作者：谭宗俊向雪皑
化学教育 2009年09期
相信对于温室效应的实验探究，广大化学教师来都耳熟能详了，这个探究实验的面世在我的记忆中至少已经有9年多了，2000年4月在绵阳举行的四川省实验成果交流会上，一位职业中学的老师就展示了这个实验研究，她的设计是：在2个空的矿泉水瓶中，一个装满二氧化碳，另一个装满空气，在2个瓶中各插入一只温度计，再用白炽灯泡等距离照射2个矿泉水瓶，一段时间后，观察到装二氧化碳的瓶中的温度计上升的温度比装空气的矿泉水瓶中的高，试图以此来证明二氧化碳的温室效应。该次会议没有给这个实验评奖，笔者曾就此实验探究的设计谈过自己的看法：这个实验只能说明二氧化碳吸收热量的能力比空气强，因为温室效应的大气层下面有动物和植物构成的生命循环，即生物链，此实验条件没有，真实的温室效应条件下二氧化碳只是微量增加，而此实验矿泉水瓶中全部是二氧化碳气体，主持这次会议的四川省教科所副所长李远良和省教科所中学室汪永琪主任也赞同此看法。没有想到的是时至今日，这个实验流传越来越广，从核心期刊到一般期刊、从中学老师到大学老师（甚至有的是国内知名度较高的专家）、从课外练习到统考、从初中到高中都在刊载和引用这个实验（或者原型是这个实验），大有众口铄金之势。当今由于高中化学教学中实行一纲多本，自主命题的省份越来越多，每年的高考题针对使用不同教材版本的模式也越来越多。为了防止以后演变成高考题闹成笑话，为此笔者认为大有必要在这里重新认识一下这个实验的原理和装置，借以正本清源，不然的话，也完全有可能演变成“水变油”一样的伪科学而误导学生了。（绝非危言耸听，据笔者不完全统计，至少有9种刊物刊载过这个实验）
对于温室效应的叙述在化学教材中原见于初中化学教材：“近几十年来，由于人类消耗的能源急剧增加，森林遭到破坏，大气中的二氧化碳的含量不断上升。大气中的二氧化碳气体能像温室的玻璃或塑料薄膜那样，使地面吸收的太阳光的热量不易散失，从而使全球变暖，这种现象叫‘温室效应’。能产生‘温室效应’的气体除二氧化碳外，还有臭氧、甲烷、氟氯代烷等。”
可能是为了让学生信服二氧化碳在大气中的温室效应的作用，各地的老师结合教学实践设计了这个实验的探究。主要有如下一些实验装置。
一、文献中设计的各种装置
图1 文献[2]
对下页图2的说明：剪断的半截矿泉水塑料瓶插入装土的盘中形成温室，在瓶底部打一小孔通入二氧化碳后再插入一温度计，另一支温度计直接放在装土的盘中，同时放在太阳光下照射，再隔相同时间观察温度计计数的变化。
应该说上述其他装置的原理根据图示都可以看明白，不需要再作详细的注释，有的是用同一热源照射2种不同的气体再观察温度计上升度数的差异，有的是观察气体受热膨胀的差异来说明问题。从参考文献中文章的题目可以看出：同一个实验，相同的原理，有些称呼就更准确。
图2 文献[3]
图3 文献[4]
图4 文献[5]
图5 文献[6]
图6 文献[7]
图7 文献[8]
图8 文献[9]
二、实验的原理
温室效应产生的真正原理如何呢？大气中的二氧化碳对来自太阳的短波辐射吸收较少，地表受到大量的太阳短波辐射被加热，温度提高，再以长波形式对外辐射能量。地表的长波辐射绝大部分被大气中的二氧化碳和水蒸气（包括其他温室气体）吸收。大气被加热，也以长波形式向外辐射能量，很大一部分辐射能又返回地表。这样使地表和大气对流层下的温度增高，这种作用与玻璃温室所起的作用类似，也称温室效应。具体原理如图9所示：
图9
