针对MiLAB™Tablet 的生物实验

生物实验 适用于 MiLAB

TM

第

2013 年 11 月

未经傅立叶系统同意，严禁对本书进行分销或重新制作。 TM TM TM *现行版本 MiLAB 2.0 适用于：einstein tablet、Android or iOS(安装有 einstein Labmate ) ©Fourier Systems.版权所有

传感器实验

4

前言

8

密封

17

蒸腾作用：陆生植物中水分的蒸发

20

水分在陆生植物嫩枝和叶片中的输送

26

测量水生植物—伊乐藻中的光合速率

34

第四章

40

测量光合速率：使用氧传感器

40

光对光合速率的影响

44

光对光合速率的影响：使用氧传感器

51

碳酸氢盐对光合速率的影响

57

使用压力传感器

57

测量光合作用中的葡萄糖合成

63

光对植物叶片中叶绿素水平的影响

70

萌芽种子的呼吸率

75

测量萌芽种子在呼吸过程中

80

所释放的二氧化碳

80

生物的催化作用：过氧化氢

84

在过氧化氢酶环境下的歧化反应

84

酶对食物的影响：

90

蛋清蛋白在胃蛋白酶条件下的降解

90

酵母中的酒精发酵

96

温度对细胞膜渗透性的影响：

101

甜菜中花青素色素的释放

101

组织提取物中的酸碱度测量

106

牛奶的酸化

111

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失：

115

陶罐— 一 个模型系统

115

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失：

120

用湿度和温度传感器

120

在指尖测得的热量散失

120

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失：

124

用温度传感器在指尖测得的热量散失

124

锻炼对人体的影响：温度和心率

127

人在呼吸中所呼出的二氧化碳量

130

静止时和活动后的心电图

135

拥挤的城市地区对微气候的影响

140

自然通风对室内环境的影响

144

围护结构的隔热检测

148

用光和温度传感器测量岩石下栖息地的非生物环境

151

用湿度和温度传感器测量岩石下栖息地的非生物环境

155

传感器实验 色度计 光合作用中葡萄糖合成的测量 光对植物叶片中叶绿素水平的影响 温度对细胞膜渗透性的影响：甜菜中花青素色素的释放

二氧化碳 测量萌芽种子呼吸中所释放的二氧化碳

心电图 静止时和运动后的心电图

心率 锻炼对人体的影响：温度和心率

湿度 人体温度的规律 陶罐

通过汗液制造的热量散失：

一个模型系统

人体温度的规律

通过汗液制造的热量散失：

用湿度传感器和温度传感器在指尖测得的热量散失 拥挤的城市地区对微气候的影响 自然通风对室内环境的影响 测量岩石下栖息地的非生物环境

|4|

|传感器实验| 使用湿度传感器和温度传感器

光 测量光合速率：使用氧传感器 光对光合速率的影响 光对光合速率的影响：使用氧传感器 用光传感器和温度传感器测量岩石下栖息地的非生物环境

氧气 测量光合速率：使用氧传感器 光对光合速率的影响 光对光合速率的影响：使用氧传感器

酸碱度 酶对食物的影响：蛋清蛋白在胃蛋白酶条件下的降解 酵母中的酒精发酵 组织提取物中的酸碱度测量 牛奶的酸化 人在呼吸中所呼出二氧化碳的量

压力(150 –1150 毫巴) 蒸腾作用：陆生植物中水分的蒸发 水分在陆生植物嫩枝及叶片中的输送 测量水生植物 伊乐藻中的光合速率 光对光合速率的影响

|5|

|传感器实验|

碳酸氢盐对光合速率的影响 使用压力传感器 萌芽种子的呼吸率 生物的催化作用：过氧化氢在酶 过氧化氢酶条件下的分解 酵母中的酒精发酵

热电偶(0ºc 至 1200ºc) 围护结构的隔热检查

表面温度(-40ºc 至 140ºc) 锻炼对人体的影响：温度和心率

温度(-40ºc 至 140ºc) 酶对食物的影响：蛋清蛋白在胃蛋白酶条件下的降解 温度对细胞膜渗透性的影响：甜菜中花青素色素的释放 人体温度的规律 通过汗液制造的热量散失：陶罐 一个模型系统 人体温度的规律 通过汗液制造的热量散失： 用湿度传感器和温度传感器在指尖测得的热量散失 人体温度的规律 通过汗液制造的热量散失：用温度传感器在指尖测得的热量散失

人在呼吸中所呼出二氧化碳的量 拥挤的城市地区对微气候的影响 自然通风对室内环境的影响 用光传感器和温度传感器测量岩石下栖息地的非生物环境 用湿度传感器和温度传感器测量岩石下栖息地的非生物环境

|6|

|传感器实验|

计滴器 组织提取物中的酸碱度测量方法

风速计 自然通风对室内环境的影响

|7|

前言 本书包含了为学生们准备的 28 个生物实验，都是为使用 MultiLab4™、einstein™ LabMate 和 einstein™ 传感器而设计的。MultiLab4 的最新版本可以从傅立叶教育网站(http://fourieredu.com)下载。 这些实验被分为五个主题组：植物生理学、细胞过程、微生物、人体生物学和环境。 为了方便您的使用，我们已添加了索引。在索引中，实验都依据传感器进行了分类。

einstein™Tablet+ and einstein™LabMate™ 设备 einstein™Tablet+

einstein™Tablet 包含以下配置： 8 个内置传感器： 

心率传感器：0-200 次每分钟



光传感器：0-600 勒克斯、0-6000 勒克斯、0-150000 勒克斯



相对湿度传感器：范围：0-100%



温度传感器：-30°C 至 50°C



紫外线传感器：10 瓦/平方米、200 瓦/平方米、紫外线波长 290-390 毫微米



全球定位系统



话筒传感器（声音）



重力传感器（加速计）

4 个以上的外置传感器端口 将外置传感器线缆插入一个传感器端口中，可将外置传感器与 einstein™ LabMate 相连。

einstein™LabMate

|8|

einstein™LabMate 包含以下配置：

6 个内置传感器： 

心率传感器



温度传感器



湿度传感器



压力传感器



紫外线传感器



光传感器

4 个以上的外置传感器端口 将外置传感器线缆插入这些设备的一个传感器端口，就可将外置传感器与这些设备中的任一个相连。

|9|

使用 einstein™LabMate 为了在非 einstein™设备上使用 MiLAB™，您必须先经由蓝牙将 einstein™LabMate 与非 einstein™设备 进行配对。

与安装有安卓系统的设备配对 1.

确保 einstein™LabMate 开启，且未与任何其 他设备配对。

2.

先选择您平板电脑上的主菜单按钮，再选择 系统设置图标。

3.

选择蓝牙关闭/开启按钮，以开启蓝牙。

4.

蓝牙设置一经开启，该设备将开始搜索蓝牙 设备。

5.

einstein™LabMate 一经发现，它会出现在发 现设备列表中。

6.

选择连接 einstein™LabMate。您的设备会在 蓝牙配对请求后，显示一条快速配对信息。

7.

选择配对即可同意配对进程。

8.

一旦配对成功，einstein™LabMate 会出现在 已配对设备中。

9.

注意：请保持耐心。由于每一设备都是不同 的， 配对 时间 可以 在数 秒到几分钟之间变 化。

| 10 |

取消配对

1.

在安装有安卓系统的设备上，依次选择主菜单按 钮、系统设置图标和蓝牙。

2.

选择列于已配对设备下、einstein™LabMate 旁的 图标。

3.

一个显示为重新命名和取消配对的新窗口会出现 在屏幕上，选择取消配对。

与安装有 iOS 系统的设备配对

确保 einstein™LabMate 开启，且未与任何其他设备配对。

选择设置。

选择蓝牙关闭/开启，以开启蓝牙。

蓝牙设置一经开启，该设备将开始搜索蓝牙设备。

einstein™LabMate 一经发现，它会显示在发现设备列表中。

选择连接 einstein™LabMate。

| 11 |

一 旦 成 功 配 对 ， “ 已 连 接 ” 字 样 将 会 出 现 在 einstein™LabMate 的旁边。

取消配对

选择设置。 选择已配对的 einstein™LabMate。

使用 MiLAB 中的图表

本书中的实验都需要使用 MiLAB 程序分析结果。

理解图表

MiLAB 的普通图表代表的是来自一个或多个传感器相对于时间的数据。沿 Y 轴（或垂直轴）的是传 感器，沿 X 轴（水平轴）的是时间。 默认条件下，MiLAB 中图表的自动标尺意味着您能够看到所显示的整个图表。 要放大图表的一部分，触摸屏幕并打开两指即可。 要缩小则一起收拢两指即可。

收拢则缩小

打开则放大

注意：您也可以沿 X 或 Y 轴打开和收拢两指，即可在这些轴上进行放大或缩小。

双击图表即可返回初始的自动标尺图表。 您也可以通过触摸并拖动图表或轴，对图表或轴进行移动。

| 12 |

分析一张图表 分析包含在一张图表中的信息，这是 MiLAB 最重要和强大的功能之一。 要分析一张图表：



进行一项实验。



为了使用 MiLAB 的分析功能，您必须至少选择图表上的一个点—这就是我们所知道的光标。许 多功能都需要两个光标。

注意：如果您正在使用一个以上的传感器，两个点必须是在同一图线上。

| 13 |

使用光标 您可以在一张图标上同时显示最多两个光标。 用一个光标显示单个数据记录值、选择一条曲线或，如果您正在使用三个或以上传感器，则用来显 示隐藏的 Y 轴。 用两个光标分析图表中的数据。

显示第一个光标： 在图表视图中，轻击图线上的任一点。MiLAB 会立即显示该点的坐标值。

显示第二个光标： 一旦第一个光标被定位，轻击同一图线上的任一点即可显示第二个光标。

| 14 |

有两个数据点被选中时，两点间的差值会出现在图标窗口的底部。



dX 指两点间 X 轴的差值。



dY 指两点间 Y 轴的差值。

移动光标 

触摸并按住光标，然后在一条单一的图线上向左和向右拖动它。



轻击不同传感器的图线即可在图线上移动此光标。

移除光标： 

轻击并按住光标，快速地将它向屏幕的任一方向拂去。 光标将从图线上消失。

使用函数 一旦您选择了一个光标，这就会激活函数按钮(

)。

触摸函数按钮即可进入您的可用工具列表。

| 15 |

触摸它们中的任一个函数即可应用此函数。

您选择了一项函数后，一条展示结果的新图线会出现在图表上。

部分函数，比如差集，要求您将两条图线进行对比。为了比较两条图线：



将两个光标放在一条图线上。



触摸函数按钮(



触摸您所需函数旁的设置按钮(



在设置菜单中，G1 将是您所选择的图线。



用 G2 下拉菜单选择您想比较的图线。



触摸 OK 按钮。

)。

)。

| 16 |



一条展示结果的新图线将出现在图表上。

实验布局 每个实验都包含以下部分： 

介绍：概念和理论的简要描述



器材：实验所需的器材



实验设置：组合实验的图释化指南。



数据记录器设置：推荐的设置



步骤：对实验执行的分步骤指南。



数据分析



问题



进一步的建议

密封 本书中的部分实验，尤其是那些涉及到压力测量的实验，都依赖于被紧紧密封的烧瓶或试管。下面 是确保这些实验顺利进行的一份指南。

注意：为了确保紧密封，您可能需要使用一种材料对所有开口进行密封，比如纸粘土。

注意：您可能想要考虑购买 einstein™压力工具箱，它们是为这些类型的实验特别设计的。

一旦您已密封了烧瓶或试管，您就可以对密封进行测试了。 1.

轻击运行按钮(

2.

如果您的设置包含三通阀）转动三通阀，使周围空气自由流入。 当前的读数应指示为大气压力。

)即可开始记录数据。

| 17 |

如果您的设置包含三通阀）转动三通阀，使系统与周围空气隔绝。

4.

按住塞子。压力应先上升一些，再保持不变。

5.

如果压力下降（见下图），表明有泄漏。仔细检查您的密封，用一种材料将任何可能的开口密 封，比如纸粘土。重复步骤 4。如果没有帮助，更换塞子。

Pressure (mbar)

3.

| 18 |

Pressure (mbar) 6.

您对容器的密封感到满意后，轻击停止按钮(

)。

安全预防措施 

在科学教室中，按照实验室活动的标准安全步骤进行操作。



必须采取适当的安全预防措施，以保护本书中所描述实验过程中的老师和学生们。



每一项安全预防措施或警示都包含在内是不可能的！



傅立叶不对本书中器材、材料或描述的使用承担义务或责任。

| 19 |

第一章

蒸腾作用：陆生植物中水分的蒸发

Figure 1 图1

介绍 植物根部吸收的 90%以上的水分，最终都丢失在大气中。大部分的水分是经由叶片中的气孔，通过 蒸发而丢失的。这个过程被称为蒸腾作用。由于水分特有的粘结性，通过木质部，这种植物中主要 的水分传导组织，水分会由一条不断的链条持续地补充，从根部开始，到达叶片。 本实验中，我们用一段插入烧瓶中的植物嫩枝来测量蒸腾作用。因为水分是沿茎干向上吸，从叶片 中蒸发，所以烧瓶中空气的体积会增加，从而导致压力下降（依据波义耳定律）。压力传感器会记 录此下降。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



压力传感器两支(150 – 1150 mbar)



250 毫升玻璃烧瓶两支



有一个孔的塞子一个，用于放置注射延长器

| 20 |

|蒸腾作用：陆生植物中水分的蒸发|



有两个孔的橡皮塞子一个



纸粘土块（可选）



注射延长器两支*



三通阀两个*

*einstein™压力工具箱所包含的工具

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将压力传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

在一间有空气且光线良好的房间开展该实验。如果可能，将实验放在靠近窗户的地方。

5.

6.

选择叶片表面积大的树或灌木的一段嫩枝（可以有许多小的叶片，也可以有几匹大的叶片）。 嫩枝的表面应是光滑且柱状的，以确保与塞子紧密配合。

7.

将两支 250ml 的烧瓶装满水。确保烧瓶装满水，仅在上端留出 1mm 的空隙。

8.

将树或灌木的嫩枝插入烧瓶，烧瓶的塞子上要有两个孔，直到嫩枝几乎接触到烧瓶的底部。 （如有必要，用粘土或其他材料对烧瓶进行密封。）

9.

用另一个塞子塞住第二个烧瓶。

)。

10. 将注射延长器插入两个塞子（图 2）。 11. 将三通阀连接到每支注射延长器上。 12. 确保烧瓶完全密封；您可能需要用纸粘土或其他材料完成密封。 13. 将压力传感器连接到每一个三通阀上。 14. 选择现有设置一览窗口中的完全设置，并用下面的表格对实验进行设置。确保仅选择了测量方 法下的压力传感器。

| 21 |

|蒸腾作用：陆生植物中水分的蒸发|

Figure 2 图2

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

压力传感器 (150 – 1150 毫巴) 速度：

每秒

时长：

2000 秒

步骤 检查实验设置：开始实验前，确保烧瓶紧密封。要获取更多详情，请看“密封”。

开展实验： 1.

确保实验开始时，两支烧瓶都处于大气压力下。将三通阀转至 A 位置（见“密封”），再 转回到 B 位置。两个烧瓶中的当前压力都应等于大气压力。

2.

轻击运行按钮(

3.

追踪 MultiLab4 图表窗口中的压力。

4.

让实验最少进行 25 分钟。

)即可开始记录数据.

| 22 |

|蒸腾作用：陆生植物中水分的蒸发|

5.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表

1.

要计算蒸腾速率，您将需要创建一张差值图表。

2.

保存此图表。

3.

选择输入 1（控制烧瓶）的图表，再选择输入 2 的最低点。

4.

选择函数按钮(

5.

)。

a.

选择函数下拉菜单中的差集。

b.

选择 G1 下拉菜单中的压力-1。在 G2 下拉菜单中选择压力-2。

c.

在名称编辑框中输入名称（例如：差值）。

d.

点击 OK。

对图表应用线性拟合： a.

选择此差值图表。

b.

选择函数下拉菜单中的线性拟合。拟合方程式将展现在 X 轴的下方。

c.

拟合线的斜率就是本实验中所测得的脱水速率。

下面显示的是本实验所得出图表的一个样图：

| 23 |

|蒸腾作用：陆生植物中水分的蒸发|

控制系统的压力

实验系统的压力

图3

| 24 |

|蒸腾作用：陆生植物中水分的蒸发|

问题 1.

本实验中，所使用的控制装置是什么？

2.

本实验中，为什么一支控制烧瓶是必要的？

3.

4.

光对实验过程中的蒸腾速率有什么影响？ 您希望在黑暗中有类似的变化吗？

5.

湿度的增加对水吸速率会有什么影响？对您的答案做出解释。

6.

为什么叶片表面积大的一段嫩枝对本实验是必要的？

7.

本实验中，丢失水分的来源是什么？

8.

用凡士林盖住叶片的下表面，会有什么影响？

进一步的建议 1.

设计一个实验来检测光对脱水速率的影响。

2.

检测风和湿度对脱水速率的影响。

3.

用凡士林盖住叶片，检测其对水吸速率的影响。

4.

检测表面积对脱水速率的影响：用不同尺寸、不同叶片数量的嫩枝进行试验。

| 25 |

第二章

水分在陆生植物嫩枝和叶片中的输 送

图1

介绍 水分被植物的根部从土壤中吸收，并输送到植物的所有部分。水分的这种输送被成为蒸腾流。

多个因素在推动水分逆重力随蒸腾流而上的过程中发挥着作用：

根部压力和渗透作用—水分通过渗透作用渗透到根部细胞，渗透作用是由根部细胞内部和周围土壤 的水含量不均等所产生的一种力。由于通过植物不均等的渗透压力，渗透作用持续推动水分向上。

毛细管作用或毛细管现象是细小的管道逆重力将液体向上吸的能力。在植物狭窄的木质部管道中， 水分的流动受到两个相反作用力的影响：水分子对管壁表面的附着力，以及水分彼此吸引的内聚力。 当水分与管壁间的附着力比水分子间的内聚力大时，毛细管作用就产生了。

蒸腾拉力是驱使水分在植物和树木中流动的主要力量。水分通过位于叶片中的气孔蒸发：这一过程 被称为蒸腾作用。随着水分从叶片蒸发，更多的水分被渗透作用从根部系统中牵引上来—这是使水 分从富含水分的区域流到缺乏水分区域的一个过程。

二氧化碳气体或二氧化碳是光合作用所需的。一天之中，气孔打开，使植物“吸入”二氧化碳。这 也极大地增加了通过蒸发而丢失的水分量。最终，植物所吸收的 90%的水分通过蒸腾作用丢失。

| 26 |

|水分在陆生植物嫩枝和叶片中的输送| 本实验中，通过木质部的水分上升可以在芹菜梗（芹菜）中看到，因为木质部吸收的水分是用亚甲 基蓝染料着色的。

通过测量插在装满水的烧瓶中的嫩枝所吸入的水分，蒸腾作用中丢失水分的程度是可以被追踪的。 水分从叶片蒸发导致嫩枝从烧瓶中吸收水分。水分的吸收持续地增加烧瓶中空气的体积，从而造成 传感器所能记录的压力下降（依据波义耳定律）。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



压力传感器两支(150 – 1150 毫巴)



250 毫升玻璃烧瓶五支



橡皮塞子两个，各有两个孔



纸粘土块



注射延长器两支*



三通阀两个*



放大镜



塑料小刀



20cm 直尺



芹菜梗



树或灌木的嫩枝（橙花效果明显）



1%的亚甲基蓝染料

*包含在 einstein™压力工具箱中的工具

第一部分：水分在芹菜叶中的循环 步骤 1.

