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液体表面张力与蜂巢

2005-12-17 00:00:00   来源:   关注:

液体表面张力与蜂巢

——蜂巢的观察研究报告

210  张凌

 

  一.问题的提出

  2001年夏天,我家的窗户外出现了一个蜂巢。因为小时候就听说蜜蜂是聪明的“建筑大师”,所以每天放学后,我都要隔着窗户观察一会儿。

蜂巢是怎样形成的呢?蜜蜂真是高明的建筑师吗?带着这个问题我查阅了有关资料。

  二.有关蜂巢的资料

  ◇蜜蜂属单枝动物亚门,昆虫纲、膜翅目,是对人类有益的昆虫类群之一,在第三纪晚更新世地层中已大量发现,它的出现与白垩纪晚期显花植物的繁盛密切相关。在昆虫纲中,蜜蜂属于高级进化的类群,它为农作物、果树、蔬菜、牧草和中药植物传粉,使它们的产量增加几倍到几十倍。

  ◇昆虫也有很多建筑师为自己造"房子",特别是膜翅目的蜜蜂、马蜂类,简直就是最高明的建筑师。不同种类的蜂,建造的房子也不一样。蜂的蜂巢其造型之奇特,结构之巧妙,真可谓巧夺天工,很早就引起了科学家们的浓厚兴趣。早在18世纪初,法国科学家马拉尔就对蜂巢进行了细心的观察研究。他对蜂巢上的每个蜂房作了比较,发现每个蜂房的孔洞和底部都是六边形。

  ◇蜂巢是用蜡制成的,是供蜜蜂休息的“房子”,它的结构一般为六边形。

  ◇蜂巢的“建筑师”是工蜂,是工蜂通过腹部的四对蜡腺分泌的蜡质建筑的。工蜂先用足上的毛,将分泌出来的蜡片刷下来,送入嘴里嚼成多块小板,然后将这些蜡板传递给在箱板上等待造巢的工蜂。它们用嘴接过蜡板,将其均匀地涂在顶板上,作为蜂巢的基础。其它工蜂都送来蜡板,将巢基逐步加高。一根蜡柱从顶板上垂下来了,另一只工蜂便在蜡柱中间做出一个六边形的洞,经过精雕细作之后,第一个六边形的蜂房就建好了。

  ◇每个蜂巢是开放的,内壁涂有蜡等防潮物质,室中储存足够的蜂粮,雌蜂在蜂粮上产卵,并封闭巢室。

  三.观察记录

  了解了有关蜜蜂的知识后,我带着更大的兴趣观察了蜂巢:

  ◇我观察到蜂巢由两部分组成,一部分是一群挤在一起的“蒙古包”,看不到什么六边形结构;另一部分蜂房的口是敞开的,大部分蜂房具有明显六边形结构。

  ◇我看到工蜂的建筑过程不是直接做出“六边形的洞”,而是先捏出一个个粘连在一起的圆筒。

  ◇每个蜂房不是一次性成型的,而是随着幼虫成长的需要逐渐加高加大的,每次加高12mm。加高过程是这样的:蜜蜂把从腹部分泌出来的腊液粘在原有蜂房边缘上部,然后用头部将其沿原蜂房边缘压平。

  ◇我看到工蜂的建筑材料主要是来自自身的分泌物——蜡和从旁边的旧房子上啃下来的经过自己咀嚼成糊状的液体。

我开始对书上已有的记载产生了怀疑。

  四.联想

  一次,我看到院里几个孩子吹肥皂泡泡,发现一个孩子的小瓶口上堆积着的泡泡的形状有不少是六边形的,我开始觉得蜂房的六边形结构和肥皂泡的六边形结构成因可能是相同的。带着这个问题我请教了老师。

原来液体表面有一种相互的吸引力,叫表面张力。表面张力的作用是使液体表面收缩到最小。单个的肥皂泡是球状的,就是因为封闭有相同体积的气体时,球面面积最小。两个肥皂泡挤在一起时,其接触面就不是球面,而成了一个平面;大量肥皂泡挤在一起时,其接触面也是平面。如果这些肥皂泡的体积大小差不多,那么位于中间部分的肥皂泡截面就会形成六边形。由此我认为蜂房的六边形结构也是表面张力作用的结果。

