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科学小实验漩涡的原理范文1
这是此间在美国宇航局总部举行的一场新闻会上公布的消息，探测的结果来自对该局实施的引力探测卫星B(GP-B)计划的数据分析结果。
引力探测卫星B项目首席科学家，斯坦福大学物理学家弗朗西斯・艾福瑞特表示：“正如广义相对论预言的那样，地球附近确实存在时空扭曲。”
而美国华盛顿大学圣路易斯分校的克利福德・威尔表示：“这是一个历史性的时刻。”威尔是爱因斯坦理论研究方面的专家，他目前正担任美国国家研究理事会一个独立下设委员会的主席职务。这一委员会于1998年由美国宇航局创立，其主要目的便是对引力探测卫星B的数据进行检查和评估。他说：“有一天，今天的这个实验将被作为经典案例写进物理学教科书。”
根据爱因斯坦的相对论，空间和时间是交织在一起的，形成一种被他称为“时空”的四维结构。地球的质量会在这种结构上产生“凹陷”，这很像是一个成年人站在蹦床上陷进去的情形。爱因斯坦指出，引力的本质仅仅只是物体围绕这种时空凹陷的曲线边缘运动的外在表现。
如果地球是静止的，那这种扰动将不复存在。但是地球并非静止不动，我们的地球在不停旋转，这种旋转会产生扰动，尽管非常轻微，但仍然会产生一种四维漩涡。而这就是2004年发射进入太空的引力探测卫星B所要探测的目标。
实验的原理
这一实验项目背后的科学原理非常简单：科学家们将一个陀螺仪送上地球轨道，使它的一个旋转轴指向一颗遥远的恒星作为参考点。在没有任何外力作用的情况下，这一旋转轴应当永远指向这一颗恒星。但如果空间是扭曲的，那么陀螺仪的指向会随着时间推移发生改变。通过对这种改变的精密检测，科学家们能了解时空弯曲的相关信息。
这说起来似乎很简单，但真正做起来却非常艰难。
首先，制造引力探测器B中4个高精度陀螺仪需要用到精度极高的球体。事实上，这些陀螺仪内部的转子是人类迄今制造过的最完美球体。它们的大小约相当于一个乒乓球，由熔凝石英和硅材料制成，其相对完美球体的误差在任何方向都不超过40个原子的厚度。这样高的精度是必须的，因为如果不是这样做，那么这些陀螺仪转轴的晃动将出现误差。
根据爱因斯坦理论进行的估算显示，地球周围空间的时空扭曲将导致陀螺仪旋转轴出现每年0.041弧秒的改变。1弧秒等于1/3600度。为了测出这样微小的改变量，GP-B探测器必须具备0.0005弧秒的精度。这就相当于让你测量放在100英里(约合161公里)之外的一张纸的厚度。
对此，威尔说：“GP-B探测器项目的工程师们不得不发明一整套全新的技术来满足这种不可思议的要求。”
举几个例子，工程师们开发了一种“无拖曳”卫星技术，它可以让卫星擦过地球最外层大气却不会造成对其内部陀螺仪的扰动。他们还开发出独特的技术来防止地球磁场穿透探测器从而影响其测试精度。最后，他们还设计出一种技术来测量陀螺仪的旋转角度，但整个过程中不会触碰到陀螺仪从而对其造成影响。
即便克服了制造和设计上的技术困难，进行这项精度空前的实验本身同样是一个巨大的挑战，但经过一年的数据收集和将近5年的数据分析，GP-B项目的科学家们认为他们已经几乎接近完成这项工作。
艾福瑞特说：“我们测量到测地线效应值为+6.600或-0.017，惯性系拖曳效应值为+0.039或-0.007。”
测地线效应是指由于地球的静止质量引起的陀螺旋转轴改变，也即时空的凹陷。而惯性系拖曳效应则是由于地球自转导致的陀螺旋转轴改变，也即时空的扭曲。测量得到的这两组数据都和爱因斯坦理论的预测非常吻合。
未来的路
那么接下来呢？
艾福瑞特想起了他的论文导师，诺贝尔奖获得者、著名实验物理学家帕特里克・布莱克特给他提出的建议：“如果你在物理学研究上不知道下一步该做什么，那么就试着开发一些新技术，它们会带你找到新的方向。”
科学小实验漩涡的原理范文2
一般而言，几乎没有学童不喜欢游戏的。在各种的学习途径中，游戏是最直接的方式之一。若能搭配教学主题，经由生动、有趣的游戏，则可让学童们从做中学，在快乐中成长（刘宗平，2008）。
从做中学，可让学童们能从生活中自我探索。通过思考问题的内涵、寻找解决问题的方法，可以持续不断地保有学习的动力（刘宗平，2009）。科学的内涵充满高度的学习动机，透过充满创意的科学闯关活动，可带领学童们进入探究科学的世界，使他们的学习具有持久性，达到事半功倍的学习效果。
1科学教学工作中的困扰
对于自然科学的教学工作而言，通常会教导学童们如何运用科学的态度，来面对生活中的各种问题，并应用科学的方法来解决问题。然而，当下学童们解决问题的能力，似乎不如预期。当面临生活中的问题时，许多学童经常会显得茫然不知所措，甚至还会选择逃避、退缩。
经过一番观察后发现，可能的原因之一是科学教学中的实验单元不够落实，导致学童们缺乏挑战问题及解决问题的实际经验。在学校中，担任科学教学的教师们，经常会面临科学进步与升学竞争的双重压力，使得科学教学的工作产生极大的困扰，无法发挥科学教学的预期效果。
由于科学进步神速，使得需要传达的科学知识大增。在授课时数有限的情况下，只好在教材内容上作一些取舍，难免会造成词不达意。如再考虑升学竞争的现实问题时，则科学实验课程的时数就会相对地减少，导致实验教学工作的执行效果大打折扣（邹玉钿，2011）。
