🛩️ 第 2 课 · 大气层与飞行环境

模块：航空｜课时：45 分钟｜类型：理论+实验

📖 讲义 🔬 实践活动 ✏️ 学生任务单 👨‍🏫 教师参考 📋 素材清单

📖 讲义

模块：航空｜课时：45 分钟｜类型：理论 + 小实验教学法：5E 之 Explore（探索）

学习目标

完成本课后，你能够：

说出大气五层结构（对流层、平流层、中间层、热层、散逸层）的高度范围与主要特征。
解释大气温度、密度、压强随高度变化的整体规律，并能指出温度曲线"先降后升再降再升"的原因。
判断典型飞行器（客机、探空气球、探空火箭、卫星）各自运行在哪一层，并说明理由。
应用气压测高原理，用国际标准大气压简化公式由气压反推高度，理解 CanSat 测温压任务背后的物理。
区分航空器与航天器工作环境的本质差异（有无足够大气、升力来源、热环境）。

核心知识

一、

🌍 大气分层结构

对流层/平流层/中间层/热层/散逸层，及主要飞行器分布

包裹地球的"五层蛋糕"

地球被一层厚厚的气体包裹着，这就是大气层。它没有明确的上边界——越往上越稀薄，最终和星际空间融为一体。为了研究方便，科学家按温度随高度的变化趋势把大气从下到上分成五层：

分层	高度范围	温度趋势	主要特征
对流层 Troposphere	0 ~ 约 12 km（极地 8 km，赤道 18 km）	随高度下降（约 −6.5 ℃/km）	天气现象、云雨雷电；密度最大，含 75% 以上大气质量
平流层 Stratosphere	约 12 ~ 50 km	随高度上升	含臭氧层（约 20–30 km）吸收紫外线升温；气流平稳，无云
中间层 Mesosphere	约 50 ~ 85 km	随高度下降（最冷，可低于 −90 ℃）	流星大多在此烧毁；大气已很稀薄
热层 Thermosphere	约 85 ~ 500/600 km	随高度急剧上升（可达 1000 ℃ 以上）	吸收太阳 X 射线、紫外线；空气极稀薄，"温度"高但不会烫（分子太少，传热极少）
散逸层 Exosphere	约 600 km 以上	——	大气分子可逃逸到太空；卫星轨道长期所在

💡 记忆窍门：温度曲线像一条"折线"——降、升、降、升。记住"对流降、平流升、中间降、热层升"，五层结构就理清了。

🎤 注意区分"温度"和"热量"：热层温度上千度，但宇航员出舱、卫星在其中并不会被"烤化"。因为那里气体分子密度极低，虽然每个分子动能大，但单位时间撞到物体的分子数极少，传热极少。这是高一热学"温度是分子平均动能的标志"的好例子。

二、谁在哪一层飞——飞行器在大气中的分布

不同飞行器"住"在不同高度，由它们的工作原理决定：

飞行器	运行高度	所在层	为什么在那儿
客机（波音 737/空客 A320）	巡航约 10–12 km	对流层顶 / 平流层底部	这里空气稀薄、阻力小、省油，且在云层之上避开恶劣天气
战斗机	可达约 15–20 km	平流层下部	高空空气稀薄、阻力小、速度快
大疆等消费级无人机	0 ~ 0.5 km（法规限高）	对流层下部	靠螺旋桨产生升力，需要稠密空气
探空气球	30 ~ 40 km（升限可达约 45 km）	平流层中上部	靠浮力上升，到空气密度与气球密度平衡时停止
探空火箭	30 ~ 数百 km（跨多层数）	平流层 → 热层	火箭动力飞行，探测高层大气
人造卫星（近地轨道 LEO）	约 300 ~ 2000 km	热层 / 散逸层	轨道运动，不依赖空气，但仍有极稀薄大气造成轨道衰减
空间站（天宫）	约 400 km	热层	同上，需定期"补轨"对抗阻力
地球同步卫星（GEO）	约 35786 km	远超大气层	通信、气象、北斗部分卫星

✅ 课堂活动预告：我们马上要玩一个"卡门线之下谁在飞"的归类游戏，把这些飞行器贴到对应的高度层上。

航空器 vs 航天器工作环境差异：

维度	航空器	航天器
工作高度	卡门线（100 km）以下	卡门线以上
升力/动力来源	空气动力（机翼升力）/ 浮力 / 螺旋桨	火箭推进 + 轨道力学（不依赖空气）
是否需要空气	必须（既要升力也要发动机吸氧燃烧）	不需要（自带氧化剂）
热环境	气动加热有限，重点防冰、防雷	再入时气动加热剧烈（数千度），需防热瓦
典型速度	数百 km/h	≥ 7.9 km/s（第一宇宙速度）

