3.1 大气的组成与垂直分层（教学设计）地理湘教版必修第一册

该高中地理教学设计聚焦“大气的组成与垂直分层”核心知识点，以“地球表面薄纱”意象及鲍姆加特纳高空跳伞案例导入，衔接前两章地球圈层结构知识，为后续大气受热过程等内容搭建学习支架。 此资料特色在于情境贯穿与图示分析结合，通过干洁空气成分图、垂直分层气温变化图等培养综合思维，结合二氧化碳变化、雾霾讨论渗透人地协调观，真实案例分析提升地理实践力，助力教师高效教学，学生深化知识理解与应用能力。

第三章 地球上的大气 第一节 大气的组成与垂直分层（教学设计） 年级 高一年级 科目 地理 课题 第1节　大气的组成与垂直分层 课时安排 1课时 教材分析 本节是湘教版必修第一册第三章“地球上的大气”的开篇第一节。在前两章分别学习了地球的宇宙环境与圈层结构、地球表面形态之后，本章将视角转向覆盖地球最外部的圈层——大气圈。本节内容由两大板块构成：大气的组成（干洁空气的成分与作用、水汽与杂质的分布与作用、大气成分的变化及影响、雾霾天气）和大气的垂直分层（划分依据、对流层、平流层、高层大气的主要特点）。教材遵循由静态到动态、由组成到结构的认知逻辑：先分析大气由哪些物质组成及各自的作用，再讨论大气成分的变化及对人类的影响；随后从垂直方向上将大气划分为三个层次，逐层分析其温度变化规律、运动特征及与人类活动的关系。开篇以鲍姆加特纳39千米高空跳伞的真实案例创设情境，贯穿“大气垂直分层”的教学始终，使知识学习与实际应用紧密结合。 教学地位：本节是第三章的起始课，大气的组成与垂直分层是理解后续“大气受热过程”“大气运动”“天气与气候”等内容的基础；同时，臭氧层、对流层逆温、大气污染等内容与日常生活和全球环境问题紧密相关，具有重要的现实意义。 学情分析 知识储备：学生在初中物理和化学课程中已学习过空气的组成（氮气、氧气、二氧化碳等），对大气的基本成分有一定了解，但对各成分的具体作用、大气成分的时空变化缺乏系统认识；学生对“越往高处越冷”有生活体验，但对大气垂直分层的具体划分、各层特征及原因缺乏深入理解。 能力储备：学生具备一定的读图分析能力，但对于大气垂直分层图中气温随高度变化的曲线解读、逆温现象的理解等需要进一步指导。 情感态度：学生对大气污染（雾霾、臭氧空洞）、高空跳伞等话题有较高的关注度，这为大气组成与垂直分层的教学提供了良好的情感基础。 教学目标 1.课程标准：运用图表等资料，说明大气的组成和垂直分层，及其与生产和生活的联系。 2.核心素养导向教学目标：区域认知、综合思维：通过阅读干洁空气成分示意图，说出氮、氧、二氧化碳、臭氧等主要成分的体积分数及作用；通过阅读大气垂直分层和气温变化图，描述对流层、平流层、高层大气的温度变化规律、运动特征及与人类活动的关系。地理实践力：运用大气垂直分层图，分析说明鲍姆加特纳高空跳伞、民航客机巡航高度选择等真实案例中蕴含大气科学原理。人地协调观：通过了解大气成分的变化（二氧化碳体积分数增加、臭氧层空洞）及雾霾天气的影响，认识人类活动对大气成分影响，树立保护大气环境的意识。 教学重难点 重点：①大气主要成分及其作用；②大气垂直分层及各层的主要特点。 难点：①对流层气温随高度降低的原因、平流层气温随高度升高的原因；②逆温现象的形成与影响。 教学方法 情境导入法：以鲍姆加特纳39千米高空跳伞的真实案例创设情境，提出“为什么需要特制宇航服”的核心问题，贯穿“大气垂直分层”教学始终。 图示分析法：通过干洁空气成分图、大气垂直分层和气温变化图、二氧化碳体积分数变化图等，将抽象的大气组成与垂直结构可视化。 任务驱动法：围绕“大气由哪些物质组成→大气成分如何变化→大气在垂直方向上如何分层”三大任务展开教学。 小组合作讨论法：组织学生讨论雾霾天气的影响、分析逆温现象等，培养合作探究能力。 