植物在物理学上的应用

研究课题植物在物理学上的效用侯李梅伊娜、赵明、丁其利2012年4月13日奇异的小故事花草树木中的物理现象实验部分物理学在现代农业上的应用植物在物理学上的效用王莲又叫维多利亚莲，属睡莲科，它为多年生草本植物，叶圆形，且浮于水面，直径１～２米，叶的边缘向上折起，形成高６～２０厘米的围墙，整片叶仿佛是浮在水面的大木盆，它的叶背深红色，有毛。这种叶子的载重力相当大，有人曾经做了一个试验：在一张叶子上铺沙子，并一碗一碗地往上倒，一直倒了75千克沙子，那张叶子仍然没有下沉。王莲的叶子为什么会有这股力量呢？关键在它的叶背面。把它的叶子翻过来观察，就能见到一种特别的构造：叶脉又粗又壮，而且排列成肋条状，很像大铁桥的梁架，因此承重力相当强，是一般植物所无法比拟的。1、什么叶子能载人?2、树干为什么都是圆的？自来水管、煤气管等，就是对这一自然现象的仿造。圆柱形具有最大的支撑力。树木高大的树冠的重量全靠一根主干支撑，特别是硕果累累的果树，挂上成百上千的果实，须有强有力的树干支撑，才能维持生存。3、飞来横祸老王头院子中有一棵老石榴树，红红的大石榴挂满枝头。有一天，老王头的隔墙邻居小刘正清扫院落，走到院墙边时，老王头家的石榴树满载果实的枝蔓突然断裂，砸在了小刘的头上，霎时间流血不止，被家人送进了医院。以树枝为研究对象，果实给树枝一个竖直向下的力，大小等于果实的重力，树干给树枝一个竖直向上的支持力，二力平衡，合力为零。当果实的重力大于树干的最大支持力时，合力不为零，果实将树枝压断。1、夏天的花草为什么会带露珠？原理：液化。现象：花草带有露珠。分析：露是空气中的水蒸气液化形成的小水珠。在白天气温较高的日子里，夜晚的温度会有所下降，这时候空气中的水分就会遇冷凝结，水汽在植物叶面上凝聚到一定程度，就集中流淌到叶尖突出部位，形成露珠。2、为什么清晨叶子上的露珠大的呈扁平，小的呈圆形?原理：表面张力。现象：露珠大的呈扁平，小的呈圆形。分析：因为叶子上有层蜡质，表面张力促使露珠以最小的表面积的状态存在。而体积相等的物体中，只有球体的表面积最小，所以露珠总是呈球状的。但是，由于地球引力的存在，露珠不可能是纯圆的。所以质量小的露珠接近球形，而质量大的因为重力大于表面张力的原因所以呈扁平。3、为什么荷叶遇雨结水珠？原理：浸润与不浸润。现象：叶表面结水珠。分析：液体的水有一种被称为表面张力的特性，也就是聚拢自身体积的特性，我们在荷叶上看到的水是呈颗粒状的水珠而不是平铺开的水渍，这是因为荷叶表面有一层附有蜡质的茸毛组织，水滴由于表面张力的作用无法在这层蜡质茸毛上扩散和渗透。所以，水落到蜡面上不是滚掉，就是聚集成水珠，而不会湿润整个蜡面。4、叶子的颜色为什么会变化？原理：光的反射。现象：叶子颜色发生变化。分析：色彩来自于光线的射入，吸收以及反射。各种波长的光线射入叶片当中或者被吸收或者被反射，如果所有的光线都被吸收，没有反射回叶表面，那么结果就是没有颜色或是纯粹的黑色；如果所有颜色都被反射到表面，那么这些不同色彩的光线将混合在一起，最终导致只有一种颜色。5、为什么冬天要给蔬菜盖大棚？原理：吸热保温原理、能量守恒定律。现象：棚内温度适宜植物生长。分析：温室大棚采用的是吸热保温原理，一方面大棚的材料可以采光吸热，二是有保持温度的作用，防止热量散失。阳光通过塑料薄膜摄入大棚时，小部分的光会被薄膜反射，这样进的多出的少，温度就高了。植物通过光合作用可产生淀粉、脂肪、蛋白质等有机物，实现光能转化为化学能，这正好符合能量守恒定律。6、为什么细细的麦秆可以撑住重的麦穗？原理：空心杆的承重能力比实心杆强。现象：麦秆被压弯。分析：麦杆是空心的，任何方向的抗弯曲能力都相同，可以承受更大的力量。从力学角度来说明，同样分量的材料，造成中空而较粗的支柱，比之中央实而较细的支柱，其支持力要强些。竹子茎的结构正是这样。茎加强了细胞壁上厚的机械组织和维管束(输送水分和养料的组织)。7、为什么扬场可以将糠皮、谷粒、石子分开？原理：惯性定理。