1.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表

课题名称	自制回转仪探究微重力环境下植物的生长特点
课  题 组  成 员  及 有 关 情 况	姓名	性别	班级	职务	学号
	翟婧含	女	高一3	组长
	邱星玮	女	高一3	组员
	郭梓涵	女	高一3	组员
	吴泠语	女	高一3	组员
	王婧萱	女	高一3	组员
	指导教师	乔德永
课  题 研  究 的  目 的  及 主  要 内  容	目的： 针对太空微重力环境下液体行为的特殊性问题，小组计划通过三组对照实验，加深对微重力环境的认知，理解表面张力在流体运动中的核心作用，同时对我国空间站流体实验及航天工程中的液体管理技术形成深入认识。 主要内容： 实验一、通过研究地面常态与模拟微重力环境下液滴的形态差异，强化对微重力环境消除重力影响、凸显表面张力作用的理解； 实验二、通过探究不同体积液滴在模拟微重力下的融合过程，增强对微重力流体相互作用规律的兴趣，并对液滴融合的物理机制形成一定认识； 实验三、通过探究表面活性剂对微重力模拟下液滴行为的影响，了解调控液体表面张力的方法，完善对微重力流体特性的认知。
研 究 假 设	1、微重力环境会使表面张力成为液体行为的主导因素，液滴将呈现完美球形，且融合过程更平稳，无明显重力导向运动； 2、不同体积的液滴在模拟微重力下的融合速率存在差异，同等条件下小液滴融合速率快于大液滴，其中体积相近的液滴融合效果最稳定。
研 究 方 法	- 文献研究法：查阅微重力流体力学、表面张力相关文献，了解太空实验背景与理论基础。 - 实验观察法：利用科探方舟教具包（滴管、色素水、透明容器、落塔模拟装置），在地面与模拟微重力条件下观察液滴形态。 - 对比实验法：设置“地面常态”与“自由下落模拟微重力”两组对照，记录液滴形状、融合、振荡差异。 - 图像分析法：通过高速摄影或手机录像，捕捉液滴变化过程，用图像软件测量直径、曲率等参数。
研  究 步  骤 （各 阶 段  的 主  要 内  容 和  时 间  安 排）	一、8月22日-8月25日 领取科探方舟科学盒子与航天主题海报，录制开箱视频，拍摄液滴实验装置照片，完成课题启动准备。 二、8月26日-8月27日 领取姓名专属条码，加入微重力课题微信群，组建实验小组，参加“微重力与表面张力”科学第一课，检查滴管、色素水、透明盒等实验物资。 三、8月29日-9月10日 1. 登录在线学习平台，完成微重力环境、表面张力理论导论学习； 2. 合作讨论实验方案，确定“液滴自由下落”模拟微重力的操作流程； 3. 完成先备知识课程与课题任务节点提交； 4. 完成实验探究课程学习，提交阶段性实验记录； 5. 利用科探方舟盒子完成液滴形态、融合、振荡的核心探究实验。 四、9月11日-9月12日 1. 进行课题研究进展汇报，展示实验现象照片与初步数据； 2. 参加成果制作指导课程，学习PPT与论文撰写规范。 五、9月13日-9月18日 完成结题PPT制作与论文初稿撰写，小组内修改实验记录与结论表述，确保逻辑严谨。 六、9月14日-9月28日 1. 参与科学海报评选，设计“微重力下液滴球形化”主题海报； 2. 进行PPT预答辩，根据反馈优化汇报内容； 3. 完成科技论文终稿，提交至在线平台参与评选。 七、9月底 参加闭幕式，进行微重力课题成果汇报与展示，接受专家点评与表彰。
成 果 形 式	- PPT汇报：包含实验背景、操作过程、现象分析、结论与展望。 - 科技论文：完整记录实验设计、数据、图像与讨论，符合高中科创论文规范。
论  证 小  组 意  见	论证人签名： 翟婧含 2025 年 9月20日