2探究式教学与科学活动
与其他学科目的教学相比，科学教学具有三项明显的特色：实验室教学、概念与原理的认知与建构、科学过程技能的培养（吴武雄、陈琼森，1992）。这三项特色与科学创造力间的关系密切，它们彼此间是相辅相成的。科学活动中含有“动手做”和“科学闯关”两项要素，其皆以科学探究的基本精神为主导，它们都是实验室教学中的重要环节。
“动手做”活动之内涵是一种探究式科学教学活动，也是一种最具有科学特色的教学法（DeBoer，1991）。依照学童们各个阶段的知识基础，针对各个科学主题，可以设计一系列具有创意的科学闯关游戏。通过快乐、有趣的科学探究活动，让学童们建构出属于自己的概念性知识，孕育面对问题、解决问题的正确科学观，培养出良好的科学态度与能力，亲身感受科学实际应用的可能性。
当设计“科学闯关”活动时，须让学童们亲身操作、应用科学教具，不仅要体验科学原理，还要达成活动设定的目标，进而获得“过关”和“成功”的经验。对于高年级的学童来说，因已在课堂上学过该项科学活动的相关知识，故具备了执行科学活动所需要的理论性基础。经由实际的活动操作，可以验证科学理论的内涵，加深其对科学原理的深入了解（刘宗平，2009）。
然而，对于低年级的学童而言，虽不一定具有活动所需的理论性基础，但藉由体验科学闯关活动的过程，可以亲身感受科学是有趣的、好玩的，在心中建立“务实”的先备经验。在未来的科学教学课程中，使学童们可以产生较大的兴趣与信心，获得较大的学习效果（刘宗平，2008）。
3科学闯关活动内容设计
根据上面所提到的基本原则，便可着手设计科学闯关活动。通常，会设计出50项以上的科学闯关活动作为题库，其属性要涵盖到各种科学单元。每当推展科学闯关活动时，必须配合特别选定的活动主题，从题库中挑选出其中的20项闯关活动来施行。
设计科学闯关活动时，需要考虑的重要因素有：施行对象、闯关内涵和执行场所三大项。为了让学童们接触科学、认识科学、接受科学，甚至喜欢科学，那么施行的对象就不能太过于侷限。然而，执行闯关活动需要一定的生活体验和科学知识作为基础，才能达到某种预期的效果。如果学童年龄太小，则其生活经验太少、科学知识不足，不易领会闯关活动的内涵。反之，若学童年龄太大，则因其拥有太多的定见，不易享受闯关活动的乐趣。通常，闯关活动的施行对象，大多会以小学1～4年级的学童为主。
施行对象选定之后，即可进行设计闯关内涵。每一项闯关活动中，原则上包含了活动名称、单元主题、操作方式和原理说明等四个主要部分。前已提及，闯关活动应尽量摆脱课堂教学的刻板印象，代之以生动、有趣的游戏方式来呈现。倘若闯关活动的游戏份量太重，那么所欲表达的科学传播就会变得模糊。在游戏份量与科学传播之间，其取舍经常会面临两难的窘境。因此，闯关游戏的内涵，除了要顾及实验学童的背景知识之外，还要设想实验执行时可能遭遇到的困难。为此，可在闯关活动的摊位前方，放置一片广告牌，上书游戏实验的科学原理和闯关提示，以增强学童闯关时的信心度和成就感。
由于科学闯关活动的施行场所不再限于教室，所以闯关游戏还要尽量适用于各种可能的场所。基本上，施行20项科学闯关活动，需要一个宽广的空间。倘若不在室内进行，那么一般的户外场地或是操场，都是不错的选择。若是艳阳天，搭个遮阳伞，便可施行活动。然而，当活动进行了一段时间之后，突然起风了，或是下雨了，就要有事先备妥的对策来因应，以确保活动可以继续进行。事实上，在设计活动之初，要仔细思索所有可能影响活动的因素。为了展现活动的具体内容，兹以6项普受好评的闯关游戏作为示例，分别叙述之。
闯关活动（1）
活动名称：龙卷风
单元主题：空气压力
操作方式：倒转保特瓶，不得挤压瓶体，让瓶内的水快速地流进另一空瓶内。水一流动，即可成漩涡，像龙卷风似地向下瓶注入。若水流快速注满下瓶者，则算过关。
原理说明：两瓶间有小口径垫片，当两瓶颠倒时，因受下瓶空气阻挡，上瓶内的水不会下流。握住保特瓶，以画圈方式摇动，造成龙卷风，水就会快速流下。
闯关活动（2）
活动名称：电流急急棒
单元主题：导电与绝缘
操作说明：手持电流棒，沿着螺旋形导线移动。当从导线的一端移动到另一端时，若没有触动警报者，则算过关。从实验中，可认识导体与绝缘体，分辨通路、断路与短路，训练手眼间的协调。
原理说明：电流流动所经过的封闭路径，称为通路。一般的通路中，至少有三种元件：电源（干电池、其它种类电池）、导线（电线）与负载（灯泡、马达）。如果通路断掉，就成了断路。有电池的通路中，若移除负载，就形成了短路。
闯关活动（3）
活动名称：归去来兮
单元主题：能量转换
操作方式：圆罐中间，横架着一条橡皮筋。在橡皮筋的中点处，吊着一个小铅垂。当用力推罐子向前滚动时，若罐子向前滚动一段距离后，能自动滚回原来的出发位置者，则算过关。
原理说明：如果罐子向前滚动，那么橡皮筋就会逐渐卷紧，把运动能量储存为弹性位能。同时，罐子会减速。当罐子滚动停止后，橡皮筋的储存能量便重新释放出来，变成运动能量，使罐子反方向滚动，回到原来的出发位置。
闯关活动（4）
活动名称：惯性实验
