从观察牵牛花得到的启发

从观察牵牛花得到的启发

牵牛花（Ipomoea Nil），别名子午钟、喇叭花、尊金钟。旋花科。一年生缠绕茎草本植物，具短毛。叶为心脏形，通常三裂。秋季开花，花冠漏斗形，上面有5个浅浅的裂隙，花色有紫红、粉红、白等色。花期6～10月，一般清晨开放，中午闭合。原产热带美洲，我国各地普遍栽培供观赏。性喜阳光，播种一周即可发芽，生长茂盛，分枝多，常种植于庭院、篱边、棚下成绿帘花屏。种子卵圆形，有黑色、白色，可入药，治水肿腹胀、大小便不利等症。

牵牛花的茎缠绕本领非凡，它利用茎尖的“运动”能够依附支架不断向上爬攀。茎的顶端10cm～15cm一段，由于各个方向的表面生长速度不一致，能在空间不断改变自己的位置，而且始终以一定的方向旋转着，即做有一定方向的“转头运动”，并以此为半径，在其圆周内遇到依附物后，就会把依附物缠绕起来，攀向高处去争取阳光和雨露。有趣的是，牵牛花（还有扁豆、马兜铃、山药等）向左旋转缠绕而上，其缠绕方向为反时针方向旋转，即它的缠绕方向和生长方向有右手性的规律（历史上达尔文、华莱士等大博物学家、生物学家都观察到攀援植物的手性。达尔文专门写过《攀援植物的运动和习性》一书，书中描述了42种攀援植物，其中11种是左旋的，这个观察结果和我们今天的观察很接近；而有些植物如金银花、菟丝花、鸡血藤等始终向右旋转，其缠绕方向为顺时针方向旋转，即它的缠绕方向和生长方向有左手性的规律；而何首乌却是“随心所欲”

地转头，有时左旋，有时右旋，也就是它的缠绕方向和生长方向是无手性的。

那么，有手性的这些缠绕茎植物为什么会有固定的缠绕方向呢？科学家最新研究表明，植物旋转缠绕的方向特性，是它们各自的祖先遗传下来的本能。远在亿万年以前，有两种攀援植物的始祖，一种生长在南半球，一种生长在北半球。为了获得更多的阳光和空间，使其生长发育得更好，它们茎的顶端就随时朝向东升西落的太阳。这样，生长在南半球植物的茎就向右旋转，生长在北半球植物的茎则向左旋转。经过漫长的适应、进化过程，它们便退步形成了各自旋转缠绕的固定的方向。以后，它们虽被移植到不同的地理位置，但其旋转缠绕的方向特性却被遗传下来而固定不变。而起源于赤道附近的单援植物，由于太阳当空，它们就不需要随太阳转动，因而其缠绕方向没有固定，可随意旋转缠绕。可见，分清植物的左旋、右旋在实践中具有重要意义。若错把左旋植物以右旋方式缠绕在支

