秋天树叶为什么掉下来时,是背面朝上

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植物的落叶大多数是叶背朝上，叶面朝下，这并不是秋风玩的把戏，而是由叶子内部特殊的结构造成的。大多数植物的叶子，叶背和叶面在植物生长过程中所照射到的阳光多少有显著差别，从而导致叶子两面的结构产生了差异：通常靠近叶面的细胞呈长方形，排列规则，被称为栅栏组织；而靠近叶背的细胞呈不规则的块状，叫做海绵组织。 栅栏组织排列紧密，其中含有大量的叶绿素，它们主要用于接收光能，利用空气中的二氧化碳制造大量的有机物，密度较大；海绵组织排列疏松，叶绿素较少，主要用于储藏植物内部产物和水，密度较小。因此，叶面比叶背的重量大，当树叶从树上飘落下来时，比较重的叶面就会朝下

叶片的叶肉组织中的栅栏组织与上表皮相连，叶肉细胞排列整齐紧密；叶片的叶肉组织中的海绵组织与下表皮相连，叶肉细胞排列疏松。在光照条件下栅栏组织制造的有机物比海绵组织制造的有机物要多．所以上表面密度相对大些．重心偏向上表面(即正面)。又因重心越低越稳，因此叶子落地时背面向上。”

影响落叶背面向上的主要因素

盛红波 张晓虹 (石家庄市第六中学 河北石家庄 050051)

摘要 “为什么大部分落叶都是背面向上的呢?”这是一道生物学竞赛题．答案是因为叶子正背两面的密度存在差异。本文采用控制变量法和理想试验法通过科学探究得出影响大部分落叶背面向上的主要因素是空气阻力。当叶面向正面翘起时，叶子落地正面向上的几率大；当叶面向背面翘起时，叶子落地背面向上的几率就大，这是因为叶子呈现流线型时空气阻力最小。同时叶柄、叶子的形状及下落的高度对落叶的落地情况也有一定影响。但与叶子正背面组织的密度差异无关。

关键词 科学探究 控制变量 落叶

中国图书分类号：Q944-56 文献标识码：A

1 背景

“为什么大部分落叶都是背面向上的呢?”这是一道生物竞赛题。答案是：“叶片的叶

肉组织中的栅栏组织与上表皮相连，叶肉细胞排列整齐紧密；叶片的叶肉组织中的海绵组织

与下表皮相连，叶肉细胞排列疏松。在光照条件下栅栏组织制造的有机物比海绵组织制造的

有机物要多．所以上表面密度相对大些．重心偏向上表面(即正面)。又因重心越低越稳，因

此叶子落地时背面向上。”张玉华等(2004)通过大量的调查研究得出，“正面向下的最大值

是85．7％，平均值达67．9％”，有力地支持了“大部分的叶子背面向上”的结论。同时也

支持叶子下落背面向上的主要原因是正背两面的密度差异：但也提到了大部分桑叶是正面向

上。为什么桑叶会出现反常现象呢?这个问题引起了我们极大的兴趣。

2 过程与方法

实验之初，我们猜测叶子下落哪个面向上应该与高度、叶子上下部分组织的密度、形状、

叶柄的大小、叶面的弯曲形态等因素有关。研究叶面的弯曲形态是因为叶面不在一个平面上，

有的叶面向正面弯曲，如桑叶和杨树叶等：有的叶面向背面弯曲，如法国梧桐和梧桐；有的

叶子叶柄较大，如梧桐；有的叶子叶柄很小，如柳叶。实验目的是通过控制变量找出影响树

叶落地时背面向上的主要因素。

2.1 用理想试验鉴定正背面密度差异对叶子落地的影响为了排除其他因素的影响，特别足叶

面弯曲的形态、叶子形状上的差异以及叶柄的影响，笔者先用密度均匀的硬纸板(包装新衬

衫的硬纸板)制成形状规则的“理想叶子”．再用密度较大的硬纸板和密度较小的吹塑塑料

纸粘合制成正背面密度有较大差异的“理想叶子”，这样就可保证在下落过程中“理想叶子”

为二维平面。“理想叶子”被制成离心率为O的正圆，与离心率分别为0．125、0.25、0.375、

0.5、0.625、0.75、0÷875、0.935、0.9625的椭圆。离心率较小时，形状接近于心形叶和

卵形叶；离心率较大时，椭圆的形状接近于带形叶。

分别把每种“理想叶子”在无风处从l～5 m的高度静止释放，“理想叶子”的初始姿态

有4种，分别为背面向上、正面向上、叶面竖直及叶面与水平面成θ角，每种“理想叶子”

每种姿态各做100次。结果所有“理想叶子”落地时背面向上的几率都接近50％。并且叶面

水平释放时(背面向上或正面向上)，叶子下落得非常平稳，几乎不发生翻转。叶面竖直及叶

面与水平面成0角释放时叶子在空中有翻转。表1列出了每种正背面密度有差异的“理想叶子”