三、大气参数随高度怎么变

压强 P：随高度指数式下降。低层密集，越往上越稀薄。到 5.5 km 气压约只剩海平面的一半，到 100 km（卡门线）只剩约百万分之三。

密度 ρ：与压强近似同步下降。

温度 T：如前述，呈"折线"变化，不是单调下降。

数学上，在对流层内，压强随高度变化可用**气压测高公式（barometric formula）**描述（等温近似下）：

P(h) = P_0 \cdot e^{-h/H}

其中 $P_0$ 是海平面气压（ $101325\ \mathrm{Pa}$ ，即一个标准大气压）， $H$ 是标高（scale height），对流层约 $8.4\ \mathrm{km}$ 。这条公式告诉我们：每升高约 8.4 km，气压降到原来的 $1/e$ （约 37%）。

💡 真实大气并不等温，所以工程上更常用下面这条国际标准大气压（ISA）简化公式——它能从气压直接反算高度，是我们待会儿做 Arduino 实验的理论依据。

四、气压测高原理：用气压"量"高度

既然气压随高度规律下降，测出气压就能反推高度。这正是飞机高度表、登山高度计、无人机定高，以及 CanSat 的核心原理。

国际标准大气压简化测高公式：

h = 44330 \times \left[1 - \left(\dfrac{P}{P_0}\right)^{1/5.255}\right]

其中：

$h$ ：相对海平面的高度（单位：米）
$P$ ：当前实测气压（单位：Pa）
$P_0 = 101325\ \mathrm{Pa}$ （标准海平面气压）

直观解读：气压每下降约 11–12 Pa（近地面），高度约升高 1 米（高度越高，每米对应的气压差越小）。

🏆 赛事对接：CanSat（罐式卫星） 是全国青少年航天创新大赛的"经典载荷任务"。它的强制任务之一就是测量温度和气压随高度的变化，并据此反推高度。我们今天用 Arduino + BMP280 在楼道里做的实验，就是 CanSat 测高原理的"地面微缩版"——把"放飞到几千米"缩成"爬几层楼"，原理一模一样。

气压测高的局限：

受天气影响：同一地点，气压日变化可达 100–300 Pa，相当于几十米的高度误差。
受温度影响：大气温度偏离 ISA 模型时，公式有偏差。
高空适用性：对流层以上公式误差增大。

工程上常配合 GPS、惯导做多传感器融合，CanSat 也通常同时记录气压和 GPS 双份数据。

本课小结

大气五层：对流层（天气）、平流层（臭氧、客机）、中间层（流星）、热层（卫星、极光）、散逸层。
温度曲线"降升降升"，压强和密度随高度指数下降。
飞行器各有所处：客机巡航平流层底部，探空气球最高到平流层，卫星和空间站在热层及更高。
气压测高：用 $h = 44330 \times [1 - (P/P_0)^{1/5.255}]$ 由气压反推高度，是 CanSat、飞机高度表、无人机定高的共同原理。
航空器靠空气、航天器靠惯性 + 引力——这是两者环境差异的本质。

🔬 实践活动

第 2 课实践环节（约 25 分钟）

活动目标

通过归类游戏，建立飞行器与所在大气分层的直觉对应。
用 Arduino + BMP280 实测楼层气压变化，反推高度，亲手验证气压测高原理。
体会 CanSat"测温压"任务的物理基础，为后续 PBL 选题积累技能。

器材清单

器材	数量	说明
Arduino UNO / Nano 开发板	每组 1	或兼容板
BMP280 气压传感器模块	每组 1	I2C 接口，已焊接排针
杜邦线（母对母 / 公对母）	每组 4–5 根	用于接线
USB 数据线	每组 1	连接 Arduino 与电脑
安装 Arduino IDE 的电脑	每组 1	需预装 `Adafruit_BMP280` 库
飞行器卡片（教师准备）	每组 1 套	见活动一
五层大气分层挂图 / 大白纸	每组 1	用于归类贴卡
数据记录表	每组 1	见下方
计算器 / 手机计算器	每组 1	用于测高公式计算

活动一："卡门线之下谁在飞"归类游戏（10 分钟）

玩法

每组拿到一套飞行器卡片（约 12 张）和一张大气五层挂图（带高度刻度）。你们的任务：把每张卡片贴到它主要运行的高度层上，并说明理由。

飞行器卡片清单（教师参考用，学生版隐藏答案）

波音 737 客机
大疆无人机
探空气球
战斗机
天宫空间站（~400 km）
北斗导航卫星（约 21500 km / 35786 km）
蜜蜂（生物飞行器）
探空火箭
嫦娥六号探测器
风筝
风力发电机（叶片高度 ~100 m）
极光（自然现象）