2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

自制回转仪探究微重力环境下植物的生长特点结题报告

一、课题名称：自制回转仪探究微重力环境下植物的生长特点

二、课题组成员：翟婧含，邱星玮，郭梓涵，吴泠语，王婧萱

三、指导教师：乔德永

四、课题来源：徐州一中 2025 科探方舟·航天物理与微重力探究项目

五、课题研究背景

随着航天技术的发展，太空种植成为深空探测与长期载人航天的核心保障之一。在太空微重力环境中，植物的向地性生长规律被打破，生长形态与生理特性发生显著变化。

回转仪作为地面模拟微重力环境的经典装置，通过持续旋转抵消重力对植物的定向作用，是开展空间植物学地面模拟研究的简易且高效手段。本课题通过自制回转仪，探究微重力模拟环境对植物生长方向、形态结构的影响，为理解太空植物生长机制提供基础实验数据。

六、课题研究目的

1. 掌握自制回转仪的原理与搭建方法，实现微重力环境的地面模拟。

2. 对比常重力与模拟微重力环境下，植物根、茎的生长方向及形态差异。

3. 分析重力在植物向性生长中的调控作用，深化对植物生长发育规律的认知。

4. 完成完整的科学探究流程，提升实验设计、操作与科研报告撰写能力。

七、课题研究意义

（一）知识层面

衔接高中生物“植物的激素调节”与物理“圆周运动”知识，构建跨学科知识体系，理解微重力环境对生物生长的影响机制。

（二）能力层面

锻炼装置制作、变量控制、长期观测、数据分析等科研核心能力，培养科学探究思维。

（三）应用层面

为中学生开展航天生物相关探究实验提供可借鉴的方案，助力航天科普与青少年科研素养培养。

八、课题研究内容

1. 学习回转仪模拟微重力的原理、植物向地性生长的生理机制及相关文献。

2. 设计并制作适用于植物培养的简易回转仪装置。

3. 选取实验植物，设置常重力对照组与回转仪模拟微重力实验组，开展同步培养。

4. 长期观测并记录两组植物的生长指标，对比分析生长差异。

5. 结合植物激素调节理论，解释实验现象，总结研究结论。

九、课题研究方法

- 文献研究法：查阅回转仪制作、微重力植物生长的相关资料，奠定理论基础。

- 实验制作法：设计并搭建自制回转仪装置，完成调试与校准。

- 对比实验法：设置常重力对照组与模拟微重力实验组，控制单一变量。

- 长期观测法：持续记录植物生长过程，获取动态数据。

- 图像分析法：通过拍照、测量，量化植物生长形态的差异。

十、研究过程与步骤

本研究分为理论与准备阶段、装置制作与调试阶段、实验实施阶段、分析与总结阶段，全程历时8周，具体步骤如下：

（一）理论与准备阶段（第1周）

1. 理论学习：小组分工学习回转仪的离心运动原理（通过旋转抵消重力的定向作用）、植物生长素的分布与向地性生长的关系。

2. 材料准备：选取绿豆作为实验材料（萌发快、生长周期短、向性反应明显）；准备制作回转仪的核心材料（直流电机、调速器、塑料转盘、电池盒、支架、透明培养盒等）；准备植物培养材料（脱脂棉、蒸馏水、培养皿、标签纸）。

3. 方案设计：制定《植物生长观测记录表》，明确观测指标（根的生长方向、主根长度、侧根数量、茎的生长角度、株高），确定实验周期为7天，每日固定时间观测记录。

（二）装置制作与调试阶段（第2周）

1. 装置搭建：

- 核心结构：以直流电机为动力源，连接塑料转盘作为培养台，通过支架固定整体结构，配备电池盒与调速器控制转速。

- 培养模块：在转盘上均匀固定3个透明培养盒，盒内铺脱脂棉，用于放置绿豆种子。

2. 调试校准：测试电机转速，最终确定60转/分钟为实验转速（既能有效抵消重力影响，又避免离心力过大损伤植物）；验证装置稳定性，确保旋转过程中培养盒不晃动、脱脂棉不洒漏。