现象：将谷粒、糠皮、石子分开。分析：因为受到的阻力影响不同，糠皮受阻力影响较大，落地最远，其次是谷粒，石子最近。因为质量越大，惯性越大，离的越近（石子密度比谷粒大）。8、为什么踩到香蕉皮易滑倒？原理：摩擦力、重心、力矩。现象：摔倒或有摔倒的趋势。分析：香蕉皮减小了鞋与地面的摩擦,踩到香蕉皮的，一定是正在向前迈的那只“虚脚”，那只脚的受力是向后的。前脚踩到香蕉皮的时候，正好后脚准备抬起或已经抬起（人走路是跳的），也就是说，这个时候后脚的摩擦力正在消退，而前脚的摩擦力在增大（增不到所需程度），整体净力向后。从力矩观点判断，此时前脚成为人体转轴点，重力的力矩使人体向后翻倒。重心正好处于香蕉皮的垂直线上(踩的脚也是垂直的)时就不会滑倒。9、果实成熟后为什么会掉下来?当果实成熟时，一方面成熟的果实会产生较多的脱落素，加之果柄上的细胞开始衰老，在果柄与树枝相连的地方形成一层所谓“离层”，离层如一道屏障，隔断了果树对果实的营养供应；另一方面果实的质量越来越大，由于地心的吸引，果实受到重力，纷纷落地。10、为什么种树可以减少噪音？原理：减弱噪音的方法。现象：噪音减弱。分析：声音的传播是要介质的。碰到物体会反射，产生漫反射朝各个方向传了，所以可以减少噪音，通过迂回的途径声音的能量就会减弱的。11、为什么下雨时不能躲在树下?原理：尖端放电。现象：人或物被雷击中。分析：下雨使电阻变小，有一个更重要的就是尖端放电现象由于电离或别的作用使尖端带的电最多，故而树尖最容易与雷电相接，从而殃及树下的人。当雷电击中地面物，雷电流泄入大地并在土壤中散流开，如果人站在或行走在落雷点附近，在两脚间的电位差可使雷电流通过两脚和躯干的下部，人就会被击伤。雷打到树上，雷电电流就通过树干就泻下来了。树不是一个好的导体，借助人体一直泻放到地底下去了，所以人都被击伤了。12、大树底下好乘凉的科学道理？原理：光线的直射原理。现象：树下乘凉凉快。分析：光线被树叶遮挡，不能够直接照射到地面，让人的皮肤接触不到阳光的照射；树叶的表面有水分，水分的蒸发使树木周围气温降低；树木的地面温度比较阳光直射的地面的温度低，并且潮湿，潮湿就说明水分多，使得比一般干燥的地面比热大，温度需要很长时间才能上升；大树下面的热量不均，使得空气流动，加速大树底下的气流。也是造成大树底下凉快的原因。13、树叶落地为何正面朝地？原理：重力。现象：落叶正面朝地。分析：因为树叶两个面的中间夹着一层有棱有角的细胞，这层细胞可继续分化为两层，上面一层细胞排列整齐，很密，包含着很多叶绿体，叫做栅栏组织，它能吸收空气中的二氧化碳，和体内的水分混合，在阳光的作用下，合成碳水化合物，暂时贮存在叶片中。深秋时节，气温下降，雨量减少，树叶进行光合作用的机能衰退，体内运输渠道堵塞，积压在叶片中的碳水化合物不能转运出去，致使重量增加，约占整个叶片重的60%以上。而树叶背面的一层细胞数量少，大小形状很不规则，排列疏松，空隙大，似海绵状。细胞内的叶绿体也很少，并有一层灰白色的蜡质附在叶片的外表皮，影响了光合作用，有机物质的合成积累很少，在重量上远低于树叶的正面。树叶正面重背面轻，所以树叶脱落后，由于重力等作用，正常情况下着地时总以正面朝地，背面向上。14、仙人掌为什么能生活在干旱的荒漠？仙人掌生活在干旱的荒漠，它的叶变化成叶刺，通过减小蒸发表面积大大降低水分蒸发．15、爬山虎的生长为什么能贴在墙上？爬山虎茎上的卷须顶端变成吸盘，依靠大气压吸附在墙壁上或大树上向上生长．16、椰子为什么能漂洋过海？椰子的果实内，中果皮富有纤维且充满了空气，这样可以借助浮力飘在水面上，借助风力漂洋过海。1、水果电池器材：橙子、检流计、小灯泡、铜丝、铝片、导线。过程：将橙子切成两半，分别将铜丝和铝片插进橙子中，用导线将检流计连入电路中，使之成为一个闭合电路，观察检流计的偏转。