单元主题：惯性定律
操作说明：先将铁球、纸片平稳地放置在直立钢管的顶端，再在纸片旁放置一片可水平弹射纸片的钢片。用手轻弹钢片，将纸片弹出。若纸片弹出后，钢球依然保持在钢管的顶端处者，则算过关。
原理说明：在不受外力的情形下，物体会保持原有的状态，称为惯性定律。若巧妙地轻弹钢片，则可使纸片水平弹出，不会影响物体在垂直方向的静止状态。
闯关活动（5）
活动名称：毛毛历险
单元主题：波动
操作方式：在两根音叉柱之间，套上橡皮筋。将“毛毛”轻放在橡皮筋的一端，并开始敲击其中一根音叉，千万不能让“毛毛”摔下来。若“毛毛”可从橡皮筋一端抵达另一端者，则算过关。
原理说明：当敲击音叉时，音叉的振动会直接传递到橡皮筋的一端，引起橡皮筋以同样频率振动。若不断地敲击音叉，则“毛毛”便会慢慢地沿着橡皮筋移动。在此活动的实验中，可以认识音叉的振动、振动引起的波动、波在橡皮筋上的传播，以及波动造成“毛毛”的移动。
闯关活动（6）
活动名称：画过星空
单元主题：光反射与手眼协调
操作说明：目视前方的铝板表面，手握金属导电笔，从红点处开始，一笔画完一颗星。当在不导电的星形区一笔画时，若笔尖碰触到黄色金属板的区域时，则前方的红色小灯就会发光，并发出声响。在一笔画的过程中，若红色小灯没有亮，则一笔画完成者就过关了。
原理说明：光洁的铝板表面，像一面反射镜，可以反射入射光。目视前方的铝板表面，可见倒映在其中的影像。若笔没有接触到黄色金属板的区域，则电路是断路，红色小灯不会亮。反之，则会。手眼若能协调一致，就会过关。
5结论
学习科学是提升全民知识水平的最佳途径，所以科学教育的扎根工作必须从小学开始做起。科学闯关活动将科学实验与实作体验结合在一起，让不同年级的学童们在游戏中不断地学习科学概念和知识。透过“观察、假设、实验、结论”的步骤和过程，建构属于自己的知识体系，是一种寓教于乐相当有效的方法。
组织推展科学闯关活动的团队，直接走进各个学校，可让学童们在自己熟悉的校园内享受专业的科学教育服务。自2007年迄今，已走过台湾150多所学校，服务过近三万名的学童。经过科学闯关活动的洗礼，学童们不但可在快乐中成长、学习，还能培养出良好的科学态度、提升解决问题的能力，让科学的种子发芽、成长与茁壮。
参考文献：
[1] 刘宗平, 王仲淳, 吴志荣, 尤克强, 洪坤森, 陈文庆, 黄士文. 一种服务学习型“小学科学嘉年华巡回服务计划”的活动设计与实施[C]. 首届海峡两岸科普研讨会论文集，2008.
[2] 刘宗平, 王仲淳, 吴志荣, 潘月里,.学节能减碳课程的规划与设计[J]. 二届海峡两岸科普研讨会论文集, 2009.
[3] 邹玉钿. “探究式创意实验教学”对八年级学生[D]. 慈济大学教育研究所硕士论文，2011。
[4] 吴武雄, 陈琼森. 有效的科学概念教学：职前科学教师教学能力培养之研究[R]. 台湾科技主管部门专题研究计划成果报告,1992.
[5] George E. Deboer, “A history of ideas in science education,” New York, Teacher College, 1991.
作者简介：
汤幼竹，财团法人金沙文教基金会，执行秘书。
林懿伟，财团法人金沙文教基金会，副执行长。
科学小实验漩涡的原理范文3
宝宝出生后，供给营养的神经支持细胞会快速增殖。据科学测量，单个神经元有1.5～20万个突触，过多的神经元和突触会争夺约1万亿个支持细胞所供给的营养。如果宝宝经常接触外来的信息刺激，并作出反应，会使神经通路畅通，否则通路会逐渐萎缩。在大脑发育最快的前4年，妈咪应尽可能地让宝宝接触广泛的信息和操作机会，也应尽可能地理解宝宝的奇怪问题和“破坏”行为。越是丰富的学习环境和资源，越是宽容和有耐心的妈咪，就越能激发宝宝的好奇心，对宝宝的潜能开发也就越有利。
正确对待好问的宝宝
“我是从哪里来的？”
“宇宙有多大，它在哪里，是怎么形成的？”
“人为什么要吃饭？”
“世界上有没有鬼？
“酸奶可以用微波炉加热吗？”
“电在哪里，可以看得到吗？”
……
这是一些几乎挑战过也困扰过所有妈咪的问题，这是宝宝对自我存在的思考，对宇宙起源的思考，对生命科学和物理现象的思考。
妈咪的回答可以是“你还小，等你长大了妈咪再告诉你”，可以是“问你爸爸去”，也可以是简单的一句“我不知道”。可是这些回答非但没有解释疑问，还会挫伤宝宝可贵的好问积极性，也许宝宝从此就会“偃旗息鼓”。
我们常说要鼓励宝宝提问，这不应该是一句挂在嘴边的口号，需要妈咪用行动落到实处。面对这些问题时，妈咪首先要表现出极大的热情和兴趣，要以关注的姿态，让宝宝感觉到这个问题的价值。这样宝宝才会有进一步探究的动力，千万不能以嘲讽揶揄的口吻对待宝宝千奇百怪的问题。
妈咪能回答的问题，要用简单清楚的语言正面回答，同时可以针对宝宝的年龄特点，辅以一定的图片或文字解释。对于不能回答的问题，妈咪也要实事求是，断然拒绝不足取，敷衍误导也不行，这时妈咪可以同宝宝一起寻找答案，甚至通过实验来求证结果。妈咪的示范作用，会对宝宝好奇心的保护和探究习惯的养成起到深远的影响。
正确对待好动的宝宝
