细胞大小与物质运输的关系实验设计

1、细胞大小与物质运输的关系实验方案设计一、实验介绍 人教版高中生物学教材“分子与细胞 ”模块第六章第 1 节细胞的增殖中，为了说 明“细胞为什么不能无限长大 ”的原因之一是细胞表面积与体积关系的限制 ,设计 了一个模拟实验。 本模拟实验中以含有酚酞的琼脂块模拟细胞 ; 以 NaOH溶液模 拟被细胞吸收的物质。由于酚酞遇 NaOH显粉红色 , 学生可通过观察琼脂块“细 胞”由无色变成粉红色的过程 , 了解 NaOH 分子扩散进入 “细胞”的过程 ; 再 通过测量 NaOH 扩散进入琼脂块“细胞”的深度 , 获得相应数据。学生经计算、 比较不同体积琼脂块“细胞”吸收物质的速率 , 可预测细胞表面积、

2、体积之比与 细胞代谢、物质运输的关系 , 进而理解细胞不能无限长大的原因。二、实验目的1. 知识目标 通过探究细胞表面积与体积的关系，来了解细胞大小与物质进出的关系； 了解细胞越小，其表面积与体积之比就越大、物质运输的效率越高这一知识 理论；通过实验帮助其明白细胞不能无限长大的原因。2. 能力目标 学会建立数据模型，并运用数据及表格分析问题。3. 情感态度与价值观 培养学生团队合作精神； 培养学生实事求是的科学态度和严谨认真的治学精神。三、实验解析（一）实验原理 1用琼脂块模拟细胞，琼脂块越小，其相对表面积越大，则其与外界物质进行 交换的表面积越大，经交换进来的物质在琼脂块中扩散的速度越快。2

3、含有酚酞的琼脂块遇到 NaOH，酚酞变红色。主要利用酚酞遇碱性溶液变红 的特性。（酚酞是一种弱有机酸， 在 pH的溶液里为无色的内酯式结构， 当pH10 时为红色的醌式结构）3NaOH 在琼脂块中扩散的速度相同 ,在相同时间内， NaOH扩散的深度 （或琼脂 块变红的体积 ）与琼脂块的总体积的比值可以反映 NaOH在琼脂块中扩散的效率。 此过程可模拟细胞大小与物质运输效率的关系。如图所示（二）实验材料及用具1材料： 3cm3cm 6cm 的含有酚酞的琼脂块。2. 用具： 酚酞琼脂块制备： 电炉一个、电子天平一个、玻璃棒一根、温度计一个、 1L量筒一个、 20ml量筒 一个、水浴锅一个、 250

4、ml 牛奶盒 2 个、一次性手套 4 双 具体实验： 10cm 直尺一块、小刀一把、塑料勺一个、餐巾纸一卷、小塑料盆一 个，废旧报纸 2 张3药品：酚酞粉末 ，NaOH 固体 ，琼脂粉 18g，自来水若干（三）方法与步骤1%的 NaOH溶液： 800ml 水中加入，混匀，装入细口瓶，贴上标签，备用。 2酚酞试剂：将酚酞粉末与 20ml 体积分数为 95%的乙醇混合，用玻璃棒搅拌， 让酚酞粉末充分溶解后备用。3.酚酞琼脂块的制备：在水浴锅中加 500mLH2O，快煮沸时加入琼脂粉 18g，用 玻璃棒不断搅拌，将其煮沸。在琼脂冷却至 80后，加 10ml 配置好的酚酞试剂， 搅拌混合后，分别倒入

5、2 个 250ml 牛奶盒中，等其固化，放在废旧报纸上，用 小刀沿着尺子将其切成 3cm3 cm6cm 的小块，备用。4制备不同体积的正方体琼脂块：用尺子测量，再用小刀沿着尺子刻度切成3块正方体小块，边长分别为 3cm、 2cm、1cm。5. 加入 NaOH：戴一次性手套， 将上述 3 块琼脂放入 1 个小塑料盆中， 加入 1000 mlNaOH溶液，淹没琼脂块，浸泡 10 min，在此时间内，用塑料勺不断翻转琼脂 块，注意不要把琼脂弄坏。 （注：3 块琼脂快要同时放入小塑料盆中，翻转也要 同时进行，以避免实验误差） 6测量并记录：将小塑料盆中液体倒入废液缸，用塑料勺将琼脂轻轻舀出，放 于废旧

6、报纸上， 用纸巾将琼脂快表面的 NaOH溶液吸干，用小刀把每一个琼脂块 沿两条平行切面切成三块。 取中间那块观察切面， 测量每一种琼脂块上 NaOH 溶 液扩散的深度，做好记录 （填写表格 ）。7分析结果，得出结论。实验数据需计算表面积 S（cm2）和模拟细胞的体积 V （cm3），用 SV 的比值，表示相对表面积的大小。 并测量 NaOH 扩散深度（cm） 与整个琼脂块的体积（ cm3）之比，表示细胞运输效率的大小。（四）注意事项1实验步骤 2 中应防止勺子破坏琼脂块的表面。 2分割琼脂块之前，应用纸巾吸干 NaOH溶液。3每次切割之前必须用餐巾纸把刀擦干，以免不同琼脂块上的酚酞相互污染，

7、影响实验结果。4在实验开始之前，要求每位学生穿好实验服，戴好一次性手套，以防止实验 过程中药品飞溅，伤及皮肤。5酚酞易引起过敏反应，准备实验材料时最好戴一次性手套。 6为了保证实验的严谨性，将琼脂快放入小塑料盆中后，倒入NaOH 溶液，在相同的“扩散”时间后，先将 NaOH 倒出，再将琼脂块取出，以避免时间不一造 成的误差。颜色变化的观察与面积和体积的计算可同时进行。（五）实验变量分析 本实验中自变量是不同大小琼脂块模拟的细胞， 因变量是琼脂块进入琼脂块 “细 胞”的深度。其中 NaOH溶液的浓度、环境温度等为因变量。琼脂块的 边长 /cm表面积 /cm2体积/cm3比值 （表 面积/体 积）