将 1%的亚甲基蓝溶液 100 毫升倒入三个 250 毫升的烧瓶中。将它们编号为：1-3 号

| 27 |

|水分在陆生植物嫩枝和叶片中的输送| 2.

沿芹菜梗长度，将其分为三段。每段应包含相等数量和类型的叶片—最好是更嫩的内部叶片和 梗。

3.

在放大镜下观察梗的横截面。尝试辨认出木质部管（见图 1）。

4.

每个烧瓶中放入一段。

5.

等待五分钟，再从溶液中取出一段芹菜梗。将多余的颜色擦掉。

6.

从梗的下端切取 1 厘米长的一段。在放大镜下观察其横截面，看木质部束是否是蓝色的。数出 本截面中，您所看到的染色木质部束的数量。

7.

从芹菜梗的底端切取数段 1 厘米长的梗，直到您切到没有染色束的截面为止（见图 2）。

8.

等待 10 分钟；从溶液中取出第二段梗。如第 6 和 7 步中的操作，切开横截面，在放大镜下检查 它们。数出您在本截面中看到的木质部束数量。

9.

20 分钟后，取出第三段梗，并重复第 6 步和第 7 步。

图2

10. 准备一张表格，用来展示您的结果： 高度(cm) 本截面中被染色的木质部管的数 量 11. 计算每段梗中，颜色达到的平均高度。 12. 用此高度乘以染色束的数量。例如： a.

一束中的高度是 5 厘米：5 厘米 X1 束=5

| 28 |

|水分在陆生植物嫩枝和叶片中的输送| b.

三束中的高度是 4 厘米：4 厘米 X3 束=12

c.

五束中的高度是 3 厘米：3 厘米 X5 束=15

d.

将所有截面的总高度相加为：32 厘米

e.

用此合计高度除以木质部束的总数：9

f.

5 分钟后，水分达到的平均高度是 3.5 厘米。

13. 计算水分在这三张叶片中上升的平均速率，以厘米每分钟为单位。

第二部分：测量嫩枝从烧瓶中吸收水分的速率

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将压力传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 3 中的图释组合设备。

4.

在有空气且光线良好的房间内开展本实验。如果可能的话，将实验系统靠窗放置。

5.

选择叶片表面积大的树木或灌木的一段嫩枝（可以有许多小的叶片，也可以有数片大的叶片）。 嫩枝的表面应是光滑且柱状的，以确保嫩枝与塞子的紧配合。

6.

将 250 毫升的烧瓶装满水。确保烧瓶装满水，仅在烧瓶上部留出 1 毫米的空隙。

7.

将树木或灌木的嫩枝插入烧瓶中，烧瓶的塞子要有两个孔，直到嫩枝几乎触到烧瓶的底部为止。 （如有必要，用粘土或其他的材料密封烧瓶。）

8.

用另一个塞子密封第二个烧瓶。

9.

将注射延长器插入两个塞子中（图 4）。

)。

10. 将三通阀连接到每个注射延长器上。 11. 确保烧瓶完全密封；您可能需要用到粘土或其他材料完成密封。 12. 将压力传感器与每个三通阀相连。 13. 选择现有设置一览窗口中的完全设置，用下面的表格对本实验进行设置。确保仅选择了测量方 法中的压力传感器。

| 29 |

|水分在陆生植物嫩枝和叶片中的输送|

Figure 3 图3

Figure 4 图4

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

| 30 |

|水分在陆生植物嫩枝和叶片中的输送|

压力(150 – 1150 毫巴) 速度：

每秒

时长：

20000 秒

步骤 检查实验设置： 开始实验前，确认烧瓶紧紧密封。要获取更多详情，请见“密封”。 开展实验： 1.

确保实验开始时，两支烧瓶都处于大气压力下。将三通阀转至 A 位置（见“密封”），再转回 至 B 位置。两支烧瓶中的当前压力都应等于大气压力。

2.

轻击运行按钮(

3.

追踪 MultiLab4 图表窗口中的压力。

4.

让实验进行至少 25 分钟。

5.

轻击保存按钮(

)开始记录数据。

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

为了计算蒸腾速率，您将需要创建一张差值图表。

2.

保存此图表。

3.

选择输入 1（控制烧瓶）图表，再选择输入 2 的最低点。

4.

选择函数按钮(

)。

a.

选择函数下拉菜单中的差集。

b.

选择 G1 下拉菜单中的压力-1，选择 G2 下拉菜单中的压力-2.

c.

在名称编辑框中输入一个名称（例如：差值）。

| 31 |

|水分在陆生植物嫩枝和叶片中的输送|

5.

对此差值图表应用线性拟合： a.

选择此差值图表。

b.

选择函数下拉菜单中的线性拟合。拟合方程式将展示在 X 轴下方。

c.

该条拟合线的斜率就是本实验中所测得的脱水速率。

下面显示的是本实验所获取图表的一张样图：

Pressure (mbar)

控制系统的压力

实验系统的压力

图4

问题 1.

本实验中，所用到的控制装置是什么？

2.

3.

本实验中，为什么控制烧瓶是必要的？ 实验过程中，光对蒸腾速率的影响是什么？

4.

在黑暗中，您期望有类似的变化吗？

5.

湿度的增加对水吸速率会有什么影响？对您的答案做出解释。

6.

为什么一段叶片表面积大的嫩枝对本实验是必要的？

7.

本实验中，水分丢失的来源是什么？

8.

用凡士林盖住叶片的底面会有什么影响？

| 32 |

|水分在陆生植物嫩枝和叶片中的输送|

进一步的建议 1.

设计一个实验，研究光对脱水速率的影响。

2.

探究风和湿度对脱水速率的影响。

3.

探究凡士林覆盖叶片对水吸速率的影响。

4.

探究叶片表面积对脱水速率的影响：使用不同尺寸和不同叶片数量的嫩枝。

5.

切取此段嫩枝，并将其木质部束的数量与您在芹菜梗中所观察到的相比较。

6.

对比另一种植物的蒸发速率。选择有较高呼吸速率的植物，例如长角果。

| 33 |

第三章

测量水生植物

伊乐藻中的光合速率

Figure 1 图1

Introduction 介绍 绝大部分的植物生命都依赖于光合作用而存活。这个过程用来自于光的能量，将二氧化碳(CO2)和水转化为 碳水化合物。在此过程中，氧分子生成。光被光合生物中的色素所吸收，如绿色植物中的叶绿素。在最佳 光照强度、二氧化碳浓度和温度条件下，光合速率取决于植物暴露在光下的表面积或群集。 本实验中，我们追踪水生植物伊乐藻的光合速率，同时，用压力传感器测量氧气的释放速率。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



50 毫升的玻璃试管两支



有一个孔的塞子两个，孔是为注射延长器准备的

| 34 |

|测量水生植物—伊乐藻中的光合速率| 

两支注射延长器*



两个三通阀*



有机玻璃支架，用于支撑试管和传感器



一公升的平底水壶（玻璃或塑料）或组织培养瓶（滤热器）



压力传感器两支(150-1150 毫巴)



新鲜伊乐藻两克



塑料小刀



明亮的光源(例如：150 瓦的卤素灯)



0.5%的碳酸氢盐溶液

* einstein™压力工具箱所包含的工具

设备设置 1.

如图 1 所示组合设备。 a.

在每支玻璃试管中，放入 0.5%的碳酸氢盐溶液。在溶液表面与塞子之间，保留少量空气。

b.

将伊乐藻枝条切为能放入试管的小段。

c.

将伊乐藻段放入试管。

d.

另一支试管将作为实验控制装置。

e.

用塞子将试管紧紧密封。

f.

将注射延长器插入塞子中（图 2）。

| 35 |

|测量水生植物—伊乐藻中的光合速率|

Figure 2 图2 g.

将三通阀连接到注射延长器的另一端。

h.

将压力传感器与三通阀相连。

i.

将光源放置在距离玻璃试管 25 厘米远的地方（见图 1）。

j.

将平底塑料壶装满水，并放置在光源和试管之间。

k.

水吸收光源散发出的热量。

2.

开启 MiLAB 按钮(

3.

将压力传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

4.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，并用下面的表格设置实验。确保仅有测量方法下的压力传感 器被选中。

)。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

压力传感器 (150 – 1150 毫巴) 速度：

每秒

时长：

5000 秒

| 36 |

|测量水生植物—伊乐藻中的光合速率|

步骤 检查实验设置：开始实验前，确保试管被紧紧密封。要获取更多详情，请看“密封”。

开展实验 1.

确保实验开始时的两支试管都处于大气压力下。转动三通阀到 A 位置（见“密封”），再转回到 B 位 置。两支试管的当前压力应等于大气压力。

2.

打开光源。

3.

轻击运行按钮(

4.

监测光合速率，直到装有伊乐藻的试管中的压力达到约 1100 毫巴。

5.

轻击停止按钮(

)停止收集数据。

6.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

)开始记录数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

要计算蒸腾速率，您将需要创建一张差值图表。

2.

保存该图表。

3.

选择输入 1（控制烧瓶）图表，再选择输入 2 的最低点。

4.

选择函数 a.

选择函数下拉列表中的差集函数。

b.

选择函数下拉菜单中的减法。

c.

选择 G1 下拉菜单中的压力-1，选择 G2 下拉菜单中的压力-2。

| 37 |

|测量水生植物—伊乐藻中的光合速率|

d.

5.

在名称编辑框中输入一个名称（例如：差值）。

对差值图表应用线性拟合： a. b.

轻击屏幕，使用第一和第二个光标。然后，选择合适的范围。 （要移除光标，选中并快速将其向屏幕的任一方向拂去。）

c.

选择线性拟合。拟合方程式将展现在 X 轴下方。

d.

拟合线的斜率就是净反应速率。

下面显示的就是本实验所获取图表的一张样图：

Pressure (mbar)

实验系统中的压力

控制系统中的压力

图3

| 38 |

|测量水生植物—伊乐藻中的光合速率|

Pressure (mbar)

下面的图表中，显示的是差集的结果和对数据的线性拟合：

Figure 4 图4

问题 1.

实验中，与光合作用相关的压力是如何产生的？

2.

本实验中，为什么控制系统是必要的？

3.

可以设置两种类型的控制装置：一种仅包含有碳酸氢盐溶液，另一种包含有碳酸氢盐溶液加被煮沸的 伊乐藻节。两种控制装置间的差异是什么？

4.

实验过程中，试管中温度的升高可能会如何影响光合速率？

进一步的建议 1.

光合速率取决于多种因素：伊乐藻的群集、碳酸氢盐的浓度以及光照强度。每种因素是如何影响反应 速度的？

2.

用本实验中所描述的系统，设计新的实验，测试每种因素的影响。尝试用双倍群集的伊乐藻、更强的 光照强度等重复本实验。

| 39 |

第四章 测量光合速率：使用氧传感器

图1

介绍 光合作用为地球上的绝大部分植物生命提供食物。这一过程用光的能量将二氧化碳(CO2)和水转化为 碳水化合物，并产生氧气释放到大气中。光，这一过程的能量来源，被光合生物中的色素所吸收。 在最佳的光照强度、二氧化碳浓度和温度条件下，光合速率取决于植物暴露在光下的表面积或群集。 本实验中，通过测量氧气制造的速率，我们追踪伊乐藻中的光合速率。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑及 einstein™LabMate



氧传感器



光传感器（三重范围）



新鲜伊乐藻 20 克



明亮的光源（例如：150 瓦的卤素灯）

| 40 |

|测量光合速率：使用氧传感器|



250 毫升透明玻璃锥形烧瓶



适用于氧传感器的单孔塞或单孔塞和纸粘土



（可选项—双孔塞，一个孔用于放置温度传感器）。



约 1 公升的自来水



电磁搅拌器和搅拌棒



1 公升的平底水壶（玻璃或塑料）或组织培养瓶（滤热器）



可选的温度传感器(-40 °C 到 140 °C)

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将氧(DO2)传感器、光传感器和温度传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

按照图 1 的图释组合设备。

4.

)。

a.

本系统包含一支 250 毫升的锥形透明玻璃烧瓶，瓶中装有自来水、新鲜伊乐藻（约 20 克）和一支搅拌棒。

b.

烧瓶被置于电磁搅拌器上。使用支架，小心地在烧瓶中放置氧传感器，要靠近瓶底的搅 拌棒。（可选项—一支温度传感器也可放置于烧瓶中）。

c.

该锥形烧瓶必须完全密封，以防止氧气泄漏。要获取密封的更多信息，请看：密封

d.

光传感器置于烧瓶附近，以测量伊乐藻所暴露的光线水平。

e.

用一支 150 瓦的反射灯作为光源。将它置于烧瓶 25 厘米远处。

f.

为了防止将烧瓶加热，将一支 1 公升的水壶放置于光源和烧瓶之间。

选择现有设置一览窗口中的完全设置，用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下的氧 传感器、光传感器和温度传感器。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据： 温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每秒

时长：

5000 秒

| 41 |

|测量光合速率：使用氧传感器|

氧传感器 速度：

每秒

时长：

5000 秒

光传感器 速度：

每秒

时长：

5000 秒

步骤 1.

轻击运行按钮(

2.

开灯，并开始搅拌，观察氧气(DO)的浓度水平。

)，开始记录数据。

注意：整个实验中，追踪平底水壶内的温度水平。如果水温急剧上升（5 分钟内上升超过 5°C），停 止测量，并将壶中的水换掉。大约半小时后，关灯，将烧瓶盖住，以使伊乐藻不被暴露在光线下。 3.

轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

4.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表

| 42 |

|测量光合速率：使用氧传感器| 1.

选择该图表开始的一点和结尾的一点，以此检查 DO2 水平的变化率。 然后，选择函数下拉菜单中的线性拟合。拟合方程式将显示在 X 轴的下方。

下面显示的是本实验所获取图表的一张样图： 600

12

550

11.8 光

500

11.4

450

11.2

400

11

氧气

350

10.8

300

10.6

250

10.4

200

10.2

150

10

100

9.8

50

Light (lux)

Oxygen DO (mg/L)

11.6

0 Figure 2 图2

问题 碳酸氢盐的添加对光合作用有怎样的影响？

进一步的建议 1.

光合速率取决于多种因素：伊乐藻的群集、光强度等。每种因素是如何影响反应速度的？

2.

用本实验中所描述的系统，设计新实验，测量每种因素的影响。尝试用两倍群集的伊乐藻、更 强的光照强度、持续添加碳酸氢盐等重复本实验。

| 43 |

第五章

光对光合速率的影响

Figure 1 图1

介绍 光合速率取决于光照强度。在理想条件下，饱和曲线是可以获取的。来自于一个光源、不同距离的 光照强度反比与距离的平方。 (1)

𝑰=

𝟏 𝒓𝟐

此处： I =光照强度 r =与光源的距离 本实验中，通过将光源放置于距实验系统的不同距离处，光照强度被改变。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate

| 44 |

|光对光合速率的影响|



压力传感器两支(150 - 1150 毫巴)



光传感器（三重范围）



新鲜伊乐藻两克



150 瓦反射灯



50 毫升玻璃试管两支



可放置注射延长器的单孔塞两个



注射延长器两支*



乳胶管*



三通阀两个*



支撑传感器的支架



两个一公升的平底水壶（玻璃或塑料）或组织培养瓶（滤热器）



明亮的光源（例如：150 瓦的卤素灯）



可选项：温度传感器(-40°C 到 140°C)



米尺

*包含在 einstein™压力工具箱中的工具

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将压力传感器和温度传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

)。

a.

将两克的伊乐藻枝条分为适合试管尺寸的数段。

b.

将伊乐藻段放入一支试管中。另一支试管将作为实验控制装置。

c.

将试管装满自来水。自来水应达到塞子下 1 厘米处。

d.

用塞子紧紧密封试管。

| 45 |

|光对光合速率的影响|

e.

将注射延长器插入塞子中（图 2）。

f.

将三通阀连接到注射延长器的另一端。

g.

将压力传感器与三通阀相连。

Figure 2 图2 4.

将平底塑料壶装满自来水，并置于光源与试管之间。水吸收光源散发的热量。

5.

选择现有设置一览窗口中的完全设置，用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下的压 力传感器和温度传感器。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

压力传感器 (150 – 1150 毫巴) 速度：

每秒

时长：

5000 秒

温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每秒

时长：

5000 秒

步骤 检查实验设置：密封。 开展实验：

| 46 |

|光对光合速率的影响| 1.

本实验中，对光合速率做五次不同的测量，每次采用不同的光照强度。通过将灯泡移至距离植 物越来越远的地方，使光照强度改变。建议的移动范围是 20 至 45 厘米。

2.

由于本实验的持续时间相对较长（大约 45 分钟），将两支平底壶放置于光源和实验试管之间。

3.

在整个实验过程中，对平底水壶中的温度水平进行追踪。如果水温急剧上升（5 分钟内上升了 5°C），停止测量，并更换壶中的水。水温可以用温度传感器监测。

4.

本实验采用两支试管，一支用作控制装置。将两克新鲜的伊乐藻加入其中一支试管中。

5.

将试管并排放置，背对光源。确保试管被均匀照射。建议您在实验开始前，将装有伊乐藻的试 管照射 5 分钟。这会使溶液饱和，且在实验一开始就能立即测得氧气的释放。否则，将会看到 一段约 6 分钟的滞后期。

6.

从光源的中心出发，向上画一条直线到两支试管的接触线。将直尺沿此线放置，目的是测量光 源与试管的距离（见图 1）。

7.

当您开始实验时，用温度传感器测量试管中的温度。实验结束时，重复此测量。温度不应上升超 过 2°C。

8.

确保实验开始时，两支试管都处于大气压力下。转动三通阀至 A 位置（见“密封”），再转回 至 B 位置。两支试管中的当前压力都应等于大气压力。

9.

轻击运行按钮(

)开始记录数据。

10. 追踪 MultiLab4 图表窗口中的压力。 11. 让实验至少进行 8 分钟。 12. 8 分钟后，关闭光源。将光源移至第二个距离处，并再次打开光源。 小心！实验中，光源温度升高。移动光源时要小心。 13. 针对 2 至 3 处附加距离重复本实验。 注意：实验中，为了避免干扰压力水平，不要触碰试管。 14. 轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

15. 轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

不同距离下，光照强度的测量 1.