✅ 游戏步骤

3 分钟：小组讨论，把卡片贴到挂图对应高度层。
5 分钟：教师公布参考答案，每组自评并修正。
2 分钟：抢答——"哪一个飞行器横跨最多层？为什么？"（答案：探空火箭，从地面发射穿越对流层、平流层、中间层直到热层）

评分（自评，每对 1 分）

客机 → 平流层底部 / 对流层顶
无人机 → 对流层下部
探空气球 → 平流层
战斗机 → 平流层下部
空间站 → 热层
北斗卫星 → 远超大气层
蜜蜂 / 风筝 / 风力发电机 → 对流层最底部
探空火箭 → 横跨多层
嫦娥六号 → 远超大气层（航天器）
极光 → 热层（约 90–300 km，太阳粒子激发大气发光）

活动二：Arduino + BMP280 实测楼层气压反推高度（15 分钟）

实验原理

气压随高度上升而下降。用 BMP280 传感器测出底楼和顶楼（或不同楼层）的气压 $P_1$ 、 $P_2$ ，代入测高公式得到两个高度 $h_1$ 、 $h_2$ ，相减即得楼层高度差 $\Delta h = h_2 - h_1$ 。再把结果和"楼层数 × 3 m"比对，看误差。

接线说明（I2C 接法）

⚠️ 接线前务必断开 USB，确认无误后再通电。

BMP280 模块	Arduino UNO
VCC	3.3V（部分模块支持 5V，看模块标注；不确定一律接 3.3V）
GND	GND
SDA	A4
SCL	A5

💡 如果用 ESP32 / NodeMCU，SDA 接 GPIO21，SCL 接 GPIO22，3.3V 供电即可。

示例代码（Arduino C++，可直接运行）

cpp

// BMP280 气压测高实验 —— 第 2 课
// 依赖库：Adafruit BMP280 Library（IDE 菜单 工具→管理库 搜索安装）
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_BMP280.h>

Adafruit_BMP280 bmp;  // I2C 接口默认地址 0x76（部分模块为 0x77）

const float P0 = 101325.0;  // 标准海平面气压 (Pa)

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);  // 等待串口
  Serial.println("BMP280 气压测高实验启动...");

  // 初始化传感器，地址默认 0x76；若识别不到改成 0x77 试一次
  if (!bmp.begin(0x76)) {
    Serial.println("未找到 BMP280，请检查接线或改地址 0x77！");
    while (1);  // 停在这里
  }
  bmp.setSampling(Adafruit_BMP280::MODE_NORMAL,
                  Adafruit_BMP280::SAMPLING_X2,    // 温度过采样
                  Adafruit_BMP280::SAMPLING_X16,   // 压强过采样
                  Adafruit_BMP280::FILTER_X16,
                  Adafruit_BMP280::STANDBY_MS_500);
}

float measureAltitude() {
  // 取 10 次读数平均，减小噪声
  float pSum = 0;
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    pSum += bmp.readPressure();  // 单位 Pa
    delay(50);
  }
  float P = pSum / 10.0;
  // 国际标准大气压简化测高公式
  float h = 44330.0 * (1.0 - pow(P / P0, 1.0 / 5.255));
  Serial.print("气压 P = "); Serial.print(P, 1); Serial.print(" Pa");
  Serial.print("  反推高度 h = "); Serial.print(h, 1); Serial.println(" m");
  return h;
}

void loop() {
  Serial.println("------ 输入 r 后回车读数（或 10 秒自动读一次）------");
  delay(10000);
  measureAltitude();
}

💡 数据提示：BMP280 精度约 ±1 hPa（100 Pa），对应高度误差约 ±8 m。在 3–4 层楼范围内（约 10 m 高差），信号比噪声稍大，需要多次测量取平均才能看出趋势。若条件允许，可到 5–6 层以上效果更明显。

✅ 实验步骤

接线（断电状态下）：按表连接 BMP280 与 Arduino。
烧录代码：USB 连接电脑，IDE 中选好板型和端口，上传代码。
打开串口监视器（波特率 9600）。
在底楼测量：等读数稳定，记录 3 次气压取平均，记入下表"1F"。
爬楼测量：每上一层记录一次，直到顶层。
计算：用测高公式 $h = 44330 \times [1 - (P/P_0)^{1/5.255}]$ 算出每层反推高度，求相邻层高差 $\Delta h$ 。
对比：用"楼层数 × 3 m"估算实际高度，比较反推值与估计值，分析误差来源。