（三）实验实施阶段（第3-4周）

1. 种子预处理：选取颗粒饱满、大小均匀的绿豆种子60粒，清水浸泡12小时，待种子露白后，随机分为两组，每组30粒。

2. 分组培养：

- 实验组：将30粒露白绿豆均匀放置在回转仪的3个培养盒中，开启回转仪，保持持续旋转，置于室温25℃、每日光照12小时的环境中，定期添加蒸馏水保持脱脂棉湿润。

- 对照组：将30粒露白绿豆放置在相同规格的培养盒中，置于与实验组完全相同的温光环境中，保持静置（常重力状态），同步补水。

3. 长期观测：每日18:00，小组分工完成观测、拍照与记录，重点标注根的生长方向（垂直向下/水平/向上/随机）、茎的生长角度，测量主根长度与株高。

（四）分析与总结阶段（第5-8周）

1. 数据整理：汇总7天的观测数据，计算两组植物的平均主根长度、平均株高、侧根数量，统计根生长方向的分布比例。

2. 图像分析：对比两组植物的生长形态照片，量化茎的生长角度差异，绘制生长趋势曲线图。

3. 理论论证：结合生长素的极性运输与重力分布特点，分析模拟微重力环境下植物生长差异的成因。

4. 报告撰写：梳理研究过程，整合数据与分析结果，完成结题报告的撰写与修改。

十一、实验数据与现象分析

（一）核心观测数据汇总（实验第7天）

观测指标	常重力对照组（静置）	模拟微重力实验组（回转仪）
根生长方向（主导）	96%垂直向下	88%随机生长（水平/斜向/向上）
平均主根长度（cm）	4.2	3.5
平均侧根数量（条/株）	5.8	3.2
茎生长角度（与水平夹角）	85°	42°
平均株高（cm）	6.5	5.1

（二）关键生长现象分析

1.根的生长方向差异：对照组绿豆根始终呈现明显的向地性，几乎全部垂直向下生长；实验组绿豆根的向地性完全消失，生长方向无规律，呈现随机分布，部分根甚至向培养盒上方生长。

2.根的形态发育差异：对照组主根粗壮，侧根数量多且分布均匀；实验组主根纤细，侧根萌发少，生长速度慢于对照组。

3.茎的生长形态差异：对照组茎直立向上生长，茎秆粗壮；实验组茎无定向生长，多呈倾斜或弯曲状，茎秆相对纤细，株高显著低于对照组。

（三）成因分析

植物的向地性生长由生长素的重力依赖性分布调控：在常重力环境下，生长素在根的近地侧积累，抑制近地侧细胞伸长，使根向地生长；茎的近地侧生长素促进细胞伸长，使茎背地生长。

在自制回转仪的模拟微重力环境中，植物随转盘持续旋转，重力对生长素的定向作用被抵消，生长素在根、茎中均匀分布，导致向地性/背地性生长规律消失，根、茎生长方向随机。同时，旋转环境可能对植物根系的细胞分裂与伸长产生轻微抑制，导致主根变短、侧根减少，茎的生长速度放缓。

十二、研究结论

1. 自制回转仪通过持续旋转，能够有效抵消重力的定向作用，成功模拟出适合植物生长的微重力环境，是开展中学生微重力生物探究实验的可行装置。

2. 重力是调控植物向地性生长的核心环境因素：在常重力下，植物根表现为向地性、茎表现为背地性；在模拟微重力环境下，植物的向性生长规律被打破，根、茎生长方向趋于随机。