将光传感器置于两支试管的接触线上。

2.

将传感器的开口正对光源中心。

3.

确保光传感器固定。

4.

将光传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的一个端口上。

| 47 |

|光对光合速率的影响| 5.

指令传感器按照下面的设置记录数据：

光传感器(0 – 150 000 勒克斯) 速度：

10/秒

时长：

1秒

1.

轻击运行按钮(

2.

准备一张表格，记录距试管不同距离的光照强度。

3.

轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

4.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

)，开始记录数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

为了计算净反应速率，您将需要从实验系统所得的压力图表中，减去控制系统所得的压力图表， 以此创建一张差值图表。

2.

选择工具栏上端的分析向导(

3.

选择函数下拉菜单中的差集。

4.

选择 G1 下拉菜单中的压力-1，选择 G2 下拉菜单中的压力-2.

5.

在名称编辑框中输入一个名称（例如：差值）。

6.

本实验中，会得出一组线性段，每段代表光源距试管的不同距离。

7.

当光源被移至一个特定距离时，选择图表上的一个点；当植物从这此距离移开时，再选择另一 个点，以此将线性段分离。

8.

)，并选择函数。

a.

对图表中选定的段应用线性拟合。

b.

选择线性拟合。拟合方程式将显示在 X 轴的下方。

c.

拟合线的斜率就是净反应速率。

对图表的每一线性段重复步骤 2。

下面显示的是本实验所获取图表的一张样图 （黑线是线性拟合）：

| 48 |

Pressure (mbar)

|光对光合速率的影响|

图2

填写下面的表格： 实验编号 1

距光源的距离(厘米)

斜率

光照强度(千勒克斯)

2 3 4 5

问题 1.

本实验中，光照强度是如何改变的？

2.

本实验中，为什么控制系统是必要的？

3.

描述光照强度对光合速率的影响：

4.



该速率取决于对所测整个光照范围的光照强度吗？



定义光照范围，在此范围中，光照是一项限制性因素。

试管中温度的上升可能对本实验的结果有怎样的影响？

| 49 |

|光对光合速率的影响|

进一步的建议 1.

检测光的波长对光合作用的影响。在试管和光源之间放置蓝色、绿色和红色的滤光片。

2.

在有限的光照强度下，伊乐藻群集的增加对光合速率有怎样的影响？

3.

设计一个实验，检测您的假设。

| 50 |

第六章

光对光合速率的影响：使用氧传感器

图1

| 51 |

|光对光合速率的影响：使用氧传感器|

介绍 光合作用为地球上的绝大部分植物生命提供食物。该过程用来自光的能量，将二氧化碳(CO2)和水转 化为碳水化合物，并产生释放到大气中的氧气。光，该过程的能量来源，被光合生物中的色素所吸 收。 在理想的二氧化碳浓度和温度条件下，光合速率取决于生物体的光合部分所吸收的光照强度。在距 离光源不同距离的光照强度反比与距离的平方。 𝑰=

𝟏 𝒓𝟐

(1)

此处： I =光照强度 r =距离光源的距离 本实验中，通过将光源放置在距实验系统的不同距离处，光照强度被改变。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



氧传感器



光传感器(三重范围)



可选的温度传感器(-40°C 到 140°C)



新鲜伊乐藻 9 克



明亮的光源(例如：150 瓦的卤素灯)



250 毫升锥形玻璃瓶



有一个孔的塞子，适用于氧传感器或有一个孔的塞子和纸粘土



升降台



1 公升平底水壶两个（玻璃或塑料）或组织培养瓶（滤热器）



0 - 2%的碳酸氢盐溶液

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

)。

| 52 |

|光对光合速率的影响：使用氧传感器|

2.

将氧传感器和光传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。 a.

光合速率可能会随着可用植物的品种和一年的季节而变化。因此，在测量光照强度对光 合速率的影响前，建议您在光照（光源和锥形烧瓶间的距离大约为 20 厘米）和碳酸氢 盐浓度为 0.5% - 1.0%的最佳条件下进行一次实验。

b.

设置一支 250 毫升的锥形玻璃烧瓶，瓶中装满碳酸氢盐溶液和大约 9 克的新鲜伊乐藻： i.

在锥形烧瓶顶部以下 5 厘米处画一条线。

ii.

将伊乐藻切为小段，并将它们彼此平行摆放，以确保最大程度地暴露在光照下。 将这些小段放入锥形烧瓶中。

iii.

在锥形烧瓶中装入碳酸氢盐溶液，最多装至标记线。

iv.

将氧传感器电极插入溶液中。电极应没入溶液中，并紧贴锥形烧瓶。

c.

使用氧传感器追踪释放到有碳酸氢盐溶液和植物的水中的氧气浓度。

d.

为了产生出合理的光合速率，锥形烧瓶中应保留约 5 毫升的自由空气。

e.

锥形烧瓶应紧密封，以防止氧气泄漏，可以用一个适合氧电极的单孔塞，或用纸粘土封 住锥形烧瓶的开口。

f.

光传感器被固定在锥形烧瓶后，以测量伊乐藻所暴露的光照强度。

g.

因为热量可以影响该反应速率，所以要将两支平底水壶放置于光源和锥形烧瓶之间，以 防止碳酸氢盐溶液受热。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据： 氧传感器 DO2 mg/L 速度：

每秒

时长：

5000 秒

光传感器 (0 – 150klux) 速度：

每秒

时长：

5000 秒

温度传感器 (-40°C 到 140°C)

| 53 |

|光对光合速率的影响：使用氧传感器|

速度：

每秒

时长：

5000 秒

步骤 1.

本实验中，光合速率是针对各种浓度的碳酸氢盐溶液所测得的。选择浓度范围为 0% - 2%的 4 至 5 种碳酸氢盐。用 0.5%的碳酸氢盐溶液开始本实验。

2.

在整个实验过程中，追踪平底水壶中的温度水平。如果水温急剧升高（5 分钟内升高 5 °C 以 上），则停止测量，并更换瓶中的水。

3.

实验开始前，建议您将装有伊乐藻的锥形烧瓶照射 5 分钟。用这种方法，溶液的氧气会饱和， 且氧气的释放能在实验开始时就立即测得。否则，会看到一段约 6 分钟的滞后期。

4.

轻击运行按钮(

5.

将光源置于所选择的最大距离，开始本实验。确保光对准锥形烧瓶。

6.

开启光源，追踪氧气的百分比水平。

7.

追踪光合速率 5-8 分钟，直到观察到一条直线为止。在距光源的远距离处，光合速率可能是非常 低的。

8.

5-8 分钟后，关闭光源。

9.

轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

10. 轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

)，开始记录数据。

11. 将光源移至第二个距离处，再次开启光源。 12. 在另外的 3 至 4 个距离处，重复第 4-10 步。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

用 0.5%的碳酸氢盐溶液进行本实验时，会获得一组线性段。每段线性段代表光源距锥形烧瓶的 不同距离。

2.

用光标选择差值图表的第一段。

3.

光标：您可以在一张图表上同时显示最多两个光标。

| 54 |

|光对光合速率的影响：使用氧传感器| a.

为了显示坐标值：选择一条曲线，或露出隐藏的 Y 轴，选择图表上的任一点。所选点的 坐标值将出现在 X 轴的下方。

b.

为了移动光标：沿曲线拖动光标。

c.

为了移除光标：选择此光标，并快速地将它向屏幕的任一方向拂去。

d.

选择图表上的任意两点，即可显示两组坐标间的差值，或选择一系列数据点。两组坐标 间的差值会显示在 X 轴的下方。

4.

5.

对图表的所选段应用线性拟合： a.

选择线性拟合按钮(

)。拟合方程式会显示在 X 轴的下方。

b.

拟合线的斜率就是净反应速率。

对图表的每一线性段重复第 1 和 3 步。

Oxygen (DO2 mg/L)

下面显示的是本实验所得图表的一张样图： 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

图2 6.

用光标从图表中读出光照强度，填写在下面的表格中：

实验编号

与光源的距离(cm)

斜率

1 2 3 4 5

| 55 |

光照强度(Klux)

|光对光合速率的影响：使用氧传感器|

7.

用 Excel 表格画一张图表，描述光照强度与光合速率（斜率）的关系。

8.

用浓度范围为 0% - 2%的每种碳酸氢盐溶液重复步骤 1-5。

问题 1.

本实验中，光照强度是如何改变的？

2.

描述光照强度对光合速率的影响。

3.

此速率取决于所测整个光照范围内的光照强度吗？

4.

定义光照范围，在此范围内，光照是一项限制性因素。

5.

实验过程中，锥形烧瓶内的温度上升会有什么影响？

进一步的建议 1.

检测光的波长对光合作用的影响。将蓝色、红色和绿色的滤光片放置于试管和光源间。用硬纸 板将试管盖住，以防止其他非实验光源的渗透。

2.

在有限的光照强度下，伊乐藻群集的增加会如何影响光合速率？

3.

设计一个实验，检测您的假设。

| 56 |

第七章

碳酸氢盐对光合速率的影响 使用压力传感器

图1

介绍 光合作用，一个让绝大部分的植物和树木制造碳水化合物的过程，既有光反应，也有暗反应。光反 应的发生需要光照，而暗反应则脱离光照。在这些暗反应中，CO2 被分解，或被固定，并被用于创造 碳水化合物。 光合作用所消耗 CO2 的主要来源是大气，大气中包含约 0.03%的 CO2。CO2 在水中的溶解带来了下面 的反应： (1)

H2 O + CO2 ⇌ H2 CO3 ⇌ HCO−3 + H +

该反应中所产生的碳酸氢盐离子，是光合作用暗反应中 CO2 的来源。 本实验中，我们测量不同 CO2 浓度下的光合速率。

| 57 |

|碳酸氢盐对光合速率的影响 使用压力传感器|

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



压力传感器两支(150 – 1150 毫巴)



温度传感器



50 毫升玻璃试管两支



适用于注射延长器、有一个孔的塞子两个



注射延长器两个*



三通阀两个*



支撑试管和传感器的有机玻璃支架



1 公升的平底水壶两个（玻璃或塑料）或组织培养瓶（滤热器）



新鲜伊乐藻两克



塑料小刀



明亮的光源（例如：150 瓦的卤素灯）



可选的温度传感器(-40°C 到 140°C)



0 - 2%碳酸氢盐溶液

* einstein™压力工具箱中包含的工具

设备设置 开启 MiLAB 按钮(

)。

1.

将压力传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

2.

照图 1 的图释组合设备。 a.

本实验采用两支 50 毫升的试管，其中一支用作控制装置。

b.

本实验所用到的碳酸氢盐溶液浓度在 0-2%的范围中变化。

c.

将一条重为 2 克、非常新鲜的伊乐藻枝条切为小段，该小段的长度要适合试管的尺寸。

| 58 |

|碳酸氢盐对光合速率的影响 使用压力传感器| 将这些伊乐藻段彼此并排放置，以确保最大限度地暴露在光照下。

3.

d.

向其中一支试管添加 2 克新鲜的伊乐藻。

e.

试管必须用橡皮塞完全密封。塞子和液面间，应留有非常少量的空气。

f.

将试管并排放置在光源前面。确保试管照射均等。

g.

一支 150 瓦的反射灯作为光源。将它放置在距试管 25 厘米远的地方。

h.

为了防止试管受热，将两支装满水的 1 公升平底水壶放置在光源和试管之间。

i.

在整个实验过程中，追踪壶中的水温（您可以用一支温度传感器）。

j.

将注射延长器插入每个塞子中（图 2）。

k.

将三通阀连接到每个注射延长器的另一端。

l.

将压力传感器与每个阀相连。

选择现有设置一览窗口中的完全设置，并用下面的表格设置实验。确保仅选择了测试方法 下的压力传感器和温度传感器。

图 3：三通阀-A 位置

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

压力传感器(150 – 1150 毫巴) 速度：

每秒

时长：

5000 秒

| 59 |

|碳酸氢盐对光合速率的影响 使用压力传感器|

步骤 检查实验设置：开始本实验前，确保试管紧密封。要获取更多详情，请看“密封”。 进行试验：

1.

本实验中，光合速率是在不同浓度的碳酸氢盐溶液下测得的。选择 0-2%浓度范围内的 4 至 5 种 碳酸氢盐溶液。用 0.5%的碳酸氢盐溶液开始本实验。

2.

确保实验开始时，两支试管都处于大气压力下。转动三通阀到 A 位置（见“密封”），再转回 到 B 位置。两支试管中的当前压力都应等于大气压力。

3.

开始实验前，建议您将装有伊乐藻的试管照射 5 分钟。用这种方法，溶液会达到氧饱和，且氧 气的释放在实验开始时就能立即测得。否则，将会看到一段大约 6 分钟的滞后期。

4.

由于本实验的持续时间相对较长（约 45 分钟），因此要将两支 1 公升的平底水壶放置在光源和 实验试管之间。

5.

在整个实验过程中，追踪平底水壶中的温度水平。如果水温急剧升高（5 分钟内上升 5°C 以上）， 则停止测量，并更换壶中的水。

6.

轻击运行按钮(

7.

测量实验开始和结束时，每支实验试管中的温度。温度不应升高 2°C 以上。

8.

追踪 MiLAB 图表窗口中的压力。

9.

追踪光合速率至少 8 分钟。

)，开始记录数据。

10. 将两支试管中的碳酸氢盐溶液倒掉，加入不同浓度的碳酸氢盐溶液。 11. 再测量反应速度 6 分钟。 注意：在整个实验中，保持使用同样的伊乐藻段。

12. 重复步骤 8-11 步 3 次以上。每次加入不同浓度的碳酸氢盐溶液。

13. 轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

| 60 |

|碳酸氢盐对光合速率的影响 使用压力传感器|

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

2.

3.

为了计算净反应速率，创建一张差值图表：用实验系统所得图表减去控制系统所得图表： a.

选择工具栏上端的分析向导(

b.

在函数下拉菜单中，选择差集。

c.

在 G1 下拉菜单中，选择压力-1；在 G2 下拉菜单中，选择压力-2。

d.

在名称编辑框中输入名称（例如：差值）。

)，选择函数。

对差值图表应用线性拟合： a.

选择线性拟合按钮(

)。拟合方程式将显示在 X 轴的下方。

b.

拟合线的斜率就是本实验所测得的脱水速率。

c.

拟合线的斜率就是净反应速率。

对图表的每一线性段重复步骤 2（每段代表碳酸氢盐溶液的一种不同浓度）。

下面显示的是本实验所获得图表的一张样图：

Pressure (mbar)

Pressure 1

Pressure 2

Subtract

图2 填写下面的表格： 实验编号

碳酸氢盐浓度 (%)

| 61 |

斜率

|碳酸氢盐对光合速率的影响 使用压力传感器|

4.

用 Excel 表格画一张图表，描述碳酸氢盐浓度与光合速率（斜率）之间的关系。

问题 1.

本实验中，您控制了什么？对细节进行说明。

2.

光合速率是如何受到碳酸氢盐浓度影响的？

3.

试管中温度的增加可能会如何影响测得的光合速率？

4.

预测持续添加伊乐藻段的影响： a.

在低碳酸氢盐浓度下的影响？

b.

在碳酸氢盐饱和水平时的影响？

进一步的建议 预测饱和水平以下、降低光照强度的影响？设计一个实验，检测您的假设。

| 62 |

第八章

测量光合作用中的葡萄糖合成

图1

介绍 光合作用是基础性的过程。通过此过程，植物和其他生物体用光能从二氧化碳和水中制造有机化合 物，比如糖（碳水化合物形式）。这些糖中，最重要的一种是葡萄糖。

葡萄糖合成取决于非生物因素，比如光照和温度，还取决于生物因素，比如植物叶片中的叶绿素水平 和植物暴露在光下的表面积。 本实验中，我们用色度计对陆生植物所合成的葡萄糖水平进行追踪。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



色度计



至少有 20-40 张叶片的植物（薄荷科、天竺葵属或素馨属都是很好的选择）



150 瓦反射灯

| 63 |

|测量光合作用中的葡萄糖合成|



带试管的支架



研钵和杵



1%葡萄糖溶液



丙酮



正己烷



40%的酒石酸钠钾溶液



%二硝基水杨酸溶液：



二硝基水杨酸 10 克（二硝基水杨酸）



2 g/L 的苯酚（可选，它可以加深颜色）



亚硫酸钠 0.5 克



氢氧化钠 10 克



加水至 1 公升



透明小容器



纱布



防护眼镜

*使用正己烷时，确保在化学通风厨下操作。

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将色度计连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的一个端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

第一次设置是为了校准，第二次设置则是为了进行测量。

5.

选择现有设置一览窗口中的完全设置，并用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下的 色度计传感器。

)。

| 64 |

|测量光合作用中的葡萄糖合成|

现有设置一览 为了校准色度计，设置为：

色度计 速度：

每秒

时长：

100 秒

1.

提取叶绿素，使用绿色滤光片；测定葡萄糖，使用红色滤光片。

2.

为了用色度计测量颜色，设置为：

色度计 速度：

10/秒

时长：

1秒

步骤 1.

照射您所选的植物，或在整个白天，将它置于室外。

2.

间隔一小时后，摘下 8 张叶片。

3.

叶绿素和葡萄糖提取的准备; a.

称量叶片。

b.

用研钵和杵将叶片捣碎。

c.

加入 10 毫升丙酮，再继续捣碎。

d.

通过纱布过滤提取物，并收集液体到试管中。

e.

加入 10 毫升正己烷。充分混合。

f.

加入 10 毫升自来水。充分混合。正己烷比水轻，且不溶于水。一层有叶绿素萃取物、 分开的绿色正己烷层将形成在水面。

| 65 |

|测量光合作用中的葡萄糖合成|

g.

将上层收集到一支试管中，并标记为“一小时”。

h. i.

从自来水层中收集 3 毫升，将它放入试管中，用于葡萄糖的测定。 标记它为“葡萄糖一小时。”

j.

分别在 2 小时、3 小时和 4 小时后重复步骤 a-h。

4.

测量您样本中的叶绿素浓度：

5.

用自来水稀释样本（稀释的程度取决于颜色的深度，但应至少为 1:3，以使色度计能读出颜色读 数）。

注意：您可以忽略叶绿素浓度的测量，而仅依赖于您的称量数据。

校准色度计： 1.

使用绿色滤光片。

2.

用自来水按 1:3 的比例稀释过的正己烷将作为空白溶液。

3.

4.

将空白溶液倒入透明小容器中，将色度计插入溶液中。 盖上容器，以免正己烷蒸发。

5.

紧紧盖上色度计盖。

6.

轻击运行按钮(

7.

旋转色度计旋钮，直到您收到 100%的传输为止。

8.

轻击停止按钮(

)开始记录数据。

)停止收集数据。

测量每种样本中的颜色: 1.

将每种样本倒入透明小容器中，在容器中插入色度计。

2.

紧紧盖上色度计盖。

3.

