高中地理必修1“大氣的溫室效應和保溫作用”是學習的重難點，如今公眾關注的全球變暖，基本歸因為二氧化碳等溫室氣體的過度排放，導致溫室效應和保溫作用加劇。所謂的溫室效應是指太陽短波輻射絕大部分能穿透大氣層直接加熱地面，而大氣卻能吸收幾乎全部的地面長波輻射，并向地面發(fā)射長波輻射（稱大氣逆輻射），這種輻射具易進而不易失的效應，稱溫室效應，也稱花房效應。大氣中有此選擇吸收能力的氣體很多，如水汽、二氧化碳等能強烈吸收地面長波輻射，將熱量儲存于大氣中，再通過大氣逆輻射將熱量還給地面，從而起到保溫作用。然而，二氧化碳真的是溫室氣體嗎？它是怎樣產生溫室效應的？產生的效應究竟有多強？這引起了我們的好奇和思考，想通過實驗一探究竟。

一、實驗方案設計

比熱容是熱力學中常用的一個物理量，用它表示物體吸熱或散熱能力。二氧化碳的比熱容比空氣小，在相同的熱能條件下，溫度升高或下降1℃或1K吸收或放出的二氧化碳要比空氣少。假定二氧化碳是一種溫室氣體，它能吸收來自太陽和地面的長波輻射，將熱量截留在大氣中，然后通過大氣逆輻射將熱量歸還給地面，從而起到保溫作用。那么高濃度的二氧化碳氣體與正常大氣相比，在升溫過程中，理應表現為溫度較高;而在降溫過程中，溫度也應高于正常大氣。

通過小組討論分析，初步形成實驗構想：想要證明二氧化碳是不是溫室氣體，能不能起到保溫作用，首先要改變二氧化碳的濃度來進行對比實驗，考慮在實驗室制取，因化學反應本身伴隨有吸熱、放熱等過程，這會對溫度的精準測量產生干擾，所以無法在制取二氧化碳的實驗過程中進行對比測量。即用2個玻璃瓶分別灌裝空氣和二氧化碳，在太陽光的照射下、取暖器的加熱下，對比測量2個瓶內升溫變化的差異，以及在陰涼處（無太陽光直接照射）對比測量2個瓶內降溫變化的差異。具體實驗方案設計如下。

（1）目標：驗證二氧化碳是否是溫室氣體、模擬溫室效應的產生。

（2）材料：1個500ml的空玻璃瓶、1瓶二氧化碳氣體、2個帶孔的瓶塞、3支傳感溫度計（多備幾支以確保測量的起始溫度相同）、1個計時器。

（3）實驗過程：①將2個玻璃瓶都放置在有陽光直接照射的桌面上;②將空玻璃瓶加上瓶塞并插入溫度傳感器，標識為A，將充滿二氧化碳的玻璃瓶加上瓶塞，插入溫度傳感器，標識為B，將第3支溫度傳感器裸露在外;③將3支傳感溫度計通過USB接口連接電腦，打開溫度傳感計專用軟件，讀取3支溫度計的數值，確保其初始讀數相同之后開始記錄;④每隔4分鐘記錄一次數據。

在實驗操作過程中，我們對該方案進行了多次調整與修改。第一次調整是因為考慮該實驗所使用的是玻璃瓶，其介質的特性是短波（太陽輻射能）能穿透，而長波（取暖器輻射能）難以穿透，它僅能起到熱傳導加熱的作用，所以設置太陽光和取暖器這兩個對照組沒有必要。同時，實驗中采用的是500ml的玻璃瓶，瓶中二氧化碳氣體的量太少，且二氧化碳的濃度不夠純，外界的干擾因素稍有變化，其溫度的變化就非常明顯。所以對實驗方案進行修改，改用直徑為2.3米的氣球，分別用二氧化碳和空氣將兩氣球充滿，再進行升溫與降溫的測量對比。第二次方案調整是在降溫的對比測量中，發(fā)現2個氣體球在陰影下的降溫過程，因起始溫度不同，導致2個氣球內的溫度降低趨勢是一致的，16分鐘以后，二氧化碳氣體球內的溫度比空氣球內的溫度始終要高出1℃左右，而且隨著時間的推移，該差值基本保持穩(wěn)定，很難說明問題。故而對實驗方案又作第二次調整與完善，即在相同環(huán)境下，起始溫度相同的條件下，對2個氣球再進行升溫與降溫的對比測量。

