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科學小實驗漩渦的原理范文1
這是此間在美國宇航局總部舉行的一場新聞會上公布的消息，探測的結果來自對該局實施的引力探測衛星B(GP-B)計劃的數據分析結果。
引力探測衛星B項目首席科學家，斯坦福大學物理學家弗朗西斯?艾福瑞特表示：“正如廣義相對論預言的那樣，地球附近確實存在時空扭曲?！?/p>
而美國華盛頓大學圣路易斯分校的克利福德?威爾表示：“這是一個歷史性的時刻?！蓖柺菒垡蛩固估碚撗芯糠矫娴膶＜?，他目前正擔任美國國家研究理事會一個獨立下設委員會的主席職務。這一委員會于1998年由美國宇航局創立，其主要目的便是對引力探測衛星B的數據進行檢查和評估。他說：“有一天，今天的這個實驗將被作為經典案例寫進物理學教科書。”
根據愛因斯坦的相對論，空間和時間是交織在一起的，形成一種被他稱為“時空”的四維結構。地球的質量會在這種結構上產生“凹陷”，這很像是一個成年人站在蹦床上陷進去的情形。愛因斯坦指出，引力的本質僅僅只是物體圍繞這種時空凹陷的曲線邊緣運動的外在表現。
如果地球是靜止的，那這種擾動將不復存在。但是地球并非靜止不動，我們的地球在不停旋轉，這種旋轉會產生擾動，盡管非常輕微，但仍然會產生一種四維漩渦。而這就是2004年發射進入太空的引力探測衛星B所要探測的目標。
實驗的原理
這一實驗項目背后的科學原理非常簡單：科學家們將一個陀螺儀送上地球軌道，使它的一個旋轉軸指向一顆遙遠的恒星作為參考點。在沒有任何外力作用的情況下，這一旋轉軸應當永遠指向這一顆恒星。但如果空間是扭曲的，那么陀螺儀的指向會隨著時間推移發生改變。通過對這種改變的精密檢測，科學家們能了解時空彎曲的相關信息。
這說起來似乎很簡單，但真正做起來卻非常艱難。
首先，制造引力探測器B中4個高精度陀螺儀需要用到精度極高的球體。事實上，這些陀螺儀內部的轉子是人類迄今制造過的最完美球體。它們的大小約相當于一個乒乓球，由熔凝石英和硅材料制成，其相對完美球體的誤差在任何方向都不超過40個原子的厚度。這樣高的精度是必須的，因為如果不是這樣做，那么這些陀螺儀轉軸的晃動將出現誤差。
根據愛因斯坦理論進行的估算顯示，地球周圍空間的時空扭曲將導致陀螺儀旋轉軸出現每年0.041弧秒的改變。1弧秒等于1/3600度。為了測出這樣微小的改變量，GP-B探測器必須具備0.0005弧秒的精度。這就相當于讓你測量放在100英里(約合161公里)之外的一張紙的厚度。
對此，威爾說：“GP-B探測器項目的工程師們不得不發明一整套全新的技術來滿足這種不可思議的要求?！?/p>
舉幾個例子，工程師們開發了一種“無拖曳”衛星技術，它可以讓衛星擦過地球最外層大氣卻不會造成對其內部陀螺儀的擾動。他們還開發出獨特的技術來防止地球磁場穿透探測器從而影響其測試精度。最后，他們還設計出一種技術來測量陀螺儀的旋轉角度，但整個過程中不會觸碰到陀螺儀從而對其造成影響。
即便克服了制造和設計上的技術困難，進行這項精度空前的實驗本身同樣是一個巨大的挑戰，但經過一年的數據收集和將近5年的數據分析，GP-B項目的科學家們認為他們已經幾乎接近完成這項工作。
艾福瑞特說：“我們測量到測地線效應值為+6.600或-0.017，慣性系拖曳效應值為+0.039或-0.007?！?/p>
測地線效應是指由于地球的靜止質量引起的陀螺旋轉軸改變，也即時空的凹陷。而慣性系拖曳效應則是由于地球自轉導致的陀螺旋轉軸改變，也即時空的扭曲。測量得到的這兩組數據都和愛因斯坦理論的預測非常吻合。
未來的路
那么接下來呢？
艾福瑞特想起了他的論文導師，諾貝爾獎獲得者、著名實驗物理學家帕特里克?布萊克特給他提出的建議：“如果你在物理學研究上不知道下一步該做什么，那么就試著開發一些新技術，它們會帶你找到新的方向?！?/p>
科學小實驗漩渦的原理范文2
一般而言，幾乎沒有學童不喜歡游戲的。在各種的學習途徑中，游戲是最直接的方式之一。若能搭配教學主題，經由生動、有趣的游戲，則可讓學童們從做中學，在快樂中成長（劉宗平，2008）。
從做中學，可讓學童們能從生活中自我探索。通過思考問題的內涵、尋找解決問題的方法，可以持續不斷地保有學習的動力（劉宗平，2009）?？茖W的內涵充滿高度的學習動機，透過充滿創意的科學闖關活動，可帶領學童們進入探究科學的世界，使他們的學習具有持久性，達到事半功倍的學習效果。
1科學教學工作中的困擾
對于自然科學的教學工作而言，通常會教導學童們如何運用科學的態度，來面對生活中的各種問題，并應用科學的方法來解決問題。然而，當下學童們解決問題的能力，似乎不如預期。當面臨生活中的問題時，許多學童經常會顯得茫然不知所措，甚至還會選擇逃避、退縮。
經過一番觀察后發現，可能的原因之一是科學教學中的實驗單元不夠落實，導致學童們缺乏挑戰問題及解決問題的實際經驗。在學校中，擔任科學教學的教師們，經常會面臨科學進步與升學競爭的雙重壓力，使得科學教學的工作產生極大的困擾，無法發揮科學教學的預期效果。
由于科學進步神速，使得需要傳達的科學知識大增。在授課時數有限的情況下，只好在教材內容上作一些取舍，難免會造成詞不達意。如再考慮升學競爭的現實問題時，則科學實驗課程的時數就會相對地減少，導致實驗教學工作的執行效果大打折扣（鄒玉鈿，2011）。
2探究式教學與科學活動
與其他學科目的教學相比，科學教學具有三項明顯的特色：實驗室教學、概念與原理的認知與建構、科學過程技能的培養（吳武雄、陳瓊森，1992）。這三項特色與科學創造力間的關系密切，它們彼此間是相輔相成的?？茖W活動中含有“動手做”和“科學闖關”兩項要素，其皆以科學探究的基本精神為主導，它們都是實驗室教學中的重要環節。