妈妈淘米的时候，宝宝吵着要帮忙；妈妈洗衣服的时候，宝宝吵着要帮忙；妈妈洗菜的时候，宝宝也吵着要帮忙，反正就是要围绕在妈妈左右，帮忙肯定是谈不上了，能够不帮倒忙就已经很好了。
此时妈咪与其觉得烦心，还不如给宝宝一些器具，让宝宝自己做一些力所能及的事情。比如，让宝宝淘一小罐米、洗一条手帕、把黄瓜西红柿洗干净等等。在这个过程中，宝宝可以了解米粒的形状、溶解现象以及瓜果蔬菜的特性，观察到事物干净前后和生熟前后的变化，满足自己的好奇心。同时在动手实践中，也锻炼了宝宝的生活自理能力，积累了生活经验。
很多时候妈咪总希望宝宝安静些，这样比较省心。但有的宝宝就是坐不住，一会儿这样，一会儿那样忙个不停。除去宝宝的性格因素外，还有可能是宝宝正在这样的忙碌中探索事物的特性，了解和观察周围的世界。比如，妈咪在给宝宝洗澡时，让他抬手、抬脚、转身，宝宝对妈咪的这些指令都置若罔闻，只顾着自己低头玩水；有时宝宝还会故意用脚踩住下水道入口，让浴室里面“水漫金山”，然后再观察水流引起的漩涡。这时妈咪总会抱怨宝宝连洗个澡都不消停。其实，这些行为都是宝宝的好奇心在作怪，换个角度看待宝宝的好动，妈咪的心态也会平和许多。
正确对待好破坏的宝宝
有的宝宝喜欢拆装玩具或搞一些小破坏，比如：把家里的车模拆解得支离破碎；把闹钟拆了以后就再也没有拼起来；在爸爸的大烟灰缸中饲养蚯蚓；把爸爸书桌上的重要文件拿来折纸飞机。
妈咪该如何面对宝宝的这些破坏行为呢？根据宝宝的年龄和动机，有些行为非但不能批评，反而要鼓励。摔、撕、拆、砸这些行为对3岁左右的宝宝来说，是探索未知世界的一种方式。宝宝在训练自己手指的灵活度，在探究物体的内部结构，在观察动物的生长，在研究气流和动力。
有时宝宝会故意把玩具往地上扔，妈咪捡起来，宝宝还会再扔，妈咪再捡，宝宝再扔，此时宝宝乐此不疲，妈咪却疲惫不堪。宝宝的这种行为可能就是想要倾听物体落地时发出的声响，或是锻炼自己的投掷能力。对于这些好破坏的宝宝，妈咪要提供安全易拆卸的物品，同时也要提高自己的忍受力，玩具再惨不忍睹，与满足宝宝的好奇心相比，当然也就微不足道了。宝宝的有些行为会超出妈咪的容忍极限，或是故意挑战事先设定的规则底线，此时妈咪可以采取必要的惩戒措施，帮助好破坏的宝宝建立规范意识。
在游戏中引导宝宝的好奇心
2～3岁的宝宝，喜欢用嘴巴去品尝一切该吃的不该吃的东西，那是宝宝在用舌头和味蕾探索新鲜事物。妈咪可以和宝宝一起做一些味觉游戏，调制不同口味的溶液，蒙上眼睛让宝宝品尝鉴别，在满足宝宝好奇心的同时，引导宝宝认识病从口入的危害。
宝宝喜欢敲敲打打，妈咪可以提供不同形状、材质的棍棒，让宝宝尝试敲打不同质地的物品，也可以和宝宝进行听声辨物的比赛，有妈咪的参与会让宝宝探究的欲望更加高涨。
在玩乒乓球游戏时，如果宝宝不小心把球踩扁了，妈咪就可以和宝宝一起做一个乒乓球复圆的实验，给宝宝分析其中的科学原理。
妈咪也可以和宝宝一起观察“流汗”的啤酒瓶，一起做纸锅烧水的实验、绳子钓冰的游戏或者绿豆发芽的观察记录，有了妈咪这个领路人，宝宝自然而然也会养成好追问、好探究的好习惯。
游戏和体育活动是激发宝宝好奇心最好的平台，做一个有心的妈咪，动用宝宝所有感觉器官发现生活中的奥妙，激发无穷的好奇心，让宝宝在简单的游戏中发现不简单的道理。
在生活中创设满足宝宝好奇心的环境
生活处处皆学问，宝宝生活中的各个角落都蕴含着丰富的学习资源，妈咪要有意识地为宝宝创设符合其心理和年龄特点的学习环境，从而满足宝宝的好奇心。比如：
宝宝喜欢饲养昆虫，妈咪可以为宝宝提供一切有利条件，甚至和宝宝一起进行饲养观察记录；
宝宝喜欢阅读，妈咪可以为宝宝提供合适的阅读绘本，也可以和宝宝一起进行亲子阅读；
宝宝喜欢动手操作，妈咪可以为宝宝提供自由创作的空间和素材；
科学小实验漩涡的原理范文4
2002年11月，佩蒂特在国际空间站上载人航天的任务之一就是教育下一代。美国航宇局（NASA）在太空授课已经有很多年了。在过去的几十年里，美航宇局曾经从美国中小学教师里选拔了四位航天员。他们在美国青少年中产生了巨大的影响。本文要介绍的“周六科学实验”是美航宇局的科学家航天员佩蒂特进行的。佩蒂特出生于1955年。1978年在俄勒冈州立大学获得化工学士学位，继而在1983年获得亚利桑那大学化工方面的博士学位。在1996年被选为美航宇局航天员之前，他是洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家。佩蒂特从来没有当过老师，而且该局也从未计划让他进行太空授课。他当时是作为第6宇航组成员来到国际空间站进行长达数月的工作的。在空间站，他平时有很紧张的科学实验工作和组建国际空间站的任务。但在周末休息期间，航天员们多少有点空闲时间。他的同伴会看电影、读书或弹奏乐器，而他偶然发现在空间站里有一本1911年出版的书《肥皂泡》，这本书引起了他极大的兴趣：这些肥皂泡在空间站里会是什么样子呢？出于自己的好奇心他想做一些自己设计的微重力实验。
佩蒂特准备了一些肥皂液和甘油，又用细细的线圈制作了一个泡泡棒。他的线圈的直径可以从3.5厘米到15厘米，为的是观测不同表面积下薄膜的性质。一切道具就备，他可以开始实验了。