数据记录表

测量位置	楼层估计高度 (m)	反推层高差 Δh (m)
1F（底楼）	0	——
2F	3
3F	6
4F	9
5F	12
顶层（__F）

计算示例（参考）

假设 1F 实测 $P_1 = 101150\ \mathrm{Pa}$ ，3F 实测 $P_2 = 100800\ \mathrm{Pa}$ ：
$h_1 = 44330 \times [1 - (101150/101325)^{1/5.255}] \approx 14.4\ \mathrm{m}$
$h_2 = 44330 \times [1 - (100800/101325)^{1/5.255}] \approx 43.9\ \mathrm{m}$
$\Delta h = 43.9 - 14.4 = 29.5\ \mathrm{m}$
实际两楼层差约 6 m，可见气压噪声和 ISA 模型偏差会造成较大误差——这也正是真实工程要做多传感器融合的原因。

讨论问题

为什么测量时要"读 10 次取平均"？（提示：传感器噪声）
如果今天气压比标准 $P_0$ 高或低很多（比如台风天），公式算出的绝对高度会有系统误差吗？怎么办？
把这个实验"放大"——传感器装到 CanSat 里升到 1 km、2 km，气压变化会有多大？数据曲线可能长什么样？
为什么客机不在对流层飞而要爬到 10 km 以上？从空气密度、油耗、天气三个角度回答。

⚠️ 安全提示

Arduino 与传感器是 3.3V/5V 低压，但仍需接线前断电，避免短路烧坏模块。
BMP280 模块多数不耐 5V，供电接 3.3V 更安全（部分模块带稳压可接 5V，看清标注）。
爬楼测量注意安全，不要在楼梯上奔跑推搡，组员同行。
电脑和开发板放在平稳处，防止跌落。
实验结束先拔 USB 再拆线。

💡 高阶拓展（学有余力）

把测量数据导出到 Excel，绘制"气压-高度"散点图，与理论曲线对比。
增加 DHT22 温湿度传感器，同时记录温度，尝试做温度补偿后的高度修正。
思考：如果用同样的方法测量珠峰顶（8848 m），公式还准吗？查阅资料了解 ISA 模型在高空的局限。
🏆 看 CanSat 比赛规则文档，找出"测温压"任务的评分点，思考你们组的数据记录格式应该怎么设计。

✏️ 学生任务单

姓名：__________ 班级：__________ 团队：__________

课堂任务（当堂完成）

任务 1：概念辨析（4 分钟）

判断下列说法对错，对的打 ✓，错的打 ✘，并简述理由。

说法	✓/✘	理由
大气层温度随高度一直下降
客机巡航高度通常在对流层顶或平流层底部
热层温度上千度，所以卫星会被烤化
海拔越高，大气压强越大
卡门线（100 km）以上才算航天
流星大多在散逸层烧毁

任务 2：填空（5 分钟）

大气由下到上分为、、、、________ 五层。
含有臭氧层、能吸收紫外线的是 ________ 层。
客机巡航高度约 ________ km，所在层为 ________。
天宫空间站运行在约 400 km 高度，位于 ________ 层。
气压随高度变化的整体趋势是 ________（填"上升/下降"），且近似 ________ 关系（填"线性/指数"）。
国际标准大气压简化测高公式为 $h = $ ________，其中 $P_0 = $ ________ Pa。

任务 3：飞行器归类（配合活动一）

将下列飞行器填入对应的大气分层（每层可填多个，也可能不填）。

分层	飞行器（填编号）
对流层
平流层
中间层
热层
散逸层 / 太空

飞行器编号：①波音 737 ②大疆无人机 ③探空气球 ④天宫空间站 ⑤北斗导航卫星 ⑥蜜蜂 ⑦探空火箭 ⑧风筝

任务 4：气压测高计算（5 分钟）

某次测量得到 $P = 90000\ \mathrm{Pa}$ ， $P_0 = 101325\ \mathrm{Pa}$ 。用公式 $h = 44330 \times [1 - (P/P_0)^{1/5.255}]$ 计算反推高度 $h$ （保留整数米）。

计算过程：
$(90000 / 101325) = $ ________
$(\quad)^{1/5.255} = $ ________（用计算器）
$h = 44330 \times [1 - $ ________$] = $ ________ m