轻击运行按钮(

4.

设置是手动的；因此，您必须要为每个样本轻击运行按钮。

5.

轻击停止按钮(

)，对数据进行记录。

)停止收集数据。

测量您样本中的葡萄糖水平: 1.

将下面浓度的葡萄糖各 3 毫升装入 5 支试管中，画出一条标准曲线：

| 66 |

|测量光合作用中的葡萄糖合成| 2.

1%、0.5%、0. 1%、 0.05%和 0（空白溶液）。

3.

向每 3 毫升的葡萄糖溶液样本中，添加 3 毫升 1%的二硝基水杨酸溶液。

4.

用玻璃盖子或其他盖子盖住试管，以免溶液蒸发。

5.

将此混合溶液加热 10 分钟，到 90°C，直到出现棕红色。

6.

加入 40%的酒石酸钠钾 1 毫升。它可以使颜色稳定。

7.

在冷水中，将混合溶液冷却到室温。

校准色度计： 1.

使用红色滤光片。

2.

将空白溶液倒入透明小容器中，并插入色度计。

3.

紧紧盖住色度计盖。

4.

轻击运行按钮(

5.

旋动色度计旋钮，直到您接收到 100%的传输。

6.

轻击停止按钮(

)开始记录数据。

)停止收集数据。

测量每一样本中的颜色: 7.

将每一样本倒入一个透明容器中，并将色度计插入容器中。

8.

紧紧盖住色度计盖。

9.

轻击运行按钮(

)，使数据得以记录。

10. 设置是手动的：因此，针对每一样本，您都必须轻击运行按钮。

11. 轻击停止按钮(

)停止收集数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

画一条葡萄糖的标准曲线：透光率对葡萄糖浓度。

下面显示的是本实验所获取图表的一张样图：

| 67 |

Absorbance (%)

|测量光合作用中的葡萄糖合成|

| 68 |

|测量光合作用中的葡萄糖合成|

2.

用校准曲线测定符合您对每一叶片样本所测透光率的葡萄糖浓度。用您在所测时间点测定的浓 度完成一张如下所示的表格：

时间(小时)

3.

葡糖糖浓度

%吸收率

每克叶片重量的葡萄糖浓 度 (%/g)

用 Excel 表格画一张图表，呈现每克叶片的葡萄糖浓度随时间的变化。

问题 1.

描述显示随时间的葡萄糖合成图表。此图表是线性的吗？

2.

为什么计算每克叶片重量的葡萄糖浓度或叶绿素浓度是重要的？

3.

哪一个参数更准确：叶片重量或叶绿素浓度？做出解释。

4.

光合作用中，葡萄糖合成与氧气释放的关系是什么？

5.

光合作用中，温度对葡萄糖合成有什么影响？设计一个实验，测试您的假设。

进一步的建议 1.

保持植物在不同的光照强度下，测量对葡萄糖合成的影响。

2.

保持植物在关闭的透明房间里：在一个房间中加入氢氧化钾颗粒（氢氧化钾与二氧化碳反应， 并将它从自由空气中带走）。比较房间中的葡萄糖合成。

3.

比较不同植物的葡萄糖合成。

| 69 |

第九章

光对植物叶片中叶绿素水平的影响

图1

介绍 叶绿素是植物、藻类和蓝藻细菌中找到的一种绿色光合色素。叶绿素吸收阳光，并用它的能量从二 氧化碳和水中合成碳水化合物。 事实上，有五种类型的光合色素；每种都最有效地吸收光谱中不同部分的光。 叶绿素 a—绿色色素，充分吸收波长约在 400-450 毫微米（蓝色）和 650-700 毫微米（红色）。它是 最普通的色素，出现在每种进行光合作用的植物中。

叶绿素 b—绿色色素，吸收波长在 450-500 毫微米（蓝色） 胡萝卜素—橙色色素，充分吸收波长在 450-500 毫微米（蓝色）。 叶黄素—黄色色素，充分吸收波长在 400-530 毫微米 (蓝色-紫色) 脱镁叶绿素—灰色色素 胡萝卜素、叶黄素和脱镁叶绿素被成为辅助色素，因为它们吸收光，并将能 量转移给叶绿素。

| 70 |

|光对植物叶片中叶绿素水平的影响| 所有色素都不在绿-黄区充分吸收，这解释了为什么我们在自然界看到的绝大部分都是绿色，也就是 说，是反射绿光。光照强度影响植物中发现的叶绿素水平。 本实验中，叶绿素从暴露在不同光照水平的植物叶片中提取出来。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



色度计



透明小容器



研钵和杵



95%乙醇



有试管的支架



植物（每个品种至少 2 份）



防护眼镜

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将色度计连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的一个端口上。

3.

照上面图 1 的图释组合设备。

4.

选择现有设置一览窗口中的完全设置，用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下的色 度计传感器。

)。

有设置一览 为校准色度计，使用绿色滤光片。设置为：

色度计 速度：

每秒

时长:

100 秒

| 71 |

|光对植物叶片中叶绿素水平的影响|

用绿色滤光片提取叶绿素。 为了用色度计对颜色进行测量，设置为：

色度计 速度：

10/秒

样本：

1秒

步骤 1.

让植物(每个品种至少两份)在不同的光照强度下生长一周(或以上)，光照强度为： a.

全黑（在一个关闭的盒子或橱柜中）

b.

微弱光线（在一个阴暗角落里或遮蔽网下）

c.

全天日照（教室中接近窗口的位置）

2.

生长快速的植物如假叶树属、薄荷科植物，天竺葵和紫心木（紫罗兰）是最适合的。如果它们 的叶片足够大，嫩芽也会很不错。

3.

准备提取叶绿素：

4.

a.

称量 3 克叶片。

b.

用研钵和杵将叶片捣碎。

c.

加入 10 毫升乙醇，继续捣碎。

d.

收集染色的乙醇溶液，将它倒入试管中。如果颜色很浓，用乙醇将它稀释。盖上试管， 以免乙醇蒸发。

校准色度计： a.

用绿色滤光片。

b.

乙醇将用作空白溶液。

c.

将空白溶液倒入透明容器，并将色度计插入容器中。盖上容器，以免乙醇蒸发。

| 72 |

|光对植物叶片中叶绿素水平的影响|

1.

2.

d.

关闭色度计，并紧紧盖上。

e.

轻击运行按钮(

f.

转动色度计旋钮，直到它记录了 100%的传输。

g.

轻击停止按钮(

)开始记录数据。

)停止收集数据。

测量每种样本中的颜色: a.

轻击运行按钮(

b.

设置是手动的；因此，您必须对每一样本轻击运行按钮(

c.

对植物的每个品种进行一次单独测量。

d.

轻击停止按钮(

)停止收集数据。

e.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

)进行数据收集。 )。

对植物的每一品种进行一次单独测量。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

选择图表上的任一点，获取您所测每一植物品种在每种光照强度状态下的叶绿素水平。

2.

画一张图表，显示在每一植物品种中，您所测得的光照对叶绿素水平的影响。

3.

将用不同植物品种获得的结果进行比较。

Absorbance (%)

下面显示的是用紫心木叶片所获取图表的一个样图，这些叶片是从 4 种不同光照状态下长大的紫心 木上取得的（第一个结果是空白溶液的结果）：

l 图2

| 73 |

|光对植物叶片中叶绿素水平的影响|

问题 1.

为什么每一光照状态下，您应至少栽种每一植物品种的 2 株植株？

2.

为什么在完全相同的温度和水分条件下栽种所有植株是必要的？

3.

本实验中，非独立变量和独立变量各是什么？

4.

您所测得的光照强度对植物叶片中叶绿素水平的影响是什么？做出解释。

5.

在一年的不同季节里，您期望叶绿素水平有哪种变化？

进一步的建议 1.

将植物种植不同的时间段，观察叶绿素水平、叶片数量和大小的变化，以及全黑状态下生长植 物的效果。

2.

3.

改变光照条件：将全天日照下长大的植株移至微弱光线下，反之亦然。 追踪叶绿素水平随时间的变化。

4.

改变同一植株在光照下的暴露：用遮蔽网覆盖植株的不同部分，测量它们对植物中叶绿素水平 的影响。

5.

检测温度对叶片中叶绿素水平的影响。

| 74 |

第十章

萌芽种子的呼吸率

图1

介绍 萌芽是一个过程，在此过程中，种子、孢子和嫩芽发育成树木、植物、真菌等。这个过程需要大量 的能量。碳水化合物、脂肪和其他有机分子储存在种子中。这些化合物被分解为葡萄糖，然后，通 过细胞的呼吸，葡萄糖被进一步地分解，同时释放出需要的能量。呼吸过程中，氧气被消耗，而二 氧化碳被制造出来。 干种子以一个非常低的速率呼吸。添加到干种子的水分首先释放种子中所保留的气体，一个跟呼吸 完全无关的物理过程。但随着种子中水分含量的增加，呼吸率大幅加速。 通过追踪整个萌芽过程中的氧气消耗量，可以看到几个阶段。首先，当水分进入种子时，种子膨胀。 在此阶段，氧气消耗量以非常快的速率增加。 种子膨胀时，根和嫩枝开始生长。在此阶段，氧气的消耗率稳定。随着嫩芽的继续生长，氧气消耗 率又开始增加，且根部和嫩枝伸长。 最后，嫩芽开始长出叶片。在此阶段，它储存的绝大部分材料被耗尽，氧气的消耗率下降。 萌芽过程的速率和呼吸率取决于非生物因素，包括温度、氧气和二氧化碳水平，以及受到的光照。

| 75 |

|萌芽种子的呼吸率|

本实验中，我们将用压力传感器对萌芽种子、膨胀种子和干种子的氧气消耗率进行比对。 氢氧化钾用于带走呼吸过程中释放的二氧化碳。二氧化碳比空气更重。它落到试管的底部，并与氢 氧化钾反应。此种方式下，要防止二氧化碳堆积在试管中。因此，呼吸过程中，试管中所测得的空 气压力的改变仅由氧气浓度的改变所造成。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



压力传感器三个(150 – 1150 毫巴)



50 毫升试管三支



适用于注射延长器的单孔塞三个



注射延长器三支*



三通阀三个*



氢氧化钾固体 9 克



玻璃珠



种子（豌豆或菜豆）：干种子 60 颗、膨胀种子 45 颗、萌芽种子 35 颗

*einstein™压力工具箱中所包含的工具

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将压力传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

)。

a.

将注射延长器插入每个塞子中（图 2）。

b.

将三通阀连接到注射延长器的另一端。

c.

将压力传感器连接到每个三通阀上。

选择现有设置一览窗口中的完全设置，用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法中的压 力传感器。

| 76 |

|萌芽种子的呼吸率|

Figure 2 图2

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

压力传感器 (150 – 1150 毫巴) 速度：

每秒

时长：

2000 秒

检查实验设置： 步骤 检查实验设置：开始实验前，确保试管紧密封。要获取更多详情，请看“密封”。 进行试验： 1.

将试管编为 1-3 号。在每支试管的顶部下 5 厘米处画一条线。

2.

实验开始时，确保所有试管都处于大气压力下。转动三通阀到 A 位置（见“密封”），再转回 到 B 位置。试管中的当前压力应等于大气压力。

3.

向每支试管底部添加 3 克氢氧化钾。将玻璃珠完全盖住氢氧化钾，确保它与种子完全隔离。

4.

称量装有氢氧化钾和玻璃珠的试管。

| 77 |

|萌芽种子的呼吸率| 5.

向第一支试管添加干种子，向第二支试管添加膨胀种子，向第三支试管添加萌芽种子，在每支 试管中，添加至达到先前划线的位置为止。对所添加的种子计数，称量装有种子的试管。

6.

用带有注射延长器、连接了三通阀和压力传感器的塞子密封每支试管。

7.

轻击运行按钮(

8.

追踪 MultiLab4 图表窗口中的压力。

9.

轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

10. 轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

)，开始记录数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 对每条曲线应用一次线性拟合： 1.

选择图表中的任意两点，以选出数据点的范围。

2.

选择线性拟合函数(

3.

拟合线的斜率就是所测得的压力变化率，该变化率是由于实验中的氧气消耗而引起的。

4.

所用的单位是毫巴每秒。

5.

将斜率乘以 60，计算出每分钟的压力（毫巴）变化。

6.

将三支试管中得到的斜率进行比较。

7.

计算每支试管中种子的重量。

8.

计算每克种子重量的压力变化率。

)。拟合方程式将展现在 X 轴的下方。

问题 1.

描述从三支试管观察到的曲线。在整个实验中，它们是稳定的吗？所有试管的曲线是相似的吗？

2.

氧气的消耗量在哪支试管中最快？哪支最慢？

3.

解释不同试管中、氧气消耗率的差异。

4.

对比针对每支试管所算出的每克重量消耗率。哪支最快？与您绝对消耗率的比较有不同吗？

5.

解释我们用每克重量消耗率来表达氧气消耗量变化的原因。

| 78 |

|萌芽种子的呼吸率|

6.

预测温度升高对每支试管中氧气消耗率的影响。

7.

预测温度降低对每支试管中氧气消耗率的影响。

8.

影响氧气消耗的其他因素是什么？

9.

设计一个与此类似的实验，测量这些影响。

进一步的建议 1.

用一支氧传感器追踪种子在萌芽过程中的氧气消耗率。

2.

用不同植物的种子追踪萌芽过程中的氧气消耗。

3.

测量温度对种子萌芽的影响。

| 79 |

第十一章

测量萌芽种子在呼吸过程中 所释放的二氧化碳

Figure 1 图1

介绍 萌芽是一个过程，在此过程中，种子、孢子和嫩芽长成树木、植物、真菌等。这个过程需要大量的 能量。碳水化合物、脂肪和其他有机分子被储存在种子中。这些化合物被分解为葡萄糖，然后，通 过细胞的呼吸，葡萄糖再被进一步地分解，同时释放出必需的能量。呼吸中，氧气被消耗，而二氧 化碳被制造出来。 干种子的呼吸率非常低。向干种子添加的水分提高了它们的水分含量。膨胀种子中，呼吸加速，因 此也增加了二氧化碳的释放率。 当根部和嫩芽开始发育时，氧气的消耗率是稳定的。随着嫩芽的继续生长，以及根部和枝条的伸长， 氧气的消耗率再次增加。 本实验中，我们使用二氧化碳传感器，对豌豆的膨胀种子、干种子和萌芽种子，在呼吸中所释放的 二氧化碳量进行比对。

| 80 |

|测量萌芽种子在呼吸过程中 所释放的二氧化碳|

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



二氧化碳传感器



为二氧化碳传感器而设计的橡胶塞



为二氧化碳传感器和塞子的组合而设计的烧瓶



种子（豌豆或菜豆）：干种子 100 颗、膨胀种子 50 颗、萌芽种子 35 颗粒



天平

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将二氧化碳传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的一个端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

选择现有设置一览窗口中的完全设置，使用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下的 二氧化碳传感器。

)。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

二氧化碳传感器 速度：

每秒

时长：

2000 秒

步骤 1.

将 50 颗膨胀种子称重。

2.

将 50 颗膨胀的种子添加到烧瓶中。

| 81 |

|测量萌芽种子在呼吸过程中 所释放的二氧化碳| 3.

用塞子塞住烧瓶，将二氧化碳传感器插入塞子的孔中。确保烧瓶紧密封。

4.

轻击运行按钮(

5.

在 MultiLab4 图表窗口中，追踪烧瓶中二氧化碳水平的变化。

6.

用干种子重复步骤 1-5，再用萌芽种子重复步骤 1-5。

7.

轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

8.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

)，开始记录数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 对每条曲线应用一次线性拟合： 1.

选择图表上的任意两点，以选定数据点的范围。

2.

选择线性拟合按钮(

3.

拟合线的斜率就是所测得的压力变化率。这个变化率由实验中二氧化碳的释放所引起的。

4.

所用的单位是毫巴每秒。

5.

将三种不同类型种子的斜率进行对比。

6.

计算每克种子重量二氧化碳浓度的变化率。

)。拟合方程式将显示在 X 轴的下方。

下面显示的是本实验所得图表的一张样图：

CO2 (ppm)

膨胀豌豆

图2

| 82 |

|测量萌芽种子在呼吸过程中 所释放的二氧化碳|

问题 1.

相对于干种子和萌芽种子，描述一下膨胀种子所获得的曲线。

2.

哪组种子中的二氧化碳释放率最快？哪组最慢？

3.

解释二氧化碳释放率在三组种子中的差异。

4.

将对于每组种子每克重量所计算出的释放率进行比较。哪组最快？与您的绝对速率相比，有差 异吗？

5.

解释所释放二氧化碳的变化以每克重量的变化率进行表达的原因。

6.

预测每组种子中，温度升高对二氧化碳释放率的影响。

7.

预测每支试管中，温度降低对二氧化碳释放率的影响。

8.

影响二氧化碳释放的其他因素是什么？

9.

设计一个与此类似的实验，测量这些影响。

进一步的建议 1.

用一支氧传感器追踪萌芽过程中，与二氧化碳的制造相并行的、种子对氧气的消耗率。

2.

用不同植物的种子，追踪萌芽过程中所释放的二氧化碳。

3.

测量种子萌芽过程中，温度对所释放二氧化碳的影响。

| 83 |

第十二章

生物的催化作用：过氧化氢 在过氧化氢酶环境下的歧化反应

Figure 1 图1

介绍 当过氧化氢或 H2O2（3%）溶液被涂抹在损伤皮肤上对皮肤进行清洗时，过氧化氢歧化分解为水和氧 气。结果，溶液使劲地冒着泡。引起这个活跃反应的是被称为过氧化氢酶的这种酶，它充当的是生 物催化剂。这种酶的自然作用是阻止过氧化氢在鲜活有机体中的堆积，因为堆积过量会损伤机体组 织。过氧化氢是在有氧气参与的氧化反应中，形成于机体中的。 过氧化氢酶富含于许多有机体的组织中，包括微生物、动物和植物。

本实验中，我们使用压力传感器，对有酵母的过氧化氢溶液中的氧气释放进行观察及测量。

器材

| 84 |

|生物的催化作用：过氧化氢 

在过氧化氢酶环境下的歧化反应| 安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



压力传感器两支(150 – 1150 毫巴)



50 毫升的玻璃烧瓶两支



适用于注射延长器的单孔塞两个



2 毫升的塑料注射器*



注射延长器三支*



3%的过氧化氢溶液



干酵母 1 克

*einstein™压力工具箱中所包含的工具

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将压力传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

)。

a.

每个塞子插入一支注射延长器（图 2）。

b.

将三通阀连接到注射延长器的另一端。

c.

将压力传感器连接到每个三通阀上。

d.

在其中一个塞子上，插入另外一支注射延长器。稍后，一支装满了 3%过氧化氢溶液的注射 器将被连接到这支注射延长器上。

选择现有设置一览窗口中的完全设置，用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法中的压 力传感器。

| 85 |

|生物的催化作用：过氧化氢 在过氧化氢酶环境下的歧化反应|

Figure 2 图2

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

压力传感器(150 – 1150 毫巴) 速度：

每秒

时长：

500 秒

步骤 检查实验设置： 开始实验前，确保烧瓶紧密封。要获取更多详情，请看“密封”。 开始实验： 1.