8、NaOH 扩散 的深度 /cm比值（ NaOH 扩散的 体积 整个琼 脂块的 体积）321结论1琼脂块的表面积和体积的比随着琼脂块的增大而。2 NaOH 扩散的体积与整个琼脂块体积之比随着琼脂块的增大 而。扩散的体积 =琼脂块体积 -（琼脂块边长 -测量的扩散深度 ）3五、实验结论及分析（一）实验结果与预测结果的比较 （注：因为细胞体积一般在 20-30m3,所以在数据处理上 可以增加一边长为琼 脂块的表面积和体积的计算来做对比，这样可以加深对细胞相对表面积规律的 认识。）（二）试验中遇到的问题 1酚酞是极易引起过敏的一种物质，如何保证实验过程中操作者不过敏 戴一次性手套，操作中避免试剂直接接

9、触皮肤。NaOH具有极强的腐蚀性，操作时应避免与皮肤和眼睛接触。如喷洒出来，应该 如何做出急救密闭包装，贮于阴凉干燥处。与酸类、铵类、易（可）燃物等分储分运。 不可与皮肤接触， 若皮肤 （眼睛） 接触，用流动清水冲洗， 涂抹硼酸溶液 （分子式： H3BO3 ）。若误食，用水漱口，饮牛奶或蛋清（等酸性无害食品）且需立即就医。 实验结束后的废弃化学溶液，应如何处理应该将废液集中在一起，统一滴加盐酸溶液中和废液，然后将其倒掉。六、替代实验由于 NaOH属于强碱， 有一定的腐蚀性， 再加上用量较大， 给实验带来一定的危 险性，所以可以选择一些相对比较安全的实验材料和试剂来代替。 本实验是利用显色反应来

10、检测物质在琼脂块中的扩散深度，故可以想到淀粉遇 碘变蓝、石蕊的酸碱变色、蛋白质与双缩脲的显色反应等可作为替代。再经查 阅资料，发现，利用蛋白质与双缩脲显色反应替代的实验，蛋白质在碱性环境 中与铜离子反应，生成紫色络合物，而这种紫色络合物是可溶性的，边缘部分 就会溶解，而不是想象出的渗透进去，所以这个方案是不可行。所以实验可尝 试使用淀粉代替酚酞，碘液代替氢氧化钠溶液，实验的原理是淀粉遇碘变蓝， 颜色变化明显。实验改进 ：淀粉代替酚酞，碘液代替 NaOH 溶液1. 原理：本实验是利用显色反应来检测物质在琼脂块中的扩散深度， 而淀粉遇碘 会变蓝，因此，可用淀粉代替酚酞，碘液代替 NaOH进行实验。

11、 淀粉遇碘变蓝的原理：淀粉是白色无定形粉末，由直链淀粉（占10 30%）和 支链淀粉（占 7090%）组成。直链淀粉能溶于热水而不呈糊状，支链淀粉不 溶于水，热水与之作用则膨胀而成糊状。其中溶于水中的直链淀粉，呈弯曲形 式，并借分子内氢键卷曲成螺旋状。这时加入碘酒，其中碘分子便钻入螺旋当 中空隙，并借助范德华力与直链淀粉联系在一起，从而形成络合物。这种络合 物能比较均匀地吸收除蓝光以外的其它可见光（波长范围为 400 750nm），从 而使淀粉变为深蓝色。该改进实验与教材实验比较有如下优点：由于碘液代替了氢氧化钠，没有腐蚀 性。在实验安全方面比教材实验好，学生可以放心大胆的操作。2. 实验用具

12、及试剂：用具：电子天平一个、 500ml 烧杯一个、玻璃棒一支、 小刀一把、 小塑料盆一个， 塑料勺一把、一次性手套、餐巾纸一卷、棕色瓶一个、电炉， 化学药品及试剂：琼脂粉 18 g、碘单质 、碘化钾 5g、乙醇 250mL、淀粉3. 实验步骤碘液的配制：取 500ml 烧杯一个，加入乙醇 250mL，用电子天平称取碘单质、 碘化钾 5g，倒入烧杯中，用玻璃棒搅拌，使固体溶解，再加水至 500mL，混匀， 移至棕色瓶中，保存。含淀粉的琼脂块的制作： 称取淀粉 2g，放入烧杯里，量取 25mL水，加入烧杯中， 用玻璃棒搅拌，调成糊状后， 再倒入 75 mL 水搅拌。将烧杯放在电炉上加热， 煮 沸后加入琼脂 9g，用玻璃棒不断搅拌，待琼脂完全溶解后加入水至 500mL，煮 沸后将溶液分别倒入 250ml 牛奶盒中，冷却。（注意：淀粉必须调成糊状后才能加热，可防止淀粉形成颗粒影响实验结果。）将冷却后的琼脂放在废旧报纸上， 用小刀沿尺子把琼脂块切成三块边长分别为 3 cm、2 cm 和 1 cmc 的立方体。将 3 块琼脂块放入小塑料盆中，加入碘液，将琼脂块完全淹没。浸泡 15 min ， 在此时间内，用塑料勺不时翻动琼脂块不要将琼脂块弄坏。将小塑料盆中的液体倒掉，用塑料勺将琼脂块从碘液中取出，用吸水纸将其表 面液体吸干，然后用小刀把每一个琼脂块沿两条平