我的答案： $h \approx$ ________ 米。

任务 5：完成实验数据记录

见实践活动"数据记录表"，与组员合作填完，交给教师。

课后任务

必做

整理实验数据：把今天测的气压和反推高度绘制成简易图（手绘或 Excel），横轴楼层、纵轴气压，观察趋势。
- 我的发现（一句话）：________________________________________
思考题：一架客机巡航高度 11 km，请估算该高度的气压大约是海平面的多少倍？（提示：用标高 $H \approx 8.4\ \mathrm{km}$ 代入 $P = P_0 e^{-h/H}$ ）
- 估算：约海平面的 ________ 倍。
概念图作业：画一张"大气五层结构图"，标注：① 每层高度 ② 温度趋势（上升/下降）③ 至少一个代表性飞行器。下节课上交。
赛事对接 🏆：上网搜索"CanSat 大赛测温压任务"，写出一句话——CanSat 为什么要同时测温度和气压？（提示：气压能反推高度，温度呢？）
- 我的理解：________________________________________

选做 💡

用手机下载一个气压计 App（很多手机自带气压传感器），记录从家到学校的气压变化，估算你家与学校的高度差。
查阅资料：为什么早期登山家登顶珠峰时，氧气瓶里的氧只够用几小时？（结合大气密度和人体耗氧）
思考：火星大气很稀薄（约地球海平面的 0.6%），如果火星无人机"机智号"用和地球一样的旋翼，要怎么改才能飞起来？（为航天模块预热）

自评（✔ / ✘）

本课目标	达成
能说出大气五层名称与顺序
能说出温度随高度的"折线"变化
能区分客机、探空气球、卫星各在哪一层
能写出气压测高公式并会代入计算
完成 Arduino 气压测高实验并记录数据
能说出 CanSat 测温压任务的物理意义

👨‍🏫 教师参考

课时概览

本课是航空模块的"环境基础"课，核心是让学生建立大气分层的空间直觉，并通过亲手测量气压反推高度，把抽象的公式变成可操作的技能。这节课的产物（气压-高度数据）将直接对接 CanSat 任务和后续无人机/卫星课程，是 PBL 作品包"科学原理"部分的高频支撑点。

时间分配表（45 分钟）

时间	环节	内容	形式
0–3 min	🎤 情境导入	提问："波音 737 巡航高度 11 km，它在哪一层？为什么要飞这么高？"	讲授+提问
3–13 min	🎤 大气五层结构	五层蛋糕比喻 + 温度折线 + 表格讲解，重点讲平流层（臭氧/客机）与热层（卫星）	讲授
13–20 min	🎤 飞行器分布 + 气压测高原理	飞行器分布表 + 压强指数下降 + 测高公式推导讲解	讲授
20–30 min	✅ 活动一归类游戏	"卡门线之下谁在飞"小组贴卡 + 自评	小组
30–43 min	✅ 活动二气压测高实验	Arduino+BMP280 接线、烧录、爬楼测气压、记录数据	小组
43–45 min	总结 + 课后任务	回顾五层 + 公式 + 布置概念图与 CanSat 调研	讲授

⏱ 时间紧时的取舍：若实验进度慢，可把"爬楼测多层"缩减为"测 1F 和 3F 两个点"，足以看出气压差；活动一的讨论可压缩到 7 分钟。

教学设计（5E 对应）

5E 阶段	本课对应
Engage（激发）	开场提问"客机为什么飞 11 km"——制造认知悬念
Explore（探索）	本课主线：归类游戏 + 气压实测，学生自行发现规律
Explain（解释）	教师讲解五层结构、温度曲线、气压测高公式
Elaborate（拓展）	课后概念图 + CanSat 调研 + 手机气压计记录
Evaluate（评价）	任务单 + 自评表 + 实验数据表

重难点与突破策略

重难点 1：温度曲线"降升降升"

学生困难：容易记成"越高越冷"，不理解为什么平流层和热层温度反而上升。
突破：讲清"温度上升的原因"——平流层因臭氧吸收紫外线，热层因分子吸收 X 射线/紫外线。强调"吸收什么能量就升什么温"。用一个反例：中间层没有明显的吸收源，所以又变冷。

重难点 2：热层"温度高但不烫"

学生困难：与生活经验冲突（"上千度还不烫？"）。
突破：回归高一物理——温度是分子平均动能的标志，但传递的热量还取决于分子数密度。用比喻："一个发烫的弹珠和一锅温水，摸起来哪个更烫？"热层分子虽快但太稀，传热极少。