宇宙中任何物体都辐射电磁波，物体温度越高，辐射的电磁波波长越短。太阳表面温度约6000℃，它发射的电磁波长很短，称为太阳短波辐射（其中包括从红到紫色的可见光）。地面在接受太阳短波辐射而增温的同时，也是时时刻刻向外辐射电磁波而冷却。地球发射的电磁波长因为温度较低而较长，称为地面长波辐射。可是短波辐射和长波辐射在经过地球大气时遭遇是不同的，大气对太阳也向外辐射波长更长的长波辐射（因为大气温度比地面更低）。其中向下达地面的部分称为逆辐射。地面接受到逆辐射后主动升温，或者说大气对地面起到了保温作用，这就是大气温室效应的原理。地球大气的这种保温作用，类似于种植花卉的暖房顶上的玻璃（也被称作暖房效应或花房效应），因为玻璃也有透过太阳短波辐射和吸收地面长波辐射的保温功能。
有些气体能直接吸收某波段的辐射，从而直接使大气增温。如，二氧化碳能透射太阳短波辐射，使它到达地表增温，但对于地面长波辐射却善于吸收，特别是对波长在13～17μm波谱范围内有强烈的吸收能力。使得地面辐射能够大量截留在大气二氧化碳层内，不逸入宇宙空间。
从图9示意中也可以看出，太阳的短波辐射被地表吸收后温度升高再转变成长波辐射向大气层散发，而温室气体可以被短波辐射透过而不被长波辐射透过，对流层的温室气体阻挡了长波辐射而使对流层下的温度升高，对流层以下的地表上正是人类和动物、植物构成的生命循环，即生物链的地方，并且目前温室效应的结果也只是空气中的二氧化碳由0.03%上升到当前的0.035%的结果，而不是全部被二氧化碳取代的结果。
三、探究实验准确的称呼
由上面的原理可以看出，以上老师设计的实验探究，准确地说应该称为：二氧化碳是温室气体的验证，而不应该叫做：“温室效应”模拟演示或“温室效应”实验室演示。非常遗憾的是在上述参考资料中，只有文献[8～10]对实验探究的称呼是准确的。这个知识是多学科涉及的，可能是由于各学科教材涉及的角度和深浅不一样，导致实验原理和称呼的模糊，为了防止在今后的高考命题中出现类似矛盾和错误，建议各学科间应该统一到科学、正确、准确的尺度上来。
作者介绍：谭宗俊，四川师范大学化学与材料科学学院（成都 610068）； 向雪皑，四川成都华西中学(610081)。
作者：谭宗俊向雪皑
化学教育 2009年09期
相信对于温室效应的实验探究，广大化学教师来都耳熟能详了，这个探究实验的面世在我的记忆中至少已经有9年多了，2000年4月在绵阳举行的四川省实验成果交流会上，一位职业中学的老师就展示了这个实验研究，她的设计是：在2个空的矿泉水瓶中，一个装满二氧化碳，另一个装满空气，在2个瓶中各插入一只温度计，再用白炽灯泡等距离照射2个矿泉水瓶，一段时间后，观察到装二氧化碳的瓶中的温度计上升的温度比装空气的矿泉水瓶中的高，试图以此来证明二氧化碳的温室效应。该次会议没有给这个实验评奖，笔者曾就此实验探究的设计谈过自己的看法：这个实验只能说明二氧化碳吸收热量的能力比空气强，因为温室效应的大气层下面有动物和植物构成的生命循环，即生物链，此实验条件没有，真实的温室效应条件下二氧化碳只是微量增加，而此实验矿泉水瓶中全部是二氧化碳气体，主持这次会议的四川省教科所副所长李远良和省教科所中学室汪永琪主任也赞同此看法。没有想到的是时至今日，这个实验流传越来越广，从核心期刊到一般期刊、从中学老师到大学老师（甚至有的是国内知名度较高的专家）、从课外练习到统考、从初中到高中都在刊载和引用这个实验（或者原型是这个实验），大有众口铄金之势。当今由于高中化学教学中实行一纲多本，自主命题的省份越来越多，每年的高考题针对使用不同教材版本的模式也越来越多。为了防止以后演变成高考题闹成笑话，为此笔者认为大有必要在这里重新认识一下这个实验的原理和装置，借以正本清源，不然的话，也完全有可能演变成“水变油”一样的伪科学而误导学生了。（绝非危言耸听，据笔者不完全统计，至少有9种刊物刊载过这个实验）
对于温室效应的叙述在化学教材中原见于初中化学教材：“近几十年来，由于人类消耗的能源急剧增加，森林遭到破坏，大气中的二氧化碳的含量不断上升。大气中的二氧化碳气体能像温室的玻璃或塑料薄膜那样，使地面吸收的太阳光的热量不易散失，从而使全球变暖，这种现象叫‘温室效应’。能产生‘温室效应’的气体除二氧化碳外，还有臭氧、甲烷、氟氯代烷等。”
