空氣占空間嗎？——神奇的無形物質(zhì)探索第一章：空氣是什么？看不見的混合物空氣是我們看不見摸不著的氣體混合物，無色無味，但卻實(shí)實(shí)在在地存在于我們身邊。無處不在空氣無處不在，包圍著地球，形成保護(hù)我們的大氣層，是地球獨(dú)特的"外衣"。成分復(fù)雜主要成分：氮?dú)饧s78%，氧氣約21%，還有二氧化碳、氬氣等多種氣體組成。空氣的組成揭秘氮?dú)?8%氧氣21%其他氣體1%植物營養(yǎng)源呼吸與能量空氣中的各種氣體各有特定作用：氮?dú)?78%)是植物生長不可或缺的元素，但植物不能直接從空氣中吸收氮?dú)?，需要通過土壤中的微生物轉(zhuǎn)化。氧氣(21%)是人類和動物呼吸的關(guān)鍵元素，通過呼吸作用進(jìn)入血液，為細(xì)胞提供能量。其他氣體(1%)看！空氣正在占據(jù)氣球內(nèi)的空間透明氣球充滿空氣后逐漸膨脹，這是空氣占據(jù)空間的直觀證明。氣球壁被空氣分子不斷撞擊，向外擴(kuò)張，形成了我們看到的膨脹形狀。空氣真的"無形"嗎？空氣雖然通常被認(rèn)為是"無形"的，但它確實(shí)有多種方式讓我們感知到它的存在：風(fēng)的感覺雖然看不見空氣本身，但能感覺到風(fēng)的吹拂，這正是空氣流動的表現(xiàn)?？梢姷暮圹E空氣中夾雜的塵埃、煙霧、水汽等讓空氣變得"可見"，陽光穿過樹林時(shí)的光束就是一個(gè)例子。物理存在空氣有質(zhì)量，有體積，能占據(jù)空間，這些都是它確實(shí)存在的物理證據(jù)。實(shí)驗(yàn)一：吹氣球?qū)嶒?yàn)步驟準(zhǔn)備一個(gè)未充氣的氣球用嘴向氣球內(nèi)吹氣觀察氣球體積變化思考：是什么讓氣球膨脹起來？實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)二：注射器里的空氣步驟一：吸入空氣拉開注射器活塞，空氣自動進(jìn)入注射器內(nèi)部。這時(shí)，注射器內(nèi)充滿了看不見的空氣。步驟二：壓縮空氣用手指堵住注射器口，按壓活塞時(shí)，會感受到明顯的阻力?？諝獗粔嚎s，體積變小，但仍然占據(jù)空間。步驟三：觀察回彈松開活塞，會發(fā)現(xiàn)活塞自動回彈。這是因?yàn)楸粔嚎s的空氣膨脹，推動活塞向外移動。注射器活塞壓縮空氣的原理當(dāng)注射器活塞被壓下時(shí)，內(nèi)部的空氣分子被擠到更小的空間內(nèi)，分子間距離減小，分子碰撞頻率增加，從而產(chǎn)生更大的壓力和阻力。實(shí)驗(yàn)三：兩個(gè)注射器連接的空氣傳遞實(shí)驗(yàn)設(shè)置用一根軟管連接兩個(gè)不含針頭的注射器，確保連接處密封良好?，F(xiàn)象觀察按壓一個(gè)注射器的活塞，另一個(gè)注射器的活塞會被推出。松開后，兩個(gè)活塞會回到平衡位置?？茖W(xué)解釋空氣的力量：無形的推動者風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能推動風(fēng)車旋轉(zhuǎn)發(fā)電，這是空氣流動產(chǎn)生力量的直接應(yīng)用。每年風(fēng)力發(fā)電量在全球能源供應(yīng)中占比不斷上升。飛機(jī)飛行飛機(jī)翼上方氣流速度快、壓力小，下方氣流速度慢、壓力大，壓力差產(chǎn)生升力使飛機(jī)飛行。氣動工具許多工業(yè)工具利用壓縮空氣驅(qū)動，如氣動扳手、噴漆設(shè)備等，展示了空氣壓力的實(shí)用價(jià)值?？諝庥匈|(zhì)量嗎？