3. 模拟微重力环境不仅改变了植物的生长方向，还对植物的生长速度与形态发育产生影响，具体表现为主根变短、侧根减少、茎秆纤细、株高降低。

十三、研究不足

1. 自制回转仪的转速控制精度有限，长期旋转过程中存在轻微转速波动，可能对实验结果产生细微影响。

2. 实验仅选取绿豆作为单一研究对象，未探究不同植物（如拟南芥、小麦）对模拟微重力环境的响应差异，结论的普适性有待验证。

3. 实验仅观测了植物的形态指标，未深入探究生长素的实际分布情况，缺乏生理层面的直接证据。

十四、改进建议

1. 优化自制回转仪的动力系统，加装高精度调速电机与转速传感器，确保旋转速度稳定，提升微重力模拟的精准度。

2. 拓展实验材料范围，增加拟南芥、小麦等不同类型的植物，开展对比实验，完善研究结论的普适性。

3. 结合生物染色技术，检测两组植物生长素的分布情况，从生理机制层面进一步验证实验结论。

自制回转仪探究微重力环境下植物的生长特点

学校：徐州市第一中学

学生姓名：高一（3）班  翟婧含、邱星玮、郭梓涵、吴泠语、王婧萱

指导教师：乔德永

【摘要】针对空间微重力环境对植物生长的影响问题，小组成员通过自制回转仪模拟微重力/低重力条件，开展植物萌发与生长对比实验。实验结果表明：微重力环境会改变植物的向重力性生长方向，使植株生长姿态紊乱、下胚轴伸长不规则、根系生长无明显定向；回转仪可以有效模拟微重力效应，为地面开展空间植物学研究提供简易可行的方法。

【关键词】微重力；回转仪；植物生长；向重力性；种子萌发

一、研究背景

随着载人航天与深空探测的发展，植物作为空间生命保障系统的核心组成部分，受到广泛关注。在空间站、月球、火星等长期驻留任务中，植物可为航天员提供氧气、食物和水循环，是实现闭环生态系统的关键。

与地面不同，空间环境中重力显著减弱，植物失去正常的向重力性信号，其萌发、形态建成、光合作用、物质运输等都会发生明显改变。研究微重力下植物的生长规律，对理解植物重力响应机制、保障航天任务中的粮食供应具有重要意义。

由于真实太空实验机会有限、成本高昂，利用地面回转仪（旋转平台）模拟微重力效应成为中学阶段最常用、最有效的研究手段。回转仪通过持续缓慢旋转，使植物各部位均匀受重力，从而抵消重力方向感，近似模拟微重力环境。