可能是为了让学生信服二氧化碳在大气中的温室效应的作用，各地的老师结合教学实践设计了这个实验的探究。主要有如下一些实验装置。
一、文献中设计的各种装置
图1 文献[2]
对下页图2的说明：剪断的半截矿泉水塑料瓶插入装土的盘中形成温室，在瓶底部打一小孔通入二氧化碳后再插入一温度计，另一支温度计直接放在装土的盘中，同时放在太阳光下照射，再隔相同时间观察温度计计数的变化。
应该说上述其他装置的原理根据图示都可以看明白，不需要再作详细的注释，有的是用同一热源照射2种不同的气体再观察温度计上升度数的差异，有的是观察气体受热膨胀的差异来说明问题。从参考文献中文章的题目可以看出：同一个实验，相同的原理，有些称呼就更准确。
图2 文献[3]
图3 文献[4]
图4 文献[5]
图5 文献[6]
图6 文献[7]
图7 文献[8]
图8 文献[9]
二、实验的原理
温室效应产生的真正原理如何呢？大气中的二氧化碳对来自太阳的短波辐射吸收较少，地表受到大量的太阳短波辐射被加热，温度提高，再以长波形式对外辐射能量。地表的长波辐射绝大部分被大气中的二氧化碳和水蒸气（包括其他温室气体）吸收。大气被加热，也以长波形式向外辐射能量，很大一部分辐射能又返回地表。这样使地表和大气对流层下的温度增高，这种作用与玻璃温室所起的作用类似，也称温室效应。具体原理如图9所示：
图9
宇宙中任何物体都辐射电磁波，物体温度越高，辐射的电磁波波长越短。太阳表面温度约6000℃，它发射的电磁波长很短，称为太阳短波辐射（其中包括从红到紫色的可见光）。地面在接受太阳短波辐射而增温的同时，也是时时刻刻向外辐射电磁波而冷却。地球发射的电磁波长因为温度较低而较长，称为地面长波辐射。可是短波辐射和长波辐射在经过地球大气时遭遇是不同的，大气对太阳也向外辐射波长更长的长波辐射（因为大气温度比地面更低）。其中向下达地面的部分称为逆辐射。地面接受到逆辐射后主动升温，或者说大气对地面起到了保温作用，这就是大气温室效应的原理。地球大气的这种保温作用，类似于种植花卉的暖房顶上的玻璃（也被称作暖房效应或花房效应），因为玻璃也有透过太阳短波辐射和吸收地面长波辐射的保温功能。
有些气体能直接吸收某波段的辐射，从而直接使大气增温。如，二氧化碳能透射太阳短波辐射，使它到达地表增温，但对于地面长波辐射却善于吸收，特别是对波长在13～17μm波谱范围内有强烈的吸收能力。使得地面辐射能够大量截留在大气二氧化碳层内，不逸入宇宙空间。
从图9示意中也可以看出，太阳的短波辐射被地表吸收后温度升高再转变成长波辐射向大气层散发，而温室气体可以被短波辐射透过而不被长波辐射透过，对流层的温室气体阻挡了长波辐射而使对流层下的温度升高，对流层以下的地表上正是人类和动物、植物构成的生命循环，即生物链的地方，并且目前温室效应的结果也只是空气中的二氧化碳由0.03%上升到当前的0.035%的结果，而不是全部被二氧化碳取代的结果。
三、探究实验准确的称呼
由上面的原理可以看出，以上老师设计的实验探究，准确地说应该称为：二氧化碳是温室气体的验证，而不应该叫做：“温室效应”模拟演示或“温室效应”实验室演示。非常遗憾的是在上述参考资料中，只有文献[8～10]对实验探究的称呼是准确的。这个知识是多学科涉及的，可能是由于各学科教材涉及的角度和深浅不一样，导致实验原理和称呼的模糊，为了防止在今后的高考命题中出现类似矛盾和错误，建议各学科间应该统一到科学、正确、准确的尺度上来。
作者介绍：谭宗俊，四川师范大学化学与材料科学学院（成都 610068）； 向雪皑，四川成都华西中学(610081)。