重难点 3：气压指数下降与测高公式

学生困难：公式 $h = 44330[1-(P/P_0)^{1/5.255}]$ 看起来复杂，畏惧。
突破：不要求推导，只要求会代入计算。先用直觉——"气压低 ↔ 高度高"，再给定量公式。实验中亲手算一次，公式就"活"了。可演示：在 $P=P_0$ 时 $h=0$ ；在 $P=P_0/2$ 时 $h\approx 5500$ m（验证"5.5 km 气压减半"常识）。

重难点 4：实验误差大，学生易失望

学生困难：测出楼高差与"层数×3 m"相差较大，怀疑做错了。
突破：提前预警——BMP280 精度 ±1 hPa，对应 ±8 m，几层楼信号本身就接近噪声。强调"看到气压随高度变化的趋势"就是成功，误差分析正是工程思维。这恰好引出 CanSat 要做多传感器融合的现实意义。

常见问题（FAQ）

Q1：学生问"散逸层算不算太空？"

答：散逸层是大气和太空的过渡带，没有明确边界。国际惯例以卡门线（100 km，位于热层内）作为"太空起点"，所以散逸层在天文上仍属大气，但实际已是"近太空"环境，卫星和稀薄气体长期共存。

Q2：学生问"BMP280 测出来一直读 0 或读不出数据？"

排查三步：① 接线对不对（SDA→A4, SCL→A5）；② I2C 地址——多数 BMP280 模块默认 0x76，部分是 0x77，把代码里 bmp.begin(0x76) 改成 0x77 试一次；③ 库装没装——确认已安装 Adafruit BMP280 Library（IDE→工具→管理库搜索）。

Q3：学生问"为什么客机不在更高的平流层飞，那样不是更省油？"

答：理论上越高越省油，但受发动机吸入空气量、机翼升力（空气太稀薄升力不够）、客舱增压成本限制。目前客机巡航约 10–12 km 是综合最优。协和号曾飞到 18 km，但已退役。

Q4：学生问"卡门线为什么是 100 km 不是 50 或 200？"

答：这是 FAI 采用的工程约定。冯·卡门计算发现，在这个高度飞行器要维持气动升力需飞到接近轨道速度，"飞行"与"绕轨"难以区分。它不是物理上的硬边界，而是一个工程与管理的分界线。美国一些机构（NASA、FAA）用 50 英里（80 km）为标，但 FAI 与国际主流用 100 km。

Q5：学生想用 BMP280 测教室里"开门前后的气压差"——可行吗？

基本不可行——开门造成的室内外压差远小于 BMP280 噪声（约 1 Pa vs 噪声 100 Pa）。可借此讲传感器量程与分辨率的概念，引导学生理解"测什么决定选什么传感器"。

参考答案（学生任务单）

任务 1

说法	✓/✘	理由
温度随高度一直下降	✘	折线变化，平流层和热层温度上升
客机巡航在平流层底部	✓	约 10–12 km，对流层顶附近
热层会烤化卫星	✘	气体太稀薄，传热极少
海拔越高气压越大	✘	越高气压越小（指数下降）
卡门线以上算航天	✓	100 km 为 FAI 认定太空边界
流星在散逸层烧毁	✘	大多在中间层（50–85 km）

任务 2

对流层、平流层、中间层、热层、散逸层
平流层
10–12；对流层顶/平流层底部
热层
下降；指数
$h = 44330 \times [1-(P/P_0)^{1/5.255}]$ ； $101325$

任务 3

对流层：②⑥⑧（无人机、蜜蜂、风筝）
平流层：①③（客机、探空气球）
中间层：（基本无持续运行飞行器，探空火箭短暂穿越）
热层：④⑦（空间站、探空火箭飞越）
散逸层/太空：⑤（北斗导航卫星；探空火箭也穿越）

任务 4

$90000/101325 \approx 0.8882$
$0.8882^{1/5.255} \approx 0.9777$
$h = 44330 \times (1-0.9777) \approx 44330 \times 0.0223 \approx$ 988 m

参考答案约 988–990 m（计算器精度略有差异，可接受 ±5 m）

必做 2（巡航 11 km 气压估算）

$P = 101325 \times e^{-11000/8400} \approx 101325 \times e^{-1.31} \approx 101325 \times 0.27 \approx 27358\ \mathrm{Pa}$ 约海平面的 0.27 倍（约 1/4）。学生答"约 0.2–0.3 倍"即对。