的背面向上统计结果。结果显示．在形状规则、叶面始终保持二维的前提下，无论“理想叶

子”正背面的密度是否有差异。背面向上的几率都接近50％，即使下落的高度有变化。由此

可以推断：真实的叶子正背面的密度差异应该不是影响叶子落地时背面向上的主要因素。

2.2 用真实的树叶通过控制变量找出影响树叶落地时背面向上的主要因素笔者在用真实的

叶子做实验时发现：用刚从树上采下的叶子实验与用在桌子上放置了5 min后的叶子做实验，

数据会有很大差距，例如．刚从树上采下的桑叶从4．5 m处静止释放，正面向上的几率为87．5

％，而放置5 min后再实验，正面向上的几率减小为72．2％。为了使数据更接近真实，实验

用的叶子都为刚从树上采下的。并尽量保持它在树上的原姿态(不包括实验中压平的叶子)。

笔者收集了大量新鲜的桑叶、法国梧桐叶、梧桐叶、杨树叶，每种叶子带有柄，数目都

不低于200片。在无风处(有天井的教学楼内)分别从7.5m、4.5m、2m处静止释放，叶子在空

中翻滚飘落。收集的背面向上的

从表2可以看到，桑叶和杨树叶正面向上的几率大于背面向上的几率，其中桑叶正面向上的

几率更大些。法国梧桐和梧桐背面向上的几率大于正面向上的几率．其中梧桐背面向上的几

率更大些。经反复观察、比较发现，大部分法国梧桐和梧桐的叶面向背面翘。而大部分桑叶

和杨树叶的叶面向正面翘，并且它们的叶柄大小也不同。因此，笔者决定把新采来的树叶剪

去叶柄。并增添了柳叶重复上述试验．因为柳叶的叶柄很小．与去掉叶柄的树叶可以进一步

做比较。在无风处分别从7.5m、4.5m、2m处静止释放收集背面向上的几率如表3。

从表3中可以看出，柳叶的背面向上的比率比较大，在形态上柳叶的叶面特别是叶尖部

也是向背面翘。去掉叶柄后的树叶落地几率变化比较大的是梧桐．背面向上的几率已接近50

％，其他3种叶子背面向上的几率都有大幅改变。比较了这几种叶子的叶柄占总质量的比例，

桑叶为13．6％，法国梧桐为14．4％，杨树为14．8％，梧桐为15．7％，梧桐叶的叶柄占总

质量的比例相对来说是最大的。由此推断，当叶柄质量占总质量的比例较大时，叶柄对叶面

落地的影响也较大；叶子向正面翘，正面向上的几率就大。叶子向背面翘．背面向上的几率

就大。为了进一步验证我们的想法，笔者做了有叶柄且把叶面压平与无叶柄且把叶面压平后

的实验。背面向上的几率如表4，表5：

表4显示，有叶柄且叶面被压平与有叶柄不被压平相比，背面向上的几率提高了很多。

表5显示，用去掉叶柄并压平的叶子做实验，背面向上的几率更趋于50％。

只有梧桐叶背面向上的几率比有柄压平偏离了50％。

3 结果与分析

从上述实验结果笔者推断：叶子向正面翘，正面向上的几率就大；叶子向背面翘，背面

向上的几率就大。叶柄、叶子的形状及高度对叶子落地时哪个面向上也有一定影响，例如，

杨树叶、梧桐叶、桑叶在4.5 m和7.5 m高度都出现了反常数据。表格中用斜体字表示，可能

与形状和高度有关。但树叶落地时背面向上还是向下似乎与叶子正背面组织的密度没有关系。

为了进一步验证这一推断．笔者把刚采来的树叶放人长度不同的真空管中，并抽成真空，

进行实验。结果发现叶子下落过程中速度很快，并不翻转，而树叶在空气中下落却很慢并不

断翻转，于是笔者认为空气阻力应是影响树叶落地情况的最主要因素。进而从丁香树上采集

了2类叶子：一种向正面翘起。一种向背面翘起。从7．5 m和4．5 m处释放，结果叶面向背

面翘起的丁香叶，背面向上的几率分别为67．2％和70．1％：叶面向正面翘起的丁香叶．背

面向上的几率为分别为32．4％和37．2％。这一结果正好验证了我们探究的结论。因为这2

种丁香叶除了叶面翘起的方向不同外，其他并无多大差别。

为什么叶面翘起的方向是影响叶子落地情况的主要因素呢?叶面翘起时叶子像一把小

伞。物理中有个从楼上向下扔撑开的雨伞的实验．无论是伞把向上还是向下，落下的结果都

是伞面向下，伞把向上，这是由于空气阻力的缘故．只有伞面向下伞成流线型空气阻力最小。

叶子下落也应当遵守这一规律。

4 体会与收获

在探究过程中，通过真正的“做”科学。既学到了科学知识，又掌握了运用知识和探究

知识所必需的思维方法。科学哲学家波普尔(Popper)认为：“猜想是创造力的真正源泉。”

从猜想的进化过程可以看到，我们通过一个个实验。在新的认识基础上建立新的猜想，一步

步向真理逼近，思维能力逐步提升。正如Hipkin强调的那样，“学生科学探究本身就是其思

维持续发展、创新的过程。”在科学探究的过程中．我们发现大自然中一个非常简单的现象

——落叶。就蕴藏有很多奥秘，需要融合各学科知识和方法去研究。正是这许许多多的奥秘

令我们着迷，对落叶探究成功的经历将鼓励着我们不断地探索下去。