一、認(rèn)知奠基：為何要開展臺風(fēng)模擬實驗？演講人CONTENTS認(rèn)知奠基：為何要開展臺風(fēng)模擬實驗？原理拆解：臺風(fēng)是如何“煉”成的？實驗設(shè)計：如何搭建“微型臺風(fēng)工廠”？操作指南：從“準(zhǔn)備”到“觀測”的全流程深度探究：從“模擬”到“應(yīng)用”的思維躍升總結(jié)升華：在模擬中觸摸自然的“密碼”目錄2025高中科技實踐之臺風(fēng)模擬實驗課件各位老師、同學(xué)們：今天，我們將共同開啟一次“與臺風(fēng)對話”的科技實踐之旅。作為從事中學(xué)科學(xué)教育十余年的一線教師，我深知，讓抽象的氣象知識“落地生根”，最好的方式就是親手模擬、親眼觀察、親腦思考。臺風(fēng)，這個被稱為“地球的呼吸”的天氣系統(tǒng)，既是自然力量的集中體現(xiàn)，也是跨學(xué)科知識的融合載體。接下來，我將從“為何模擬”“如何模擬”“模擬何為”三個維度，帶大家系統(tǒng)完成這次科技實踐。01認(rèn)知奠基：為何要開展臺風(fēng)模擬實驗？1臺風(fēng)的科學(xué)價值與社會意義臺風(fēng)（在大西洋稱颶風(fēng)）是熱帶海洋上生成的強(qiáng)熱帶氣旋，其形成與發(fā)展涉及大氣動力學(xué)、熱力學(xué)、海洋學(xué)等多學(xué)科原理。據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計，全球每年約生成80-100個熱帶氣旋，其中約1/3會發(fā)展為臺風(fēng)級（風(fēng)速≥32.7m/s）。我國是受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一，東南沿海地區(qū)年均遭遇臺風(fēng)7-8次。2023年第5號臺風(fēng)“杜蘇芮”登陸時，中心附近最大風(fēng)力達(dá)17級，直接經(jīng)濟(jì)損失超百億元——這些數(shù)據(jù)背后，是氣象預(yù)測的重要性，更是公眾科學(xué)素養(yǎng)提升的緊迫性。對高中生而言，臺風(fēng)模擬實驗不僅是“紙上談兵”的知識驗證，更是培養(yǎng)“科學(xué)探究”核心素養(yǎng)的實踐平臺。通過模擬，我們能直觀理解“氣壓梯度力如何驅(qū)動空氣流動”“科里奧利力怎樣改變氣流方向”“海洋熱量如何為臺風(fēng)提供能量”等抽象概念，真正實現(xiàn)“從現(xiàn)象到本質(zhì)”的認(rèn)知躍升。2高中階段開展模擬實驗的可行性有人會問：“臺風(fēng)尺度達(dá)數(shù)百公里，高中生如何在實驗室模擬？”這正是科技實踐的魅力所在——我們采用“縮尺模擬”與“關(guān)鍵要素提取”的方法。根據(jù)相似理論，只要保持實驗中的“雷諾數(shù)”（表征流體慣性力與粘性力比值的無量綱數(shù)）、“羅斯貝數(shù)”（表征科里奧利力與慣性力比值）與真實臺風(fēng)相近，就能復(fù)現(xiàn)其核心特征。實驗室條件下，我們可以通過控制旋轉(zhuǎn)速度、加熱功率、示蹤劑濃度等參數(shù)，模擬臺風(fēng)的“眼墻結(jié)構(gòu)”“螺旋云帶”“暖心結(jié)構(gòu)”等關(guān)鍵特征。我曾帶領(lǐng)學(xué)生用直徑1米的旋轉(zhuǎn)水槽完成過初級模擬實驗，當(dāng)看到學(xué)生們驚呼“真的出現(xiàn)了風(fēng)眼！”時，我深刻體會到：實踐中的“親眼所見”，比教科書上的20頁文字更有說服力。02原理拆解：臺風(fēng)是如何“煉”成的？原理拆解：臺風(fēng)是如何“煉”成的？要模擬臺風(fēng)，首先需明確其形成的四大必要條件——這是實驗設(shè)計的“底層邏輯”。