地球上水的物态变化

地球上水的物态变化   一、本节三维目标 1．知识与技能 · Ø         认识水的三种物态。 · Ø         了解水的汽化和液化、熔化和凝固、升华和凝华。 · Ø         了解地球上的水循环现象。 · Ø         了解水对人类生命的意义。 2．过程与 · Ø         在观察中尝试发现问题、提出问题。 · Ø         通过观察图片或视频、实验探究、查询资料，认识自然界形形色色的水。 3．情感态度与价值观 · Ø         感知水的三种状态及其相互转化，欣赏大自然中水的物态变化的妙斧神工。 · Ø         关注水资源危机，养成节水意识和保护水资源意识。   二、重点与难点 本节的重点是设计学生参与的水的三态变化的模拟情境。 本节的难点是水循环中的物态变化。   三、教学实施建议 （一）教学过程 本节安排三个教学板块：（1）认识水的物态变化；（2）地球上的水循环；（3）大自然中水的物态变化。 1．认识水的物态变化 学生对水的固（冰、雪、霜、雹）、液（水流、雨露）、气（水蒸气）态虽不陌生，但并未认真研究和系统观察。宜从章首图和常见的天气现象导入课题，着力设计好模拟云和雨的小实验，使学生得以亲历和观察水的物态变化。伴随实验观察进程，适时指明观察点和思考问题，诸如： ·给烧杯加热过程中，你在杯口盘子底面看到了什么？ ·为什么要给烧杯加热？为什么在杯口盖着的盘子里放些冰块？ ·为什么在大烧杯里铺一层饱含水分的湿沙？换用别的东西，例如冰块，行吗？ ·烧杯上方出现的朦胧“白雾”说明什么问题？ 依据教学需要，亦可在本实验前补充加热冰块的小实验：在烧杯中放少许冰块，加热，直至烧干。使学生感悟水由固态到液态再到气态的变化。由此导入本实验。本实验的湿沙亦可换为冰块。 对酒精灯的使用方法和注意事项，教师应做出示范并强调以下几点： ·绝对禁止用一只酒精灯去引燃另一只酒精灯。 ·酒精灯的外焰温度最高，应该用外焰去加热。 ·熄灭酒精灯时，必须用灯帽盖灭，不能吹灭。 ·万一洒出的酒精在桌上燃烧起来，不要惊慌，应立即用湿抹布扑盖。 类似模拟造“冰”、造“雨”、造“雪”、造“霜”、造“露”等活动，还应布置到课处活动中。 对水的物态变化应在本板块末推广到整个物质世界，以利后续教学。教师应依托学生已有的生活经验和对冰——水——水蒸气——水——冰转换的实验探究，引导学生把生活经验跟水的物态变化结合起来，再由小范围内水的物态变化扩展到地球上、自然界中的水循环，启发学生想象出地球上水的“旅行”图景，进而激发他们升腾起疑问：水为什么会在自然界中循环？既然循环不已，为什么还存在水资源危机和缺水？水的三态转化需要什么条件？…… 2．地球上的水循环 本板块实施过程需借助有关地球上水循环的模型、图片、课件、网上资源等，展示丰富多彩的水的物态变化的的信息，使学生确认水的三种状态不断地相互转化的过程关乎万物生存和人类的发展。 3．大自然中水的物态变化 本板块设计意在展示大自然中水的物态变化创造了自然界的神奇、壮观、瑰丽和生机。教师应引导学生“读懂”大自然向我们“讲述”的水的物态变化的“故事”。 在上面教学中，教师要有意识地渗透情感教育目标，引导学生敬畏地球上的水循环，欣赏大自然中水的物态变化所创造的“杰作”，关爱水的生态系统，形成爱水、节水意识和水资源危机意识。 活动中可以提供如下设想供学生讨论：若水的三态变化停止，人类的生活将变成怎样？ （二）材料准备与实验设计 1．学生的实验材料准备 冰块（由实验室用电冰箱冷冻室统一制备）、酒精灯或无烟腊、烧杯、试管等。 2．实验设计 （1）考查水的循环过程 把一些水加热，使它的温度接近于沸点。然后将这些水倒入一个玻璃杯里，并且转动杯子使杯中所有面都沾湿水。在一个圆底的烧瓶中倒进一些冰水，再将烧瓶放在玻璃杯口上， 让烧瓶倾斜一个角度(见上图)。从热水中蒸发出来的水(湿气)会凝结在烧瓶的冷表面上，而形成细小的水滴落回水杯之中。这样，就实现了蒸发、冷凝和降雨的一个循环过程，这跟自然界中降雨循环过程类似。 （2）碘的升华和凝华： 在试管里放少量的碘，对试管微微加热（图），注意观察碘的状态有什么变化．停止加热，仍注意试管中碘的状态变化。 （2）霜的形成： 在试管中盛一些冰和盐的混合物，过一会可以看到在试管外壁上有一层薄薄的霜 （3）电冰箱里的实验： 冰箱里的霜；水的凝固过程；冰箱中的水蒸气来自何处？“雾”的形成；“露”的形成等。 四、发展空间 1．“自我评价”参考答案 （1）屋顶积雪因吸热而融化为水，顺屋檐下流；下流过程中因周围大气吸热而结冰；这种情况相继发生，形成上粗大、下尖细的冰锥。这种天气现象常发生在我国北方天气晴朗但气温低于0℃的冬季。 （2）将在冰箱中冷却的金属块取出后，由于夏天外界气温偏高，金属块将吸热，使其周围空气中的水蒸气遇冷而在其表面液化并聚集为小水滴，擦干后很快又形成，直到金属块与周围环境温度相同。 2．“家庭实验室”指导 太阳能净水器的创意很好。被污染的水将因吸收太阳能加快蒸发（汽化），至温度罩水蒸气遇冷凝结成洁净水滴，然后经漏水托盘汇集到收集杯中。这里有两点需要注意： （1）周围气温要低于罩内，且空气流通，以加快净化水的速率。 （2）相对漏水托盘，污染水杯口径要小，以减少凝结后的洁净水滴重返染水杯，增加净水产生率。 以上两点注意，可转化为问题，由学生自主探究。 此外，以下两种净化水的方案可以提供给学生作为小实验内容（其中前一个模拟自来水净化过程，后一个模拟饮水机净化过程）。 ①在烧杯中加入100mL浑浊的河水（湖水、池水、井水等），然后加入少量明矾粉末，搅拌后静置，观察现象。提示学生思考：将明矾倒入河水中，能使河流变清澈吗？ 再将滤纸折好后放入漏斗。漏斗下接另一烧杯。将烧杯上层澄清的水倒入漏斗，将滤液收集到下方烧杯中。 向过滤后的水中加几滴新配制的漂白粉溶液。水会有什么变化？ ②在一个较大的饮料瓶底部穿一个小孔，在瓶内底部垫一些棕榈丝之类的透水纤维，再将干净的沙、小石块分层放入瓶中，最上面再放几层透水纤维，做成一个简易滤水器。将洗过菜或淘过米的水倒入滤水器中过滤，收集从瓶底小孔流出来的水，看有什么变化？ 3．“物理在线”和“走向社会”指导 （1）组织学生交流湿地资源，应围绕“为什么湿地被誉为‘地球的肺’”这一主题，讨论湿地对平衡水的三态变化的重要作用。 （2）关于保护水资源，可组织学生查找相关资料、图片或下载网上信息，并按以下主题整理信息，准备交流和讨论： ①水能为人类做些什么？ ②水为什么是宝贵的资源？ ③破坏水资源会给人类带来哪些危害？我们应该怎么办？   五、教学资源 （一）课件 1.地球上的水循环（见“教师备课系统”光盘） （二）教学视频 1.保护水资源（见“教师备课系统”光盘） （三）参考资料 1.物质的形态 当大量的微观粒子在一定的温度和压力下相互集聚为一种稳定的结构状态时，就叫做“物质的—种状态”，简称物态。