原理:两种金属片的电化学活性是不一样的，其中更活泼的那边的金属片能置换出水果中的酸性物质的氢离子，由于产生了正电荷，整个系统需要保持稳定（或者说是产生了电场，电场造成下列结果），所以在组成原电池的情况下，由电子从回路中保持系统的稳定，这样的话理论上来说电流大小直接和果酸浓度相关，在此情况下，如果回路的长度改变，势必造成回路的改变，所以也会造成电压的改变。2、小孔成像器材：蜡烛、半透明纸、纸箱。过程：放好蜡烛、纸箱和半透明纸。点燃蜡烛，调整蜡烛和纸箱的高度，使蜡烛的火焰、小孔和半透明纸的中心大致在一条直线上。蜡烛和纸箱的距离不宜过大。调整后，可以在半透明纸上看到蜡烛火焰倒立的实像。移动蜡烛或半透明纸的位置，可以看到，蜡烛距小孔越近或半透明纸距小孔越远，得到的像越大。原理：光在同一均匀介质中，不受引力作用干扰的情况下沿直线传播。3、植物的蒸腾作用原理：蒸腾作用。过程：在同一植株上，分别在早晨及中午摘取多片叶子，获得叶下表皮，并尽可能用同样处理方法，在显微镜下观察，结果是早晨的叶子气孔多且大。实验时，为了比较茎中存在的毛细现象与蒸腾作用的大小，进行对照实验：分别用剪去叶子和未剪去叶子的同一种植物的茎，插入同一个红色水的瓶中，结果，茎中都有红色水上升，而没有去掉叶子的茎上升的时间长。茎能传输水分与蒸腾作用有关，同时叶的气孔能进行蒸腾，也是通过叶的毛细现象来传输水分的。分析：植物体能由根、茎输送水分，主要由根床（地下水的压力）、毛细现象和蒸腾作用。大气压由于互相抵消，不应是主要原因。蒸腾作用主要是由叶下表面的气孔产生。将密闭的塑料袋扎在植物的树叶上，在阳光下很快就会有大量水珠在塑料袋中形成。这一蒸发导致植物要不断地从根茎中输送水分。叶下表皮的气孔观察也是很有趣的活动。用蚕豆叶或葱叶，由刮胡刀片在叶背面浅浅划一小方块，再用及时贴揭下表皮，并用酒精洗（或用刀片刮）去叶绿体，然后直接贴到载玻片上，就可以用显微镜观察气孔了。叶的气孔在早晨张开的较大，中午太热，为了减少蒸发量，张开的小。4、不同液体的毛细现象原理：蒸腾拉力。过程：我们用三种液体进行比较：肥皂液、风油精、水。用同学们自己拉伸的同一根尖嘴玻璃管，分别插入到三种液体中，上升的高度各不相同。风油精上升的高度最小，肥皂液其次。风油精实验，直接将玻璃管的尖端插入风油精的瓶中即可。同种液体，在温度不同时，毛细现象也不同。分析：植物吸收的水分绝大部分从叶面蒸发到空中，这样可形成一种蒸腾拉力．这种拉力是根系对水分、矿物质养分吸收以及矿物质在植物体内传导的主要动力．植物通过蒸发吸热还可以调节叶面温度，这样，树叶不致于因温度过高而灼伤．5、头轻脚重有一大堆分散了的木头，头和尾基本相同，你如何分辨他们的头和尾?为什么将木头放在水中，浮的是梢，沉的是根？因为根部的密度与梢头的密度大，水和营养物质是从根向上输送的，根那头的细胞中水分较多，也就是密度大，所以不太容易浮起。6、音乐为什么能促进植物生长？原理：声波的有利刺激。现象：植物生长加速。分析：音乐能促进植物生长是由于声波的刺激作用。我们知道，植物的叶片表面分布着许许多多的气孔。气孔是植物与外界环境进行气体交换和蒸发水分的“窗口”。当音乐播放后，音乐的旋律经空气传播会产生有节奏的声波，这声波振动刺激植物叶片表面的气孔，可增大气孔开放度。原来那些舒缓动听的音乐声波的规则振动，使得植物体内的细胞分子也随之共振，加快了植物的新陈代谢，而使植物生长加速起来。7、玻璃杯中的雨器材：玻璃杯，带叶枝条、食用油、玻璃罩。原理：蒸发。分析：把一根带叶的枝条放入有水的玻璃杯中，置于阳光下。在水面上滴入薄薄一层食用油，然后在玻璃杯上覆盖一个大玻璃罩。在很短时间内，罩壁上就会聚集起水滴。由于油层不让水穿过，所以水只能从叶子蒸发出来。实际上，是植物所吸收的水份，通过叶面上的细小毛孔向空气中蒸发。阳光照射到玻璃罩上，使得里面的空气湿度饱和，于是就会出现蒸发现象：就像是细雨在冷的玻璃壁上结成水滴。8、用渗透压做游戏器材：玻璃杯、豌豆、水。原理：吸水膨胀。液体在肉眼看不见的细胞壁的孔隙中穿行，称为渗透。分析：在一只葡萄酒杯中装满干豌豆，把水灌满，然后把杯子放在一个金属锅盖上。豌豆