1臺風(fēng)形成的四大“啟動鍵”（1）溫暖的海洋表層（海溫≥26.5℃）：臺風(fēng)本質(zhì)是“海洋能量轉(zhuǎn)化器”，海水蒸發(fā)為大氣提供水汽，水汽凝結(jié)釋放的潛熱是臺風(fēng)的“燃料”。實驗中，我們用恒溫水浴鍋加熱模擬海水，控制水溫在30℃左右（略高于臨界值，增強(qiáng)實驗效果）。（2）初始擾動（熱帶低壓）：大氣中需存在一個弱低壓中心，如同“種子”吸引周圍空氣輻合。實驗中，我們通過微型抽氣泵在水槽中心制造低壓區(qū)。（3）地轉(zhuǎn)偏向力（科里奧利力）：受地球自轉(zhuǎn)影響，北半球氣流會向右偏轉(zhuǎn)，最終形成逆時針旋轉(zhuǎn)的氣旋。實驗中，我們用可變速旋轉(zhuǎn)平臺模擬地轉(zhuǎn)偏向力，旋轉(zhuǎn)方向為逆時針（對應(yīng)北半球）。（4）垂直風(fēng)切變較?。ā?0m/s）：若高低空風(fēng)向風(fēng)速差異過大，會“吹散”臺風(fēng)的1臺風(fēng)形成的四大“啟動鍵”垂直結(jié)構(gòu)。實驗中，我們通過封閉的玻璃罩減少外部氣流干擾，模擬低風(fēng)切變環(huán)境。這四個條件缺一不可。2022年第3號臺風(fēng)“暹芭”之所以能在南?！耙馔狻奔訌?qiáng)，正是因為當(dāng)時海溫異常偏高（29-30℃）且垂直風(fēng)切變極小。2臺風(fēng)發(fā)展的“能量鏈”理解了啟動條件，還要明白臺風(fēng)如何“長大”。其核心是“暖心結(jié)構(gòu)”的形成：當(dāng)空氣在低壓中心輻合上升時，水汽凝結(jié)釋放潛熱，使中心區(qū)域溫度高于周圍（暖心），進(jìn)一步降低中心氣壓，形成“低壓→輻合→上升→潛熱釋放→氣壓更低→輻合更強(qiáng)”的正反饋循環(huán)。實驗中，我們會用紅外熱像儀監(jiān)測中心區(qū)域與外圍的溫差，直觀觀察這一過程。我曾在實驗中記錄到：當(dāng)水溫從25℃升至30℃時，中心氣壓下降速度提高了3倍，這正是“海溫是能量源”的直接證據(jù)。03實驗設(shè)計：如何搭建“微型臺風(fēng)工廠”？實驗設(shè)計：如何搭建“微型臺風(fēng)工廠”？基于上述原理，我們設(shè)計了“三系統(tǒng)+兩監(jiān)測”的實驗裝置（如圖1所示），總預(yù)算約3000元，材料多為實驗室常見器材，適合高中推廣。1核心裝置：三大系統(tǒng)構(gòu)建模擬環(huán)境（1）旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)：采用可變速直流電機(jī)（轉(zhuǎn)速0-30轉(zhuǎn)/分鐘可調(diào)）驅(qū)動直徑60cm的有機(jī)玻璃水槽，模擬地轉(zhuǎn)偏向力。電機(jī)需固定在穩(wěn)固的實驗臺上，避免振動影響。（2）加熱系統(tǒng)：水槽底部嵌入500W加熱棒，連接溫度控制器（精度±0.5℃），模擬海洋熱源。為均勻加熱，可在水槽內(nèi)放置攪拌子（由另一微型電機(jī)驅(qū)動）。（3）示蹤系統(tǒng)：向水槽中加入熒光示蹤劑（如羅丹明B）或細(xì)木屑，通過高速攝像機(jī)（幀率≥240fps）記錄水流運(yùn)動軌跡，直觀呈現(xiàn)“螺旋輻合”“眼墻上升”等現(xiàn)象。2監(jiān)測系統(tǒng)：數(shù)據(jù)支撐科學(xué)結(jié)論（1）氣壓監(jiān)測：在水槽中心與邊緣分別放置微型氣壓傳感器（精度±0.1hPa），實時記錄氣壓差變化。（2）溫度監(jiān)測：使用紅外熱像儀（分辨率320×240）掃描水槽垂直剖面，繪制溫度場分布圖，驗證“暖心結(jié)構(gòu)”是否形成。