雖然我們?nèi)粘８惺懿坏絾蝹€(gè)空氣分子的重量，但空氣確實(shí)是有質(zhì)量的：空氣的重量地球表面每平方厘米上方的空氣柱重量約為1千克，這就形成了我們常說的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。質(zhì)量證明精密實(shí)驗(yàn)表明，一立方米的空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下約重1.29千克，這個(gè)質(zhì)量雖小但確實(shí)存在。大氣壓力大氣壓力正是空氣重量對地面的壓力表現(xiàn)，這種壓力對維持生命活動至關(guān)重要。大氣壓力的生活例子超市購物袋的現(xiàn)象當(dāng)我們在超市購物時(shí)，會發(fā)現(xiàn)購物袋底部的面包往往被壓扁。這不僅是因?yàn)樯蠈游锲返闹亓?，也與空氣壓力有關(guān)。上層物品擠壓下方的空氣，使其壓力增大。高空與氣壓隨著海拔升高，空氣層越來越薄：平原地區(qū)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓約為101.3千帕海拔3000米：大氣壓約為70千帕珠穆朗瑪峰頂：大氣壓僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的三分之一超市購物袋中物品受壓示意圖購物袋中的物品從上到下排列，底部物品不僅承受上方物品的重量，還受到空氣壓力的作用。這種壓力分布展示了空氣壓力在日常生活中的普遍存在?？諝鈮毫Φ臏y量傳統(tǒng)水銀氣壓計(jì)最早的氣壓測量工具，利用氣壓對水銀柱高度的影響來測量大氣壓力。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水銀柱高度約為760毫米。數(shù)字氣壓計(jì)現(xiàn)代氣象站常用的設(shè)備，能精確測量氣壓變化，數(shù)據(jù)可直接用于天氣預(yù)報(bào)分析。精度可達(dá)0.1百帕。氣象圖中的氣壓氣象學(xué)家通過等壓線圖分析氣壓分布，預(yù)測天氣變化。高低氣壓系統(tǒng)的移動是預(yù)測天氣的重要依據(jù)?？諝馀c呼吸呼吸的科學(xué)呼吸過程中，我們的肺部容積變化，空氣進(jìn)出肺部：吸氣時(shí)：橫膈膜下降，肋骨上抬，胸腔擴(kuò)大，肺部空間增加，空氣被"吸入"呼氣時(shí)：橫膈膜上升，肋骨下降，胸腔縮小，肺部空間減少，空氣被"呼出"空氣與飛行伯努利原理飛機(jī)機(jī)翼上方氣流速度快，壓力?。幌路綒饬魉俣嚷?，壓力大。這種壓力差產(chǎn)生升力，使飛機(jī)克服重力飛行。聲音傳播聲音是通過空氣分子的振動傳播的。沒有空氣，聲音將無法傳播，這就是為什么在真空中聽不到聲音。風(fēng)箏飛行風(fēng)箏飛行利用的也是空氣流動產(chǎn)生的升力，這是人類最早利用空氣特性的技術(shù)之一，歷史可追溯到2000多年前?？諝馀c環(huán)境室內(nèi)空氣質(zhì)量現(xiàn)代人平均90%的時(shí)間在室內(nèi)度過，室內(nèi)空氣質(zhì)量直接影響健康：甲醛、苯等有害氣體可能來自裝修材料二氧化碳濃度過高會導(dǎo)致頭暈、注意力不集中室內(nèi)PM2.5濃度有時(shí)甚至高于室外通風(fēng)換氣是改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的最簡單有效方法，每天開窗通風(fēng)2-3次，每次15-30分鐘?？諝馕廴究諝馕廴疚镏饕ǎ侯w粒物：PM10、PM2.5氣態(tài)污染物：二氧化硫、氮氧化物揮發(fā)性有機(jī)物臭氧等光化學(xué)污染物城市霧霾與清新空氣對比左圖展示了嚴(yán)重空氣污染狀態(tài)下的城市景觀，能見度低，空氣中懸浮著大量有害顆粒物。