称量干酵母 1 克。将它溶于 50 毫升水中。充分混合，以获得均相溶液。

2.

在塑料注射器中装入 2 毫升 3%的过氧化氢溶液。

3.

将烧瓶编为 1 号和 2 号。

| 86 |

|生物的催化作用：过氧化氢 在过氧化氢酶环境下的歧化反应| 4.

向 1 号烧瓶添加 8 毫升水和 2 毫升 3%的过氧化氢溶液。

5.

向 2 号烧瓶添加 4 毫升水和 4 毫升酵母溶液。轻轻地混合溶液。

6.

用塞子紧紧地密封烧瓶。

7.

2 号烧瓶：通过插入塞子的附加注射延长器，将装有 3%过氧化氢溶液的注射器与 2 号烧瓶相连。

8.

实验开始时，确保两支烧瓶都处于大气压力下。转动三通阀到 A 位置（见“密封”）。两支烧 瓶的当前压力都应等于大气压力。

9.

轻击运行按钮(

)开始记录数据。

10. 将过氧化氢溶液注入 2 号烧瓶中，并立即转动两支烧瓶中的三通阀，使空气停止流入烧瓶中（B 位置，见“密封”）。 11. 在 MultiLab4 的图表窗口中，追踪压力的变化。 12. 轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

13. 轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表

2.

计算每支烧瓶中压力的变化：最初的压力值是多少，最终的压力值是多少，两值之间的差值是 多少？ 用光标找出适当的值：

3.

为了计算净反应速率，创建一张差值图表：用实验系统所得的图表减去控制系统所得的图表：

1.

4.

a.

将一个光标放置在压力 1 图线（注入了过氧化氢的烧瓶）的开始处，另一个光标放置在图 线末尾处。

b.

选择工具栏上端的分析向导按钮(

c.

选择函数下拉菜单中的差集。

d.

在 G1 下拉菜单中，选择压力-1；在 G2 下拉菜单中，选择压力-2。

e.

在名称编辑框中输入名称（例如：差值）。

)，再选择函数。

对差值图表应用线性拟合： a.

用光标选择适当的范围。

| 87 |

|生物的催化作用：过氧化氢 b.

在过氧化氢酶环境下的歧化反应| 选择线性拟合。拟合方程式将显示在 X 轴的下方。

c.

拟合线的斜率就是净反应速率。

下面显示的是本实验所得图表的一张样图：

Pressure (mbar)

实验系统中的压力

控制系统中的压力

图3

问题 1.

本实验中，与过氧化氢歧化反应相关的压力是如何产生的？

2.

比较两支烧瓶中压力的变化。您观察到 1 号烧瓶、2 号烧瓶中的变化了吗？解释两者的差异。

3.

烧瓶中充当控制装置的是哪支？解释一下。

4.

本实验中，为什么控制系统是必要的？

5.

添加酵母溶液对试验烧瓶有什么影响？

6.

酵母的哪个部分对看到的影响有作用？您如何证明它？

7.

预测持续增加所添加的酵母量对反应速率的影响。

8.

预测试验中烧瓶温度的升高对过氧化氢歧化反应速率的影响。

进一步的建议 1.

向反应混合物添加越来越多的酵母，观察每次产生的反应。

2.

计算每次实验所获得的反应速率。

| 88 |

|生物的催化作用：过氧化氢 3.

在过氧化氢酶环境下的歧化反应| 将酵母过氧化氢酶的影响与其他有机体的影响进行对比：鸡或牛肝以及土豆泥。

4.

改变添加到反应混合物中的过氧化氢浓度，看它是如何影响反应速率的。

5.

观察反应过程中的温度变化。评估温度对过氧化氢歧化反应速率的影响。

6.

并列运行三个系统：一个控制系统、一个含有过氧化氢酶的组织和一个有化学催化剂的系统。

7.

通过将它们的影响和商业用过氧化氢酶的影响进行比对，评估不同组织中过氧化氢酶的量。

| 89 |

第十三章

酶对食物的影响： 蛋清蛋白在胃蛋白酶条件下的降解

图1

介绍 胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶是三种降解蛋白质的酶，这些蛋白质是在我们的食物中找到的。 三种酶中的每一种都能帮助打破蛋白质键合，而它们合在一起则能将蛋白质降解为基本的构筑快— 氨基酸和多肽酸，它们都很容易被肠道内膜所吸收。 胃蛋白酶是在胃的粘膜内层中制造出来的。最初，它以不活跃形式的胰蛋白酶原分泌出来。然后， 在极低的酸碱度下（1.0 - 3.0 的酸碱度），被转化为活跃形式的胃蛋白酶。胃蛋白酶的最佳活性是在 这个酸碱度范围中被发现的。 胃蛋白酶被用于奶酪和其他含蛋白质食物的制备中。 本实验中，我们将观察与胃蛋白酶接触的蛋清蛋白的降解。蛋清蛋白首先被加热制成一种混浊或不 透明的溶液。接下来，随着蛋白质的降解，溶液变得清澈。这一过程可以通过色度计进行测量。

| 90 |

|酶对食物的影响： 蛋清蛋白在胃蛋白酶条件下的降解|

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



色度计



酸碱度传感器



温度传感器(-40°C 至 140°C)



蛋清 1 份



100 毫升 0.2N 的氯化氢溶液



20 毫升胃蛋白酶溶液（使用一种每毫克固体约 525 单位、每毫克蛋白质 4470 单位的胃蛋白酶粉 末。将粉末溶于蒸馏水中。为了获得最佳活性，酶的浓度可以在 0.1% 与 0.5%之间变化。酶的浓 度应提前检查好）。



（实验室用）煤气灯



400-600 毫升的烧瓶



5 毫升和 1 毫升的吸液管



有 10 支试管的支架



透明容器



叉



纱布



木棒



防护眼镜

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将色度计、酸碱度传感器和温度传感器连接 到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照上面图 1 的图释组合设备。

)。

| 91 |

|酶对食物的影响： 4.

蛋清蛋白在胃蛋白酶条件下的降解| 选择现有设置一览中的完全设置，用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法中的色度计、 酸碱度传感器和温度传感器。

现有设置一览 指令传感器依据下面的设置记录数据：

色度计、酸碱度传感器或温度传感器 (-40°C 至 140°C) 速度：

每秒

时长：

500 秒

步骤 1.

制备蛋清溶液： a.

针对实验的这一步，确保仅温度传感器被选中。

b.

向装有 10 毫升蛋清的烧瓶中添加 40 毫升蒸馏水。

c.

用一把叉子快速地将它混合，用有四层的纱布将它过滤。

d.

轻击运行按钮(

e.

追踪 MultiLab4 图表窗口中温度的变化。

f.

将溶液加热到 55°C – 60°C（不要高于此温度），并不断搅拌，直到获得混浊的溶液为止。 在此阶段，溶液应象冲淡的牛奶。

g.

轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

h.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

)，开始记录数据。

该溶液是本实验中所用的基质。将它保存在一支小烧瓶中。 2.

校准色度计： a.

针对实验的这一步骤，确保仅选择了色度计。

| 92 |

|酶对食物的影响： 蛋清蛋白在胃蛋白酶条件下的降解|

3.

b.

用红色滤光片。

c.

制备一份空白溶液：将 1 亳升的酶溶液添加到 3 毫升的蒸馏水中。

d.

将空白溶液倒入透明容器中，将容器放入色度计中。合上色度计。

e.

轻击运行按钮(

f.

追踪色度计图表，并转动旋扭，直到您收到 100%的传输为止。

g.

轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

h.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

)开始记录数据。

准备如下的试管一支： a.

2.4 ml 蛋清溶液

b.

0.6 ml 0.2N 氯化氢

c.

1.0 ml 水

用酸碱度传感器测量该溶液的酸碱度：

4.

a.

针对实验中的这一步，确保仅选择了酸碱度传感器和温度传感器。

b.

使用温度传感器测量温度补偿。

c.

轻击运行按钮(

d.

溶液的酸碱度应在 2.0 - 3.0 的酸碱度范围中。如有必要，通过改变您添加的 0.2N 氯化氢的 量对酸碱度进行改变。

e.

轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

f.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

)，开始记录数据。

测量蛋白质降解率： a.

针对实验中的这一步骤，确保仅选择了色度计。

b.

将前面制备的蛋清溶液添加到一个透明容器中。

c.

轻击运行按钮(

d.

向容器中添加 1 毫升胃蛋白酶溶液。

e.

用木棒将它们充分混合，并立即将容器放入色度计中。

)，开始记录数据。

| 93 |

|酶对食物的影响： 蛋清蛋白在胃蛋白酶条件下的降解|

5.

f.

将色度计合好。

g.

追踪 MultiLab4 图表窗口中透光率的变化。

h.

轻击停止按钮(

)，停止收集数据。

i.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

用至少 2-4 种不同的酶浓度重复第 3-5 步。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

蛋白质的降解率由光透射的变化率计算而来。

2.

对差值图表应用线性拟合： a.

用一个光标选择图线的起点，另一个光标选择图线的末点。

b.

轻击线性拟合。拟合方程式将显示在 X 轴的下方。

c.

拟合线的斜率就是净反应速率。

Absorbance (%)

下面显示的就是本实验所得图表中的一张样图：

图2 准备一张图表，描述酶（或基质）浓度与蛋白质降解率之间的关系。

问题 1.

对您所准备的、显示酶（或基质）浓度与蛋白质降解率之间关系的图表进行描述。

| 94 |

|酶对食物的影响： 2.

蛋清蛋白在胃蛋白酶条件下的降解| 酶浓度的增加对蛋白质降解率有什么影响？

3.

基质浓度的增加对蛋白质的降解率有什么影响？

4.

预测用胃蛋白酶的另一种蛋白质的降解率。

5.

酸碱度的变化会如何通过胃蛋白酶影响蛋清蛋白的降解率？

进一步的建议 1.

在 1-10 的酸碱度范围内，测量酸碱度对胃蛋白酶活性的影响。用缓冲溶液，或添加不同量的 0.2 N 氯化氢 或 0.2 N 碳酸钠都可以。

2.

测量温度对胃蛋白酶活性的影响。在不同的温度下，培养基质与酶的混合物（在具有最佳活性 的浓度）。每 1-2 分钟提取数份样本，用色度计测量它们的透光率。

| 95 |

第十四章

酵母中的酒精发酵

Figure 1 图1

Introduction 介绍 所有存活的有机体都要通过细胞的呼吸获得必要的能量，以维持生命。在呼吸过程中，通过分解有 机分子中的化学键合，能量被释放出来。在好氧生物体中，能量的释放通过分子氧对己糖、葡萄糖 的氧化而发生；而在厌氧有机体中，其他的氧化剂则发挥作用。在厌氧条件下（较低的氧气浓度）， 一些有机体，包括酵母，从发酵过程中获得它们的能量。在乙酵发酵这一许多酵母品种的特性中， 发酵过程从葡萄糖的一个分子开始，产生出两碳乙醇，即酒精的两个分子和二氧化碳的两个分子： (1)

C6 H12 O6 ⟶ 2CH3 CH2 OH+2CO2

过程中所释放的二氧化碳溶解于水，形成碳酸。这种酸分裂形成碳酸氢盐和水合氢离子： (2)

CO2 + 2H2 O ⇌ H2 CO3 + H2 O ⇌ H3 O+ + HCO3−

In acidic solutions, the solubility of CO2 in water decreases, and it is released into the air.

In this experiment we observe changes in pH and CO2 release during yeast fermentation.

器材

| 96 |

|酵母中的酒精发酵| 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



压力传感器(150 – 1150 毫巴)



酸碱度传感器



50 毫升的玻璃烧瓶



有一个孔的塞子，可以插入酸碱度传感器



注射延长器*



三通阀*



干酵母 1.25 克



2%葡萄糖溶液 50 亳升



电磁搅拌器和搅拌棒



天平



纸粘土

* 包含在 einstein™压力工具箱中的工具

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将压力传感器和酸碱度传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上

3.

按图 1 的图释组合设备。

4.

)。

a.

将注射延长器插入塞子（图 2）。

b.

将三通阀连接到注射延长器的另一端。

c.

将压力传感器连接到三通阀上。

d.

在塞子上刺一个适合酸碱度电极的孔（见图 1）。小心地将酸碱度电极通过孔插入。为防止 空气通过此孔渗透，用一种像纸粘土这样的材料，密封酸碱度电极周围的缝隙。

在现有设置一览窗口中，选择完全设置并用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下的 压力传感器和酸碱度传感器。

| 97 |

|酵母中的酒精发酵|

Figure 2 图示

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

压力传感器 (150 – 1150 mbar )，酸碱度传感器或温度传感器 (-40°C 到 140°C) 每秒 速度： 2000 秒

时长：

步骤 检查实验设置：开始实验前，确保烧瓶紧密封。获得更多详情，请看“密封”。 进行实验： 1.

称量干酵母 1.25 克。将它溶于 50 毫升水。充分混合，以获得均相溶液。

2.

放入电磁搅拌棒，并向玻璃烧瓶中加入 25 毫升酵母溶液。

3.

轻击运行按钮(

4.

向烧瓶中添加 2%葡萄糖溶液 25 毫升，并开始搅拌。

5.

用塞子将烧瓶紧紧密封。

)，开始记录数据。

| 98 |

|酵母中的酒精发酵|

6.

追踪 MultiLab4 图表窗口中的压力水平和酸碱度。

7.

轻击停止按钮(

8.

转动连接在注射延长器上的三通阀，直到烧瓶中的压力回到大气压力水平。

9.

轻击保存按钮(

)停止记录。

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

用图表上的光标，测定烧瓶中压力和酸碱度的变化。最初的压力和酸碱度值是多少？最终的值 是多少？最初值和最终值之间的差值是多少？

2.

将酸碱度的变化与压力的变化进行比较： a.

本实验中，酸碱度变化明显的是什么阶段？

b.

本实验中，看到的压力变化是在什么阶段？

3.

对您所获得的酸碱度和压力的变化过程进行解释。

4.

为了计算二氧化碳的释放率，对压力图表应用线性拟合： a.

用一个光标选定这条图线的开始，用另一个光标选定图线的结尾。

b.

选择线性拟合。拟合方程式将显示在 X 轴的下方。

c.

拟合线的斜率就是二氧化碳的释放率。

下面显示的是本实验所获得图表的一张样图（红线是酸碱度图，蓝线是压力图）：

| 99 |

|酵母中的酒精发酵|

1150 Pressure 压力

1050 950

pH

750 pH 酸碱度

650

Pressure (mbar)

850

550 450 350 250 图3

150

问题 1.

实验过程中，与酵母发酵相关且关系到二氧化碳释放的压力是如何产生的？

2.

3.

酵母发酵的最佳酸碱度范围是多少？您的结论应以您在本实验中所获得的结果为基础。 对实验最初阶段，酸碱度降低是如何影响二氧化碳在水中的可溶性做出解释。建议用一个实验 来检测您的假设。

4.

实验过程中，烧瓶中温度的升高可以两种不同的方式影响二氧化碳的释放率：二氧化碳在水中 的可溶性和发酵率。对这两种影响做出说明。

进一步的建议 1.

添加越来越多的酵母到烧瓶中，观察每次用量的二氧化碳释放率。

2.

计算每个实验中获得的反应速率。

3.

比较不同的蔗糖浓度对发酵率的影响。

4.

比较不同类型的己糖（葡萄糖、果糖和半乳糖）到双糖（乳糖、蔗糖），计算每种糖所获得的 发酵率。

5.

在缓冲溶液中开始发酵实验（将酸碱度值设为 4.0）。

| 100 |

第十五章

温度对细胞膜渗透性的影响： 甜菜中花青素色素的释放

图1

介绍 细胞膜由结合了多种蛋白质的磷脂双层组成，这些蛋白质以流动镶嵌排列。细胞膜具有选择性的渗 透性。一些溶质自由地穿过膜，一些需要协助可以穿过（易化扩散），还有另外一些则根本不能穿 过。一加热，细胞膜的结构就可能被破坏，同时渗透性增强。 花青素是天然存在的化合物，能给水果、蔬菜和植物着色。它们将红色给予花蕾和嫩枝，紫色和紫 红色给予秋天的叶片。花青素是色素，它们被认为对所观察到的红色和蓝色水果和蔬菜中，较高的 抗氧化活性水平起着主要的作用。花青素在溶液中的颜色和稳定性极大地取决于酸碱度。在较低的 酸碱值下，它们最为稳定且颜色最深。随着酸碱度的升高，它们的颜色逐渐变淡。这种特性限制了 花青素作为一种较低酸碱度食品着色剂的应用。 本实验中，通过使用色度计测量释放到周围溶液的花青素量，我们追踪加热对甜菜细胞膜渗透性的 影响。

| 101 |

|温度对细胞膜渗透性的影响： 甜菜中花青素色素的释放|

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



色度计



温度传感器(-40°C 到 140°C)



透明容器



水浴或加热板



秒表



有 12 支试管的支架



5 毫升移液管



100 毫升烧杯三个



50 毫升试管三支



15 根柱状甜菜(应为实验前新准备的)



纸巾

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮 (

2.

将色度计和温度传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，并用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下、 步骤中所指定的传感器。

)。

现有设置一览 对于实验的第一部分，用一支温度传感器测量水温。

温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每秒

| 102 |

|温度对细胞膜渗透性的影响： 甜菜中花青素色素的释放| 500 秒

时长：

为了校准色度计，使用红色滤光片。设置为：

色度计 速度：

每秒

时长：

100 秒

步骤 甜菜柱的制备： 1.

准备 15 段柱状的甜菜（或立方体形）：3 厘米长，直径为 7-10 毫米。

2.

向三支 50 亳升试管的每一支中，添加 5 根柱状甜菜。加入 40 毫升自来水。

3.

观察并注意水的颜色。

4.

用自来水清洗柱状甜菜至少 5 次，直到水保持清澈。

5.

将三支 50 毫升的试管标记为 A、B 和 C。

6.

向每支试管中加入 20 毫升自来水。

7.

8.

9.

10.

如下培养每支试管 4 分钟： A 试管：室温（用温度传感器测量） B 试管：70°C 到 80°C C 试管：沸水

11. 在试管架上，为每一温度准备另外四支试管。将它们如下编号：1-4 号用沸水；5-8 号水温为 70°C to 80°C；9-12 号为室温。 12. 开始从每支 50 毫升试管中抽样。 a.

每分钟取 4 毫升样本。将这些样本放入标记为 1-12 的试管中。

b.

