本书是《科学的种子》第三册。在本书中，天文学家法比安娜·卡索利通过简单的演示实验，为我们破解地球运动的奥秘，同时还介绍了支持和推动“日心说”的伽利略和哥白尼的一些事迹和观点；地质学家吉斯兰·德·马勒西利带领我们去探讨水循环的规律，他用简单的实验模拟水流及地下含水层的污染情况；物理学家让·库斯泰克斯阐述了飞机的飞行条件；另一位物理学家让·马特里孔在探讨能量时指出，我们赖以生存的能量不可避免地遵循着简单的守恒定律；生物学家夏尔·奥弗雷向我们揭示了人类感知周围世界的五种感官的特点；物理学家大卫·凯雷对气泡、液滴和液珠抱有浓厚的兴趣，他向我们介绍了它们的特性及其有关的技术应用；在本书的最后，生物学家贝尔纳·克劳海格让我们认识到植物和动物一样也受到免疫系统的保护，可以抵抗大部分侵染者。

为了让教师和家长们能够带着孩子们在科学世界里轻松愉快地遨游，30位小学教师和7位科学家合作编写了《科学的种子》第三册。

阅读本书不要求事先具备什么科学知识，它可以带着所有对科学充满好奇的人(包括培训人员、教师、家长)一起去探索科学。书中没有提供“教学方案”，只给出了一些学习科学的方法。这些方法受到“动手做”系列的启发，并得到了本书编写者的认可。

在本书中，天文学家法比安娜·卡索利通过简单的演示实验，为我们破解地球运动的奥秘，同时还介绍了支持和推动“日心说”的伽利略和哥白尼的一些事迹和观点；地质学家吉斯兰·德·马勒西利带领我们去探讨水循环的规律，他用简单的实验模拟水流及地下含水层的污染情况；物理学家让·库斯泰克斯阐述了飞机的飞行条件；另一位物理学家让·马特里孔在探讨能量时指出，我们赖以生存的能量不可避免地遵循着简单的守恒定律；生物学家夏尔·奥弗雷向我们揭示了人类感知周围世界的五种感官的特点；物理学家大卫·凯雷对气泡、液滴和液珠抱有浓厚的兴趣，他向我们介绍了它们的特性及其有关的技术应用；在本书的最后，生物学家贝尔纳·克劳海格让我们认识到植物和动物一样也受到免疫系统的保护，可以抵抗大部分侵染者。

本书由物理学家大卫·亚斯曼、生物学家让-马力·布夏尔及天体物理学家皮埃尔·列那主编。

序言

地球的运动

 地球的自转

 地球的公转

 然而，它仍在运动！

 您见过地球在转动吗？

水的循环

 天上落下的水到哪里去？

 河水流量的测量

 降水都会汇聚流淌吗？

 有时，水并不汇聚

 渗入地下的水去了何处？

 土壤会变干燥，为什么？

 渗入土壤的水并不完全蒸发，它还用于补给“含水层”

 含水层中的水流向何方？

 还有其他含水层吗？

 含水层的污染

 水文学小结

 水从何处来？

飞机怎样飞行

 谁第一个飞上了天空？

 升力和阻力

 空气动力的产生

 空气动力依赖于什么？

 音障

 飞机的推进

 飞机的稳定性

 飞机的操纵

 飞机可能的演变

能量的储存和衰减

 引言

能量的普遍性质

能量的三个时段

能量是什么？

 能量的储存和循环

不同的储存库

封闭系统的概念

宇宙中的能量储存

能量的长途跋涉

 能量在循环过程中消耗

卡诺和“火动力机”