右圖則是同一城市在空氣質(zhì)量良好時(shí)的景象，天空湛藍(lán)，能見度高。大氣層的五個(gè)主要層次對流層我們生活和呼吸的空氣層，高度從地表到約8-15公里，這里發(fā)生幾乎所有的天氣現(xiàn)象。溫度隨高度上升而下降，約每上升1公里降低6.5°C。平流層從對流層頂?shù)郊s50公里高度，含有臭氧層，吸收大部分太陽紫外線，保護(hù)地球生物免受傷害。這里溫度隨高度上升而升高。中間層從平流層頂?shù)郊s85公里高度，是大氣中溫度最低的區(qū)域，可達(dá)-90°C。這里的空氣非常稀薄，是大多數(shù)流星燃燒的地方。熱層從中間層頂?shù)郊s600公里高度，溫度可高達(dá)2000°C，但因空氣極其稀薄，不會感到熱。國際空間站就在這一層中運(yùn)行。外層大氣層的高度與空氣稀薄度78%空氣在10公里高度內(nèi)地球大氣層中約78%的空氣質(zhì)量集中在地表以上10公里范圍內(nèi)，這就是為什么商業(yè)飛機(jī)通常在10-12公里高度巡航。0.1%100公里以上空氣超過100公里高度的空氣只占大氣總質(zhì)量的約0.1%，這里的空氣已經(jīng)非常稀薄，接近太空環(huán)境。不同高度飛行的交通工具：熱氣球：通常在低空飛行，高度不超過3公里普通客機(jī)：巡航高度在10-12公里高空偵察機(jī)：可飛行至20公里以上大氣層分層示意圖地球大氣層像洋蔥一樣由多層構(gòu)成，每一層都有不同的溫度、壓力和成分特征。這種分層結(jié)構(gòu)對地球生命的保護(hù)至關(guān)重要。互動實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1氣球?qū)嶒?yàn)材料：氣球、量杯、水步驟：將氣球吹起來但不要系緊在量杯中倒入一定量的水，記錄水位將氣球口對準(zhǔn)水面，緩慢釋放空氣觀察并記錄水位變化觀察重點(diǎn)：氣球中的空氣進(jìn)入水中形成氣泡，氣泡占據(jù)了水中的空間，導(dǎo)致水位上升。2注射器空氣傳遞材料：兩個(gè)注射器、軟管、記錄表步驟：用軟管連接兩個(gè)注射器一個(gè)注射器抽滿空氣，另一個(gè)完全壓下按壓含空氣的注射器，觀察另一注射器的活塞變化記錄活塞移動距離與施加壓力的關(guān)系觀察重點(diǎn)：壓力傳遞、活塞移動速度、空氣壓縮性。3空氣阻力測試材料：不同形狀的紙張、計(jì)時(shí)器步驟：制作不同形狀的紙：平整、揉成球、折成飛機(jī)從同一高度同時(shí)釋放不同形狀的紙計(jì)時(shí)并記錄它們落地所需時(shí)間分析形狀對空氣阻力的影響思考題空氣為什么能推動飛機(jī)飛行？思考飛機(jī)機(jī)翼的特殊形狀設(shè)計(jì)如何利用空氣流動產(chǎn)生升力。伯努利原理如何解釋這一現(xiàn)象？為什么飛機(jī)在高空飛行更省油？如果沒有空氣，生活會怎樣？想象一個(gè)沒有空氣的世界：聲音無法傳播，火無法燃燒，沒有風(fēng)和云，沒有大氣壓力，紫外線直射地面。生物如何生存？地球溫度如何變化？如何保護(hù)我們呼吸的空氣？課程小結(jié)課程小結(jié)理解空氣的實(shí)體性與實(shí)驗(yàn)價(jià)值空氣占空間驗(yàn)證空氣能被壓縮或排出空氣的重要性支持生命與環(huán)境的作用空氣有質(zhì)量證明空氣占有質(zhì)量和重量通過本次課程，我們了解到：空氣的實(shí)體性空氣雖然無形，但確實(shí)有質(zhì)量，占據(jù)空間，這是通過多種實(shí)驗(yàn)可以直接證明的物理事實(shí)?？諝獾闹匾钥諝鈱ι铜h(huán)境至關(guān)重要，是幾乎所有地球生命形式賴以生存的基礎(chǔ)條件。實(shí)驗(yàn)的