差异化教学建议

基础薄弱学生：任务 4 的计算可允许使用计算器并降低精度要求；重点确保"五层名称+客机/卫星位置"记牢。
学有余力学生：引导其推导等温近似公式 $P=P_0 e^{-h/H}$ （用流体静力学 $dP = -\rho g\,dh$ + 理想气体状态方程）；或研究 ISA 1976 模型分段公式。
对电子技术感兴趣的学生：让其担任各组 Arduino 实验的"技术组长"，并鼓励课后尝试 BMP280 + DHT22 多传感器组合。
对地理/气象感兴趣的学生：可引导其探究"为什么赤道上对流层顶比两极高 10 km"（太阳辐射差异 + 大气环流）。

赛事对接说明 🏆

本课的赛事对接点是 CanSat 测温压任务：

原理同源：CanSat 强制任务"测量温度和气压随高度变化并反推高度"，今天做的"楼层气压反推高度"就是它的微缩版。学生今天理解了公式，到比赛时只需把"爬楼"换成"火箭/气球/无人机搭载升空"。
数据意识：实验要求学生设计数据表、多次测量取平均、分析误差——这正是 CanSat 比赛数据评审的核心要求。
传感器技能：BMP280 是 CanSat 载荷的常用器件之一。今天掌握的接线、库安装、读数代码，是后续课程（第 7–8 课 CanSat 制作）的直接前置。
PBL 选题启发：今天结束后，部分学生可能对"高空探测""载荷设计"产生兴趣，可引导其把 PBL 选题方向锁定在 CanSat / 近太空气球 / 探空火箭，对接航天创意赛的"卫星应用"或"深空探测"主题。
研究报告素材：今天的气压-高度数据，可作为期末研究报告"科学原理验证"章节的素材（要求 ≥2000 字，需有实测数据支撑）。

课前准备清单

[ ] 每组一套 Arduino + BMP280 套件（课前务必全部测试可读数，避免课堂调试浪费时间）
[ ] 每台学生电脑预装 Arduino IDE 和 Adafruit BMP280 Library（IDE→工具→管理库搜索安装）
[ ] 飞行器卡片（12 张/套）+ 五层大气分层挂图（每组 1 套）
[ ] 数据记录表打印件（每组 1 份）
[ ] 大气分层示意图 PPT（配温度曲线图）
[ ] 确认教学楼的楼层高度（一般住宅 2.8–3 m，教学楼 3–3.6 m），用于实验对照
[ ] 备用电池 / 充电宝（若 Arduino 用外接供电）
[ ] 教师自备一个已调试好的套件，用于演示和应急

附：调试备用代码（若 I2C 地址不确定，先扫描）

cpp

// I2C 地址扫描 —— 找出你的 BMP280 地址
#include <Wire.h>
void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("I2C 扫描中...");
}
void loop() {
  for (uint8_t addr = 1; addr < 127; addr++) {
    Wire.beginTransmission(addr);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      Serial.print("找到设备，地址 0x");
      Serial.println(addr, HEX);
    }
  }
  delay(3000);
}

把扫描出的地址填回主程序的 bmp.begin(0xXX) 即可。

📋 素材清单

课前准备（教师）

视频

素材	用途	来源
NASA 大气分层科普短片	课堂导入或课后	https://www.nasa.gov/stem
探空气球升空全过程（2–3 分钟）	直观感受平流层环境	B 站搜"探空气球升空"
CanSat 比赛介绍视频	赛事对接	https://www.cansatcompetition.com/ 或国内 CanSat 赛事公开视频
B 站 BMP280 测高实验参考视频	课前备课/课堂演示	https://www.bilibili.com （搜"BMP280 测高"）

文档（打印）

文档	份数	说明
飞行器卡片	每组 1 套（约 12 张）	含 12 种飞行器名称（见实践活动）
五层大气分层挂图（A3）	每组 1	带高度刻度，用于贴卡归类
数据记录表	每组 1	见实践活动
学生任务单	每人 1
Arduino 接线示意图	每组 1	BMP280↔UNO 接线表（见实践活动）

软件 / 链接

资源	用途
Arduino IDE（已安装）	烧录代码，官网 https://www.arduino.cc/en/software
`Adafruit BMP280 Library`（库）	IDE 内安装，管理库搜索即可
国际标准大气（ISA）在线计算器	验证测高公式结果，搜"Standard Atmosphere Calculator"
维基百科"大气层"	学生延伸阅读 https://zh.wikipedia.org/wiki/大气层
CanSat 国际比赛官网	赛事对接 https://www.cansatcompetition.com/
中国气象局探空气球科普	http://www.cma.gov.cn/