“動手做”活動之內涵是一種探究式科學教學活動，也是一種最具有科學特色的教學法（DeBoer，1991）。依照學童們各個階段的知識基礎，針對各個科學主題，可以設計一系列具有創意的科學闖關游戲。通過快樂、有趣的科學探究活動，讓學童們建構出屬于自己的概念性知識，孕育面對問題、解決問題的正確科學觀，培養出良好的科學態度與能力，親身感受科學實際應用的可能性。
當設計“科學闖關”活動時，須讓學童們親身操作、應用科學教具，不僅要體驗科學原理，還要達成活動設定的目標，進而獲得“過關”和“成功”的經驗。對于高年級的學童來說，因已在課堂上學過該項科學活動的相關知識，故具備了執行科學活動所需要的理論性基礎。經由實際的活動操作，可以驗證科學理論的內涵，加深其對科學原理的深入了解（劉宗平，2009）。
然而，對于低年級的學童而言，雖不一定具有活動所需的理論性基礎，但藉由體驗科學闖關活動的過程，可以親身感受科學是有趣的、好玩的，在心中建立“務實”的先備經驗。在未來的科學教學課程中，使學童們可以產生較大的興趣與信心，獲得較大的學習效果（劉宗平，2008）。
3科學闖關活動內容設計
根據上面所提到的基本原則，便可著手設計科學闖關活動。通常，會設計出50項以上的科學闖關活動作為題庫，其屬性要涵蓋到各種科學單元。每當推展科學闖關活動時，必須配合特別選定的活動主題，從題庫中挑選出其中的20項闖關活動來施行。
設計科學闖關活動時，需要考慮的重要因素有：施行對象、闖關內涵和執行場所三大項。為了讓學童們接觸科學、認識科學、接受科學，甚至喜歡科學，那么施行的對象就不能太過于侷限。然而，執行闖關活動需要一定的生活體驗和科學知識作為基礎，才能達到某種預期的效果。如果學童年齡太小，則其生活經驗太少、科學知識不足，不易領會闖關活動的內涵。反之，若學童年齡太大，則因其擁有太多的定見，不易享受闖關活動的樂趣。通常，闖關活動的施行對象，大多會以小學1～4年級的學童為主。
施行對象選定之后，即可進行設計闖關內涵。每一項闖關活動中，原則上包含了活動名稱、單元主題、操作方式和原理說明等四個主要部分。前已提及，闖關活動應盡量擺脫課堂教學的刻板印象，代之以生動、有趣的游戲方式來呈現。倘若闖關活動的游戲份量太重，那么所欲表達的科學傳播就會變得模糊。在游戲份量與科學傳播之間，其取舍經常會面臨兩難的窘境。因此，闖關游戲的內涵，除了要顧及實驗學童的背景知識之外，還要設想實驗執行時可能遭遇到的困難。為此，可在闖關活動的攤位前方，放置一片廣告牌，上書游戲實驗的科學原理和闖關提示，以增強學童闖關時的信心度和成就感。
由于科學闖關活動的施行場所不再限于教室，所以闖關游戲還要盡量適用于各種可能的場所?；旧?，施行20項科學闖關活動，需要一個寬廣的空間。倘若不在室內進行，那么一般的戶外場地或是操場，都是不錯的選擇。若是艷陽天，搭個遮陽傘，便可施行活動。然而，當活動進行了一段時間之后，突然起風了，或是下雨了，就要有事先備妥的對策來因應，以確保活動可以繼續進行。事實上，在設計活動之初，要仔細思索所有可能影響活動的因素。為了展現活動的具體內容，茲以6項普受好評的闖關游戲作為示例，分別敘述之。
闖關活動（1）
活動名稱：龍卷風
單元主題：空氣壓力
操作方式：倒轉保特瓶，不得擠壓瓶體，讓瓶內的水快速地流進另一空瓶內。水一流動，即可成漩渦，像龍卷風似地向下瓶注入。若水流快速注滿下瓶者，則算過關。
原理說明：兩瓶間有小口徑墊片，當兩瓶顛倒時，因受下瓶空氣阻擋，上瓶內的水不會下流。握住保特瓶，以畫圈方式搖動，造成龍卷風，水就會快速流下。
闖關活動（2）
活動名稱：電流急急棒
單元主題：導電與絕緣
操作說明：手持電流棒，沿著螺旋形導線移動。當從導線的一端移動到另一端時，若沒有觸動警報者，則算過關。從實驗中，可認識導體與絕緣體，分辨通路、斷路與短路，訓練手眼間的協調。
原理說明：電流流動所經過的封閉路徑，稱為通路。一般的通路中，至少有三種元件：電源（干電池、其它種類電池）、導線（電線）與負載（燈泡、馬達）。如果通路斷掉，就成了斷路。有電池的通路中，若移除負載，就形成了短路。
闖關活動（3）
活動名稱：歸去來兮
單元主題：能量轉換
操作方式：圓罐中間，橫架著一條橡皮筋。在橡皮筋的中點處，吊著一個小鉛垂。當用力推罐子向前滾動時，若罐子向前滾動一段距離后，能自動滾回原來的出發位置者，則算過關。
原理說明：如果罐子向前滾動，那么橡皮筋就會逐漸卷緊，把運動能量儲存為彈性位能。同時，罐子會減速。當罐子滾動停止后，橡皮筋的儲存能量便重新釋放出來，變成運動能量，使罐子反方向滾動，回到原來的出發位置。
闖關活動（4）
活動名稱：慣性實驗
單元主題：慣性定律
操作說明：先將鐵球、紙片平穩地放置在直立鋼管的頂端，再在紙片旁放置一片可水平彈射紙片的鋼片。用手輕彈鋼片，將紙片彈出。若紙片彈出后，鋼球依然保持在鋼管的頂端處者，則算過關。
原理說明：在不受外力的情形下，物體會保持原有的狀態，稱為慣性定律。若巧妙地輕彈鋼片，則可使紙片水平彈出，不會影響物體在垂直方向的靜止狀態。
闖關活動（5）
活動名稱：毛毛歷險
單元主題：波動
操作方式：在兩根音叉柱之間，套上橡皮筋。將“毛毛”輕放在橡皮筋的一端，并開始敲擊其中一根音叉，千萬不能讓“毛毛”摔下來。若“毛毛”可從橡皮筋一端抵達另一端者，則算過關。
原理說明：當敲擊音叉時，音叉的振動會直接傳遞到橡皮筋的一端，引起橡皮筋以同樣頻率振動。若不斷地敲擊音叉，則“毛毛”便會慢慢地沿著橡皮筋移動。在此活動的實驗中，可以認識音叉的振動、振動引起的波動、波在橡皮筋上的傳播，以及波動造成“毛毛”的移動。