教学过程 教学内容 教师活动 设计思路 图片导入 【图片展示】 展示从宇宙中看地球的图片——“地球的表面好像被一层薄纱所包裹着，这层薄纱就是大气。”教师设问： ① 大气对地球和人类有什么重要意义？ ② 大气由哪些物质组成？从地面到高空，大气发生了什么变化？ 学生结合生活经验回答。 教师引导：人类生活在大气圈底部，大气的物理状态和组成成分的变化，时刻影响着我们。今天，让我们一起来认识——大气的组成与垂直分层。 以“地球表面的薄纱”意象切入，引导学生关注大气圈的存在及其重要性，激发探究大气的组成与结构的兴趣。 一、大气的组成 1、大气的组成成分 【讲解+读图】 教师讲解：低层大气（25千米以下）主要由干洁空气、水汽和杂质组成。 展示“干洁空气成分的体积分数（25千米以下）”图，设问： ① 干洁空气的主要成分有哪些？各占多大比例？ ② 这些成分分别有什么作用？ 学生读图后回答，教师总结： 氮气（N₂） ：体积分数约78%，是地球上生物体的基本元素。 氧气（O₂） ：体积分数约21%，是生物维持生命活动的必需物质。 二氧化碳（CO₂） ：是植物光合作用的原料，同时能吸收地面辐射，对地面起保温作用。 臭氧（O₃） ：吸收太阳辐射中的紫外线，使地表生物免受伤害。 补充讲解：臭氧是一种有特殊气味的淡蓝色气体，集中分布于平流层，被称为“地球生命的保护伞”。 【讲解+图片展示】 教师讲解：低层大气中除了干洁空气，还含有水汽和杂质。 设问：水汽和杂质在大气中起什么作用？ 学生思考后回答，教师总结： 水汽：成云致雨的必要条件。水汽的含量因时因地而异——海洋上空多于陆地上空，湿润地区多于干旱地区，低海拔多于高海拔。 杂质（气溶胶） ：可以作为水汽的凝结核，促进云雾的形成；同时能吸收和反射太阳辐射。杂质的分布——陆地多于海洋，城市多于乡村，低空多于高空，冬春季节多于夏秋季节。 强调：水汽和杂质的含量在大气中因时因地变化，属于大气的可变成分。 2、大气组成成分的变化 【讲解+读图分析】 教师设问：大气组成是否稳定不变？ 学生回答后，教师讲解：地球大气距地表85千米以下的气体成分一般分为两类——定常成分（氮、氧、氩等，各成分间大致保持固定比例）和可变成分（水汽、二氧化碳、臭氧和碳、硫、氮的化合物等，比例因时因地变化）。 ① 二氧化碳体积分数的变化 展示“二氧化碳体积分数的变化”图。 设问：在过去80万年间，大气中二氧化碳体积分数经历了怎样的变化？ 学生读图回答：过去80万年变化相对平缓；但从1740年到2011年，短短不到300年的时间里，二氧化碳体积分数增加了40%。 教师引导：二氧化碳增加的主要原因是化石燃料的大量燃烧和森林的砍伐。二氧化碳增加会加剧温室效应，导致全球变暖。 ② 臭氧的变化 展示“臭氧层空洞”相关图片。 教师讲解：使用冰箱、空调等制冷设备所释放出大量的氟氯烃（氟利昂） ，导致臭氧浓度下降，形成臭氧层空洞。 设问：臭氧层空洞会带来哪些危害？ 学生回答后教师总结：射向地面的紫外线增多——危害人体健康（增加皮肤癌、白内障患者，削弱免疫力）；破坏生物生长繁殖（农产品减产及品质下降）；影响气候变化。 【讲解+小组讨论】 教师讲解：由于自然和人为原因，大气中增加了许多新的组成成分，主要包括气溶胶和污染气体。 展示雾霾相关图片，讲解雾和霾的区别： 雾：空气中水汽凝结，水平能见度低于1千米。 霾：悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒等的集合体，水平能见度降低到10千米以下，其中PM2.5是造成霾天气的“元凶”。 【小组讨论】 设问：霾天气对我们生活有哪些影响？ 学生讨论后回答，教师归纳：危害人体健康；影响生活出行；影响交通通行。 