二、實驗數據分析

根據修改完善后的實驗方案，測得如圖1所示數據。

在太陽光的照射下，開始后的每個4分鐘時間段內，二氧化碳氣體球升溫比空氣球快，溫度高，即在容器、容積、光照、瓶外空氣流動等因素相同的情況下，在相同的時間內，由于二氧化碳的比熱容小于空氣，導致二氧化碳氣體瓶在吸收了相同的熱量時，升溫更高。但是，在二氧化碳氣體球和空氣球達到相同溫度后，將它們放置在室內陰影下進行降溫觀測，發(fā)現二氧化碳氣體球的溫度略高于空氣球的溫度。根據比熱容，理應二氧化碳氣體球降溫更快，溫度更低，為什么測得的溫度反而高？這樣的實驗數據并不能說明二氧化碳是溫室氣體，尤其是在降溫過程中并沒有體現出保溫作用，也難以模擬“溫室效應”，只能表明不同物質因比熱容不同，而造成吸收或放出熱量的多少存在差異。

我們邀請了物理、化學老師參與討論，因為二氧化碳的比熱容小于空氣，所以當兩個氣球的溫度值一樣時，理論上此時空氣球中所儲存的總熱量應大于二氧化碳氣球。但因容積相同，而兩個氣體球內的密度不同，所以兩個球中的氣體質量不同，最終所儲存的熱量究竟存在多大差異就很難測算。我們推測，在降溫過程中，二氧化碳因比熱容較小，同樣下降1℃時，比空氣所釋放出的熱量少，再加上它所吸收的長波輻射能力比空氣強（這正是本實驗想驗證的一個重點），結果顯現為測得的溫度較高，因球內所儲存的熱量存在差異，導致這一溫度顯示并不能說明二氧化碳就是一種溫室氣體。

不論是試劑瓶，還是換成直徑2.3米的氣球，都難以和地球巨厚的大氣層相比較，只能說是一個粗略的實驗模型。而溫室氣體能產生溫室效應，是由于其本身具備吸收長波輻射（紅外線）的能力，這一吸收能力是由其分子結構所決定的，溫室氣體因擁有偶極矩的紅外活性分子，才具有吸收紅外線、保存紅外熱能的能力。所以，要驗證二氧化碳是不是溫室氣體，需要從它吸收紅外線的多少和強弱來判定，而在這一模擬實驗中，很難測得兩個氣球中所儲存的熱量有多大差異，也難測算兩個氣球獲得的地面長波輻射（紅外線）有多少。同時溫室效應主要是通過大氣逆輻射實現的，在實驗過程中無法測算其中的熱量傳遞及其過程，所以，本模擬實驗很難驗證這一結論，更難模擬出溫室效應。

三、實驗成果小結

1.學會客觀看待全球變暖問題

在日常生活中各種全球變暖的報道，很容易讓我們產生一種直觀、刻板的印象，即二氧化碳具有強烈的保溫作用，它是變暖的罪魁禍首。通過實驗數據來看其實并不明顯，而且水汽、甲烷等也是主要的溫室氣體，但水汽、甲烷等其它溫室氣體因在大氣中的含量和濃度變化不大。而二氧化碳在大氣中的濃度變化，尤其是人類進入工業(yè)文明階段，因燃燒大量的礦物燃料使該變化非常明顯，二氧化碳濃度呈現不斷上升的趨勢。由于二氧化碳的溫室效應引起全球變暖，水在0℃時會結冰，即0.1℃時水還是液態(tài)水，而-0.1℃時水則變成固態(tài)的冰，如此細微的溫度變化都將造成地表大量的固態(tài)冰雪會融化成液態(tài)的水，加之海水受熱膨脹，導致海平面上升，最終危及沿海國家和地區(qū)的安全，也因而引起人們的強烈關注和各國政府的高度重視。

2.加深對課本知識的理解

本次實驗雖然難以模擬真正的大氣層來探究大氣的溫室效應，但通過實驗我們得出一些結論，在實驗過程中如何分析變量，如何控制變量非常重要。同時也從中發(fā)現一些問題，如在日常生活中，人們對溫室效應與全球變暖的概念容易混淆不清，所謂大氣的溫室效應是大氣層能吸收地面長波輻射，進而通過大氣逆輻射又對地面起到保溫作用，如若沒有大氣層的溫室效應，地球環(huán)境不可能變得像現在這般舒適。而全球變暖是一個全球性的環(huán)境問題，由于大氣中二氧化碳等溫室氣體的濃度不斷上升，產生的溫室效應導致全球氣候變暖，最終危及人類的生存。本次實驗提醒我們在日常生活中，應盡量做到低碳生活、低碳出行。

3.求真求實是學習的基本態(tài)度

通過實驗方案的設計、操作、數據分析，以及多次實驗方案的調整和修改，結合所學的地理、物理、化學等知識，對實驗數據作出較為合理的推斷，這些都極大地促進了我們理性的、綜合的思維養(yǎng)成，不僅加深了我們對相關知識的理解，也提高了我們實驗設計能力和實際動手能力，盡管有很多不足之處，但我們相信過程比結果更重要，這都將使我們終身受益。

（小組成員：汪嘉偉，徐佳俊，黃郁珺，丁文遠/浙江省杭州市富陽區(qū)第二中學 311400）