4 分钟后，将这些甜菜柱从每支试管中取出，并用纸巾将它们擦干。将它们放回试管中，同 时向每支试管加入 20 毫升自来水。将这些试管放在室温下 4 分钟。然后，从每支试管中了 出 4 毫升样本，将它放入透明容器中，测量颜色强度。

| 103 |

|温度对细胞膜渗透性的影响： 甜菜中花青素色素的释放| 注意：您可以单独测量每种温度的影响。在测量中，将未使用的甜菜柱一直放在自来水中。为了实 验，只在您开始实验前，对它们进行清洗。 13. 校准色度计： a.

用红色滤光片。

b.

自来水将作为空白溶液。

c.

将空白溶液倒入一个透明容器中，将容器放入色度计中。将色度计紧紧盖上。

d.

轻击运行按钮(

e.

转动旋扭，直到您接收到 100%的传输。

f.

轻击停止按钮(

)，开始记录数据。

)，停止数据记录。

14. 测量每份样本的颜色: a.

轻击运行按钮(

b.

设置是手动的；因此，每次您希望记录一个数据抽样时，您必须轻击运行按钮。

15. 轻击保存按钮(

)，使数据得以记录。

)，保存您的数据。

16. 针对每种温度，开始新的测量。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

针对每种温度，画出一条曲线。

2.

准备一张简单的表格，比较较高温度培养后再在室温培养时，所获得的甜菜柱颜色。将它与整 个实验过程中都处于室温下的甜菜柱相比较。

下面显示的是本实验中，四分钟培养结束时所获得图表的一张样图： 1

| 104 |

|温度对细胞膜渗透性的影响：

Absorbance (%)

甜菜中花青素色素的释放|

图2

问题 1.

解释当我们向新制备的甜菜柱中添加自来水时，要观察 50 毫升试管中颜色的原因。

2.

甜菜柱置于不同温度进行培养前，为什么我们要多次清洗它们？

3.

在每支试管中，您观察到了颜色随时间的什么变化？

4.

根据您的结论，温度对细胞膜的影响是什么？

5.

您期望在其他植物中也有类似的结果吗？解释一下。

6.

描述并解释将甜菜柱在较高温度培养后，再放入室温下的自来水中培养时，您所获得的结果。

7.

较高的温度加速了渗透率。本实验中，我们如何区分了对细胞膜的加速影响和所引起的损伤？

8.

假设温度对细胞膜渗透性的影响是线性的。它会随着温度的升高而增强吗？在较低的（凝固温 度）温度下，会发生什么？ 设计一个实验，测试您的假设。

9.

进一步的建议 1.

测量溶剂，如乙醇，对细胞膜渗透性的影响。将它与温度带来的影响进行对比 。

2.

测量酸碱度对花青素的影响。从蔓越橘或树莓果中提取花青素，将它们添加到水中，在 1-13 之 间调整该溶液的酸碱度。酸碱度为 5 时，花青素被不可逆地破坏了。确认在其他酸碱度下，颜 色的变化是否是可逆的。

3.

测量不同水果的花青素水平，以及不同的发育阶段下，植物其他部分的花青素水平。

| 105 |

第十六章

组织提取物中的酸碱度测量

Figure 1 图1

介绍 所有存活细胞的酸碱度都维持在一个非常有限的范围内。即使是超越此范围的最轻微变化，也能够 对细胞结构和它的成分造成巨大的损伤，而蛋白质是最敏感的。酸碱度的变化可以破坏蛋白质的三 维结构，由此抑制它们正常的功能。由于蛋白质对于细胞的正常功能至关重要，因此对蛋白质的损 伤能够导致细胞的死亡。 为了防止这样的危险，所有存活细胞都含有缓冲液，它是与酸反应的化学物质，也是维持细胞中稳 定酸碱度的基础。磷酸盐是最普通的缓冲液。然而，细胞的其他成分（包括核酸、蛋白质、脂肪和 小的有机分子）也可以充当缓冲液，与碱发生反应，并成为阻止它们影响细胞酸碱度的主要成分。 酸碱滴定法是一个通过测量已知浓度的酸或碱的体积，而测定出一种酸或碱溶液浓度的过程，已知 的浓度是为中和问题中的溶液所需要的。 本实验中，我们将通过与一种已经浓度的酸或碱溶液进行的滴定，测定出各种食物来源的组织提取 物的酸碱度，这些食物来源包括：土豆、鸡蛋、肝脏等。

| 106 |

|组织提取物中的酸碱度测量|

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



酸碱度传感器



计滴器传感器



温度传感器(-40°C 到 140°C)



食物样本：土豆、洋葱、酸苹果和鸡肝



厨房食物刨丝器



100 毫升烧杯



0.25 升烧杯



离心机



纱布块



电磁搅拌器和搅拌棒

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将酸碱度电极连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的一个端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

)。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

酸碱度传感器、温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每秒

时长：

2000 秒

| 107 |

|组织提取物中的酸碱度测量|

步骤 准备 100 毫升组织提取物： 1.

用土豆、洋葱或酸苹果

2.

用厨房食品刨丝器将它们擦成细丝。

3.

将一块纱布放在 0.5 升的烧杯上。

4.

收集组织提取物： a.

将擦成丝的组织置于纱布上。

b.

用另一块纱布盖住擦成丝的组织，并将它紧压。

5.

土豆含有大量的淀粉。为了去掉淀粉，将土豆提取物放置在台式离心机上 1-2 分钟。淀粉将会在 离心筒的底部。将上层物质收集起来。

6.

苹果提取物必须用自来水做 1:1 的稀释。

7.

对于肝脏提取物： a.

称量鸡肝 70 克。

b.

添加 150 毫升自来水，并在混料器中混合肝脏溶液。

c.

用台式离心机从提取物中分离出组织碎屑。

d.

收集表层物质，并添加自来水，使其体积达到 200 毫升。

8.

拧紧支架上计滴器的螺丝钉，使其牢牢地固定到位。

9.

确保塑料试剂罐的两支三通阀都处于关闭位置（水平）。

10. 将计滴器的试剂罐中装入 0.1 N 的氯化氢溶液。

11. 收集数据或校准滴数前，您应调整试剂罐两支阀的流速。暂时性地，将另一只烧杯置于试剂罐 开口的下方。首先，完全打开三通阀的底部；接下来，慢慢打开顶部的阀门，直到获得每秒 1 滴的非常慢的下滴。现在，关闭底部的阀门。

12. 向 100 毫升的烧杯中倒入 40 毫升的提取物，并将电磁搅拌棒放入烧杯中。

| 108 |

|组织提取物中的酸碱度测量| 13. 将酸碱度电极插入提取物中。 14. 开启电磁搅拌器，非常仔细地开始搅拌。确保搅拌棒不要碰到酸碱度电极。

15. 轻击运行按扭(

)，开始记录数据。

16. 打开计滴器底部的阀门，开始向提取物中添加氯化氢。 17. 测量流速：一分钟内，所添加到烧杯中的酸溶液量（毫升）。 18. 追踪酸碱度变化，直到屏幕上出现稳定的直线为止。 19. 用 0.1 N 的氢氧化钠溶液重复本实验。

20. 轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

数据分析 1.

要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表

2.

用第一个光标读出组织提取物最初的酸碱度。

3.

计算实验过程中，发生在滴定中的酸碱度变化范围。用光标找出被改变的酸碱度是多少，和变 化所在的时间段。

4.

计算到观察到变化为止，所添加的酸的量。

5.

测量到滴定完成为止，添加到组织提取物中酸的总量。

问题 1.

描述用酸滴定组织提取物中所记录的曲线。

2.

从这条曲线中，我们能了解到哪种信息？

3.

将所获得的酸滴定曲线与碱滴定曲线进行对比。它们是如何相似……不同?

4.

将添加到提取物中酸的体积与在两点所添加的碱的量进行对比。这两点是：滞后时间的结尾处， 和滴定完成时。

5.

对您的结果进行讨论。当酸或碱被添加到存活的细胞中时，它们能维持稳定的酸碱度吗？如果 能，能维持在什么范围？

6.

预测所添加的酸或碱浓度的变化对组织提取物的影响。

7.

存活细胞中的哪个过程能导致酸碱度的改变？

| 109 |

|组织提取物中的酸碱度测量|

进一步的建议 1.

用稀释过的酸或碱(0.01 N)滴定组织提取物。

2.

呈现作为所添加量函数的组织提取物酸碱度的变化。

3.

将用组织提取物所获得的滴定曲线与自来水和化学缓冲液（例如：磷酸二氢钠和磷酸氢钠的混 合液）所获得的曲线进行对比。

4.

测量不同类型流质食物的酸碱度。追踪酸碱度随时间和温度的变化。确认它们是否含有缓冲液。

| 110 |

第十七章

牛奶的酸化

图1

介绍 牛奶中，有两类主要的细菌： 乳酸菌：通常出现在牛奶中，在像奶酪和黄油这样的培养乳制品的生产中，也被用作发酵剂。 大肠菌群：最适宜在 37°C 生长的兼性厌氧菌。大肠菌群是指示生物；它们与致病菌的出现密切相关。 它们能引起牛奶的快速酸败，因为它们可以降解牛奶蛋白质并发酵乳糖，同时制造出酸和气体。 本实验中，我们追踪培养 30 小时以上牛奶的酸碱度变化。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate

| 111 |

|牛奶的酸化| 

1 公升的热水瓶（有一个开口，可以很好地密封，包括酸碱度传感器线缆）



牛奶

设备设置 注意：这是一个耗时较长的实验，因此要确保实验期间，USB 线缆与 einstein™ LabMate™相连，或 USB 线缆与充电线缆相连。 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将酸碱度电极和温度传感器与 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口相连。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，使用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方式下 的酸碱度传感器和温度传感器。

)。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

酸碱度传感器 速度：

每秒

时长：

2000 秒

温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每秒

时长：

2000 秒

步骤 1.

加热 750 毫升经巴氏消毒的牛奶，并使它的温度降到室温。

2.

将牛奶倒入热水瓶中。

3.

在牛奶中插入酸碱度电极，轻轻盖好热水瓶，以防 PH 线缆损坏。

4.

轻击运行按钮(

5.

培养 30 小时以后，您可以轻击停止按钮(

)，开始记录数据。

)，停止数据记录。

| 112 |

|牛奶的酸化|

6.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

用光标标记实验的起点和末点。测定过程中所测得的酸碱度变化范围。

2.

计算过程中所获得的酸碱度变化范围。用光标标记实验的起点和末点。

3.

对差值图表应用线性拟合： a.

用光标标记实验的起点和末点。

b.

选择线性拟合。拟合方程式会显示在 X 轴的下方。

c.

拟合线的斜率就是酸碱度的变化率。

pH

下面显示的是本实验所获得图表的一个样图：

图2

问题 1.

什么引起了牛奶酸碱度的下降？

2.

开始培养后，您立刻就观察到了酸碱度的下降吗？

3.

这种现象的原因可能是什么？

| 113 |

|牛奶的酸化|

4.

在整个培养期，酸碱度的变化率是恒定不变的吗？您为什么认为它是恒定不变的？

5.

将牛奶转移至热水瓶前，为什么有必要把牛奶加温，并将它的温度降至室温？

6.

将未经巴氏消毒法处理过的牛奶放入热水瓶中，培养 30 小时，会有什么结果？

进一步的建议 用未经巴氏消毒法处理过的牛奶或不同品种的奶（例如：羊奶）做类似的实验。 让热水瓶处于不同的温度（在冰箱里或培养箱中）。

| 114 |

第十八章

人体温度的规律 通过汗液制造的热 量散失： 陶罐

一 个模型系统

图1

介绍 在古代和现代，生活在炎热和干旱地区的迁徙部族将水存放于陶罐中。用这种方法，尽管水暴露于 高温下，它仍保持清凉。陶是一种有气孔的材料，可以让水渗漏。陶的这种特性与水的冷却是如何 相连的？这种现象背后的原理是什么？ 本实验中，我们将检测温度和湿度对陶罐中热量散失的影响。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



温度传感器两支(-40°C 到 140°C)

| 115 |

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失： 用湿度和温度传感器 在指尖测得的热量散失|



湿度传感器两支



250 毫升陶罐两个



陶罐盖两个，适合于罐。每个盖上刺一个能放入温度传感器的孔



塑料袋



1 公升热水(约 70°C)

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将湿度传感器和温度传感器连接到 einstein™ Tablet or einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，用下面的表格设置本实验。确保仅选择了测量方法下 的湿度传感器和温度传感器。

)。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

湿度传感器 速度：

每秒

时长：

2000 秒

温度传感器 (-40°C to 140°C) 速度：

每秒

时长：

2000 秒

| 116 |

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失： 用湿度和温度传感器 在指尖测得的热量散失|

步骤 1.

将一个陶罐放入一个塑料袋中。将湿度传感器放入塑料袋中的陶罐旁边。

2.

将另一只陶罐留在开放的空间中，并将湿度传感器放在它旁边。

3.

通过每个陶罐盖上的孔，将温度传感器插入陶罐中。

4.

轻击运行按钮(

5.

将热水倒入罐中(每只罐内约 200 毫升水)。

6.

将覆盖一支陶罐的塑料袋绑好。

7.

将实验进行 10 分钟，追踪室内和塑料袋中湿度的变化。追踪两支罐中的温度变化。

8.

10 分钟后，将覆盖罐的塑料袋取下。

9.

再追踪湿度和温度的变化 10 到 15 分钟。

)，开始记录数据。

10. 将您的 einstein™设备运行数小时，这些变化就可以追踪更长的时间段。记住相应地调整收集到 的样本数量。 11. 轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

用光标标记覆盖系统和暴露系统中，湿度和温度的变化过程：每个系统中的初始值是多少、最 终值是多少、两个值的差值是多少？

2.

用光标标记实验的开始与以下情形间的时间间隔： a.

每个系统中，温度开始下降时。

b.

在覆盖系统中，热量散失率发生变化时。

下面显示的是本实验所得温度图表的一个样图：

| 117 |

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失： 用湿度和温度传感器

Temperature (0C)

在指尖测得的热量散失|

图2

问题 1.

用塑料袋覆盖陶罐的影响： a.

对袋中所测得湿度的影响？

b.

对陶罐中水温变化的影响？

2.

对比两个陶罐中的温度变化：在两个罐中，您观察到类似的变化了吗？解释这种差异。

3.

打开塑料袋后，为什么袋中的湿度立即降低？

4.

最终，塑料袋中积累的水发生了什么？

5.

实验过程中，陶罐壁变得潮湿了。为什么？

6.

渗出陶罐的水发生了什么？

7.

针对从陶罐丢失热量的过程，您对本实验的结论是什么？

进一步的建议

| 118 |

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失： 用湿度和温度传感器 在指尖测得的热量散失|

1.

连接另一支温度传感器，将它放置于塑料袋中。追踪陶罐内温度发生变化的同时，袋中温度发 生的变化。

2.

制造陶罐周围的空气流（例如：用空调），追踪它对热量散失率的影响。

3.

用不同温度下的水开始本实验，比对每次实验中的热量散失率。

4.

增加环境的湿度，测量它对热量散失的影响。

5.

计算每个系统中的热量散失率。它应正比于 1/T2。

第十九章

| 119 |

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失： 用湿度和温度传感器 在指尖测得的热量散失|

人体温度的规律 通过汗液制造的热量 散失： 用湿度和温度传感器 在指尖测得的热量散失

Figure 1 图1

介绍 将我们的身体暴露在高温下或进行强体力劳动，会导致体温的上升。接近皮肤表面的血管充分地散 发热量。因此，体温升高时，皮肤内的血流量增多。为了帮助散发热量，汗液制造显著增多。这是 由散布在皮肤各处的 300 多万个汗腺完成的。汗液的制造和蒸发对于保持体温是必要的，但，如果 水分丢失没有通过饮水补充，它也会导致脱水。 本实验中，我们测量手温度的升高对通过汗液蒸发的热量散失的影响。

| 120 |

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失： 用湿度和温度传感器 在指尖测得的热量散失|

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



湿度传感器



温度传感器两支(-40°C 到 140°C)



塑料袋

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将湿度传感器和温度传感器连接到 einstein™ Tablet or einstein™ LabMate 的端口上。

3.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置。用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方

)。

法下的

4.

湿度传感器和温度传感器。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每秒

时长：

2000 秒

湿度传感器 速度：

每秒

时长：

2000 秒

| 121 |

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失： 用湿度和温度传感器 在指尖测得的热量散失|

步骤 1.

照前面图 1 的图释，将温度传感器放在您右手的手指上。确保您与温度传感器的顶端接触。

2.

轻击运行按钮(

3.

追踪您指尖的温度变化，直到它稳定为止（约 2-3 分钟时）。

4.

用塑料袋罩住握有温度传感器的这只手。

5.

将湿度传感器和另一支温度传感器放入袋中。

6.

将罩住您手的袋子系好，以防空气流进出袋子。

7.

追踪袋中湿度和温度的变化约 10 分钟。

8.

从您的手上取下塑料袋，将湿度传感器和温度传感器留在袋中。再追踪塑料袋中的湿度和温度 变化以及您指尖的温度 10 分钟。

9.

轻击保存按钮(

)，开始记录数据。

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

用光标标记手被塑料袋覆盖时的湿度和温度变化。每一参数的初始值、最终值，及两值间的差 值分别是多少？

2.

标记取下塑料袋后，湿度和温度的变化过程。

下面显示的是本实验所得图表的一个样图（黑线是温度，蓝线是湿度）： 80 ̶

70 ̶

60 ̶

50 ̶

40 ̶

30 ̶

20 ̶

10

Temperature (0C)

Humidity 湿度

̶

| 122 |

0

Humidity (%)

̶ Temperature 温度

人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失： 用湿度和温度传感器 在指尖测得的热量散失|

Figure 2 图2 拿掉塑料袋后，立刻检查您的手。是湿润的还是干的?

问题 1.

用塑料袋罩住手的影响： a.

对袋中测得的湿度水平的影响？

b.

对您指尖测得的温度水平的影响？

c.

对袋中测得的温度水平的影响？

2.

实验过程中，是什么引起了您指尖温度的变化？

3.

实验过程中，您观察到您皮肤的任何湿度变化了吗？对您的观察做出解释。

4.

取下塑料袋后，袋中的湿度为何立即下降？

5.

积累在袋中的水来源于什么？

6.

从手上取下塑料袋后，袋中积累的水分发生了什么？

7.

就以下问题，您能从本实验中得出什么结论： a.

您罩在塑料袋里的手正在变暖吗？

b.

取下塑料袋后，从您手上丢失热量的过程是怎样的？

进一步的建议 1.

将另外的一支温度传感器与您另一只手的指尖相连。

2.

将用塑料袋罩住的手中的温度变化与未罩住的手的温度变化进行对比。

3.

当手被罩在塑料袋内时，进行锻炼，测量运动对温度和湿度的影响。

4.

增加周围空气的湿度，测量它对热量散失的影响。

5.

