，如月球）。3.将两个容器同时放在阳光下照射一段时间（或置于台灯下），观察并记录两支温度计的读数变化。4.也可将装置移至阴凉处或遮光，观察温度下降的快慢。*现象预测：1.阳光下照射时，密封容器内的温度上升可能更快或最终温度更高（若考虑短波辐射穿透和长波辐射截留）。2.移至阴凉处后，密封容器内的温度下降速度比未密封容器慢。*讨论与结论：透明塑料薄膜允许太阳短波辐射进入，容器内地面（黑色纸板）吸收后发出长波辐射，塑料薄膜对长波辐射的透过性较差，从而截留了热量，模拟了大气的保温作用。*注意事项：选择晴朗天气，确保光照条件；温度计初始读数一致；注意安全，避免容器破裂或烫伤。（三）课堂小结与巩固（约5-10分钟）*师生共同梳理：大气受热过程的三个核心环节（“太阳暖大地，大地暖大气，大气还大地”），并在示意图上标注能量传递方向。*概念辨析：区分太阳辐射、地面辐射、大气辐射、大气逆辐射。*案例分析：*解释为什么霜冻多出现在晴朗的夜晚？（晴朗夜晚，云量少，大气逆辐射弱，保温作用差，地面温度低易出现霜冻。）*为什么人造烟雾能防御霜冻？（人造烟雾增加大气中尘埃和二氧化碳含量，增强大气逆辐射，提高地面温度。）*学生活动：独立思考或小组讨论，运用所学知识分析案例。（四）作业布置（约2分钟）1.绘制“大气受热过程示意图”，并标注各环节名称及能量传递方向。2.搜集资料，分析全球气候变暖与大气受热过程中哪个环节密切相关？人类活动是如何影响这一环节的？（撰写简短的分析报告）3.解释生活中的现象：为什么深秋或寒冬，多云的夜晚比晴朗的夜晚要暖和一些？五、实验指导（一）实验一：模拟大气对太阳辐射的削弱作用（简易版）*实验目的：理解大气成分（如尘埃、水汽）对太阳辐射有削弱作用，特别是对不同波长光的散射差异。*实验材料：*2个完全相同的透明玻璃杯或塑料杯*清水*少量牛奶（或豆浆、墨水）*手电筒（最好是白光LED手电）*白色纸板（作为背景观察）*实验步骤：1.向两个玻璃杯中各倒入约三分之二体积的清水。2.向其中一个玻璃杯中滴入2-3滴牛奶，用小棒轻轻搅拌均匀，使水呈现轻微的浑浊状态。另一个杯子保持清澈，作为对照。3.将白色纸板放在杯子后方作为背景。4.在黑暗环境下（或用书本遮挡周围光线），用手电筒从杯子侧面（或正面一定角度）照射杯子，从杯子的另一侧观察透过的光线强度和颜色。*观察内容：*两杯液体透过光线的明亮程度有何不同？*两杯液体透过光线的颜色有何差异？（可对比观察）*实验现象与结论：*现象：装有浑浊液体（牛奶水）的杯子，透过的光线比装有清水的杯子要暗（强度减弱）。浑浊液体的杯子透出的光可能略带红色或黄色调，而清水杯透出的光颜色接近手电筒本色。*结论：浑浊的液体（模拟含有杂质、水汽的大气）对光线有明显的削弱作用（吸收、散射）。其中，波长较短的蓝、紫光更容易被散射掉，使得透过的光中波长较长的红、黄光比例相对增加，从而呈现不同颜色。这模拟了大气对太阳辐射的散射和吸收等削弱作用。*注意事项：*牛奶的量要少，搅拌均匀，避免过于浑浊导致完全不透光。*实验环境光线越暗，观察效果越明显。*注意用电安全。（二）实验二：模拟大气的保温作用（核心实验）*实验目的：通过对比实验，理解大气（特别是温室气体）对地面的保温效应，即大气逆辐射的作用。*实验原理：地面吸收太阳辐射后升温并向外辐射长波辐射。玻璃或塑料薄膜等透明材料允许太阳短波辐射透过，但对地面发出的长波辐射有较强的阻挡作用，从而使得热量不易散失，温度相对较高，模拟了大气的保温作用。*实验材料：*2个大小相同的透明玻璃广口瓶（带盖，如罐头瓶、集气瓶）或透明塑料盒*2支精度较高的相同温度计（如酒精温度计，量程0-50℃为宜）*2块大小相同的黑色硬纸板或黑色泡沫板（比瓶底略大，用于模拟地面，增强吸热）*透明塑料薄膜（若瓶子无盖，用于密封瓶口）*手表或计时器*实验步骤：1.准备阶段：将两块黑色硬纸板分别放入两个玻璃瓶底部。2.初始温度记录：将两支温度计分别放入两个玻璃瓶内（温度计感温泡不要接触瓶壁和纸板，可悬挂或用橡皮泥固定），盖紧其中一个瓶子的盖子（或用塑料薄膜密封瓶口，模拟有浓厚大气且能产生明显保温效应的地球）；另一个瓶子不加盖（或仅用纱布盖住瓶口防止灰尘落入，但不密封，模拟保温作用极弱的月球或没有大气的情况）。3.放置与照射：将两个瓶子并排放在阳光充足的地方（如窗台、室外），确保两个瓶子接受的光照条件基本一致。同时开始计时。4.温度观测与记录：每隔5-10分钟同时读取并记录两支温度计的示数，持续观测30-60分钟。如果条件允许，可继续观测移至阴凉处后温度下降的情况。*实验数据记录表（示例）：时间（分钟）0（初始）51015202530...:-----------:--------::--:--:--:--:--:--密封瓶温度（℃）未密封瓶温度（℃）*实验现象与讨论：*现象预测：在阳光下照射一段时间后，两个瓶子内的温度都会上升。但通常情况下，密封瓶内的温度会比未密封瓶内的温度升高得更快，且最终达到的最高温度更高。如果进行降温观测，则密封瓶内温度下降速度较慢。*讨论问题：1.两个瓶子内温度变化的差异主要是什么原因造成的？2.实验中，黑色纸板的作用是什么？透明玻璃瓶（或塑料薄膜）的作用是什么？3.这个实验如何模拟了地球大气的保温作用？实验中的哪些部分分别对应了太阳辐射、地面辐射和大气逆辐射？4.如果在密封瓶中充入更多的二氧化碳气体（模拟温室气体增加），你认为实验结果会有何变化？（开放性讨论）*实验结论：透明的瓶壁或塑料薄膜允许太阳短波辐射进入并被瓶内黑色纸板吸收，纸板升温后发出长波辐射。密封环境阻碍了瓶内长波辐射的散失和热量的对流，使得瓶内温度升高更显著，模拟了大气通过吸收地面长波辐射并以大气逆辐射形式返还热量，从而对地面起到保温作用。*注意事项：*选择晴朗天气进行实验，确保有足够的太阳辐射。*两支温度计应事先进行校对，确保读数准确。*实验过程中不要用手触摸瓶子，以免影响温度。*若使用玻璃器皿，注意轻拿轻放，防止破碎。*若阳光过强，温度上升过高，注意防止温度计损坏。*实验改进建议：*可以用两个相同的黑色金属罐代替玻璃瓶和黑色纸板，吸热效果更好，温度差异可能更明显。*可以尝试在密封瓶中放入一小杯干冰（注意安全操作，避免冻伤），待干冰升华后形成高浓度二氧化碳环境，对比普通空气环境下的保温效果差异。六、教学资源建议1.多媒体课件：包含“大气受热过程示意图”、“大气对