教师补充：霾天气是一种大气污染状态，防治雾霾需要从减少污染物排放、推广清洁能源、加强环境监测等多方面入手。 通过读图和归纳，帮助学生系统掌握干洁空气的成分与作用。强调二氧化碳的保温作用和臭氧的紫外线吸收作用，为后续学习大气受热过程和臭氧层保护做铺垫。 水汽和杂质虽然含量少，但在天气现象（成云致雨）和大气的热状况（吸收和反射辐射）中起着重要作用。通过分布规律的总结，帮助学生理解大气成分的时空变化特征。 通过二氧化碳和臭氧两个案例，让学生认识大气成分的动态变化及其对人类生存环境的影响。强调人类活动对大气成分的改变，呼应“人地协调观”核心素养。 雾霾是学生熟悉的大气环境问题。通过雾与霾的对比辨析，帮助学生准确理解两个易混淆的概念；通过讨论霾天气的影响，增强学生的环保意识和参与意识。 二、大气的垂直分层 1、划分依据 【情境回顾】 教师展示鲍姆加特纳跳伞情境：2012年10月14日，奥地利“坠落人”鲍姆加特纳在美国西南部乘坐太空舱升空至39千米高空后跳下，成为第一个自由落体速度超音速的人。他配备的特制宇航服外表绝缘，密封的内层中填充加压氧气。 设问： ① 鲍姆加特纳为什么需要配备特制宇航服？ ② 39千米高空的大气与近地面大气有哪些不同？ 学生尝试回答。 教师引导：要回答这些问题，我们需要了解大气在垂直方向上的结构。 展示“大气垂直分层和气温变化图”，讲解划分依据：大气垂直分层的依据是大气温度在垂直方向上的变化——这是大气各层最本质的区别。 2、对流层 【讲解+读图】 教师讲解：对流层是大气圈的最底层，集中了大气圈质量的3/4和几乎全部的水汽、杂质，与人类的关系最密切。 对流层的主要特点： ① 气温随高度增加而减小——地面是对流层大气的主要直接热源。 ② 空气对流运动显著——气温上冷下热，热空气上升，冷空气下沉。 ③ 天气现象复杂多变——对流运动显著 + 集中了几乎全部水汽和杂质。 ④ 对流层高度随纬度和季节变化——低纬度17~18千米，中纬度10~12千米，高纬度8~9千米；夏季较厚，冬季较薄。 【讲解——逆温现象】 教师讲解：正常情况下，对流层气温随高度增加而降低（每升高100米，气温降低约0.6℃）。但在一定条件下，对流层某一高度会出现实际气温高于理论气温，甚至出现气温随高度增加而升高的现象，这称之为逆温现象。 设问：逆温现象会产生什么影响？ 学生思考后，教师讲解：发生逆温时，大气上热下冷，抑制空气的垂直运动，容易导致大气污染物在近地面聚集，加剧空气污染。 3、平流层 【讲解+读图】 教师讲解：平流层位于对流层之上，是飞机飞行的高度层。 平流层的主要特点： ① 气温随高度升高而升高——在20~25千米范围内，臭氧层大量吸收太阳紫外线，使大气增温。 ② 空气以水平运动为主——气温上热下冷，不易产生对流。 ③ 天气晴朗，适合航空飞行——以平流运动为主 + 水汽和杂质含量少。 强调：臭氧层使地球上的生命免受过多紫外线的伤害，被称为“地球生命的保护伞”。 回扣情境：鲍姆加特纳从39千米高空跳下，这一高度正处于平流层范围。那里氧气稀薄、气温低（平流层底部气温约-50℃左右），必须配备特制宇航服。 4、高层大气 【讲解+读图】 教师讲解：高层大气是地球大气的上界。 高层大气的主要特点： ① 气温随高度升高先降低后又持续上升。 ② 气压低，空气密度小。 ③ 容易受太阳风影响出现极光。 ④ 有若干电离层，能反射无线电波，适于无线电通信。 教师补充讲解：研究电离层对通信、广播、全球导航和制导、雷达探测等有重要意义。短波通过电离层反射式传输，用功率很小的发射机就可实现数百千米甚至越洋通信。 回扣情境：鲍姆加特纳跳伞过程中穿越了对流层和平流层，最终在平流层中打开降落伞——并未进入高层大气，但仍处于大气层中。 