这时佩蒂特突然想到，何不先用水做一次实验呢？他把直径5厘米的泡泡棒插入一个烧杯中然后再拉出来。他发现一个薄薄的水膜在泡泡棒上形成了。他回忆到：“我从来没有亲眼看到过这么大的水薄膜。”他用手摇动这个线圈，发现这个水膜很稳固。读者不妨亲自做一个这样的实验：制作一个直径大于1厘米的线圈，然后放入纯净水中。不管你使用什么办法，都不可能让水横跨在你的线圈上。而且任何水膜都很脆弱。轻轻地吹一口气就可以把它吹破。而佩蒂特的线圈直径甚至达到了11厘米，水膜仍然很稳定。“就像是一块橡皮，”他惊叹到。“它们可以承受各种机械运动。”
为什么空间薄膜会如此牢固呢而在地面上却不行呢？这要说到表面张力的概念了。通俗地说，表面张力就是使得水面上的小虫子疾步奔走而不会下沉的那个力量。它是一种在任何潮湿的表面上的有弹性的抗渗透的“皮肤”。这个皮肤的存在是由于水分子带电。一个水分子的正极被另一个水分子的负极所吸引，它们集体就形成了这样的皮肤。而这种凝聚力在水的表面达到最大。当然这个凝聚力量，或者说表面张力在空间和在地面是一样的。不同的是地球引力与表面张力的对抗。在空间的微重力环境里，水膜在线圈的中间部分不会因重力而下垂。表面张力就成为了主要作用力，于是水膜就变得非常牢固。有的水膜保持达12小时之久，中央部分的位移可以达到好几个厘米。
佩蒂特又把一点点带颜色的液体注入到薄膜上，这样他就可以观测到原来不易看到的流动和漩涡现象。有些形状就像是螺旋星系，并能保持4小时之久。
下面该是涂颜色了。佩蒂特用了四种食物颜色：红、蓝、绿和黄色。他用一个带有一个尖嘴的注射器将四种颜色注入到薄膜上。一开始，这四种颜色只是停留在注射的地方，既没有对流也没有扩散。他又在这四个部位上轻轻地吹一口气。他看到液体的流动。但是当他停止吹气后，流动立即停止。过半个小时之后，他再次观察他的薄膜，他发现那块颜色都出了毛边。“这就是扩散现象”，他解释到。当他再次吹气后，毛边被清晰的边界所代替，对流再次占了主导地位。他开始晃动线圈，他看到这些颜色继续流动，但一直保持连续性。最终，所有的颜色都混合到了一起，变成了一片看上去比较偏绿的薄膜。他开玩笑说：“我相信，我们发现了宇宙的真实颜色！”
没想到这些实验在播放之后引起了重大反响，竟然引得大群美国人每个星期六雷打不动地等待他的实验。因为这些视频不仅是在星期六做的而且是星期六在美航宇局电视频道里播出的，所以被称为“周六科学实验视频”。这些实验以流体实验为主，也有一些固体实验和机械实验。每个都不复杂，也都只有几分钟，但能够给人留下深刻印象。后来佩蒂特返回地球后又进行了后期制作。大家可以在YouTube上找到这些视频。视频的链接可以在本人的科学网博客上找到。
2011年，佩蒂特又参加了“第30宇航组的太空之旅”。在国际空间站里他进行了更多的实验。这些实验作为“周六科学实验”的后续被称为“离开球面的科学”。同样，这些实验是在他休息时间里进行的。其视频可以在美国物理学会的网站或优酷网上找到。相比“周六科学实验”，这些实验更有深度，更有意思。
“舞蹈的水滴”实验让人们看到了水珠围绕着筷子跳舞。这个实验一定要看。水珠就像行星围绕太阳运转，但它们的原理却完全不同。想知道为什么吗？“干杯的航天员”实验让人们目睹了在空间站里的奇怪水杯。知道吗，这个杯子还是经过数学家的严格推导后才发明出来的呢。如果读者觉得这个难了点的话，不妨考虑一个相对简单一点的问题：为什么不能在失重环境里使用常规的水杯？“薄膜物理”实验听起来与“周六科学实验”中的实验没有太大的不同，其实它更让人意想不到。读者能看到水膜能把水珠弹出，还能收回，能让水珠穿过，也能把水珠弹回。其实就是水啊，没有了重力的影响，行为竟然如此不同。惊奇还没有结束。紧接着的“透镜与旋涡”实验更引人入胜，它揭示了流体粘性和涡流的关系。在地面上可以想想搅拌蜂蜜会是什么样子。再给你一个大水泡，再向其中间注入一个水珠，这两个水珠会是什么关系？如果人们想让气泡转动起来，我们该怎样做？“反气泡的乐趣”会告诉你。在看这个实验之前，不妨再想象一下，在中间的小气泡会有什么行为？再下面一个研究是完全不同的：“红外线下的地球”。读者可以看到地球上不同地区在红外线下是什么样子：植物呈现红色，城市呈现灰色。佩蒂特偶然发现了一个废弃的音箱，于是有了“空间声波”、“粘稠的淀粉”和“迪吉里杜管”实验。佩蒂特还用乐高玩具（对空间站上有乐高积木！）制作了一个发电机，然后连在一个电钻上，产生的电压可以达到三万伏，但佩蒂特却没有被电击到。不信的话，请看“乐高发电机”实验。佩蒂特还把它搞笑地称为“1.21乐高伏特”。在时钟环境里，如果一个充满水的气球突然被一根针扎破，你会看到什么状况？为什么？到“空间的充水气球”实验里去找答案吧。“弹簧理论”实验更像我们在实验室里的物理实验。佩蒂特希望在失重的条件下用弹簧来测量三个不同大小螺母的关系。看看他是如何设计这个实验的。“空间吹水球”实验观测的是在失重环境里水球面对波动的反应。“空间溜溜球”更像是杂技，但你能发现这个实验与现在时髦的卫星系绳技术的关系吗？
科学小实验漩涡的原理范文5
关键词：微透析；脯氨酸；质外体；杨树；积累量