在您手的附近，创造出空气流。取下塑料袋，立即测量对温度和湿度的影响。

| 123 |

第二十章

人体温度的规律 通过汗液制造的热量 散失： 用温度传感器在指尖测得的热量散失

图1

介绍 将我们的身体暴露在高温下或进行强体力劳动，会导致体温的上升。接近皮肤表面的血管充分地散 发热量。因此，体温升高时，皮肤内的血流量增多。为了帮助散发热量，汗液制造显著增多。这是 由散布在皮肤各处的 300 多万个汗腺完成的。汗液的制造和蒸发对于保持体温是必要的，但，如果 水分丢失没有通过饮水补充，它也会导致脱水。

本实验中，通过测量手温度增加对汗液蒸发的影响，我们观察热量的散失。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



温度传感器两支(-40°C 到 140°C)

| 124 |

|人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失： 用温度传感器在指尖测得的热量散失|



塑料袋

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将温度传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，用下面的表格设置本实验。确保仅选择了测量方法中 的温度传感器。

)。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每秒

时长：

2000 秒

步骤 1.

按照前面图 1 中的演示，将一支温度传感器贴附在您手的外侧，另一支则放于您的指尖。确保 您的指尖接触到了温度传感器的顶部。

2.

轻击运行按钮(

3.

追踪 MultiLab4 图表窗口中，您指尖的温度变化，直到温度稳定（约 2-3 分钟）。

4.

将握有温度传感器的这只手用一只塑料袋盖住。

5.

将罩住您手的袋子绑好，以防空气流进出袋子。

6.

追踪袋中的温度变化约 10 分钟。

7.

从您手上取下塑料袋。再追踪塑料袋中的温度变化，以及您指尖的温度 10 分钟。

8.

轻击保存按钮(

)，开始记录数据。

)，保存您的数据。

| 125 |

|人体温度的规律-通过汗液制造的热量散失： 用温度传感器在指尖测得的热量散失|

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

用光标标记手被塑料袋罩住时的温度变化。温度的初始值、最终值及两值之间的差值各是多少？

2.

标记取下塑料袋后，温度的变化过程。

3.

取下塑料袋后，立刻检查您的手：它是潮湿的还是干的？

问题 1.

用塑料袋罩住您手的影响是什么： a.

对在您指尖所测得的温度水平的影响？

b.

对塑料袋中测得的温度水平的影响？

2.

实验过程中，什么引起了您指尖的温度变化？

3.

实验过程中，您观察到您皮肤的任何湿度变化了吗？对您的观察做出解释。

4.

取下袋子后，袋中的湿度为什么立即下降？

5.

袋中所积累水分的来源是什么？

6.

从手上取下塑料袋后，塑料袋中所积累的水分发生了什么？

7.

就以下情形，您能从本实验得出什么结论： a.

您罩在塑料袋中的手正在变暖吗？

b.

取下塑料袋后，热量从您手上散失的过程是怎样的？

进一步的建议 将另外一支温度传感器连接到您的另一只手上。追踪被罩住的手和未被罩住的手中的温度变化。 1.

保持您的手在塑料袋中，同时进行锻炼。追踪锻炼对温度的影响。

2.

增加周围空气的湿度，测量它对热量散失的影响。

3.

在您手的附近，制造空气流。取下塑料袋，立即追踪空气流对温度的影响。

| 126 |

第二十一章

锻炼对人体的影响：温度和心率

图1

介绍 锻炼中，您的肌肉需要更多能量。它们通过燃烧葡萄糖或脂肪，这种能制造热量的燃烧，制造出这 种能量。然而，核心体温几乎保持不变。通过将热量散失到环境中，身体平衡了总的热量。 80%以上的这种热量，通过皮肤的表面散失。皮肤表面附近的血管散失热量。因此，通过增加皮肤中 的血液流量，热量散失被有效地实现。 本实验中，我们测量锻炼对体温和心率的影响。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



表面温度传感器(-40°C 到 140°C)



有发射带的心率（练习）传感器



盐溶液

| 127 |

|锻炼对人体的影响：温度和心率|

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将表面温度传感器和心率传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，用下面的表格设置本实验。确保仅选择了测量方法下 的温度传感器和心率传感器。

)。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

表面温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每秒 25 个样本

时长：

200 秒

心率传感器 (0 – 240 bpm) 速度：

每秒 25 个样本

时长：

200 秒

步骤 1.

将松紧带的一个塑胶端牢固地贴附在发射带上。

2.

用 4 滴盐溶液以 Z 形图案将发射带背面的两支电极条湿润。

3.

将发射带置于胸腔上。发射带应直接接触您的皮肤。检查发射带的 POLAR 标识居中，一定要让 带处于正确的位置。拉松紧带，以确保它紧密配合（见图 1）。

4.

将温度传感器放置于您的左耳垂下（不要挤压）。

5.

轻击运行按钮(

6.

追踪温度和心率的变化，直到它们稳定（在大约两分钟时）。

)，开始记录数据。

| 128 |

|锻炼对人体的影响：温度和心率|

7.

实验正确进行约两分钟。

8.

完成锻炼后，再追踪温度和心率变化 1 至 2 分钟。

9.

轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

问题 1.

您所开展的锻炼有什么影响： a.

对在您耳垂所测得温度的影响是什么？

b.

对您心率的影响是什么？

2.

什么引起了温度和心率的变化？

3.

锻炼后，您观察到温度和心率有什么变化？两个参数都回到了锻炼前所记录的水平吗？对您的 观察做出解释。

4.

就以下情形，您能从实验中得出什么结论： a.

肌肉活动后，体温的变化？

b.

肌肉活动后，心率的变化？

c.

两个参数之间的联系？

进一步的建议 1.

同时比较两只耳垂的温度变化。

2.

开展不同类型的锻炼，测量它们对您在您耳垂所测得的心率和温度的影响。

3.

将您的数据与您同学的数据进行比对。

| 129 |

第二十二章

人在呼吸中所呼出的二氧化碳量

Figure 1 图1

介绍 呼吸系统有两个主要的作用：将血液中的二氧化碳换为氧气，并通过对二氧化碳水平的管理，维持 稳定的血液酸碱度。 静止时，我们每次呼吸大约交换 0.5 升的空气。这是呼吸气。深呼吸时，我们能够最多吸入 3 升空 气。这被称为呼吸的储备空气。在一次正常呼气的结尾，我们能努力呼出另外 1 升的空气。这是呼 吸的储备体积。而且，在我们的肺里，还有保留不变的 1.5 升空气。这是余气量。 静止时，我们每分钟呼吸平均 8 升的空气体积（一次呼吸中，平均交换 0.5 升空气，乘以每分钟 16 次呼吸）。在剧烈的体力劳动中，我们能一次呼吸交换 4 升空气。这就是肺活量，是我们整个的呼 吸储备体积。 大气中，二氧化碳的浓度是非常低的，仅为 0.03%。然而，在肺中，此浓度上升到高达 7%，而从肺 呼出的空气中，二氧化碳的浓度则达到 5.1%。 本实验中，呼出的空气在氢氧化钠溶液中冒出气泡。二氧化碳在水中的溶解导致了下面的反应：

| 130 |

|人在呼吸中所呼出的二氧化碳量|

(1)

CO2 + 2H2 O ⇌ H2 CO3 + H2 O ⇌ H3 O+ + HCO3−

+

H3O 离子同氢氧化钠反应，改变了溶液的酸碱度。本实验中，通过使用一支酸碱度电极，我们 测定一分钟内呼出二氧化碳的量。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



酸碱度传感器两支



温度传感器两支* (-40°C 到 140°C)



二氧化碳传感器（可选）



500 毫升烧瓶两支



塞子两个



短管两支（6 厘米长）



长管两支，可以通过塞子插入，并能达到烧瓶底部。管的直径应足够大，以能进行正常呼吸 （直径约为 6 毫米）



30 厘米长的硅胶管两支



500 毫升 0.04%的氢氧化钠溶液



0.5%的酚酞溶液



防护眼镜

*温度传感器是为了弥补酸碱度读数而使用的。

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将酸碱度传感器和温度传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

确保长管没入溶液中，但不要触到烧瓶底部。确保短管不没入溶液中。

)。

| 131 |

|人在呼吸中所呼出的二氧化碳量|

5.

向第一支烧瓶添加 200 毫升自来水（直接盛装您呼出空气的那支烧瓶）。

6.

向第二支烧瓶添加 400 毫升自来水（这是一个二氧化碳陷阱：在第一支烧瓶中没有溶解的 二氧化碳，将通过连接管到达第二支烧瓶。这些二氧化碳将在包含了大量溶液的第二支烧 瓶中溶解）。

7.

向每支烧瓶中添加 1 毫升 0.5%的酚酞指示溶液，再加入 1 毫升 0.04%的氢氧化钠溶液。

8.

充分混合。

9.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置。用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法 下的酸碱度传感器和温度传感器。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

酸碱度传感器 速度：

每秒

时长：

1000 秒

温度传感器 (-40°C 到 140°C) 每秒

速度：

步骤 1.

本实验中，两支烧瓶都用于诱导呼吸过程中所呼出的二氧化碳。空气被呼出进入到一支与第一 支烧瓶相连的硅胶管中。呼出的空气通过硅胶管，进入没入第一支烧瓶溶液的长管中。

2.

另一支烧瓶用于诱导未在第一支烧瓶中溶解的二氧化碳。这支烧瓶中的长管被一支硅胶管连接 到第一支烧瓶的短管上。

3.

每支烧瓶中插入一支酸碱度传感器。在塞子的侧边开一个能固定电极线缆的小槽。确保电极达 到烧瓶的底部。

4.

在第二支烧瓶中，如果您希望保证二氧化碳不泄漏到溶液上面的自由空气中，就不要用塞子将

| 132 |

|人在呼吸中所呼出的二氧化碳量|

烧瓶塞好。取而代之，用二氧化碳传感器的塞子，并在塞子的沟槽中插入酸碱度电极线缆和长 管。 5.

当您测量酸碱度时，追踪酚酞指示溶液的颜色变化。将烧瓶放置在一张白色的纸上，使颜色的 变化更加显著。

6.

轻击运行按钮(

7.

仅用您的鼻子吸入空气。仅用嘴连续呼出空气 30 秒。呼吸应是平常状态。开始测量前，您要练 习数次。

8.

测量过程中，对您吸入和呼出空气的次数计数。每分钟应为 14-16 次左右。

9.

30 秒后（或者，如果您用传感器测量二氧化碳水平，当二氧化碳开始上升的时候），停止通过 管道的呼吸。让瓶中的酸碱度保持稳定约 30 秒。然后，将塞子和二氧化碳传感器从烧瓶中取下。

)，开始记录数据。

10. 向每支烧瓶中添加 0.04% 的氢氧化钠溶液，并将它们仔细混合，直到酸碱度回到初始水平（通 常需要 20 毫升以上）。确保测量并记录了回到初始酸碱度值所需的量。您可以使用一支滴定管 来实现二氧化碳与氢氧化钠溶液的滴定。 11. 添加到自来水中的氢氧化钠制成了一种碱性溶液。指示剂，酚酞，在碱基条件下是粉红色的， 而在中性酸碱度条件下会变为无色。 12. 至少重复测量两次。每次用新鲜自来水和氢氧化钠溶液替换烧瓶中的溶液。 13. 轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更对信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

测量每支烧瓶中的酸碱度变化。用光标找出恰当的值。

pH

下面显示的是本实验所得图表的一张样图：

图2

| 133 |

|人在呼吸中所呼出的二氧化碳量|

2.

为了找出每分钟呼出的二氧化碳量，计算您为了让酸碱度值回到初始水平所必须要添加的氢氧 化钠的量。（如果您通过吹嘴呼吸 30 秒以上，要相应地修正计算）。1 毫升 0.04%的氢氧化钠 滴定 10 微摩尔的二氧化碳。

3.

为了计算所呼出二氧化碳的总量，您必须将两支烧瓶所添加 0.04%氢氧化钠的体积相加，再乘以 10。接下来，乘以 2，以测定一分钟所呼出的二氧化碳量。

4.

一分钟所呼出的二氧化碳（微摩尔）=0.04%氢氧化钠的总体积 x 10 x 2

5.

二氧化碳分子的重量是 44 克。

6.

一分钟呼出二氧化碳的重量（微克）=以微摩尔为单位的二氧化碳量 x 44

7.

如果二氧化碳是被释放到自由空气中，并通过传感器测量，将此量与二氧化碳的总量相加(400 ppm = 72 微克 CO2)。

8.

计算您的平均结果：您在一分钟呼吸的次数，以及您一分钟内呼出二氧化碳的量。

问题 1.

为什么曲线起初是平的，仅过了一会儿，开始往下？

2.

解释实验期间，在两个烧瓶中所看到的颜色差异。为什么第一支烧瓶中颜色的变化比第二支烧 瓶中的更明显？

3.

为什么建议您测量释放到第二支试管溶液上部自由空气中的二氧化碳？

4.

将您的结果与班级里其他同学的结果作对比。您们都得到类似的结果了吗？可能引起变化的因 素是什么？

5.

预测体力劳动对所呼出二氧化碳量的影响。做出解释。

进一步的建议 1.

对比静止时和体力劳动后所呼出的二氧化碳量。在此实验中，在一个更短的时间段中呼出空气， 或向烧瓶中添加更大量的溶液。

2.

对比男性和女性所呼出的二氧化碳量。

3.

对比运动员和非运动员所呼出的二氧化碳量。

4.

用一支肺活量计（一种测量空气流体积的传感器）测量不同条件下所呼出空气的体积。

| 134 |

第二十三章

静止时和活动后的心电图

图1

介绍 心电图（心电图）是一个测量心脏肌肉收缩的过程，通过使用位于身体不同位置的电极进行。 离子和带电的分子，如钾、钙和氯，以及带电的蛋白质分子都被包含到了心肌的去极化和复极化中。 这一过程可以用皮肤表面的电极记录。心脏电活动的一次记录被成为一次心电图（EKG）。 心脏传导系统的细胞将自发地去极化。这种自发地去极化，在右心房上壁所包含的心肌细胞群中是 最明显的。这组细胞被称为起搏器（也称为窦房或 SA 结）。起搏器的去极化产生出一种电流，使所 有其他心肌细胞都去极化。心肌的去极化触发了心肌的收缩。去极化波足够快地从右心房来到左心 房，两个心房同时自发地收缩。 心房和心室被连接的组织电气性地隔离，这些组织发挥的作用就像电线上的绝缘体。心房的去极化 不会直接影响心室。在有心房中有另一组肌肉，被称为房室或 AV 结，经由一束特别的传导纤维（被 称为希斯氏束），它会将去极化向下传导到心室去。心室的肌肉壁包含有浦肯野纤维，它是一种特 殊的肌肉纤维系统，几乎能引起心室所有部分自发地去极化。这一过程造成短时的延迟，因此心房 收缩后、心室收缩前，有一次短暂的暂停。因为心肌细胞都是互相连接的，这个去极化波、收缩和 复极化会扩散至所有被连接的心脏肌肉。 当部分心脏被极化，而相邻的部分被去极化时，一股通过身体运动的电流被创建出来。当心脏相连 部分的一半被极化，且相邻的那一半没有极化时，这种电流是最强的。当极化组织对非极化组织的 比小于 1 比 1 时，电流下降。这些电流的变化可以随时间被测量、放大并画出图线。心电图展现了 在身体表面所测得的、来自心脏的所有活动潜能的总和。它并不直接测量心脏的机械性收缩。

| 135 |

|静止时和活动后的心电图|

原发于窦房结的脉搏引起心房收缩，迫使血液流入心室。这次收缩后不久，由于信号从心房传导给 心室，它们收缩。血液通过主动脉和肺动脉离开心室。心肌细胞的极性回复正常，心搏周期再次开 始。

心电图： 心电图(EKG)是心脏电活动的一种图表化追踪。一张典型的追踪由产生于重复命令中的一系列波形组 成。这些波形从一条被称为等电线的平坦基线开始。任何对等电线的偏离都揭示了电活动。 一张普通心电图上的五种主要偏离被指定为字母 P、Q、R、S 和 T。一个心搏周期是由一组从 P 波开 始、QRS 复合波接续，并以 T 波结束的波形代表的。P 波代表心房的去极化，与它们的收缩相关。 QRS 复合波由三种波组成。第一次负偏离是 Q 波，接下来是被称为 R 波的正偏离。复合波以众所周 知的 S 波的负偏离结束。QRS 波复合揭示了心室的去极化，与它们的收缩相关。心房的复极化在心 室去极化过程中发生。为此原因，与心房复极化相关的波形在心电图上不能测得。最后一波被称为 T 波，通常由正偏离所代表。T 波指示了心室的复极化。 电能也是由骨骼肌肉产生的，可以被视为肌电伪迹，例如，如果您的手臂在绑上心电图时移动。从 P 波到 T 波的顺序代表了一个心搏周期。一分钟内的周期数被称为心率，静止时，典型的每分钟心 率是 70-80 次。心电图每部分的一些典型时间是： P-R 间隔：0.12 到 0.20 秒 QRS 间隔：不到 0.1 秒 Q-T 间隔：不到 0.38 秒 主动运动过程中，呼吸率和每次呼吸的空气体积显著增加，因为身体需要更多的能量，这些能量仅 能通过更多的氧气量释放出来。

器材

| 136 |

|静止时和活动后的心电图|



安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



心电图传感器



三片心电图电极片

设备设置 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将心电图传感器和肺活量计连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，用下面的表格设置本实验。确保仅选择了测量方法下 的心电图传感器和肺活量传感器。

)。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

心电图传感器 (0 - 5 V) 速度：

每秒 100 个样本

时长：

50 秒

步骤

| 137 |

|静止时和活动后的心电图|

图2

1.

用三片心电图电极片：

2.

因为由心脏产生的电信号和在皮肤表面测得的电信号都是非常微弱的，所以电极片与皮肤的良 好接触是非常重要的。用纸巾擦拭电极片会贴附的皮肤区域，去掉死皮和油脂。

3.

从背纸上剥下三片电极片。

4.

将每个电极放置于手臂部分的内侧（更接近于身体），电极片边缘的标签指向下方。用此种方 法，传感器的电线能够随意悬垂，而不会在电极片的边缘扭结。

5.

牢固地将第一个电极放置于右手腕（见图 2）。

6.

将第二个电极放置于第一个电极上方几厘米远处。

7.

将第三个电极放置于左手腕的内侧。

8.

将传感器三条引线上的微型鳄鱼夹连接到电极片边缘的标签上。

9.

a.

将标签标示为 R.A.（右手）的两根引线连接到右手电极片上。

b.

将标签标示为 L.A.（左手）的引线连接到左手电极片上。

采取一个舒适的位置，以便测量期间，您不需要移动。电极对运动非常敏感。

10. 轻击运行按钮(

)，开始记录数据。

11. 轻击保存按钮(

)，保存您的数据。

12. 开展一些锻炼，再重复步骤 3-5。

数据分析 1.