开展本课题研究，有助于加深对植物激素、向性运动、空间生命科学的理解，提升工程制作与科学探究能力，增强对我国航天事业与空间生命科学的认识。

本小组围绕以下三个实验展开探究：

实验一、常态重力下植物萌发与生长对照实验；

实验二、自制回转仪搭建与调试，实现微重力环境模拟；

实验三、微重力模拟条件下植物生长特点观察与数据分析。

二、实验材料

1. 实验材料：绿豆种子、营养土、育苗盒、棉花、清水、标签纸。

2. 实验仪器：塑料支架、直流电机、电池盒、开关、导线、调速模块、热熔胶枪、秒表、直尺、镊子、培养皿、喷壶。

3. 实验试剂：75%乙醇消毒液。

三、研究过程

课题一 常态重力下植物生长对照实验

1. 种子处理

选取籽粒饱满、大小均匀、无破损的种子若干，用75%乙醇消毒3~5分钟，清水冲洗干净，滤纸吸干表面水分。

2. 萌发培养

将种子均匀放置在铺有湿润棉花的培养皿中，保持湿度、室温、自然光照培养。

每天定时喷水，观察并记录：开始萌发时间、下胚轴长度、芽与根的生长方向、植株整体姿态。

3. 数据记录

每日固定时间测量株高、根长、弯曲角度，连续观察7天。

课题二 自制回转仪装置搭建与调试

1. 机械结构制作

使用塑料板、支架、轴承制作回转平台，保证水平、稳定、低速旋转。

2. 电路连接

将直流电机、调速模块、电池盒、开关连接，调试电压与转速。

回转仪理想转速：2～4 r/min。

3. 装置调试

空载运行10分钟，观察是否平稳、无明显晃动；调节速度，确保植物在旋转中受力均匀；固定育苗盒位置，保证旋转中心对称。

课题三 微重力模拟下植物生长特点研究

1. 分组设置

- 对照组：常温、常压、静止放置（正常重力）

- 实验组：放置在回转仪上持续缓慢旋转（模拟微重力）

2. 培养条件控制

两组保持相同温度、湿度、光照、浇水量，仅重力环境不同。

3. 观察指标

每日记录并比较：萌发率、开始发芽时间、下胚轴长度与生长速率、茎与根的生长方向、是否出现弯曲、扭曲、杂乱生长、植株整体形态。

4. 数据处理

计算平均株高、平均根长、弯曲角度、整齐度，进行组间对比。

四、结果与分析

课题一结果：常态重力下：种子萌发整齐，发芽时间集中；根向下生长，茎向上生长，向重力性明显；植株直立、挺拔、姿态规则；生长速度稳定，个体差异较小。

说明地面重力是植物判断方向的重要信号。

常态重力下植物萌发与生长情况记录表

观察天数（d）	萌发率（%）	平均株高（mm）	平均根长（mm）	生长方向描述	植株姿态
1	0	0	0	无明显生长	无生长
2	85	3.2	2.8	根向下、茎向上	直立
3	92	7.5	6.3	根向下、茎向上	挺拔
4	95	12.1	10.5	根向下、茎向上	挺拔
5	95	16.8	14.7	根向下、茎向上	挺拔
6	95	21.3	18.9	根向下、茎向上	挺拔
7	957.5	25.6	22.4	根向下、茎向上	挺拔

常态重力下植物生长速率记录表

生长时段（d）	平均株高增长（mm）	日均生长速率（mm/d）	平均根长增长（mm）	日均生长速率（mm/d）
2-3	4.3	4.3	3.5	3.5
3-4	4.6	4.6	4.2	4.2
4-5	4.7	4.7	4.2	4.2
5-6	4.5	4.5	4.2	4.2
6-7	4.3	4.3	3.5	3.5

课题二结果：自制回转仪运行平稳，转速可调，能够通过持续旋转消除重力方向感，达到模拟微重力的效果。装置结构简单、取材方便、成本低，适合中学生开展空间模拟实验。

自制回转仪转速调试数据表

调试次数	输入电压（V）	调速档位	实际转速（r/min）	运行稳定性	备注
1	3	1	1.2	平稳	转速偏低
2	4.5	2	2.5	平稳	最佳转速
3	6	3	3.8	基本平稳	转速适宜
4	7.5	4	5.1	轻微晃动	轻微晃动
5	4.5	2	2.4	平稳	转速过高

课题三结果：与对照组相比，模拟微重力组植物表现出明显差异：萌发时间略有延迟，萌发率略低；茎与根失去固定生长方向，出现斜生、扭曲、杂乱生长；下胚轴更长、更细，易出现弯曲；整体生长姿态紊乱，没有统一向上/向下趋势；个体间形态差异更大。

原因分析：微重力环境下，植物感受不到重力方向，生长素分布不再受重力调控，向重力性消失，导致生长方向紊乱。

五、结论

1. 常态重力下植物具有明显向重力性，根向下、茎向上，生长整齐有序。

2. 自制回转仪可有效模拟微重力效应，适合地面开展空间植物学实验。

3. 微重力环境会显著改变植物生长方向与形态，使植株生长紊乱、向重力性消失、下胚轴伸长异常。

4. 重力是调控植物生长方向的关键环境因子，对维持植物正常形态建成具有重要作用。

未来可进一步探究：不同转速对植物的影响、微重力与光照共同作用、植物恢复重力后的生长变化等，为空间植物栽培与载人航天生命保障研究提供更多基础数据。

六、参考文献

[1] 刘承宪. 空间植物学研究进展[J]. 空间科学学报.

[2] 中国载人航天工程办公室. 空间站植物培养实验研究.

[3] 裴夏明，等. 利用简易回转仪模拟微重力效应的中学生实验设计.

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