植物质外体由细胞膜外侧构成细胞壁的纤维和微晶体空间及充满水和空气的细胞间隙所组成，分化完成的木质部也属于质外体[1]。近年来干旱胁迫条件下，有关植物质外体生理机制的研究越来越受到关注[2，3]，但由于质外体在植物组织中所占的比例相对较小（仅占植物组织总体积的8%～15%），它与膜内细胞质之间存在着水分与物质的平衡，使得植物质外体汁液提取过程操作繁琐、难度大、汁液容易受到污染、不能准确测定其真实成分浓度，所以亟待解决植物质外体汁液研究技术和方法本身的突破 [4]。
目前普遍采用的提取质外体汁液的离心法、灌注法等方法存在不少缺点，如提取过程中提取液易受到污染，质外体组分会发生变化，无法对局部质外体进行定位研究及测定结果，不能反映质外体内组分的动态变化等[5]。植物质外体，尤其植物地上部质外体的研究方法相对较少，且很不成熟。然而，近年来已广泛应用于动物和人体多种部位取样的微透析取样技术为上述问题带来了希望。
微透析（MD）技术是一种广泛用于在体分析和连续检测细胞外液的专门透析技术，具有活体、原位取样、实时、在线检测等突出特点[6]。微透析的主要原理是将一种具有半透膜的探针植入生物体内，开动微量注射泵，使灌流液流经探针（通常膜外浓度高于膜内浓度），可透过膜的小分子物质通过扩散进入透析管，灌流液和组织液中的待测物质达到一个动态平衡，收集透析液便可结合高效液相色谱（HPLC）、酶联免疫吸附分析（ELISA）、高效毛细管电泳仪（HPCE）和质谱（MS）等高灵敏度检测仪器测定透析液中组织细胞外液的待测物
的动态变化[7]。
脯氨酸亲水性极强，能稳定原生质胶体及组织内的代谢过程，有防止细胞脱水的作用。抗旱性强的品种往往积累较多的脯氨酸[8]。因此测定脯氨酸含量可以作为抗旱育种的生理指标。
1 材料与方法
1.1 试验材料
盆栽‘吴屯杨’（Populus wutunensis），‘荷兰杨’（Populus euramericana）和‘新疆杨’（Populus alba var. pyramidalis Bunge）由辽宁省阜新县林业局提供。在4月上旬进行插条，每隔5～7d浇1次0.5L Hoagland 营养液，注意防雨及植株病虫害防治。MD取样和HPLC分析均重复3次。
1.2 干旱胁迫方法
干旱处理实验应用的树苗，通过每天用铝盒随机取不同种杨树盆内土样，标记，烘干测量含水量。在每日测量杨树与花盆的总体积，得出3种杨树的日蒸腾量在75～85mL之间。
1.3 脯氨酸衍生化生化方法
1.3.1 标样配制：取脯氨酸标准品适量，精密称量，加0.1mol・L-1的盐酸溶液制成每浓度为20.2mg・L-1的溶液，即为对照品储备液。
1.3.2 标准液：精密量取储备溶液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漩涡混匀，室温放置1h后制成样品A，取600μl样品A加入正己烷600μl萃取，静止分层后精密移取下层液，指定容器中，用流动相A定容，经微孔滤膜（ 0.45μm） 滤过，即得。
空白液：取0.1mol・L-1的盐酸溶液进行同（1）相同步骤。
1.4 色谱条件
日本岛津高效液相色谱仪，配有LC-20AT泵、LC-20AB二极管阵列检测器和岛津液相色谱工作站，岛津Inertsil ODS-SP（250mm×4.6mm，5μm）色谱柱；柱温31℃，流动相A：0.05mol・L-1醋酸钠溶液/0.05mol・L-1醋酸钠溶液，流动相B：乙腈-流动相A（1：1）/乙腈-流动相A（1：1），洗脱条件：A：B（50：50），流速：1.0mL・min-1，检测波长：254nm，进样量：20mL
1.5 微透析探针体外回收率的测定
体外相对回收率：杨树采用嫩茎微透析取样相同的条件，探针放入已知浓度的脯氨酸下取样，每次取样之前平衡30min后再取样100min后进行检测。测定浓度与标准液浓度之比就是体外相对回收率。本试验重复3次，得到的体外相对回收率为9.5%。
汁液浓度计算公式：
C=■ （a）
式中C是质外体汁液中某离子浓度；C1是原子吸收分光光度计测定的浓度值；10是稀释倍数；0.095是体外相对回收率。
1.6 数据处理与分析
试验数据用Excel2007，SPSS17.0进行分析作图。
2 结果与分析
2.1 标准曲线
根据以上色谱条件，配制不同浓度标准液测得HPLC峰面积，之后通过Excel制作标准曲线，y表示峰面积，x表示浓度。在本文研究的浓度范围内，脯氨酸浓度和峰面积有很好的线性关系，如图1。
2.2 不同程度干旱胁迫下3种杨树脯氨酸含量的变化
对不同程度胁迫下的3种杨树进行微透析取样，之后采用HPLC检测透析液中脯氨酸含量，结果如图2，可以看出吴屯杨抗旱性不如新疆杨，但优于荷兰杨，荷兰杨是大叶杨品种，受干旱胁迫影响大，在重度胁迫后脯氨酸积累量降低，且杨树萎蔫严重，新疆杨因其抗旱性强，所以胁迫不明显，脯氨酸呈缓慢增加趋势，且杨树外观变化不明显。
3 讨论
当植物受到干旱胁迫时，植物体内游离脯氨酸会大量积累[3，8]。因此有人认为脯氨酸含量的积累与品种的抗旱性成正相关性，他们认为在逆境下脯氨酸含量的积累可以作为品种抗逆性的生理指标。但也有人得出了相反的结论，认为抗逆性强的品种较抗逆性弱的品种积累量为少，而且积累速度也慢。如果将脯氨酸含量的积累量作为判断植物抗逆性的硬性指标则必然导致假象。