测量静止位置和锻炼后的心电图参数。

| 138 |

VOLTS

|静止时和活动后的心电图|

图3

在光标的协助下，进行下面的测量（见图 3）： 项次

时间-静止（秒）

时间-锻炼（秒）

0.120 to 0.200 0.120 到 0.200 Under 0.100 低于 0.100 Under 0.380 低于 0.380

P-R QRS Q-T

2.

典型时间（秒）

您的结论是什么？

进一步的建议 1.

将您在不同体位下的心电图和呼吸参数进行比较（站立、坐下和躺下）。

2.

将您与您一些朋友间的差异进行比较。活动中，小心不要让您的身体过度紧张。

| 139 |

第二十四章

拥挤的城市地区对微气候的影响

图 1：一张公园地图上的线路和站点

介绍 拥挤的城市区域通常具有热岛的特性：升高的当地温度和辐射强度是令人不快的微气候条件的标志。 拥挤的交通（在其他因素中）增加了这种效应。植被降低了温度，增加了相对湿度。因此，城市的 公园和绿地面积能显著地改善城市的微气候，尤其在炎热的地区。本实验中，我们将就温度和相对 湿度，对比有着拥挤交通、人口密集的城市区域与城市公园。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



温度传感器(-40°C 到 140°C)



湿度传感器



辐射防护屏



180 厘米长的木杆或塑料杆

| 140 |

|拥挤的城市地区对微气候的影响|



实验将发生区域的大比例尺地图

设备设置 1.

将湿度传感器和温度传感器放入辐射防护屏内。

2.

将辐射防护屏贴附在杆的顶端。

3.

开启 MiLAB 按钮(

4.

将湿度传感器和温度传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

5.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下的 湿度传感器和温度传感器。

)。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

湿度传感器 速度：

10/秒

时长：

1秒

温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

10/秒

抽样：

1秒

步骤 1.

至少选择城市郊区的两处地方或海边。

2.

在地图上，画一条经过绿化带任一边上集群地区的线路，和一条通过绿化区域中心的线路。线 路不必是直的。它可以，例如，是沿着一条道路的。在绿化区内，线路穿过一片植被，即草地 和近旁的树荫（图 1）是很重要的。

| 141 |

|拥挤的城市地区对微气候的影响|

3.

在线路中，选择您将进行测量的 15 个地方。这些地方应以大约相等的距离分开，且包括各种面 积（即在集群地区和在绿化区内）。

4.

轻击运行按钮(

5.

手动修正数据：每次您希望记录一个数据抽样时，轻击运行按钮。

6.

收集第一次数据抽样前，等待 60 秒。

7.

走到 2 号位置。等待 60 秒，收集第二个数据抽样：轻击运行按钮(

8.

对每一个位置，重复手动记录步骤。等待 60 秒，轻击运行按钮(

9.

在最后一个位置记录数据后，轻击停止按钮(

)，使数据得以记录。

10. 轻击保存按钮(

)。

)，记录数据抽样。

)，停止数据记录。

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 下面显示的是本实验所获得图表的一个样图（湿度是红色曲线图，温度是蓝色曲线图）： ̶ 30 ̶ 28 ̶ 26

湿度

̶ 22 ̶ 20

温度

̶ 18 ̶ 16 ̶ 14

图2

1.

对比相对湿度曲线和温度曲线。两者之间有相互关系吗？

| 142 |

Temperature (0C)

Humidity (%)

̶ 24

|拥挤的城市地区对微气候的影响|

2.

根据区域特征，即道路街渠、汇接点、主路、支路、草坪、树木等，分析每一位置的温度和相 对湿度值。

3.

比较各种类型位置的测量结果。

问题 1.

拥挤建筑附近，影响温度和相对湿度的位置特征是什么？考虑在街道方向、街道和人行道材料， 以及吹来的海风等方面的差异。

2.

交通拥挤的地区是如何影响温度和相对湿度的？

3.

讨论城市公园对周围群集区域的气候影响。将它与远离公园的区域进行比较。

4.

用城市公园内不同的地块，例如，沙地、草地、灌木、高大的树下和浓密的树下，您找到了温 度和相对湿度方面的什么差异？在绿化区内使用的哪种地块对于降低温度最有效？

5.

您会鼓励您所在地的政府/市政投资绿化区到什么程度，或是在居民区限制交通到什么程度？您 会怎样从气候适宜的观点，解释这样做的重要性？您会提出赞成绿化区扩大和限制交通的什么 其他的论据？

进一步的建议 1.

将辐射屏蔽器内的温度传感器替换为温度 TC-K 传感器，并改变记录速度为每秒 1 次抽样。这将 带来对温度变化的一个快速反应，且能被用于，例如，测量公车来和走时，汽车站附近的温度 变化。

2.

将辐射屏蔽器内的温度传感器替换为温度 TC-K 传感器，并改变记录速率为每秒 1 次抽样。慢慢 步行，并站立在一家使用了空调的商店门口。向靠近空调的通风口移动。在街道水平上，这些 因素可能对温度起到了什么影响？

3.

测量一条街道的背光面与阳光面的温度差值。

4.

比较同一条路线和位置在不同的季节和一天的不同时间的测量结果。

| 143 |

第二十五章

自然通风对室内环境的影响

图 1：位于适当教室中的气象站

介绍 影响室内环境的因素之一是通风。通风取决于风速和开口的尺寸和位置，例如窗和门。有效的自然 通风能够降低室内温度、改善舒适度和环境质量。本实验中，我们将调查自然通风的影响。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



温度传感器(-40°C 到 140°C)



湿度传感器



风速计（风速传感器）

| 144 |

|自然通风对室内环境的影响|

设备设置 1.

选择一间至少有两个面向不同方向开口的教室。理想情况下，一个开口应面向最大风力方向。

2.

将传感器放置于教室中央。

3.

将传感器贴附于 1 - 1.5 米高处。

4.

开启 MiLAB 按钮(

5.

将湿度传感器、温度传感器和风速计连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

6.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下的 温度传感器、湿度传感器和风速计。

)。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

湿度传感器 速度：

每秒

时长：

6000 秒

温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每秒

抽样：

6000 秒

步骤 1.

开始记录数据前，让教室的门和窗关闭至少一小时。

2.

轻击运行按钮(

3.

半小时后，打开门和窗。

)，开始记录数据。

| 145 |

|自然通风对室内环境的影响|

4.

再等待四十分钟，然后轻击停止按钮(

5.

轻击保存按钮(

)，停止收集数据。

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

使用光标检查环境参数曲线，回答下面的问题： a.

直到什么阶段，曲线才稳定？

b.

每条曲线中的变化是什么？

c.

在什么阶段，曲线的变化是最显著的？

d.

哪条曲线稳定不变，在什么时候稳定不变？

2.

根据热应力指数，计算教室内的热应力：

3.

干球温度+湿球温度）/2，在两点上：1）通风前 ；2）通风后。

问题 1.

温度对湿度有什么影响？

2.

通风对室内温度和室内热应力的影响是什么？

3.

关于通风对室内环境的影响，我们能从本实验中学到什么？

4.

自然通风能将室内温度降低到什么程度？

5.

通风降低温度所需的时间是多久？

6.

从通风的观点出发，您学校或大学的哪间教室的位置最好？解释您的答案。

7.

风速（通风）与热应力指数的关系是什么？

进一步的建议 1.

同时在两间有着不同开口方向的教室内进行测试，比较它们的结果。在您的发现基础上，为了 创造舒适的环境条件，您会对教室窗户和门的方向和尺寸提出的一般性建议是什么？例如，对 于最大的窗户，您会选择什么方向?

2.

测量室外温度，检查室外和室内环境间、有通风与无通风之间的关系。温度在什么地方和时候

| 146 |

|自然通风对室内环境的影响|

最高？热应力在什么地方和时间最高？

| 147 |

第二十六章

围护结构的隔热检测 介绍 围护结构是建筑的内部环境与外部环境之间的物理分割；换言之，就是墙壁与屋顶。建筑内部的温 度取决于围护结构所吸收的太阳光辐射的多少。用在结构中的材料颜色和类型影响着围护结构吸收 太阳光辐射的程度。本实验中，我们将检测建筑材料和颜色对三面墙外部和内部温度的影响。

器材 

针对每面墙，需要以下的器材：



安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



热偶传感器两支( 0 到 1200 oC)



白色胶带

设备设置 注意：如果您可以任意使用的只有一台 einstein™ LabMate，本实验可以于不同日期、同一日的相似 时间和相似的气候条件下，在三面不同的墙上开展。 这是一次时间较长的实验，因此要确保 USB 线缆在实验期间与 einstein™ LabMate 相连。 1.

选择三个围护结构，每一个应由不同材料制成（例如：混凝土、砖、石膏等）或非此即彼，它 们应由同种材料制成，但在外墙上具有不同的颜色。确保所有三面墙有同样的方向。还要确保 所有热控制设备（中央暖气系统/空调）都已关闭。

2.

将热偶传感器放置在每面外墙和内墙的中央。用白色胶条将它保持在适当的位置。

3.

将 USB 线缆连接到 einstein™ LabMate 上。

4.

开启 MiLAB 按钮(

5.

将两支热偶传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

6.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，使用下面的表格使之实验。确保仅有测量方法下的热

)。

偶传感器被选中。

| 148 |

|围护结构的隔热检测|

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

热偶传感器(, 0°C 到 1200°C) 速度：

每 10 分钟

时长：

60000 秒

步骤 1.

选择运行按钮(

2.

6 小时后，选择停止按钮(

3.

轻击保存按钮(

4.

上面的步骤是针对一面墙测量的，应对另外每面墙重复此步骤。

)，开始记录数据。 )，停止记录。

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

在已经生成的三个图表的每一个图表上，用标签标示外部测量和内部测量的曲线： a.

用光标选择每条曲线。

b.

选择新注解，并在编辑标题编辑框中输入曲线的名称，选择 OK。

2.

在光标的帮助下，分析这些曲线图。

3.

针对您已生成的每张图表，回答下面的问题： a.

哪面墙（内墙或外墙）具有最低的温度？

b.

哪面墙（内墙或外墙）具有最高的温度？

c.

哪条曲线具有温度变化的最大范围?

d.

在两条曲线上，温度变化（峰值和谷值）是同时发生的吗？

e.

两条曲线间的最小热间隙是多少？

f.

两条曲线间最大的热间隙是多少？

| 149 |

|围护结构的隔热检测| g.

两条曲线间的平均热间隙是多少？

问题 1.

哪种建筑材料是最佳绝热体？您如何得出的这个结论？

2.

以您的发现为基础，在温暖的环境里，您会建议外墙刷什么颜色？在寒冷的环境中呢？解释您 是如何得到这个结论的。

3.

以您的发现为基础，决定最佳隔热的最重要因素是什么：建筑材料的种类还是围护结构的颜色？

4.

针对不同气候的地区，您还有对于围护结构最佳设计（材料和颜色）的其他哪些建议？

进一步的建议 1.

用一种已被涂了各种颜色（例如白色、黑色和绿色）的建筑材料进行上面的实验，再将它与三 种涂有同种颜色的不同材料进行比较。

2.

在三面墙上开展本实验，所有的墙都由同种材料制成，但不同的厚度。墙壁的厚度对隔热有什 么影响？

3.

在 24 小时期间开展上面的实验，研究墙壁一天的热反应。

4.

在不同的季节开展上面的实验，研究墙壁季节性的热反应。

| 150 |

第二十七章

用光和温度传感器测量岩石下栖息地的 非生物环境

Figure 1 图1

介绍 翻转一块岩石，露出一个充满生命的世界，它由来自不同等级和家族的有机物组成，比如蠕虫、节 肢动物等。岩石将它所覆盖的这个区域与周围隔离开来，由此创造出相对稳定的非生物环境。三个 主要的非生物参数影响了所有存活的有机体：温度、湿度和光照。光的照射强度每天、每年跟随日 光照射而不同。 岩石和周围环境中，穿透岩石的辐射和吹在这片区域的风是温度和湿度波动的主要来源。本实验中， 我们使用传感器进行实地测量，对比所发现的岩石下的温度及光照条件和岩石表面上的温度及光照 条件。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate

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|用光和温度传感器测量岩石下栖息地的非生物环境|



光传感器两支（三重范围）



温度传感器两支(-40°C 到 140°C)



胶布



卷尺

设备设置 注意：本实验是实地开展的，要将 einstein™ LabMate 从一个外部电源上分离开来使用。因此，去户 外前要为电池充电。 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将光传感器和温度传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，使用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下 的光传感器和温度传感器。

)。

注意：危险动物，如毒蛇和蜘蛛，可能会出现在正在被研究的栖息地。 不在将光传感器放置于岩石下。 将 einstein™ LabMate 和计算机留在现场时，要采取安全预防措施。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每 10 秒

时长：

5000 秒

三重范围光传感器 速度：

每 10 秒

抽样：

5000 秒

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|用光和温度传感器测量岩石下栖息地的非生物环境|

步骤 1.

当您测量将要开展本实验的这个区域时，寻找一块具有这些特征的岩石：

2.

岩石的长度和宽度应为 20-40 厘米。

3.

岩石不应紧紧固定在泥土里。

4.

底部应由小的凹陷处组成，这些凹陷处能轻易地支撑必要的传感器。

5.

它应暴露于直接的光照下。

6.

将岩石翻转，迅速地将温度传感器放在它下面。

7.

将岩石放回初始的位置。

8.

将光传感器放置在附近的地上，但不要在岩石下。

9.

将另一支温度传感器和光传感器贴附在岩石表面。使用胶布条，以确保传感器定位稳定。

10. 温度传感器进行测量的部分在探针的顶部。确保探针的这个部分接触到岩石的表面。 11. 将光传感器贴附到岩石上，指向获得最大读数的方向。 12. 将您的电脑和 einstein™ LabMate 放在稳定的位置。 13. 轻击运行按扭(

)，开始记录数据。

14. MultiLab 记录数据时,记录另外的重要信息: a.

测量的日期和时间(自动标记的)。

b.

气候条件。

c.

场地类型：开放广场、森林等。

d.

实验过程中发生的变化或事件，例如突来的风、雨、云的运动和动物运动。

e.

任何其他相关的信息，例如最近的木材砍伐或建设活动。

15. 45分钟至1小时后，当足够的数据被收集到时，轻击停止按钮(

16. 轻击保存按钮(

)，停止记录数据。

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表

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|用光和温度传感器测量岩石下栖息地的非生物环境|

1.

标记发生在岩石表面和下面的温度和光照强度的变化过程。用光标找出适当的值。

2.

对比温度的变化：

3.

a.

岩石下的。

b.

岩石表面的。

对比光照变化： a.

岩石旁的。

b.

岩石表面的。

问题 1.

岩石所观察到的环境与岩石表面的环境相当地不同吗？用数据支撑您的论证。

2.

岩石下所观察到的环境与周围的非生物环境之间有任何联系吗？对您的答案做出解释。

3.

光照与您所测得的温度和湿度的变化是如何相关的？

进一步的建议 1.

对比在不同区域中的岩石下所发现的非生物环境，比如开放场地、山区以及森林。

2.

对比不同季节中，在岩石下所发现的非生物环境。

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第二十八章

用湿度和温度传感器测量岩石下栖息地的 非生物环境

图1

介绍 翻转一块岩石，露出一个充满生命的世界，它由来自不同等级和家族的有机物组成，比如蠕虫、节肢动物等。 岩石将它所覆盖的这个区域与周围隔离开来，由此创造出相对稳定的非生物环境。三个主要的非生物参数影 响了所有存活的有机体：温度、湿度和光照。光的照射强度每天、每年跟随日光照射而不同。 岩石和周围环境中，穿透岩石的照射和吹在这片区域的风是温度和湿度波动的主要来源。 本实验中，我们使用传感器进行实地测量，对比岩石下所发现的温度和湿度水平与岩石表面上的温度和湿度 水平。

器材 

安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate



湿度传感器两支



温度传感器两支(-40°C 到 140°C)

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

胶布



卷尺

设备设置 注意：本实验是实地开展的，einstein™ LabMate 要从一个外部电源上分离开来使用。因此，去户外前，将电 池充电。 1.

开启 MiLAB 按钮(

2.

将湿度传感器和温度传感器连接到 einstein™ Tablet 或 einstein™ LabMate 的端口上。

3.

照图 1 的图释组合设备。

4.

在现有设置一览窗口中，选择完全设置，使用下面的表格设置实验。确保仅选择了测量方法下的湿度传 感器和温度传感器。

)。

注意：危险动物，如毒蛇和蜘蛛，可能会出现在正在被研究的栖息地。 将电脑和 einstein™ LabMate 留在现场时，要采取安全预防措施。

现有设置一览 指令传感器按照下面的设置记录数据：

温度传感器 (-40°C 到 140°C) 速度：

每 10 秒

时长：

10000 秒

湿度传感器 速度：

每 10 秒

样本：

10000 秒

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步骤 1.

当您考察自己将要开展实验的这片区域时，寻找一块具有这些特征的岩石： a.

岩石的长度和宽度应为 20 – 40 厘米。

b.

岩石不应紧紧固定在泥土里。

c.

底部应有一些小的凹陷处，能够很容易地支撑必要的传感器。

d.

它应暴露于直接的光照下。

2.

将岩石翻转过来，快速地将温度传感器放于其下。确保让岩石 回到它初始的位置。

3.

将湿度传感器放置于附近的地上，但不要在岩石下。

4.

将另一支湿度传感器和温度传感器贴附于岩石的上面。使用胶布条，以确保传感器位置稳定。

5.

温度传感器执行测量的部分是在探针的顶端。确保探针的这个部分接触到岩石的表面。

6.

将电脑和 einstein™ LabMate 放置于稳定的位置。

7.

轻击运行按钮(

8.

MultiLab 记录数据时，记录另外的重要信息：

9.

)，开始记录数据。

a.

测量的日期和时间（自动标记的）。

b.

天气条件。

c.

场地类型：开扩场地、森林等。

d.

测量过程中发生的变化或事件，如突来的风、雨、云的运动和动物的运动。

e.

任何其他相关的信息，如最近的木材砍伐或建设活动。

收集到足够的数据时，轻击停止按钮(

10. 轻击保存按钮(

)，停止记录数据。

)，保存您的数据。

数据分析 要获取图表使用的更多信息，请看：使用 MiLAB 中的图表 1.

标记发生在岩石表面和下面的温度和光照的变化过程。

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2.

用光标找出适当的值。

3.

对比温度的变化：

4.

a.

岩石下。

b.

岩石的表面上。

对比湿度的变化： a.

岩石下。

b.

岩石的表面上。

问题 1.

岩石下所发现的环境与表面的环境相当的不同吗？用数据支撑您的论证。

2.

岩石下所发现的环境与岩石表面的环境之间，及与周围的非生物环境之间有任何的关联吗？对您的答案 做出解释。

3.

光照是如何与您所测得的温度和湿度变化相关的？

进一步的建议 1.

对比位于不同区域的岩石下，所发现的非生物环境。比如开放场地、山区和森林。

2.

对比不同季节的岩石下，所发现的非生物环境。

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