闖關活動（6）
活動名稱：畫過星空
單元主題：光反射與手眼協調
操作說明：目視前方的鋁板表面，手握金屬導電筆，從紅點處開始，一筆畫完一顆星。當在不導電的星形區一筆畫時，若筆尖碰觸到黃色金屬板的區域時，則前方的紅色小燈就會發光，并發出聲響。在一筆畫的過程中，若紅色小燈沒有亮，則一筆畫完成者就過關了。
原理說明：光潔的鋁板表面，像一面反射鏡，可以反射入射光。目視前方的鋁板表面，可見倒映在其中的影像。若筆沒有接觸到黃色金屬板的區域，則電路是斷路，紅色小燈不會亮。反之，則會。手眼若能協調一致，就會過關。
5結論
學習科學是提升全民知識水平的最佳途徑，所以科學教育的扎根工作必須從小學開始做起?？茖W闖關活動將科學實驗與實作體驗結合在一起，讓不同年級的學童們在游戲中不斷地學習科學概念和知識。透過“觀察、假設、實驗、結論”的步驟和過程，建構屬于自己的知識體系，是一種寓教于樂相當有效的方法。
組織推展科學闖關活動的團隊，直接走進各個學校，可讓學童們在自己熟悉的校園內享受專業的科學教育服務。自2007年迄今，已走過臺灣150多所學校，服務過近三萬名的學童。經過科學闖關活動的洗禮，學童們不但可在快樂中成長、學習，還能培養出良好的科學態度、提升解決問題的能力，讓科學的種子發芽、成長與茁壯。
參考文獻：
[1] 劉宗平, 王仲淳, 吳志榮, 尤克強, 洪坤森, 陳文慶, 黃士文. 一種服務學習型“小學科學嘉年華巡回服務計劃”的活動設計與實施[C]. 首屆海峽兩岸科普研討會論文集，2008.
[2] 劉宗平, 王仲淳, 吳志榮, 潘月里,.學節能減碳課程的規劃與設計[J]. 二屆海峽兩岸科普研討會論文集, 2009.
[3] 鄒玉鈿. “探究式創意實驗教學”對八年級學生[D]. 慈濟大學教育研究所碩士論文，2011。
[4] 吳武雄, 陳瓊森. 有效的科學概念教學：職前科學教師教學能力培養之研究[R]. 臺灣科技主管部門專題研究計劃成果報告,1992.
[5] George E. Deboer, “A history of ideas in science education,” New York, Teacher College, 1991.
作者簡介：
湯幼竹，財團法人金沙文教基金會，執行秘書。
林懿偉，財團法人金沙文教基金會，副執行長。
科學小實驗漩渦的原理范文3
寶寶出生后，供給營養的神經支持細胞會快速增殖。據科學測量，單個神經元有1.5～20萬個突觸，過多的神經元和突觸會爭奪約1萬億個支持細胞所供給的營養。如果寶寶經常接觸外來的信息刺激，并作出反應，會使神經通路暢通，否則通路會逐漸萎縮。在大腦發育最快的前4年，媽咪應盡可能地讓寶寶接觸廣泛的信息和操作機會，也應盡可能地理解寶寶的奇怪問題和“破壞”行為。越是豐富的學習環境和資源，越是寬容和有耐心的媽咪，就越能激發寶寶的好奇心，對寶寶的潛能開發也就越有利。
正確對待好問的寶寶
“我是從哪里來的？”
“宇宙有多大，它在哪里，是怎么形成的？”
“人為什么要吃飯？”
“世界上有沒有鬼？
“酸奶可以用微波爐加熱嗎？”
“電在哪里，可以看得到嗎？”
……
這是一些幾乎挑戰過也困擾過所有媽咪的問題，這是寶寶對自我存在的思考，對宇宙起源的思考，對生命科學和物理現象的思考。
媽咪的回答可以是“你還小，等你長大了媽咪再告訴你”，可以是“問你爸爸去”，也可以是簡單的一句“我不知道”。可是這些回答非但沒有解釋疑問，還會挫傷寶寶可貴的好問積極性，也許寶寶從此就會“偃旗息鼓”。
我們常說要鼓勵寶寶提問，這不應該是一句掛在嘴邊的口號，需要媽咪用行動落到實處。面對這些問題時，媽咪首先要表現出極大的熱情和興趣，要以關注的姿態，讓寶寶感覺到這個問題的價值。這樣寶寶才會有進一步探究的動力，千萬不能以嘲諷揶揄的口吻對待寶寶千奇百怪的問題。
媽咪能回答的問題，要用簡單清楚的語言正面回答，同時可以針對寶寶的年齡特點，輔以一定的圖片或文字解釋。對于不能回答的問題，媽咪也要實事求是，斷然拒絕不足取，敷衍誤導也不行，這時媽咪可以同寶寶一起尋找答案，甚至通過實驗來求證結果。媽咪的示范作用，會對寶寶好奇心的保護和探究習慣的養成起到深遠的影響。
正確對待好動的寶寶
媽媽淘米的時候，寶寶吵著要幫忙；媽媽洗衣服的時候，寶寶吵著要幫忙；媽媽洗菜的時候，寶寶也吵著要幫忙，反正就是要圍繞在媽媽左右，幫忙肯定是談不上了，能夠不幫倒忙就已經很好了。
此時媽咪與其覺得煩心，還不如給寶寶一些器具，讓寶寶自己做一些力所能及的事情。比如，讓寶寶淘一小罐米、洗一條手帕、把黃瓜西紅柿洗干凈等等。在這個過程中，寶寶可以了解米粒的形狀、溶解現象以及瓜果蔬菜的特性，觀察到事物干凈前后和生熟前后的變化，滿足自己的好奇心。同時在動手實踐中，也鍛煉了寶寶的生活自理能力，積累了生活經驗。
很多時候媽咪總希望寶寶安靜些，這樣比較省心。但有的寶寶就是坐不住，一會兒這樣，一會兒那樣忙個不停。除去寶寶的性格因素外，還有可能是寶寶正在這樣的忙碌中探索事物的特性，了解和觀察周圍的世界。比如，媽咪在給寶寶洗澡時，讓他抬手、抬腳、轉身，寶寶對媽咪的這些指令都置若罔聞，只顧著自己低頭玩水；有時寶寶還會故意用腳踩住下水道入口，讓浴室里面“水漫金山”，然后再觀察水流引起的漩渦。這時媽咪總會抱怨寶寶連洗個澡都不消停。其實，這些行為都是寶寶的好奇心在作怪，換個角度看待寶寶的好動，媽咪的心態也會平和許多。
正確對待好破壞的寶寶
有的寶寶喜歡拆裝玩具或搞一些小破壞，比如：把家里的車模拆解得支離破碎；把鬧鐘拆了以后就再也沒有拼起來；在爸爸的大煙灰缸中飼養蚯蚓；把爸爸書桌上的重要文件拿來折紙飛機。