（收稿：2014-04-12）
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科学小实验漩涡的原理范文6
【摘要】 建立氯霉素，克伦特罗和雌二醇 3种兽药残留同时检测的悬浮芯片法。通过将3种兽药的BSA蛋白结合物偶联于悬浮芯片的固相载体——聚苯乙烯荧光微球上作为检测探针，采用间接竞争法，在液相反应体系中，3种小分子兽药抗原和微球上的兽药结合物共同竞争液相中各自特异性的生物素化单抗，再加入藻红蛋白标记的链霉亲和素，反应后检测获得荧光信号，绘制出3种兽药残留检测的标准曲线。同时进行3种兽药的常规酶联免疫吸附法标准曲线的测定。在检测技术、检出限、检测区间、特异性、盲样测定和多元分析等方面对两种方法进行比较。除了特异性外的其它指标的比较中，悬浮芯片法均具有明显优势。两种方法的特异性检测具有良好的一致性。高通量悬浮芯片技术，具有操作简单、灵敏快速和成本低廉等优点，为多种兽药残留的快速检测提供了新方法。
【关键词】 悬浮芯片， 酶联免疫吸附法， 残留， 微球， 中位荧光强度值
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
近年来，食品安全已成为社会共同关注的公共卫生问题，而兽药残留成为食品安全监管的重要问题。兽药残留如克伦特罗 (clenbuterol， CL)、氯霉素(chloramphenicol， CAP)和雌二醇 (17βestradiol， E2)的滥用和食用可导致多种健康损害[1～6]。加强兽药残留检测分析是监管和控制兽药残留的重要手段。因此，简单、快速和灵敏的微痕量检测技术的研究和创新尤为重要。目前，酶联免疫吸附测定法(enzymelinked immunosorbent assay， ELISA)[7，8]是兽药残留的主要检测方法之一具有简单、快速、灵敏度高和特异性强等诸多优点[9]。悬浮芯片技术是一种多功能的液相芯片分析平台，既具有固态片膜芯片的高通量特性，又具有操作简便、重复性好、灵敏度高等优点。目前，对该技术的研究多集中于大分子蛋白质和核酸的检测[10～12]，并未见应用悬浮芯片同时检测多种兽药CAP、CL和E2的报道。本研究采用悬浮芯片法和常规ELISA法对3种兽药进行同时检测，并在灵敏度、特异性、检出限等方面进行比较。
2 实验部分
2.1 仪器和试剂
BioPlex悬浮系统，Model 680型酶标仪(美国BioRad公司)；MALDITOFMS REFLEXⅢ型质谱仪(德国Bruker公司)，DU530型紫外可见分光光度计 (美国Beckman公司);6930型冷冻离心机(日本Kubota公司)；MS3型旋涡混匀器(德国IKA公司)，YM10过滤柱 (孔径1.2 μm，美国Millipore公司)，Costar96孔酶标板 (美国Corning公司)； 日立S4500型扫描电镜 (日本Hitachi公司)。
3种不同编码的荧光微球(beads，Φ=5.6 μm)和蛋白氨基偶联试剂盒（包括激活缓冲液和储备缓冲液）购自美国BioRad公司;CAP单克隆抗体和E2单克隆抗体(美国Biodesign公司)；CL单克隆抗体 (英国Abcam公司)；3种单抗的生物素化由本实验室完成；CAP、CL、E2、EDC、SulfoNHS、沙丁胺醇、莱克多巴胺、N，N二甲基甲酰胺 (DMF)、邻苯二胺(OPD)和E2BSA结合物(美国Sigma公司)；链霉亲和素藻红蛋白(Straptavidinphycoerythrin， SAPE，美国Invitrogen公司)；BSA(德国Roche公司)； CAPBSA和CLBSA为本实验室合成。其它试剂均为国产分析纯。
2.2 实验方法
2.2.1 悬浮芯片检测微球的制备
参照试剂盒说明书，取3种荧光微球 (1.25×107 个/mL)，磷酸盐缓冲液 (PBS) 重悬后，加入到激活缓冲液中，并立即加入新鲜配制的偶联试剂EDC和SulfoNHS(浓度均为50 g/L)，室温下搅拌20 min使其活化；活化后，分别加入3种兽药的BSA结合物5 μg，并用PBS缓冲液（pH 7.4）定容至500 μL，室温下中速旋涡振荡混匀2 h，14000 g离心4 min，弃去上清液，封闭，清洗，加入储备缓冲液， 4 ℃储存。上机进行偶联确证，以便用于下一步测试。
2.2.2 3种兽药的悬浮芯片多元分析标准曲线的测定
实验采用间接竞争法，在96孔反应板的每个反应孔中分别加入优化后的3种靶标物对应的生物素化单抗5、1和16 ng，分别将CAP、CL和E2的标准品(以下涉及到3种兽药均按此顺序)按照5×、5×和3×梯度分别稀释成7个梯度加入。将3种荧光微球等比例混合，每孔加入3种荧光微球各2000个，并用PBS补足至50 μL/孔，同时再各准备一个不加标准品的阳性对照孔。37 ℃中速漩涡振荡2 h，使荧光微球上的兽药BSA结合物与溶液中相应的标准品共同竞争生物素化的单抗，然后加入1∶100的SAPE 50 mL/孔，37 ℃中速振荡反应30 min。悬浮芯片读取每孔100个荧光微球，获得中位荧光强度值(MFI)。以各种靶标标准品的浓度为X轴，以检测得到的MFIs为Y轴，绘制3种兽药小分子的悬浮芯片检测标准曲线。