一般说来，任何一种物质，在不同的温度、压力和外场(如引力汤、电场、磁场等)影响下将呈现不同的物态。有时一种物质在某种温度和压力下，有几种不同的物态同时存在，从而把整个物体分为几个均匀的部分，每个均匀部分称为一个“相”。这时，每一种物态就是一个相。同一种物态下也有可能同时存在若干个“相”的情形。 在本世纪以前，人们还只能从物体的宏观特征来区别物质的状态；一切具有固定形状和体积，又不易形变的物态叫固态；物体具有一定体积但外形随容器而变，且易于流动的状态叫液态；若物体的形状和体积均随容器而变，容器敞开时，物质粒子就逃之夭夭，这种状态就是气态。人们常说“物质有三态”，就是指一种物质能以固体、液体或气体出现。 但从物质内部的结构来考虑，就远不止三态了。有些固体，内部的分子或原子以规则、对称、周期性的结构状态出现，叫结晶态。另一些所谓固体，如玻璃、沥青、电木、塑料等等，虽然在常温常压下也具有固定的体积和外形，也不明显地表现出流动性，但内部结构却更像液体，这种状态叫玻璃态。不少有机物质，介于液态和晶态之间，存在一种既具有流动特性，又具有某些类似晶体的光学性质，这种物态被称为液晶态或介晶态。气体被加热至万度以上高温或被辐时之后，原子可能会电离，整个气体将成为带正电的离子和带负电的电子所组成的集合体，而且正负电量相等，这两种离子的集聚状态叫等离于态。如果使物体处于极低温度条件下，例如在绝对零度以上若干度，某些金属的直流电阻将趋近于零，这叫做超导态。在极低温下，有的液体(如液态氦)的粘滞性也完全消失，便叫做超流态。另一方面，也可通过改变压力来改变物质的状态，例如在巨大的压力下，氢可以转变成具有金属特性的固态，叫金属氢态。 以上这些物态都是我们生活中或实验室里能够得到的物质状态。如果压力和温度继续住上增高，那将是个什么结果呢？ 天文学家已发现，在离地球很远的太空中，有一种质量大而体积小的恒星，叫白矮星，其内部的压力和温度大得使物质原子的所有电子都脱离了原于核而成为自由电子，并使所有光身的原子核像晶体那样，高度紧密、规则地堆砌起来，自由电子则在其间混乱地运动着，由于其密度很高，便称为超固态。还有另一种恒星，其内部的温度和压力远远超过白矮星的温度和压力，在强大的压力下，把原子核外的所有电子都“挤”进原子核里与质子结合成中子，而且大部分原于核不再维持其原有的结合状态，因此星球外壳的物质几乎变成了由中子组成的流体，其密度也大大越过白矮星的密度，这种高密度物态叫中子态，故这种恒星叫中子星。但中子态还不是密度最高的物态，科学家们认为，可能存在一些密度更高的物态，如超子态、反常中子态、黑洞或白洞等等，并且在理论上已计算出这些物态能够稳定存在的条件。 不管是低密度还是高密度物态，虽都是由各种实物粒子集聚而成的，但人们在研究物质的性质时往往把大多数物态作为连续体看待，这仅是处理问题的一种近似方法而已。即使是无实物占据的真空也并非空无一物，而是充满着我们无法直接察觉的“负能量”粒子的空间，形成一个广阔无边的真空海洋，所以真空也是物质存在的一种形态。 现在已发现大多数基本粒子都存在质量相等而电磁性或其它一些物理性质相反的粒子，叫做反粒子，如反质子、反中子等等。于是科学家们推测，也许存在一个由“反粒子”组成的“反世界”，那里物质的状态与我们现在所处的“正”世界物态应当一一对应，统称为反物质态。 总之，从物质的宏观外形及是否容易形变等特征来看，我们说物质有固液气三态。而从物体内部结构特征来看，实际上存在更多的物态。而且随着科学的发展，人类对物质的认识将愈加深入，必会有新的物态发现。 （冯端《物态》） 2.巨型"水轮"一一水循环 地球上的水连续不断地变换地理位置和物理形态(相变)的运动过程，称水分循环，又称水循环或水文循环。水的三态转化特性是产生水分循环的内因，太阳辐射和重力作用则是水分循环的动力。 根据水分循环的过程，自然界的水分循环可分为大循环和小循环两种类型。大循环，就是从海洋上蒸发的水汽，被气流带到大陆上空，在适当的条件下凝结，又以降水的形式降落到地表，一部分降水可被植被拦截或被植物散发;降落到地面的水可以形成地表径流;渗入地下的水一部分以表层壤中流和地下径流形式进人河道，成为河川径流的一部分;贮于地下的水，一部分上升至地表供蒸发，一部分向深层渗透，在一定的条件下溢出成为不同形式的泉水;地表水和返回地面的地下水，最终沿着江河水系或地下水系而注入海洋。这样，就完成了地球上的水分大循环，又称海陆水循环或全球水循环(图5-1-3)。                     小循环，又分为两种:一是海洋小循环，就是从海洋表面蒸发的水汽，在海洋上空成云致雨，然后再降落到海洋表面上，这样的局部水分循环过程，称为海洋小循环;一是陆地小循环，就是从陆地表面蒸发的水汽，在内陆上空成云致雨，然后再降落到大陆表面上，这样的局部水分循环过程，就叫陆地小循环。 大循环是由许多小循环组成的复杂过程，从海洋蒸发的水汽，其中一部分被气流带至大陆上空，遇冷凝结降雨，在海洋边缘地区部分降雨形成径流返回海洋，部分水汽则蒸发上升，随同海洋输送来的水汽再向内陆输送，至离海洋更远的地方，凝结降雨，然后再蒸发到上空气团中去，这样愈向内陆水汽愈少，直至远离海洋的内陆，由于水汽含量很少而已不能形成降雨为止。这种循环过程称为内陆循环。在内陆循环过程中，形成径流回到海洋的水分，对内陆循环不再发生作用，而蒸发后吹向内陆的水分则继续参加水分循环，这种水分包括大气下层的水汽，土壤上层的水分，所有这些水分，经过再蒸发顺着气流的运行而推向内陆，增加内陆循环的水汽。一个地区如地面和地下储水比较丰富，蒸发水汽量较多，内陆循环就比较活跃。在内陆循环旺盛的地区，活跃的内陆循环在促进凝结降水方面起了一定的作用，因此增大陆面蒸发，对改善陆地降水状况，特别是温湿状况是有好处的。 水分循环是多环节的自然过程，全球性水分循环一般都包含有降水、蒸发、径流和水汽输送等几个重要环节。 （摘自刘昌明、傅国斌《今日水世界》） 3.我国湿地的特点 我国湿地有类型多、绝对数量大、分布广、区域差异显著、生物多样性丰富的特点。 首先，我国湿地类型多。按照湿地公约对湿地类型的划分，31类天然湿地和9类人工湿地在中国均有分布。我国湿地的主要类型包括沼泽湿地、湖泊湿地、河流湿地、河口湿地、海岸滩涂、浅海水域、水库、池塘、稻田等自然湿地和人工湿地。 其次，我国湿地面积大。我国湿地的面积约6594万公顷（其中还不包括江河、池塘等），占世界湿地的10％，位居亚洲第一位，世界第四位。其中天然湿地约为2594万公顷，包括沼泽约1197万公顷，天然湖泊约910万公顷，潮间带滩涂约217万公顷，浅海水域270万公顷；人工湿地约4000万公顷，包括水库水面约200万公顷，稻田约3800万公顷。 第三，湿地分布广。在我国境内，从寒温带到热带、从沿海到内陆、从平原到高原山区都有湿地分布，而且还表现为一个地区内有多种湿地类型和一种湿地类型分布于多个地区的特点，构成了丰富多样的组合类型。 第四，我国湿地区域差异显著。