为了证明自己的看法,我做了如下的实验。

  五.实验

  设备和器材:水槽一个,玻璃杯一个,肥皂半块,水500ml,一次性输液管一套。

  实验步骤:

  1.在玻璃杯中放入适量水,将肥皂浸泡在水中形成肥皂液。

  2.将水槽放在桌面上。

  3.将一次性输液器从中央剪断,用带针头的一半吸取肥皂液,向水槽底面吹肥皂泡,观察肥皂泡形状。

  1)吹单个肥皂泡,现象如彩图1,截面为圆。

  2)吹两个大小相同的肥皂泡,现象如彩图2,接触面的截面为一条直线。

    3) 吹三个大小相同的肥皂泡,现象如彩图3,接触面的横截面为互成120°的3条直线。

  4) 依次吹四个,五个,六个肥皂泡。

  5) 吹七个大小相同的肥皂泡,现象如彩图4,围在中间的一个肥皂泡的横截面为正六边形。

  4.将肥皂液倒入水槽中,将输液器的针头插入肥皂液中,用力均匀地吹出多个大小相同的肥皂泡,现象如彩图4和      

  图表2,围在中间的肥皂泡的横截面为六边形。

  六. 意外发现——蜂巢不全是六边形的。

  实验中发现多个肥皂泡堆在一起时,边缘的肥皂泡不是六边形的,蜂巢的边缘是否也是如此呢?带着这个问题我又仔细观察了蜂巢,发现蜂巢中间的蜂房是六边形的,边缘的蜂房果然也不是六边形,而是半圆形的,它的形状如图表2

  把蜂巢浸在水中,当蜂巢变为湿润状态时,就可以把蜂巢分离成单个的蜂房,如彩图6,结果发现原来六边形的蜂房变成了一个个圆筒形。

  七.我的解释

  根据观察和实验研究,我认为蜂巢的形成过程是这样的:蜜蜂为了防潮、防寒,保护自己或幼虫,利用工蜂分泌的腊质,筑成了一个一个蜂房,单个的蜂房是圆筒形的,许多个蜂房粘在一起就形成了图表3所示的蜂巢雏形,干燥的过程中,由于液体表面张力作用,中间部分的蜂房就形成了六边形结构,如图表2所示。这个过程与肥皂泡的六边形结构成因是一致的,是液体表面张力作用的结果。

  蜜蜂是比较“聪明”的动物,但是蜂巢的六边形结构的形成不能作为蜜蜂比其它动物“聪明”的依据。

                   2002319

 

 

参考书目单:

1、《中国大百科全书》

2、《中学生物学实验大全》

3、《中国少儿百科全书》

4、《世界文明百科全书》山西教育出版社出版。北京大学国情研究中心主持,199212月。

5、《中国物理教育网》www.cpenet.org.cn

【编者按:张凌同学带着这件作品,在20027月获得由中国科协、教育部等八部委举办的我国在校中小学生最高级别的第17届科技创新大赛一等奖,8月又参加“2002年明天小小科学家”评选活动获一等奖、英特尔一等奖,并以第二名的成绩获得11.5万元的奖金和免试进入北师大的资格。89,受到省委副书记侯伍杰的接见。今年2月,又参加了上海举行的全国InTeL ISEF冬令营,获准参加美国举行的被称为中学生科学竞赛的“奥林匹克杯”--英特尔国际科学与工程大赛。

张凌之所以取得修正《简明大不列颠百科全书》有关结论的成果,主要来源于她对身边事物的痴迷爱好、细心观察和“咬定青山不放松”式的认真思考、反复实验。可以说,论文不是写在纸张上的,而且是写在眼睛上的。你擦不亮心灵的窗户,你就发现不了有价值的课题。睁大眼睛瞧吧,命运女神在向你招手!】

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