熵，能量质量的量度

最好和最坏情况下的热

 熵，混乱程度的量度

 时间的不可逆性和消耗的不可避免性

五种感觉器官

 拉封丹寓言中的感觉

 闻到奶酪的气味：嗅觉

 看到奶酪(和乌鸦)：视觉

 让乌鸦歌唱：听觉

 放开奶酪：触觉

 品尝奶酪：味觉

 第六感觉

 了解人体器官的作用和功能

 第一课：嗅觉

 第二课：触觉、嗅觉和味觉

 第三课：视觉、触觉、嗅觉和味觉

 第四课：听觉、视觉、触觉、嗅觉和味觉

气泡、液滴和液珠

 物质的分散状态

 表面张力

 浸润和液体的铺展

 毛细现象及其变化

 表面活性剂

植物的免疫性

 引言

 植物自然免疫的基础

 免疫的关键因素之一：尽早识别入侵者

 保护农作物的新战略：激活植物的免疫功能

词汇表

气候变化

地球围绕太阳公转的轨道和它围绕地轴的自转虽然是比较稳固而持久的，但它们也总会受到月球和其他行星的干扰，其结果导致地球轨道和它的自转随着时间发生着缓慢的变化。

这种变化是气候发生巨大变化的起因。前面已经讲过二分点的进动现象。在26000年的时间里，地球自转轴的晃动使季节发生了缓慢偏差。

以地球经过近日点为例，在近日点北半球处于冬季，即北极总是黑夜时，地球和太阳间的距离最近，因此北半球的冬季相对南半球而言比较温和。

13000年后，地轴将指向相反的方向。那时，北半球的夏季会更热，冬季会更冷。

地球轨道的形状在100000年间也发生着变化，椭球体的扁鼓程度将发生变化。另外，地轴的倾斜度并不总是23°26'，而是每隔41000年发生一些变化。

综合这些现象，可以部分解释地球上出现冰期的原因。例如，设想北半球处于冬季时，地球位于远日点，它的轨道扁长，倾斜度最大，冬季很可能非常冷！那么陆地面积最多的北半球将会产生一个巨大冰盖，地球便进入了冰期。

太阳系所有行星都有这样的气候变化。以火星为例，在某一时期，它的转轴倾斜度变化很可能过大，使本已稀薄的火星大气完全冻结！地球未曾经历过如此大的气候变化，这很可能是月球在其中起到一定的稳定作用。

地球公转轨道的变化遵循一定的规律，并且可以预测。天文学家可以告诉我们，下一个冰期将会出现在距今20000年至25000年的这个未来时期内。由于温室效应，我们的地球温度现在正在升高，人们希望利用冰期来降温，但冰期的到来实在太遥远了。

然而，它仍在运动！

世界的两大学说

“当您看到太阳运动时，却要认为它是静止的，而认为脚下坚实不动的地球以很快的速度在围绕着太阳这个中心转动。这需要多么丰富的想象力！”在1657年西拉诺·德·贝日拉克撰写的小说《另一个世界或月球帝国的旅行》中有一个人物这样说道。确实，日常生活中没有任何经验可以“证明”地球围绕太阳运动而不是太阳或其他恒星围绕地球运动。因此，人们直到16世纪才开始认真思考有关地球运动的问题也就不足为奇了。

丰特奈尔在他的《关于多元世界的对话》中有这样一段描述：“一个叫哥白尼的德国人，拿走所有这些不同的圆圈及古人设想的天空。他推翻地球中心的宇宙模型，建立起另一个新的宇宙模型。他以天文学家的热忱拿起地球，把它抛离宇宙中心(它原先所处的位置)，再把太阳放入这个中心上，似乎这一中心位置的荣誉更应该让太阳享有。这样，行星不再围绕地球转动……一切都围绕太阳运转，地球也是如此。”

于是，在17世纪初出现了两个“世界学说”：希腊天文学家托勒密流传下来的旧说——地心说；哥白尼创立并由开普勒完善的新说一日心说。如何在两者问抉择？哪一个才是真正符合事实的世界学说？用什么来批驳太阳运动这一每天都可以看到的明显证据，使我们认识到地球的自转和公转这两个紧密相连的运动？