在我国东部地区河流湿地多，东北部地区沼泽湿地多，而西部干旱地区湿地明显偏少；长江中下游地区和青藏高原湖泊湿地多，青藏高原和西北部干旱地区又多为咸水湖和盐湖；海南岛到福建北部的沿海地区分布着独特的红树林和亚热带和热带地区人工湿地。青藏高原具有世界海拔最高的大面积高原沼泽和湖群，形成了独特的生态环境。 第五，在我国湿地中生物多样性丰富。我国的湿地生境类型众多，其间生长着多种多样的生物物种，不仅物种数量多，而且有很多是我国所特有，具有重大的科研价值和经济价值。据初步统计，我国湿地植被约有101科，其中维管束植物约有94科，我国湿地的高等植物中属濒危种类的有100多种。我国海岸带湿地生物种类约有8200种，其中植物5000种，动物3200种。我国的内陆湿地高等植物约1548种、高等动物1500多种。我国有淡水鱼类770多种或亚种，其中包括许多洄游鱼类，它们借助湿地系统提供的特殊环境产卵繁殖。我国湿地的鸟类种类繁多，在亚洲57种濒危鸟类中，我国湿地内就有31种，占54％；全世界雁鸭类有166种，我国湿地就有50种，占30%；全世界鹤类有15种，我国仅到的就有9种；此外，还有许多是属于跨国迁徙的鸟类。在我国湿地中，有的是世界某些鸟类惟一的越冬地或迁徙的必经之地，如：在鄱阳湖越冬的白鹤（Grus Leucogeranus）占世界总数的95％以上。 （资料来源：中国湿地 http://www.wetland.gov.cn/resource/weath/td.htm） 4.中国的水资源 水资源是指由当地降水产生的，可以用于人们生产与生活各类用途，存在于河流、湖泊、地下含水层中的逐年可更新的动态水资源，主要包括地表水和地下水。水资源具有循环性和有限性、时空分布不均匀性、不可替代性、经济上的利害两重性等四种特性。 我国水资源总量为2.8万亿立方米。其中地表水2.7万亿立方米，地下水0.83万亿立方米，由于地表水与地下水相互转换、互为补给，扣除两者重复计算量0.73万亿立方米，与河川径流不重复的地下水资源量约为0.1万亿立方米。按照国际公认的标准，人均水资源低于3000立方米为轻度缺水；人均水资源低于2000立方米为中度缺水；人均水资源低于1000立方米为重度缺水；人均水资源低于500立方米为极度缺水。中国目前有16个省(区、市)人均水资源量(不包括过境水)低于严重缺水线，有6个省、区(宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏)人均水资源量低于500立方米。 我国水资源有以下主要特点：①总量并不丰富，人均占有量更低。中国水资源总量居世界第六位，人均占有量为2240立方米，约为世界人均的1/4。②地区分布不均，水土资源不相匹配。长江流域及其以南地区国土面积只占全国的36.5%，其水资源量占全国的81%；淮河流域及其以北地区的国土面积占全国的63.5%，其水资源量仅占全国水资源总量的19%。③年内年际分配不匀，旱涝灾害频繁。大部分地区年内连续四个月降水量占全年的70%以上，连续丰水或连续枯水年较为常见。 目前，在我国水资源开发利用中存在以下问题：①供需矛盾日益加剧；②用水效率不高；③水环境恶化；④水资源缺乏合理配置；⑤经济发展与生产力布局考虑水资源条件不够。 可以说，我国水资源尚有许多问题亟待解决，北方部分地区水资源开发利用已经超过资源环境的承载能力，全国范围内水资源可持续利用问题已经成为国家可持续发展战略的主要制约因素。   图5-1-3� � ​-42- -39-