媽咪該如何面對寶寶的這些破壞行為呢？根據寶寶的年齡和動機，有些行為非但不能批評，反而要鼓勵。摔、撕、拆、砸這些行為對3歲左右的寶寶來說，是探索未知世界的一種方式。寶寶在訓練自己手指的靈活度，在探究物體的內部結構，在觀察動物的生長，在研究氣流和動力。
有時寶寶會故意把玩具往地上扔，媽咪撿起來，寶寶還會再扔，媽咪再撿，寶寶再扔，此時寶寶樂此不疲，媽咪卻疲憊不堪。寶寶的這種行為可能就是想要傾聽物體落地時發出的聲響，或是鍛煉自己的投擲能力。對于這些好破壞的寶寶，媽咪要提供安全易拆卸的物品，同時也要提高自己的忍受力，玩具再慘不忍睹，與滿足寶寶的好奇心相比，當然也就微不足道了。寶寶的有些行為會超出媽咪的容忍極限，或是故意挑戰事先設定的規則底線，此時媽咪可以采取必要的懲戒措施，幫助好破壞的寶寶建立規范意識。
在游戲中引導寶寶的好奇心
2～3歲的寶寶，喜歡用嘴巴去品嘗一切該吃的不該吃的東西，那是寶寶在用舌頭和味蕾探索新鮮事物。媽咪可以和寶寶一起做一些味覺游戲，調制不同口味的溶液，蒙上眼睛讓寶寶品嘗鑒別，在滿足寶寶好奇心的同時，引導寶寶認識病從口入的危害。
寶寶喜歡敲敲打打，媽咪可以提供不同形狀、材質的棍棒，讓寶寶嘗試敲打不同質地的物品，也可以和寶寶進行聽聲辨物的比賽，有媽咪的參與會讓寶寶探究的欲望更加高漲。
在玩乒乓球游戲時，如果寶寶不小心把球踩扁了，媽咪就可以和寶寶一起做一個乒乓球復圓的實驗，給寶寶分析其中的科學原理。
媽咪也可以和寶寶一起觀察“流汗”的啤酒瓶，一起做紙鍋燒水的實驗、繩子釣冰的游戲或者綠豆發芽的觀察記錄，有了媽咪這個領路人，寶寶自然而然也會養成好追問、好探究的好習慣。
游戲和體育活動是激發寶寶好奇心最好的平臺，做一個有心的媽咪，動用寶寶所有感覺器官發現生活中的奧妙，激發無窮的好奇心，讓寶寶在簡單的游戲中發現不簡單的道理。
在生活中創設滿足寶寶好奇心的環境
生活處處皆學問，寶寶生活中的各個角落都蘊含著豐富的學習資源，媽咪要有意識地為寶寶創設符合其心理和年齡特點的學習環境，從而滿足寶寶的好奇心。比如：
寶寶喜歡飼養昆蟲，媽咪可以為寶寶提供一切有利條件，甚至和寶寶一起進行飼養觀察記錄；
寶寶喜歡閱讀，媽咪可以為寶寶提供合適的閱讀繪本，也可以和寶寶一起進行親子閱讀；
寶寶喜歡動手操作，媽咪可以為寶寶提供自由創作的空間和素材；
科學小實驗漩渦的原理范文4
2002年11月，佩蒂特在國際空間站上載人航天的任務之一就是教育下一代。美國航宇局（NASA）在太空授課已經有很多年了。在過去的幾十年里，美航宇局曾經從美國中小學教師里選拔了四位航天員。他們在美國青少年中產生了巨大的影響。本文要介紹的“周六科學實驗”是美航宇局的科學家航天員佩蒂特進行的。佩蒂特出生于1955年。1978年在俄勒岡州立大學獲得化工學士學位，繼而在1983年獲得亞利桑那大學化工方面的博士學位。在1996年被選為美航宇局航天員之前，他是洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家。佩蒂特從來沒有當過老師，而且該局也從未計劃讓他進行太空授課。他當時是作為第6宇航組成員來到國際空間站進行長達數月的工作的。在空間站，他平時有很緊張的科學實驗工作和組建國際空間站的任務。但在周末休息期間，航天員們多少有點空閑時間。他的同伴會看電影、讀書或彈奏樂器，而他偶然發現在空間站里有一本1911年出版的書《肥皂泡》，這本書引起了他極大的興趣：這些肥皂泡在空間站里會是什么樣子呢？出于自己的好奇心他想做一些自己設計的微重力實驗。
佩蒂特準備了一些肥皂液和甘油，又用細細的線圈制作了一個泡泡棒。他的線圈的直徑可以從3.5厘米到15厘米，為的是觀測不同表面積下薄膜的性質。一切道具就備，他可以開始實驗了。
這時佩蒂特突然想到，何不先用水做一次實驗呢？他把直徑5厘米的泡泡棒插入一個燒杯中然后再拉出來。他發現一個薄薄的水膜在泡泡棒上形成了。他回憶到：“我從來沒有親眼看到過這么大的水薄膜?！彼檬謸u動這個線圈，發現這個水膜很穩固。讀者不妨親自做一個這樣的實驗：制作一個直徑大于1厘米的線圈，然后放入純凈水中。不管你使用什么辦法，都不可能讓水橫跨在你的線圈上。而且任何水膜都很脆弱。輕輕地吹一口氣就可以把它吹破。而佩蒂特的線圈直徑甚至達到了11厘米，水膜仍然很穩定?！熬拖袷且粔K橡皮，”他驚嘆到。“它們可以承受各種機械運動?！?/p>
為什么空間薄膜會如此牢固呢而在地面上卻不行呢？這要說到表面張力的概念了。通俗地說，表面張力就是使得水面上的小蟲子疾步奔走而不會下沉的那個力量。它是一種在任何潮濕的表面上的有彈性的抗滲透的“皮膚”。這個皮膚的存在是由于水分子帶電。一個水分子的正極被另一個水分子的負極所吸引，它們集體就形成了這樣的皮膚。而這種凝聚力在水的表面達到最大。當然這個凝聚力量，或者說表面張力在空間和在地面是一樣的。不同的是地球引力與表面張力的對抗。在空間的微重力環境里，水膜在線圈的中間部分不會因重力而下垂。表面張力就成為了主要作用力，于是水膜就變得非常牢固。有的水膜保持達12小時之久，中央部分的位移可以達到好幾個厘米。
佩蒂特又把一點點帶顏色的液體注入到薄膜上，這樣他就可以觀測到原來不易看到的流動和漩渦現象。有些形狀就像是螺旋星系，并能保持4小時之久。