在伽利略生活的时代，人们没有任何客观的理由在两个学说问做出选择。在《世界两大学说的对话》(1632年)一书中，伽利略对地心说的追随者所提出的论据进行了一一反驳，他认为地球的运动不是不可能的。例如，地心说的支持者认为如果地球是运动的，那么，抛在空中的石头应落在抛石处的西边，因为当石头在空中时，脚下的地球已经运动，人们应该可以觉察到这一切，因为10秒钟内赤道上某一固定点会产生5千米的位移。事实上，随着地球的自转，赤道上某一固定点24小时的位移相当于地球的周长：2×π×6378千米，那么10秒内的位移是该数值除以24×60×6。伽利略以运动的船只为例，运用类比法批驳了这一论据：从船桅杆上落下的石头并不落在船尾，而是落在桅杆脚下。有人试图对此加以验证，他们垂直放置一门大炮发射炮弹，结果发现炮弹会重新落回到炮筒中！这是危险的实验！

伽利略除运用类比法外，并没能证实地球的运动。人们观察到卫星围绕木星的运动，但这仍然无法证明地球以同样的方式在围绕太阳运动。另外，伽利略自己也不曾说过，任何在封闭船舱中进行的实验都无法证明是船在运动而不是大海在运动。

现代物理学与伽利略的观点一致。在相对另一参照物做匀速直线运动的参照系中，任何实验都无法证明该参照系是运动的。从物理学上讲，大家都赞同这一点：火车停留在站台上，很难能知道是我乘坐的这辆车在启动还是旁边的那一辆火车在启动。P12-14

科学的种子是什么？

《科学的种子》是“动手做”项目的系列丛书。该丛书并非是教科书，它不仅面向儿童，还面向“普通”的读者，面向那些对我们周围世界感兴趣的人，以及那些被科学深深吸引却没有机会从事科学活动的研究者……总之，它是想把对科学好奇与渴求的种子传播给儿童和身边的读者，尤其是传播给学生的家长和小学教师们。播下科学的种子，期待着发芽，等待着开花结果。

本套丛书是这样诞生的。

从1998年10月起，“葡萄藤”基金会每年在普罗旺斯组织一次由八九位科学家和三十几位小学教师参加的座谈会。虽然参会者每年不同，但他们都一致认为有必要在学校尝试科学实验教育。科学家和教师各自代表着一个彼此尊重但却互不沟通的群体。通过“秋季大学”的举办，使大家更清楚地认识到各自在编写“动手做”系列丛书中的角色和作用。

该丛书的目的是向读者介绍一些基础性的科学知识，它的产生过程大致如下：首先，由小学生提出问题和猜想，并在教师的带领下做一些简单的实验；然后由学生做出判断，得出答案；最后他们把自己的科学方法和步骤记录在报告上。

与会的教师都有过这种经历和感受：在遥远的中学时代，那些日子平淡中略带有不幸，那时几乎没有什么科学教育，人们常常以为科学遥不可及……所有这些都使得他们中的许多人现在都没有勇气去“动手做”一些科学实验，认为科学实验难以成功，甚至有人认为科学与他们毫不相干。这些教师的感受也代表着其他教师的心声。

每年举办的“秋季大学”着手从这两个方面来消除教师们的偏见。在“秋季大学”的活动期间，主持人要推荐教师们的讲义，并给它配上插图；科学家们表演“动手做”游戏。与会的教师往往会提出一些刁钻的问题，这时科学家们不得不另辟蹊径从科学原理上予以回答。于是科学家和教师之间便建立起一种默契。通过这些活动使教师们相信：科学活动和美一样也是可以分享的，科学家和科学爱好者之间同样也可以进行很好的思想交流。

“秋季大学”结束后，由科学家执笔，每人写出各自专业领域的章节内容，其中包括一些教师和儿童很容易做成功的小实验。每章写完后由小学教师先读，并对文字的可读性和实验的可操作性提出自己的建议。在这个阶段，此类交流要反复进行多次，它是整个计划中最富创意的探索。

本系列丛书每年都以轻快的脚步向广阔的科技领域迈进一步，将涉及科学各个领域。尽管这套丛书的读者不只是儿童，但我们希望它能对儿童的智力培养起到一些间接作用。因为儿童往往比成年人更具有探索精神，他们总有一连串的问题，我们也希望儿童在读完这套丛书后能得到一些“为什么”和“怎么样”的答案。