2.2.3 3种兽药的常规ELISA标准曲线的测定
采用间接竞争法[13～15]，在酶标板上包被小分子兽药的BSA结合物，以方阵滴定法筛选和优化3种兽药常规ELISA的包被原量(分别是2、0.2和0.25 μg)和单抗工作浓度 (稀释度分别为1∶80000、1∶20000和1∶80000)，确定反应条件后，选择3种兽药标准品的浓度，绘制各自的标准曲线。
2.2.4 两种方法对3种兽药残留的特异性测试
准备3组沙丁胺醇、莱克多巴胺、庆大霉素和红霉素测试品，终浓度达到50、 1250和31250 ng/L，每个浓度平行做3个样，同时准备一个阳性对照样，悬浮芯片读数并与阳性对照样比较。以交叉反应率(CR%)测试常规ELISA检测的特异性。
2.2.5 3种兽药盲样的检测比较
准备3个浓度的3种兽药盲样，交由测试者进行检测，每个盲样平行测试3次。根据得到的标准曲线计算盲样的浓度，并与实际浓度进行比对。
3 结果与讨论
3.1 悬浮芯片法对3种兽药检测标准曲线的测定
按优化的比例加入相应的抗体和SAPE，使反应充分进行，可省去真正的悬浮芯片反应所需的抽滤步骤。因此，检测更加简单快速。在优化条件下，绘制标准曲线方程（见图1和表1）。
由于每次检测取100个荧光微球，每个荧光微球都有1个独立的检测值，也即每个样品 (包括标准品)被重复测试了100次，样本量有足够的代表性。由于E2难溶于水，加入少量DMF可增加其溶解度，实验发现，抗体活性并未受影响。CAP、CL和E2悬浮芯片的检测区间分别为50～6.25×105 ng/L， 56～7.81×105 ng/L和1×103～7.29×105 ng/L; 它们的检出限分别为50、56和1000 ng/L，检测范围跨2～4个数量级。在这些范围内，可对这3种兽药同时进行快速的定量测定，全部检测过程只需约2.5 h。检测标准曲线的这些指标和荧光微球上的抗原结合物的偶联量、抗体的亲和力、单抗的生物素化程度都有密切关系。
3.2 ELISA法对3种兽药检测标准曲线的测定
按照棋盘滴定所获得的最佳抗原结合物包被量和最适抗体稀释度，对CAP、CL和E2残留进行标准曲线的测定和绘制，结果如图2所示。标准曲线方程、检出限和检测区间等各参数见表1。比较悬浮芯片法和常规ELISA法可见：在 CAP的检测中，常规ELISA法的检测区间略比悬浮芯片法稍宽，但不存在绝对的优势；而在CL和E2的检测中，悬浮芯片法的检出限明显低于常规ELISA法，检测区间比ELISA法宽，这在实际检测中占有较大优势。悬浮芯片法主要应用于多元靶标物的分析检测，而常规ELISA每次只能检测一个目标物，在多元分析中处于劣势。表1 悬浮芯片法和ELISA法检测3种兽药残留的比较（略）
3.3 悬浮芯片法和常规ELISA法在检测技术上的比较
悬浮芯片法使用的检测原理同常规ELISA法一样，同为间接竞争法，所用试剂略有不同。但在检测的灵敏度和检测区间上悬浮芯片法明显优于常规ELISA法。两种方法存在性能差异的主要原因如下：
(1)悬浮芯片抗原以化学键进行偶联，而ELISA法利用一种物理性的非特异性吸附，其连接的牢固程度和稳定性比悬浮芯片的抗原偶联方式差很多。(2)悬浮芯片激光检测器的分辨率明显高于ELISA法采用的普通酶标仪，检测更加灵敏。(3)悬浮芯片技术使用主要试剂是生物素亲和素，其亲和力高达1015L/mol[16，17]，比抗体亲和力高10000倍以上。悬浮芯片技术信号放大更灵敏，更稳定，受环境干扰较小。(4)悬浮芯片的抗原抗体反应在液相中进行，有效地保证了试剂的活性；而且检测微球的比表面积远大于酶标板的底部，使反应更加充分；而ELISA法反应在固相中进行。(5)悬浮芯片的标准曲线是多元参数的Logistic回归曲线，检测范围宽；而常规ELISA法多用直线方程，使用曲线方程在一定程度上可增加其检测范围。
3.4 两种方法检测的特异性测定
由表2可知，不同浓度下的沙丁胺醇莱克多巴胺的MFI和阴性对照组无显著性差异，P>0.05；加入不同浓度庆大霉素和红霉素对检测无明显干扰，P>0.05。因此，悬浮芯片检测的特异性良好，与其它药物无明显交叉反应。同时，用ELISA对表2中药物的CR进行测定，CR均
3. 5 盲样的测定
测试结果和实际浓度值的比对见表3。由表3可见，悬浮芯片检测浓度值与实际浓度偏差为8.09%～17.03%，可认为偏差相对较小。由于多种靶标物盲样的浓度低于ELISA的检出限，并未能对其进行检测。在其检测区间内，ELISA与实际浓度偏差为9.19%～17.74%，偏差也相对较小。悬浮芯片法对盲样测定的检测区间较宽，与ELISA法相比，有较大的优势。
表3 3种兽药残留盲样的检测（略）
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