下面該是涂顏色了。佩蒂特用了四種食物顏色：紅、藍、綠和黃色。他用一個帶有一個尖嘴的注射器將四種顏色注入到薄膜上。一開始，這四種顏色只是停留在注射的地方，既沒有對流也沒有擴散。他又在這四個部位上輕輕地吹一口氣。他看到液體的流動。但是當他停止吹氣后，流動立即停止。過半個小時之后，他再次觀察他的薄膜，他發現那塊顏色都出了毛邊?！斑@就是擴散現象”，他解釋到。當他再次吹氣后，毛邊被清晰的邊界所代替，對流再次占了主導地位。他開始晃動線圈，他看到這些顏色繼續流動，但一直保持連續性。最終，所有的顏色都混合到了一起，變成了一片看上去比較偏綠的薄膜。他開玩笑說：“我相信，我們發現了宇宙的真實顏色！”
沒想到這些實驗在播放之后引起了重大反響，竟然引得大群美國人每個星期六雷打不動地等待他的實驗。因為這些視頻不僅是在星期六做的而且是星期六在美航宇局電視頻道里播出的，所以被稱為“周六科學實驗視頻”。這些實驗以流體實驗為主，也有一些固體實驗和機械實驗。每個都不復雜，也都只有幾分鐘，但能夠給人留下深刻印象。后來佩蒂特返回地球后又進行了后期制作。大家可以在YouTube上找到這些視頻。視頻的鏈接可以在本人的科學網博客上找到。
2011年，佩蒂特又參加了“第30宇航組的太空之旅”。在國際空間站里他進行了更多的實驗。這些實驗作為“周六科學實驗”的后續被稱為“離開球面的科學”。同樣，這些實驗是在他休息時間里進行的。其視頻可以在美國物理學會的網站或優酷網上找到。相比“周六科學實驗”，這些實驗更有深度，更有意思。
“舞蹈的水滴”實驗讓人們看到了水珠圍繞著筷子跳舞。這個實驗一定要看。水珠就像行星圍繞太陽運轉，但它們的原理卻完全不同。想知道為什么嗎？“干杯的航天員”實驗讓人們目睹了在空間站里的奇怪水杯。知道嗎，這個杯子還是經過數學家的嚴格推導后才發明出來的呢。如果讀者覺得這個難了點的話，不妨考慮一個相對簡單一點的問題：為什么不能在失重環境里使用常規的水杯？“薄膜物理”實驗聽起來與“周六科學實驗”中的實驗沒有太大的不同，其實它更讓人意想不到。讀者能看到水膜能把水珠彈出，還能收回，能讓水珠穿過，也能把水珠彈回。其實就是水啊，沒有了重力的影響，行為竟然如此不同。驚奇還沒有結束。緊接著的“透鏡與旋渦”實驗更引人入勝，它揭示了流體粘性和渦流的關系。在地面上可以想想攪拌蜂蜜會是什么樣子。再給你一個大水泡，再向其中間注入一個水珠，這兩個水珠會是什么關系？如果人們想讓氣泡轉動起來，我們該怎樣做？“反氣泡的樂趣”會告訴你。在看這個實驗之前，不妨再想象一下，在中間的小氣泡會有什么行為？再下面一個研究是完全不同的：“紅外線下的地球”。讀者可以看到地球上不同地區在紅外線下是什么樣子：植物呈現紅色，城市呈現灰色。佩蒂特偶然發現了一個廢棄的音箱，于是有了“空間聲波”、“粘稠的淀粉”和“迪吉里杜管”實驗。佩蒂特還用樂高玩具（對空間站上有樂高積木?。┲谱髁艘粋€發電機，然后連在一個電鉆上，產生的電壓可以達到三萬伏，但佩蒂特卻沒有被電擊到。不信的話，請看“樂高發電機”實驗。佩蒂特還把它搞笑地稱為“1.21樂高伏特”。在時鐘環境里，如果一個充滿水的氣球突然被一根針扎破，你會看到什么狀況？為什么？到“空間的充水氣球”實驗里去找答案吧?！皬椈衫碚摗睂嶒灨裎覀冊趯嶒炇依锏奈锢韺嶒?。佩蒂特希望在失重的條件下用彈簧來測量三個不同大小螺母的關系?？纯此侨绾卧O計這個實驗的?！翱臻g吹水球”實驗觀測的是在失重環境里水球面對波動的反應?！翱臻g溜溜球”更像是雜技，但你能發現這個實驗與現在時髦的衛星系繩技術的關系嗎？
科學小實驗漩渦的原理范文5
關鍵詞：微透析；脯氨酸；質外體；楊樹；積累量
植物質外體由細胞膜外側構成細胞壁的纖維和微晶體空間及充滿水和空氣的細胞間隙所組成，分化完成的木質部也屬于質外體[1]。近年來干旱脅迫條件下，有關植物質外體生理機制的研究越來越受到關注[2，3]，但由于質外體在植物組織中所占的比例相對較?。▋H占植物組織總體積的8%～15%），它與膜內細胞質之間存在著水分與物質的平衡，使得植物質外體汁液提取過程操作繁瑣、難度大、汁液容易受到污染、不能準確測定其真實成分濃度，所以亟待解決植物質外體汁液研究技術和方法本身的突破 [4]。
目前普遍采用的提取質外體汁液的離心法、灌注法等方法存在不少缺點，如提取過程中提取液易受到污染，質外體組分會發生變化，無法對局部質外體進行定位研究及測定結果，不能反映質外體內組分的動態變化等[5]。植物質外體，尤其植物地上部質外體的研究方法相對較少，且很不成熟。然而，近年來已廣泛應用于動物和人體多種部位取樣的微透析取樣技術為上述問題帶來了希望。
微透析（MD）技術是一種廣泛用于在體分析和連續檢測細胞外液的專門透析技術，具有活體、原位取樣、實時、在線檢測等突出特點[6]。微透析的主要原理是將一種具有半透膜的探針植入生物體內，開動微量注射泵，使灌流液流經探針（通常膜外濃度高于膜內濃度），可透過膜的小分子物質通過擴散進入透析管，灌流液和組織液中的待測物質達到一個動態平衡，收集透析液便可結合高效液相色譜（HPLC）、酶聯免疫吸附分析（ELISA）、高效毛細管電泳儀（HPCE）和質譜（MS）等高靈敏度檢測儀器測定透析液中組織細胞外液的待測物
的動態變化[7]。
脯氨酸親水性極強，能穩定原生質膠體及組織內的代謝過程，有防止細胞脫水的作用。抗旱性強的品種往往積累較多的脯氨酸[8]。因此測定脯氨酸含量可以作為抗旱育種的生理指標。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
盆栽‘吳屯楊’（Populus wutunensis），‘荷蘭楊’（Populus euramericana）和‘新疆楊’（Populus alba var. pyramidalis Bunge）由遼寧省阜新縣林業局提供。在4月上旬進行插條，每隔5～7d澆1次0.5L Hoagland 營養液，注意防雨及植株病蟲害防治。MD取樣和HPLC分析均重復3次。