架上，则很快就会自行脱落；若绕的方向与其习性相同，则会缠得更紧，顺利向上攀援，生长发育良好。

二、缠绕植物的茎的缠绕方向和生长方向跟螺线管中电流的方向与其北极方向的关系是否相同？

“新教科书”在“电生磁”这一节中，首先通过奥斯特实验现象的直观演示，使学生观察到“通电直导线的周围有磁场，磁场的方向跟电流的方向有关”的电磁现象，同时使学生确信电流及其周围的磁场是同时存在而不可分的事实，以建立起电流的磁效应的概念。然后让学生把导线缠绕成螺线管，从各条导线产生的磁场叠加在一起，磁场就会强得多的实验事实入手，引出问题，让学生自己去探究通电螺线管外部的磁场与哪种磁体相似，接着再探究并总结、表述通电螺线管两极的极性与电流方向之间的关系，以培养学生的空间想象力和表述能力。之后又让学生实验、探究电磁铁磁性的强弱与哪些因素有关，以培养学生动手动脑的实际应用和研究能力。笔者认为，在以上教学活动结束之后，并不要求活动的主导者向活动的主体提示或给出安培定则，而是通过学生完成“动手动脑学物理”活动，观察和研究以牵牛花的茎的照片提出的问题。总结并表述出安培定则的内容：用右手握住螺旋管，让弯曲的四指指向电流的方向，与四指垂直的大拇指所指的方向就是螺旋管的北极、这是判断通电螺线管磁极的方法，这个方法叫做安培定则。一孔之见，“新教科书”讲完“电生磁”后，并没有直接给出这一定则，其目的恐怕就是让学生学习手性的概念在物理中的应用，学到螺旋的手性意义的科学知识，通过“动手动脑学物理”，体会、领悟科学的方法──通电螺线管的右手螺旋定则。同时，让学生认识自然，探索自然的奥秘，还要保护自然，利用自然，使它为人类造福。可见，新课标教材的“新”，不仅体现在教学目标、知识内容和教材的结构上，更重要的体现在理念上。它倡导探究式的学习，强调科学与实际、科学与社会的联系。让学生在有趣的物理学习中，学到科学知识，体验、领悟科学的方法，逐步树立科学的价值观。

三、螺旋结构是自然界最普遍的一种形状

奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。这种螺旋现象对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用，大至涡旋星系，小至DNA分子。都是在这种螺旋线中产生。然而，为何大自然对螺旋结构如此偏爱呢？

从本质上来看，螺旋结构是在一个拥挤的空间，例如一个生物细胞稠密的环境里，长分子链经常采用规则的螺旋状构造，这不仅让信息能够紧密地结合其中，而且能够形成一个表面，允许其他微粒在一定的间隔处与它相结合。例如，DNA 的双螺旋结构允许进行DNA的转录和修复。采用螺旋结构是受空间的局限，例如DNA由于受到细胞内的空间局限而采用双螺旋结构，就像是公寓由于空间局限而采用螺旋梯的设计一样。

在生命科学中，生命遗传物质──脱氧核糖核酸（DNA）的结构多数都是右旋的双螺旋结构。一些生物，如螺旋形细菌、蔓生植物向上盘绕以及海螺等均以右旋占绝大多数。

在粒子世界中，微观粒子的自旋也有左旋和右旋之分。神奇的超导现象正是由于电子与振动晶格的相互作用使具有相反方向自旋和角动量的电子结成“超导态”而产生的，在这个意义上说，是电子左旋和右旋的合作成就了超导现象。

在化学中，有一些化合物，分子的结构不同，化学性质也不同。如分子结构相对简单的矿物的晶格就有左旋和右旋的。用眼睛观察它们的结晶体，可明显分辩出晶格的旋向。比如，左旋分子结构的薄荷脑具有独特的香味，而右旋分子结构的薄荷脑则几乎没有这种香味。构成味精的谷氨酸钠分子左旋起调味作用，右旋则无调味作用。

在药品中，药品名称相同但手性构型不同时，药性也不同。如四米唑的左旋体是驱蠕虫药，而右旋体是抗抑郁药；甲状腺素钠的左旋体是甲状腺激素，而右旋体是降血脂药；氯霉素分子向右旅有药性，向左旋则无药性；左旋多巴对早期帕金森氏病有效，右旋多巴可引起血和血尿中血红蛋白含量增加。

在日常生活中，我们也总会碰到许多的螺旋形物品。常见的连接件螺栓，它的螺纹多是右旋，螺纹右旋是为了便于右手安装时用力（大多数人为右撇子）。而绞拧的绳索则多是左旋。绳索左旋则是因为单股用右手捻，右手捻自然成右旋，并合后就绞成左旋。

在气象学中，在北半球，低压区形成左旋的气旋，高压区形成右旋的气旋。南半球则正好相反。这是受地球自转影响的原因。破坏力极大的飓风和龙卷风都是旋转的气流，有的是左旋，有的是右旋。