3實驗參數(shù)表（參考值）|參數(shù)|實驗值|對應(yīng)真實臺風(fēng)特征|1|---------------|--------------|------------------------|2|水槽直徑|60cm|臺風(fēng)直徑（500-1000km）|3|旋轉(zhuǎn)速度|15轉(zhuǎn)/分鐘|地轉(zhuǎn)偏向力強(qiáng)度|4|水溫|30±1℃|熱帶海洋表層溫度|5|初始?xì)鈮翰顋2-3hPa|熱帶低壓初始擾動|6注：參數(shù)需根據(jù)實驗現(xiàn)象調(diào)整，例如若螺旋結(jié)構(gòu)不明顯，可適當(dāng)提高旋轉(zhuǎn)速度；若中心氣壓下降緩慢，可檢查加熱功率是否達(dá)標(biāo)。704操作指南：從“準(zhǔn)備”到“觀測”的全流程1準(zhǔn)備階段（30分鐘）在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容（1）裝置檢查：確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、加熱棒無漏電、傳感器校準(zhǔn)（用標(biāo)準(zhǔn)氣壓計比對）、攝像機(jī)角度（俯視+側(cè)視雙機(jī)位）。在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容（2）材料配置：向水槽注入20L去離子水（減少雜質(zhì)干擾），加入0.5g羅丹明B（用溫水溶解后緩慢倒入），啟動攪拌子混合均勻。我曾犯過一個錯誤：第一次實驗時未校準(zhǔn)氣壓傳感器，導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差達(dá)2hPa，后來發(fā)現(xiàn)是傳感器長期未使用導(dǎo)致零點漂移。這提醒我們：科學(xué)實驗容不得半點馬虎。（3）安全預(yù)案：明確“三禁止”——禁止觸碰運(yùn)轉(zhuǎn)中的電機(jī)、禁止加熱時無水空燒、禁止實驗后直接觸摸加熱棒（需冷卻30分鐘）。2啟動階段（10分鐘）（1）加熱啟動：設(shè)置水溫30℃，開啟加熱棒與攪拌子，觀察水溫升至28℃時（預(yù)留2℃升溫時間）進(jìn)入下一步。（2）旋轉(zhuǎn)啟動：緩慢增加電機(jī)轉(zhuǎn)速至15轉(zhuǎn)/分鐘（對應(yīng)羅斯貝數(shù)約0.1，與真實臺風(fēng)相近），觀察示蹤劑是否出現(xiàn)螺旋運(yùn)動（若未出現(xiàn)，可輕撥水面制造初始擾動）。（3）低壓制造：開啟微型抽氣泵（流量5L/分鐘），在水槽中心抽取空氣，此時氣壓傳感器應(yīng)顯示中心氣壓下降0.5-1hPa。3觀測階段（20分鐘）現(xiàn)象記錄：重點觀察三個階段——STEP4STEP3STEP2STEP1初始輻合（0-5分鐘）：示蹤劑向中心螺旋匯聚，形成“螺旋云帶”雛形；眼墻形成（5-15分鐘）：中心區(qū)域因空氣上升出現(xiàn)“風(fēng)眼”（無示蹤劑的空白區(qū)），眼墻（示蹤劑密集區(qū)）風(fēng)速加快；暖心驗證（15-20分鐘）：紅外熱像儀顯示中心區(qū)域溫度比外圍高2-3℃（模擬臺風(fēng)暖心溫差約8-10℃，因縮尺效應(yīng)減弱）。（2）數(shù)據(jù)采集：每2分鐘記錄一次中心氣壓、邊緣氣壓、中心溫度、外圍溫度，繪制“氣壓-時間”“溫度-時間”曲線圖。4結(jié)束階段（10分鐘）（1）關(guān)閉設(shè)備：先關(guān)閉加熱棒，待水溫降至25℃以下再關(guān)閉電機(jī)（避免高溫下電機(jī)負(fù)載過大），最后關(guān)閉抽氣泵與攝像機(jī)。1（2）清理裝置：排出水槽內(nèi)液體（示蹤劑需收集后統(tǒng)一處理，避免污染），用軟布擦拭有機(jī)玻璃，檢查傳感器是否受潮。2（3）初步分析：實驗結(jié)束后立即查看攝像機(jī)錄像與傳感器數(shù)據(jù)，標(biāo)注關(guān)鍵時間點（如風(fēng)眼出現(xiàn)時刻、氣壓最低值）。