器材清单（每组 1 套）

器材	型号/规格	数量	备注
Arduino 开发板	UNO R3 / Nano	1	兼容板亦可
BMP280 气压传感器模块	I2C 接口，已焊排针	1	注意电压（3.3V 优先）
杜邦线	母对母 / 公对母	4–5	SDA/SCL/VCC/GND
USB 数据线	与开发板匹配	1	UNO 用方口，Nano 用 Mini/Micro
笔记本电脑	预装 Arduino IDE	1	可组内共用
电池盒 / 充电宝（可选）	5V 输出	1	爬楼测量的便携供电
计算器	任意	1	手机计算器可代

💡 采购建议：BMP280 模块单只约 5–10 元，Arduino UNO 兼容板约 20–30 元。一组全套成本约 50–80 元，可全班共用 6–8 组。建议多备 1–2 套作为故障备用。

器材采购参考链接（教师）

Arduino UNO 兼容板：淘宝/京东搜"Arduino UNO R3"
BMP280 模块：搜"BMP280 气压传感器模块"（注意区分 BMP280 与 BME280，后者多了温湿度但价格略高，均可）
杜邦线排：搜"杜邦线 40 路公对母"

教师备课参考资料

资料	说明
US Standard Atmosphere 1976（PDF 公开）	国际标准大气权威规范，查分层温度/压强精确值
《气象学与气候学》教材	对流层天气现象深入
Adafruit BMP280 官方教程	https://learn.adafruit.com/ 搜 BMP280
NASA Earth Atmosphere Model	https://www.grc.nasa.gov/ 分层数据表

注意事项

⚠️ 课前务必逐组通电测试 BMP280 套件能正常读数，课堂调试时间极紧，故障套件直接换备用。
⚠️ I2C 地址：BMP280 模块有 0x76 和 0x77 两种，代码需对应；若不确定先跑"I2C 扫描"代码（见教师参考）。
⚠️ 供电电压：部分 BMP280 模块只支持 3.3V，接 5V 可能损坏。看清模块丝印；不确定一律接 3.3V。
⚠️ 爬楼测量时注意学生安全，禁止奔跑推搡，每组同行。
⚠️ 飞行器卡片若自制，注意"中间层"几乎无持续运行飞行器，归类时不要让学生产生困惑——可在该层预留"探空火箭短暂穿越"作为提示。

🛩️ 第 2 课 · 大气层与飞行环境 ​

📖 讲义 ​

学习目标 ​

核心知识 ​

一、 ​

二、谁在哪一层飞——飞行器在大气中的分布 ​

三、大气参数随高度怎么变 ​

四、气压测高原理：用气压"量"高度 ​

本课小结 ​

延伸阅读 ​

🔬 实践活动 ​

活动目标 ​

器材清单 ​

活动一："卡门线之下谁在飞"归类游戏（10 分钟） ​

玩法 ​

飞行器卡片清单（教师参考用，学生版隐藏答案） ​

✅ 游戏步骤 ​

评分（自评，每对 1 分） ​

活动二：Arduino + BMP280 实测楼层气压反推高度（15 分钟） ​

实验原理 ​

接线说明（I2C 接法） ​

示例代码（Arduino C++，可直接运行） ​

✅ 实验步骤 ​

数据记录表 ​

计算示例（参考） ​

讨论问题 ​

⚠️ 安全提示 ​

💡 高阶拓展（学有余力） ​

✏️ 学生任务单 ​

课堂任务（当堂完成） ​

任务 1：概念辨析（4 分钟） ​

任务 2：填空（5 分钟） ​

任务 3：飞行器归类（配合活动一） ​

任务 4：气压测高计算（5 分钟） ​

任务 5：完成实验数据记录 ​

课后任务 ​

必做 ​

选做 💡 ​

自评（✔ / ✘） ​

👨‍🏫 教师参考 ​

课时概览 ​

时间分配表（45 分钟） ​

教学设计（5E 对应） ​

重难点与突破策略 ​

重难点 1：温度曲线"降升降升" ​

重难点 2：热层"温度高但不烫" ​

重难点 3：气压指数下降与测高公式 ​

重难点 4：实验误差大，学生易失望 ​

常见问题（FAQ） ​

参考答案（学生任务单） ​

任务 1 ​

任务 2 ​

任务 3 ​

任务 4 ​

必做 2（巡航 11 km 气压估算） ​

差异化教学建议 ​

赛事对接说明 🏆 ​

课前准备清单 ​

附：调试备用代码（若 I2C 地址不确定，先扫描） ​

📋 素材清单 ​

课前准备（教师） ​

视频 ​

文档（打印） ​

软件 / 链接 ​

器材清单（每组 1 套） ​

器材采购参考链接（教师） ​

教师备课参考资料 ​

注意事项 ​