1.2 干旱脅迫方法
干旱處理實驗應用的樹苗，通過每天用鋁盒隨機取不同種楊樹盆內土樣，標記，烘干測量含水量。在每日測量楊樹與花盆的總體積，得出3種楊樹的日蒸騰量在75～85mL之間。
1.3 脯氨酸衍生化生化方法
1.3.1 標樣配制：取脯氨酸標準品適量，精密稱量，加0.1mol?L-1的鹽酸溶液制成每濃度為20.2mg?L-1的溶液，即為對照品儲備液。
1.3.2 標準液：精密量取儲備溶液300μl，加入1.2%PITC-乙 腈溶液及14%的三乙胺各150μl，再加入50%乙腈900μl漩渦混勻，室溫放置1h后制成樣品A，取600μl樣品A加入正己烷600μl萃取，靜止分層后精密移取下層液，指定容器中，用流動相A定容，經微孔濾膜（ 0.45μm） 濾過，即得。
空白液：取0.1mol?L-1的鹽酸溶液進行同（1）相同步驟。
1.4 色譜條件
日本島津高效液相色譜儀，配有LC-20AT泵、LC-20AB二極管陣列檢測器和島津液相色譜工作站，島津Inertsil ODS-SP（250mm×4.6mm，5μm）色譜柱；柱溫31℃，流動相A：0.05mol?L-1醋酸鈉溶液/0.05mol?L-1醋酸鈉溶液，流動相B：乙腈-流動相A（1：1）/乙腈-流動相A（1：1），洗脫條件：A：B（50：50），流速：1.0mL?min-1，檢測波長：254nm，進樣量：20mL
1.5 微透析探針體外回收率的測定
體外相對回收率：楊樹采用嫩莖微透析取樣相同的條件，探針放入已知濃度的脯氨酸下取樣，每次取樣之前平衡30min后再取樣100min后進行檢測。測定濃度與標準液濃度之比就是體外相對回收率。本試驗重復3次，得到的體外相對回收率為9.5%。
汁液濃度計算公式：
C=■ （a）
式中C是質外體汁液中某離子濃度；C1是原子吸收分光光度計測定的濃度值；10是稀釋倍數；0.095是體外相對回收率。
1.6 數據處理與分析
試驗數據用Excel2007，SPSS17.0進行分析作圖。
2 結果與分析
2.1 標準曲線
根據以上色譜條件，配制不同濃度標準液測得HPLC峰面積，之后通過Excel制作標準曲線，y表示峰面積，x表示濃度。在本文研究的濃度范圍內，脯氨酸濃度和峰面積有很好的線性關系，如圖1。
2.2 不同程度干旱脅迫下3種楊樹脯氨酸含量的變化
對不同程度脅迫下的3種楊樹進行微透析取樣，之后采用HPLC檢測透析液中脯氨酸含量，結果如圖2，可以看出吳屯楊抗旱性不如新疆楊，但優于荷蘭楊，荷蘭楊是大葉楊品種，受干旱脅迫影響大，在重度脅迫后脯氨酸積累量降低，且楊樹萎蔫嚴重，新疆楊因其抗旱性強，所以脅迫不明顯，脯氨酸呈緩慢增加趨勢，且楊樹外觀變化不明顯。
3 討論
當植物受到干旱脅迫時，植物體內游離脯氨酸會大量積累[3，8]。因此有人認為脯氨酸含量的積累與品種的抗旱性成正相關性，他們認為在逆境下脯氨酸含量的積累可以作為品種抗逆性的生理指標。但也有人得出了相反的結論，認為抗逆性強的品種較抗逆性弱的品種積累量為少，而且積累速度也慢。如果將脯氨酸含量的積累量作為判斷植物抗逆性的硬性指標則必然導致假象。
（收稿：2014-04-12）
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科學小實驗漩渦的原理范文6
【摘要】 建立氯霉素，克倫特羅和雌二醇 3種獸藥殘留同時檢測的懸浮芯片法。通過將3種獸藥的BSA蛋白結合物偶聯于懸浮芯片的固相載體——聚苯乙烯熒光微球上作為檢測探針，采用間接競爭法，在液相反應體系中，3種小分子獸藥抗原和微球上的獸藥結合物共同競爭液相中各自特異性的生物素化單抗，再加入藻紅蛋白標記的鏈霉親和素，反應后檢測獲得熒光信號，繪制出3種獸藥殘留檢測的標準曲線。同時進行3種獸藥的常規酶聯免疫吸附法標準曲線的測定。在檢測技術、檢出限、檢測區間、特異性、盲樣測定和多元分析等方面對兩種方法進行比較。除了特異性外的其它指標的比較中，懸浮芯片法均具有明顯優勢。兩種方法的特異性檢測具有良好的一致性。高通量懸浮芯片技術，具有操作簡單、靈敏快速和成本低廉等優點，為多種獸藥殘留的快速檢測提供了新方法。
【關鍵詞】 懸浮芯片， 酶聯免疫吸附法， 殘留， 微球， 中位熒光強度值
Abstract A novel suspension array technology was established for the detection of three kinds of veterinary drug residues: chloramphenicol， clenbuterol and 17βestradiol. The three conjugates in which veterinary drugs coupled with BSA were immobilized on the solid carrier of the suspension microarraypolystyrene fluorescent microspheres/beads as detective probes. Indirect competitive technology was employed. Competitive reactions between the veterinary drugs in the aqueous phase and the veterinary drugsBSA conjugates on the beads for