以鲍姆加特纳高空跳伞的真实案例贯穿“大气垂直分层”教学始终，使知识学习与真实情境紧密结合。设问“为什么需要特制宇航服”驱动学生带着问题学习各层特点，最后回扣案例，形成闭环。 对流层是与人类关系最密切的大气层。四个特点的归纳条理清晰。逆温现象是对流层气温垂直变化的一个“反常”情况，通过讲解帮助学生理解逆温的形成及其对大气污染的影响，为后续学习“大气污染”相关内容做铺垫。 平流层的特点与对流层形成鲜明对比。通过回扣鲍姆加特纳案例，将平流层的知识应用于解释真实问题，体现知识的应用价值。“臭氧层”概念的再次强调，与前面大气成分中“臭氧的作用”形成呼应。 高层大气是大气垂直分层的最高层，电离层对无线电通信的重要性是本节的应用价值所在。通过完整的三层分析，最终回扣导入情境，形成完整的教学闭环。 课堂演练 南极上空每年春季臭氧含量大幅降低的现象被称为“臭氧空洞”。下图示意南极上空大气臭氧总量最低值（每年10月份）卫星检测数据。据此完成下面小题。 1．臭氧集中分布在地球大气层中的（   ） A．对流层 B．平流层 C．高层大气 D．电离层 2．近年来南极臭氧总量最低值有所回升，得益于（   ） A．植树造林活动的开展 B．新能源的广泛使用 C．空间检测技术的进步 D．全球环保合作的开展 【答案】1．B 2．D 【详解】1．臭氧集中分布在平流层，形成臭氧层，B正确。 2．植树造林主要吸收二氧化碳，对臭氧层恢复无直接作用，A错误。新能源广泛使用主要减少温室气体和常规污染物排放，对臭氧层恢复无直接作用，B错误。空间检测技术进步只能监测臭氧含量，不能促使其回升，C错误。全球环保合作限制并减少了氟氯烃等消耗臭氧层物质的排放，促使臭氧总量回升，D正确。 2024年9月14日，在重庆沙坪坝区气象观测站，一只1600克探空气球携带CYDT—1型臭氧探空传感器平稳升上天空，用于准确获取臭氧在大气中的垂直分布特征及其变化趋势。下图为“大气垂直分层示意图”。据此完成下面小题。 3．探空气球从地面上升到30千米处，所经历的温度变化是 A．一直升高 B．先降后升 C．持续降低D．先升后降 4．假设在下列各地同时释放探空气球，并以同样的速度上升，最先测得平流层数据的是（   ） A．海口（20°N） B．广州（23°N） C．上海（30°N） D．北京（40°N） 5．图中①、②、③、④各层（   ） A．①是对流层，大量臭氧吸收紫外线 B．②是平流层，大气能见度低 C．③是高层大气，天气变化剧烈 D．④有电离层，影响无线电通信 【答案】3．B 4．D 5．D 【详解】3．探空气球从地面上升到30千米处，会经过对流层（①）和平流层（②的下部），对流层（0-12km）气温随高度升高而降低；平流层（12-50km）气温随高度升高而升高（因为臭氧吸收紫外线增温），所以从地面到30千米处，温度变化是先降后升，B正确。 4．平流层的底部高度（对流层顶高度）随纬度升高而降低，低纬度对流层顶高度约17-18km，中纬度约10-12km，高纬度约8-9km，所以四地中北京（40°N）纬度最高，对流层顶最低，气球最先进入平流层，最先测得平流层数据，D正确。 5．①层（0-12km）为对流层，臭氧主要在平流层，A错误； ②（12-50km）是平流层，大气以平流运动为主，能见度高，B错误；③属于高层大气（中间层），但天气变化剧烈的是对流层（①），C错误；④属于高层大气（热层），存在电离层，能反射无线电波，影响无线电通信，D正确。 平流层独特的物理性质是影响民航客机飞行选择的重要因素。下图示意某民航客机在某次航班飞行中所处海拔的变化情况（此次航班主要在平流层底部飞行，整个飞行过程均在北半球完成）。据此完成下面小题。 6．