探索在继续

今年，七位科学家带您共同探讨他们研究领域中的新课题，让您的好奇心在这次科学旅程中尽享探索和实践之乐。

法比安娜·卡索利对地球的运动很感兴趣。尽管地球的自转和公转已尽人皆知，但这些运动并不像表面上看到的那样有规律。地球自转的速度有时会减慢，它围绕太阳运转的轨迹也会发生改变。这些变化是引起地球气候巨变(如出现冰期)的主要因素。但是如果要证明地球确实是在围绕太阳运转，而不是太阳围绕地球运转，要比想象的要复杂很多。因此，两大学说——“日心说”和“地心说”，能长期对峙如此长的时间，也就不足为奇了。法比安娜·卡索利将向我们展示为什么像傅科摆这样的实验可以作为地球自转的证据。

我们观察溪流能得到丰富的信息：可以测定河水的流量，知道水的来源。通过观察法，吉斯兰·德·马勒西利介绍了从降水到水蒸发的整个水循环过程。

接着我们将与让·库斯泰克斯一起“飞翔”，实地观察飞机在空中停留及前进的飞行条件。让·库斯泰克斯在简短地介绍了航空史后，诠释了飞机飞行的基本原理：让飞机停留在空中的升力；与空气阻力相反的推力；飞行的稳定性。作者借助简单的实验、廉价而常见的材料(如纸张或气球)来说明这些物理学原理。

让·马特里孔向我们阐明了能量这一不易理解的概念。无论在政治斗争、日常生活、细胞中心还是在茫茫的宇宙中，能量都无处不在。从绝对意义上说，能量是一个不易定义的物理名词。我们只知道它遵循着守恒定律，在任何时间、任何地方都存在，同时也在不断地被消耗掉，而且这种消耗是无法避免的。正是这些特性，使得能量成为无价之宝，我们人类之所以能够存在就依赖于它的作用。

夏尔·奥弗雷从“乌鸦与狐狸”的寓言入手，带领我们进入到感知周围物体物理和化学性质的感官世界。

大卫·凯雷对一些常见物体的不为人知的特性很感兴趣。他首先介绍了气泡和液滴这些常见的物体，重点讨论了它们的形状、生成过程以及它们的几种不常见的存在状态(如液珠)。接着，他介绍了与毛细现象相关的实验(即液体在毛细管中的上升)。最后，他简单介绍了一些具有表面活性的物质(如肥皂或乙醇)，并讨论了由此产生的一些结果，如液体的运动或肥皂泡的存在等。

本书的最后一章是贝尔纳·克劳海格撰写的有关植物免疫方面的内容。和动物一样，植物也具有自我保护、抵御入侵者的免疫系统。书中回顾了植物抵御微生物进攻的全套防御和反攻的武器库，并提出目前我们面临的是如何把这种新的生物技术运用到农作物保护上。

自2000年9月以来，法国的很多小学正式实施了学校科学教育改革方案。从1996年开始的“动手做”项目与这一方案直接相关。为了对改革方案进行补充，2001年起又新增了公共咨询计划，该计划同样也是受到“动手做”项目的启发。

“动手做”项目不会就此消失。为了促进它的发展，并确保取得最终成功，“动手做”项目也需要有它的实验基地。希望在不久的将来它能遍布法国，成为一支融实验、创新和交流于一体的科学教育革新力量。在法国教育部和多年来与《科学的种子》合作的科学界人士的大力支持下，法国科学院将不断地推出一些新的计划。

目前“动手做”的教育理念已经跨出了国门，因为不论世界各国的经济发展如何，怎样使儿童和社会了解科学已成为一个世界问题。在哥伦比亚、中国、埃及、摩洛哥、墨西哥、泰国、匈牙利、美国等都出现了“动手做”相关的实验和研究。今后，这些国家必将进一步加强合作，促进彼此在各个层面(班级、学校甚至教师)间的交流。《科学的种子3》将以它朴实的面貌、独特的思维在21世纪全球化的进程中留下自己的足迹。

出版部主任

2001年7月