305深度探究：從“模擬”到“應(yīng)用”的思維躍升1變量控制：哪些因素影響模擬效果？通過對比實驗，我們可以進(jìn)一步探究單一變量的影響：海溫變化：分別設(shè)置水溫25℃、28℃、30℃，觀察風(fēng)眼是否形成（25℃時僅能形成弱低壓，無明顯旋轉(zhuǎn)）；旋轉(zhuǎn)速度：設(shè)置10轉(zhuǎn)/分鐘、15轉(zhuǎn)/分鐘、20轉(zhuǎn)/分鐘，發(fā)現(xiàn)15轉(zhuǎn)/分鐘時螺旋結(jié)構(gòu)最清晰（轉(zhuǎn)速過高會導(dǎo)致“慣性離心力”過強(qiáng)，中心氣壓無法持續(xù)下降）；初始擾動：對比“自然擾動”（輕撥水面）與“抽氣擾動”，發(fā)現(xiàn)人工制造的低壓中心能使實驗提前5分鐘進(jìn)入眼墻階段。這些結(jié)論與真實臺風(fēng)研究高度一致——例如，西北太平洋臺風(fēng)生成區(qū)海溫普遍高于28℃，而赤道附近因科里奧利力過?。ㄐD(zhuǎn)速度“過低”）幾乎無臺風(fēng)生成。2聯(lián)系實際：模擬實驗如何服務(wù)防災(zāi)？為何“雙臺風(fēng)”會“共舞”：兩個氣旋的渦旋相互作用，類似實驗中兩個旋轉(zhuǎn)水渦的“吸引-排斥”現(xiàn)象（可通過雙電機(jī)裝置模擬）。臺風(fēng)模擬的最終目的是理解其規(guī)律，從而提升預(yù)測與防御能力。通過實驗我們可以直觀解釋：為何臺風(fēng)登陸后迅速減弱：離開暖洋面后，潛熱供應(yīng)中斷，同時地面摩擦增大，破壞正反饋循環(huán)；為何臺風(fēng)“眼區(qū)”反而風(fēng)平浪靜：眼區(qū)空氣下沉增溫，抑制云系發(fā)展，且氣流旋轉(zhuǎn)的“慣性離心力”與氣壓梯度力平衡，風(fēng)速減小；我曾帶學(xué)生用實驗數(shù)據(jù)撰寫《基于模擬實驗的臺風(fēng)登陸后衰減規(guī)律分析》，被當(dāng)?shù)貧庀蟛块T采納為科普素材，這讓學(xué)生真切感受到“科學(xué)就在身邊”。3創(chuàng)新改進(jìn)：你的“臺風(fēng)實驗室”可以更完美01科學(xué)探究沒有終點。以下是幾個改進(jìn)方向，供同學(xué)們課后探索：02多尺度模擬：用不同直徑的水槽（如30cm、60cm、90cm）研究“縮尺效應(yīng)”對結(jié)果的影響；03三維觀測：加入垂直方向的示蹤劑（如分層染色水），用CT掃描技術(shù)（或多臺攝像機(jī)組合）重建三維流場；04數(shù)字化升級：將傳感器數(shù)據(jù)接入Arduino開發(fā)板，實時生成動態(tài)圖表，甚至用Python編寫簡單的“臺風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測模型”。06總結(jié)升華：在模擬中觸摸自然的“密碼”總結(jié)升華：在模擬中觸摸自然的“密碼”回顧本次科技實踐，我們通過“理論-模擬-驗證-應(yīng)用”的完整鏈條，完成了對臺風(fēng)的“深度對話”：從理解其形成條件到搭建模擬裝置，從觀測現(xiàn)象到分析數(shù)據(jù)，從解釋規(guī)律到聯(lián)系實際。這不僅是一次“做實驗”的過程，更是一次“像科學(xué)家一樣思考”的訓(xùn)練——我們學(xué)會了如何從復(fù)雜自然現(xiàn)象中提取關(guān)鍵要素，如何通過控制變量驗證假設(shè)，如何用數(shù)據(jù)支撐結(jié)論。作為教師，我最欣慰的不是學(xué)生記住了“科里奧利力”的定義，而是他們在看到實驗中“風(fēng)眼”出現(xiàn)時眼中的光芒，是他們在分析數(shù)據(jù)時爭論“這個溫度差是否合理”的認(rèn)真，是他們在討論“如何改進(jìn)實驗”時