平流层大气有利于民航客机飞行的条件有（   ） ①大气对流运动显著，天气晴朗 ②大气以水平运动为主，大气稳定 ③臭氧层吸收紫外线，温度高 ④几乎无水汽、杂质，大气能见度高 A．①② B．①③ C．③④ D．②④ 7．该客机的大致飞行方向是（   ） A．向北飞行 B．向西飞行 C．向东飞行 D．向南飞行 8．该客机飞行4小时后，其经过的大气层大气物理性质的变化是 A．气温降低 B．水汽含量增多 C．臭氧含量增多 D．氧气含量降低 【答案】6．D 7．A 8．A 【详解】6．对流运动显著是对流层特征，平流层以水平运动为主，对流弱，①错误。 平流层大气水平运动，气流平稳，飞机颠簸少，②正确。 臭氧层吸热使平流层上热下冷，并非整体温度高，且温度高不是利于飞行的核心条件，③错误。 平流层水汽、尘埃极少，无云雨，能见度好，④正确。 7．北半球纬度越高，对流层顶海拔越低，平流层底部适宜飞行高度也越低；图中客机飞行海拔持续下降，说明飞机由低纬飞向高纬，即向北飞行，A正确，D错误；向东或向西飞行纬度变化不大，对流层厚度变化小，BC错误。 8．飞机全程海拔持续下降，从高空平流层逐步靠近对流层；平流层海拔越高气温越高，向下飞行海拔降低，气温随之降低，A正确。平流层几乎无水汽，水汽集中在下方对流层，飞机缓慢下降，水汽只会小幅增加，并非主要变化，且不是该过程核心特征，B错误。臭氧集中在平流层中上部，飞机向下飞行，远离臭氧层，臭氧含量不断减少，C错误。 大气密度随海拔降低而变大，氧气浓度上升，D错误。 民航客机飞行分起飞阶段、巡航阶段、降落阶段，巡航阶段的巡航高度为12600米。北京时间2021年9月25日，孟晚舟女士乘坐的政府包机国航CA552航班从加拿大起飞，飞越北极上空，当晚顺利降落深圳宝安国际机场，在被加拿大非法拘押1028天后，终于回到祖国的怀抱。据此完成下面小题。 9．孟晚舟女士回国乘坐的包机，理论上其飞行经过的大气层依次是（   ） A．一直在平流层飞行 B．对流层——平流层——对流层 C．平流层——对流层——平流层 D．一直在对流层飞行 10．该航线所经地区大气对流层顶部高度的变化是（   ） A．高度递增 B．高度递减 C．先降后增 D．先增后降 【答案】9．B 10．C 【详解】9．飞机的起飞和降落需要穿越对流层，绝大部分时间位于平流层，所以飞机从起飞到中途到最终降落，飞行的大气层依次是对流层—平流层—对流层，B正确，ACD错误。 10．根据材料信息可知，该航线起飞在中纬度地区，经过北极高纬度，最终到达我国深圳（低纬度地区）。对流层的厚度从低纬向高纬逐渐变薄，其顶部高度逐渐变低。所以该航线所经大气对流层顶部的高度变化是先降后增，C正确，ABD错误。 本环节主要设置较为经典的题型进行当堂考核，检验学生对知识的掌握和运用能力（设计时长6分钟） 板书设计 教学反思 本节课基本达成了预设的教学目标。从教学效果看，以“从浩渺宇宙看地球”的薄纱意象导入，学生迅速进入大气圈的学习情境；大气成分部分通过读图归纳和案例（CO₂增加、臭氧层空洞）分析，学生对各成分的作用及变化的理解较为到位；雾霾的讨论贴近生活，学生参与积极；以鲍姆加特纳高空跳伞情境贯穿“大气垂直分层”始终，学生对各层特点及与人类活动的关系掌握较好；课堂演练中关于对流层高度随纬度变化的题目正确率较高。但教学中仍存在不足：一是本节内容包含“组成”和“垂直分层”两大板块，知识容量较大，建议合理分配时间，确保两板块都有充分的探究时间；二是逆温现象涉及气温垂直递减率的变化，部分学生理解困难，可借助示意图和动画辅助教学；三是大气成分中“定常成分”与“可变成分”的划分可进一步结合具体数据帮助学生理解；四是对流层高度随季节变化（夏季厚、冬季薄）的原理（热胀冷缩）可更加明确地讲解，帮助学生建立物理原理与地理现象之间的联系。 公司2 / 18 学科网（北京）股份有限公司 $