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表面张力及大豆生长实验室
 
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表面张力及大豆生长实验室

表面张力及大豆生长虚拟仿真
Surface tension and soybean growth virtual experiment

背景及依据
   物理学是一门基础课,物理学实验是帮助验证物理学规律、发现规律和创新思维的实践课程。表面张力现象是南京农业大学《物理学实验》课的一个重要实验,它要验证表面现象的规律。每年在南京农业大学卫岗校区,有50多个班要做这个实验,因此,受众面广。而这个实验,又是与农业生产紧密相关的,例如,大豆植物养分的输运等。我国是农业大国,大豆生产尤其重要,本实验结合物理学实验中的表面张力现象和大豆养分输运,利用计算机中的虚拟现实和仿真的方法,将表面张力现象的规律呈现在学生面前,同时,利用大豆生长规律,将表面张力的规律与植物生长相结合,可以解决在很短的时间内(例如,2节课)观察大豆养分输运的现象,帮助大学生对植物生长的观察。
    大豆原产于我国,是我国重要的农作物和油料作物,2013年,我国大豆播种面积达到7542万公顷。随着人们生活质量提高,人们对大豆的需求越来越多,2013年,我国大豆的自给率不足20%,这对我国的粮食安全非常不利,所以要加强对大豆的生长研究,突破一些关键技术,提高大豆品质和产量,保证我国的粮食安全。
    对大豆生长的研究过程中,其中重要的一个环节是,对大豆植物从土壤中吸收水分、养料的输运过程研究,要仔细研究水分和养料是如何从土壤中被输运到大豆植物的根茎和叶片,养料和水分在大豆植物叶片中的分布规律,土壤与大豆根部的相互作用等。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 表面张力

    表面张力,是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。将水分散成雾滴,即扩大其表面,有许多内部水分子移到表面,就必须克服这种力对体系做功——表面功。显然这样的分散体系便储存着较多的表面能。

    毛细现象:液体的表面张力、内聚力和附着力的共同作用使水分可以在较小直径的毛细管中上升到一定的高度,称之为毛细现象。毛细管插入浸润液体中,管内液面上升,高于管外,毛细管插入不浸润液体中,管内液体下降,低于管外的现象。

    毛细现象的优点:毛巾吸水,地下水沿土壤上升都是毛细现象;在洁净的玻璃板上放一滴水银,它能够滚来滚去而不附在在玻璃板上。把一块洁净的玻璃板浸入水银里再取出来,水银也不附在玻璃上。这种液体不附在在固体表面上的现象叫做不浸润。对玻璃来说,水银是不浸润液体;植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管,它能把土壤里的水分吸上来;钢笔的笔尖中间的笔缝也相当于一个毛细管;农业中,对作物滴灌时,也是利用了毛细作用使水滴落。

    毛细现象的缺点:建筑房屋的时候,在砸实的地基中毛细管又多又细,它们会把土壤中的水分引来,使得室内潮湿。建房时在地基上面铺油毡,就是为了防止毛细现象造成的潮湿。水沿毛细管上升的现象,对农业生产的影响很大。土壤里有很多毛细管,地下的水分经常沿着这些毛细管上升到地面上来。如果要保存地下的水分,就应当锄松地面的土壤,破坏土壤表层的毛细管,以减少水分的蒸发。


1、根和茎的毛细现象

    根是维管植物由胚根发育而来的体轴的地下部分。由主根及其许多侧根构成根系。主要的功能是为了固着植物体和支持地上部,并从土壤中吸收水和溶于水中的无机养料,亦有运输、贮存和合成某些有机物质的功能,并能向外分泌代谢物质。根尖表皮细胞向外突出的毛状物称为根毛,是根吸收水分和无机盐的主要部分。

    由于根的上述功能,在进行植物喝水的教学时,一般用有根的凤仙花进行喝水实验;将凤仙花插入有红墨水的水杯中,水面上滴入植物油,杯口用棉花堵塞,以减少蒸发。静置十多小时后,首先观察液面的下降。为了说明植物喝水导致液面下降,可以进行对照实验,几只杯子的水同样多,水面滴入同样多的植物油,并都用棉花塞住瓶口,经过同样长的时间后,插有凤仙花的瓶子水面下降更明显。还可观察凤仙花的叶子和茎,剪断或揭去表皮,可以看到红色墨水已沿茎的表皮上升。后者只需几个小时。

    事实上,直接用茎来做实验,同样可以看到红色墨水上升的现象。茎是维管植物由胚芽发育而来的体轴部分。其主要功能出是输导及支持。如果我们用蚕豆、油菜、葱、柳枝、松树及菊花的茎等,插入到红色水中,几个小时后,就可以在茎的表皮下观察到水的上升现象,在花瓣和叶脉上也可见红色。

2、植物的蒸腾作用

    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。为了观察气孔,显然应选择在早晨摘取的叶子。证明这一结论也是一项有趣的研究活动。在同一植株(如同一棵蚕豆植株)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。

 

表面张力实验1

    准备一杯水(把水加到杯子的边缘处,目视水至杯口齐平处),一些一元的硬币。然后是每人一次向杯子里轮流投放硬币,每次投放硬币数没有限制,可以一次放进1枚,可以2或3枚,或者更多,直到把水溢出杯子为止。投放硬币的时候用拇指和食指捏住硬币轻轻的放进盛满水的杯子。其实这个实验也可以放入回形针等较小的物品,起初回形针可能会浮在水面上,也可能会沉下去,但是在表面张力完好时杯中的水不会溢出,当表面张力小于回形针的作用力时,它就会被破坏,表现为水溢出。

表面张力实验2

    准备一根细长的木棍或牙签,用小刀雕刻成独木舟的样子,在独木舟的一端沾上一点洗发水,再将它放在一盆清水中,不用任何动力,独木舟就自己走了起来。

    这是因为在洗发水中含有表面活性剂,这些活性剂可以减弱水的表面张力,因此独木舟上沾有洗发水一端周围的水面张力减弱,而其另一端的张力不变,两端的张力差形成了对独木舟的推力,独木舟自然就会自己前进了。

 

 

 

 

 

 

植物的器官可分为营养器官及生殖器官。营养器官通常指植物的根、茎、叶等器官,而生殖器官则为花、果实、种子等。 营养器官的基本功能是维持植物生命,这些功用包括了如:光合作用等。但在某些状况之下,可能有无性生殖/营养生殖,意思是指,这些营养器官可能成为繁衍的亲本,由这些器官生长出新的个体。

毛细现象的物理分析

    如图1和图2所示,大豆根茎部分的输运养分的通道,简化为图1和图2中的直径D,根据表面理论的相关公式,可以分析养分在大豆根茎中的毛细管中的输运情况,并可以以虚拟现实的形式展示。

 

 

 
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