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、体积之比与细胞代谢、

2、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 .含有酚酥的琼脂块遇到 NaOH

3、,酚猷变红色。主要利用酚酥遇碱性溶液 变红的特性。（酚猷是一种弱有机酸，在pH 8.2的溶液里为无色的内酯式结构， 当8.2pH10时为红色的酿式结构）的嵌是一种有机弱酸.无色.不济水.溶于 有机溶剂：实监室中的酚曲溶液通过拗酿溶于酒精 来配制“酚猷的酸式结构是无色的内能式，遇碱 时，内能开环生成灯色的写式结构,醍基是显色基 团（红），但在强碱中不稳定而形成无色的翅酸式 结构口3 . NaOH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、防散体

4、积/整个琼脂块体积琼脂块表圆积与体积的比值O19 8 7 6 5 4 32 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 AV L0-0.0.灰0.0.0.0,10H扩散体积与整个琼脂块体积的比琼脂块边长（刖）琼脂块大小变化对NQH犷散效率的影响（二）实验材料及用具1 .材料：3cmrix 3cm x 6cm的含有酚酥的琼脂块。2 .用具：酚献琼脂块制备：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、250ml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：酚酥粉末 0.

5、1g, NaOH固体0.16g,琼脂粉18g,自来水若干 （三）方法与步骤1 . 0.02%的NaOH溶液:800ml水中加入0.16gNaOH,混匀，装入细口瓶， 贴上标签，备用。2 .酚吹试剂：将0.1g酚酥粉末与20ml体积分数为95%的乙醇混合，用玻 璃棒搅拌，让酚酥粉末充分溶解后备用。3 .酚酥琼脂块的制备：在水浴锅中加 500mLH2Q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 80c后，加10ml配置好的酚吹试 剂，搅拌混合后，分别倒入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 3cmx3 cmx6cm的小块，备用。4 .

6、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 N

7、aOH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S/V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丈相互污 染，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 .酚吹易引起过敏反应，准备实验

8、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表卸积 /cm2体积/cm3比值（表 面积/体 积）NaOH扩散 的深度/cm比值（NaOH扩散的 体积整个琼脂块的 体积）3210.01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

9、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 20-30卜m3,所以在数据处理上 可以增加一边长为 0.01cm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 .酚吹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触皮肤。2 . 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、俊类、易（

10、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。3 .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NaOHS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、蛋白质与双缩月尿的显色反应等可作为替代。再经 查阅资料，发现，利用蛋白质与双缩月尿显色

11、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吹，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：淀粉代替酚吹，碘液代替 NaOHS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，可用淀粉代替酚吹，碘液代替NaOHS行实验。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

12、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

13、g、碘单质12.5g、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12.5g、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*,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