coupling with their complimentary specific biotinylated monoclonal antibodies were carried out. And then， straptavidinphycoerythrin was added for coupling and the fluorescent signals were captured. Afterwards the detective standard curves were plotted. The regular ELISA standard curves of the three veterinary drugs were also plotted. Comparison between suspension array and regular enzymelinked immunosorbent assay(ELISA) was in the respects of the detective technology， the detection limits， the detective ranges， the samples detection and the multianalysis. Suspension array technology is distinct advantageous except for specificity. There was well consistent performance between the two methods. The highthroughput suspension array provides a novel method for multianalysis of veterinary drugs with simple operation， sensitive， rapid and low costing.
Keywords Suspension microarray， Enzymelinked immunosorbent assay， residue， microspheres beads， median fluorescent intensity
1 引 言
近年來，食品安全已成為社會共同關注的公共衛生問題，而獸藥殘留成為食品安全監管的重要問題。獸藥殘留如克倫特羅 (clenbuterol， CL)、氯霉素(chloramphenicol， CAP)和雌二醇 (17βestradiol， E2)的濫用和食用可導致多種健康損害[1～6]。加強獸藥殘留檢測分析是監管和控制獸藥殘留的重要手段。因此，簡單、快速和靈敏的微痕量檢測技術的研究和創新尤為重要。目前，酶聯免疫吸附測定法(enzymelinked immunosorbent assay， ELISA)[7，8]是獸藥殘留的主要檢測方法之一具有簡單、快速、靈敏度高和特異性強等諸多優點[9]。懸浮芯片技術是一種多功能的液相芯片分析平臺，既具有固態片膜芯片的高通量特性，又具有操作簡便、重復性好、靈敏度高等優點。目前，對該技術的研究多集中于大分子蛋白質和核酸的檢測[10～12]，并未見應用懸浮芯片同時檢測多種獸藥CAP、CL和E2的報道。本研究采用懸浮芯片法和常規ELISA法對3種獸藥進行同時檢測，并在靈敏度、特異性、檢出限等方面進行比較。
2 實驗部分
2.1 儀器和試劑
BioPlex懸浮系統，Model 680型酶標儀(美國BioRad公司)；MALDITOFMS REFLEXⅢ型質譜儀(德國Bruker公司)，DU530型紫外可見分光光度計 (美國Beckman公司);6930型冷凍離心機(日本Kubota公司)；MS3型旋渦混勻器(德國IKA公司)，YM10過濾柱 (孔徑1.2 μm，美國Millipore公司)，Costar96孔酶標板 (美國Corning公司)； 日立S4500型掃描電鏡 (日本Hitachi公司)。
3種不同編碼的熒光微球(beads，Φ=5.6 μm)和蛋白氨基偶聯試劑盒（包括激活緩沖液和儲備緩沖液）購自美國BioRad公司;CAP單克隆抗體和E2單克隆抗體(美國Biodesign公司)；CL單克隆抗體 (英國Abcam公司)；3種單抗的生物素化由本實驗室完成；CAP、CL、E2、EDC、SulfoNHS、沙丁胺醇、萊克多巴胺、N，N二甲基甲酰胺 (DMF)、鄰苯二胺(OPD)和E2BSA結合物(美國Sigma公司)；鏈霉親和素藻紅蛋白(Straptavidinphycoerythrin， SAPE，美國Invitrogen公司)；BSA(德國Roche公司)； CAPBSA和CLBSA為本實驗室合成。其它試劑均為國產分析純。
2.2 實驗方法
2.2.1 懸浮芯片檢測微球的制備
參照試劑盒說明書，取3種熒光微球 (1.25×107 個/mL)，磷酸鹽緩沖液 (PBS) 重懸后，加入到激活緩沖液中，并立即加入新鮮配制的偶聯試劑EDC和SulfoNHS(濃度均為50 g/L)，室溫下攪拌20 min使其活化；活化后，分別加入3種獸藥的BSA結合物5 μg，并用PBS緩沖液（pH 7.4）定容至500 μL，室溫下中速旋渦振蕩混勻2 h，14000 g離心4 min，棄去上清液，封閉，清洗，加入儲備緩沖液， 4 ℃儲存。上機進行偶聯確證，以便用于下一步測試。
2.2.2 3種獸藥的懸浮芯片多元分析標準曲線的測定
實驗采用間接競爭法，在96孔反應板的每個反應孔中分別加入優化后的3種靶標物對應的生物素化單抗5、1和16 ng，分別將CAP、CL和E2的標準品(以下涉及到3種獸藥均按此順序)按照5×、5×和3×梯度分別稀釋成7個梯度加入。將3種熒光微球等比例混合，每孔加入3種熒光微球各2000個，并用PBS補足至50 μL/孔，同時再各準備一個不加標準品的陽性對照孔。37 ℃中速漩渦振蕩2 h，使熒光微球上的獸藥BSA結合物與溶液中相應的標準品共同競爭生物素化的單抗，然后加入1∶100的SAPE 50 mL/孔，37 ℃中速振蕩反應30 min。懸浮芯片讀取每孔100個熒光微球，獲得中位熒光強度值(MFI)。以各種靶標標準品的濃度為X軸，以檢測得到的MFIs為Y軸，繪制3種獸藥小分子的懸浮芯片檢測標準曲線。
2.2.3 3種獸藥的常規ELISA標準曲線的測定
采用間接競爭法[13～15]，在酶標板上包被小分子獸藥的BSA結合物，以方陣滴定法篩選和優化3種獸藥常規ELISA的包被原量(分別是2、0.2和0.25 μg)和單抗工作濃度 (稀釋度分別為1∶80000、1∶20000和1∶80000)，確定反應條件后，選擇3種獸藥標準品的濃度，繪制各自的標準曲線。
2.2.4 兩種方法對3種獸藥殘留的特異性測試
準備3組沙丁胺醇、萊克多巴胺、慶大霉素和紅霉素測試品，終濃度達到50、 1250和31250 ng/L，每個濃度平行做3個樣，同時準備一個陽性對照樣，懸浮芯片讀數并與陽性對照樣比較。以交叉反應率(CR%)測試常規ELISA檢測的特異性。
2.2.5 3種獸藥盲樣的檢測比較
準備3個濃度的3種獸藥盲樣，交由測試者進行檢測，每個盲樣平行測試3次。根據得到的標準曲線計算盲樣的濃度，并與實際濃度進行比對。
3 結果與討論
3.1 懸浮芯片法對3種獸藥檢測標準曲線的測定
按優化的比例加入相應的抗體和SAPE，使反應充分進行，可省去真正的懸浮芯片反應所需的抽濾步驟。因此，檢測更加簡單快速。在優化條件下，繪制標準曲線方程（見圖1和表1）。
由于每次檢測取100個熒光微球，每個熒光微球都有1個獨立的檢測值，也即每個樣品 (包括標準品)被重復測試了100次，樣本量有足夠的代表性。由于E2難溶于水，加入少量DMF可增加其溶解度，實驗發現，抗體活性并未受影響。CAP、CL和E2懸浮芯片的檢測區間分別為50～6.25×105 ng/L， 56～7.81×105 ng/L和1×103～7.29×105 ng/L; 它們的檢出限分別為50、56和1000 ng/L，檢測范圍跨2～4個數量級。在這些范圍內，可對這3種獸藥同時進行快速的定量測定，全部檢測過程只需約2.5 h。檢測標準曲線的這些指標和熒光微球上的抗原結合物的偶聯量、抗體的親和力、單抗的生物素化程度都有密切關系。
3.2 ELISA法對3種獸藥檢測標準曲線的測定
按照棋盤滴定所獲得的最佳抗原結合物包被量和最適抗體稀釋度，對CAP、CL和E2殘留進行標準曲線的測定和繪制，結果如圖2所示。標準曲線方程、檢出限和檢測區間等各參數見表1。比較懸浮芯片法和常規ELISA法可見：在 CAP的檢測中，常規ELISA法的檢測區間略比懸浮芯片法稍寬，但不存在絕對的優勢；而在CL和E2的檢測中，懸浮芯片法的檢出限明顯低于常規ELISA法，檢測區間比ELISA法寬，這在實際檢測中占有較大優勢。懸浮芯片法主要應用于多元靶標物的分析檢測，而常規ELISA每次只能檢測一個目標物，在多元分析中處于劣勢。表1 懸浮芯片法和ELISA法檢測3種獸藥殘留的比較（略）
3.3 懸浮芯片法和常規ELISA法在檢測技術上的比較
懸浮芯片法使用的檢測原理同常規ELISA法一樣，同為間接競爭法，所用試劑略有不同。但在檢測的靈敏度和檢測區間上懸浮芯片法明顯優于常規ELISA法。兩種方法存在性能差異的主要原因如下：
(1)懸浮芯片抗原以化學鍵進行偶聯，而ELISA法利用一種物理性的非特異性吸附，其連接的牢固程度和穩定性比懸浮芯片的抗原偶聯方式差很多。(2)懸浮芯片激光檢測器的分辨率明顯高于ELISA法采用的普通酶標儀，檢測更加靈敏。(3)懸浮芯片技術使用主要試劑是生物素親和素，其親和力高達1015L/mol[16，17]，比抗體親和力高10000倍以上。懸浮芯片技術信號放大更靈敏，更穩定，受環境干擾較小。(4)懸浮芯片的抗原抗體反應在液相中進行，有效地保證了試劑的活性；而且檢測微球的比表面積遠大于酶標板的底部，使反應更加充分；而ELISA法反應在固相中進行。(5)懸浮芯片的標準曲線是多元參數的Logistic回歸曲線，檢測范圍寬；而常規ELISA法多用直線方程，使用曲線方程在一定程度上可增加其檢測范圍。
3.4 兩種方法檢測的特異性測定
由表2可知，不同濃度下的沙丁胺醇萊克多巴胺的MFI和陰性對照組無顯著性差異，P>0.05；加入不同濃度慶大霉素和紅霉素對檢測無明顯干擾，P>0.05。因此，懸浮芯片檢測的特異性良好，與其它藥物無明顯交叉反應。同時，用ELISA對表2中藥物的CR進行測定，CR均
3. 5 盲樣的測定
測試結果和實際濃度值的比對見表3。由表3可見，懸浮芯片檢測濃度值與實際濃度偏差為8.09%～17.03%，可認為偏差相對較小。由于多種靶標物盲樣的濃度低于ELISA的檢出限，并未能對其進行檢測。在其檢測區間內，ELISA與實際濃度偏差為9.19%～17.74%，偏差也相對較小。懸浮芯片法對盲樣測定的檢測區間較寬，與ELISA法相比，有較大的優勢。
表3 3種獸藥殘留盲樣的檢測（略）
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