细胞大小与物质运输的关系

细胞大小与物质运输的关系

一、学习目标

本实验也是高中生物必修一“分子与细胞”一册书中典型的引导式实验，按照课程标准的要求，学生要学会模拟探究细胞体积与表面积的关系。通过模拟探究过程的进行，体验细胞必须要保持一定的体积，并认同细胞生长到一定大小后停止生长，细胞进入分裂增殖。同时通过对实验方案的设计主要培养学生比较、判断、推理、分析综合等思维能力，初步形成创造思维品质，能够运用学到的生物学知识评价和解决某些实际问题；其次通过分组实验和讨论，培养合作和交流能力，领会生物科学探究的一般方法，培养学生科学探究能力和勇于探索、不断创新的精神。

二、观察与思考

（一）提出问题

生活中吹气球的时候，气球的体积在缓慢增大，能一直增大么？同理组成生物体的每一个细胞的体积在生长发育过程中能无限增大么？

（二）猜想与假设

气球吹到一定程度是，橡胶的膨胀系数达到最大时，可能就会爆裂。细胞也一样可能有同样的遭遇，或许不增大，停止生长，或许进入下一次分裂，也可能萎缩。假设细胞的体积不能无限增大？

（三）交流、讨论

可以分组实验，在实验室连续观察细胞的生长状况，利用显微镜观察细胞是否无限增大？也可以构建细胞模型，来验证细胞生长状况，以及细胞大小与物质运输的关系。

三、设计与交流

①实验方案：用含有酚酞的琼脂块模拟细胞形态，利用酚酞遇NaOH

变红特性，观察扩散深度的测量，计算表面积与体积

的比值来推导细胞大小与物质运输速率的关系 我的设计②实验器材：烧杯、酚酞、琼脂块、直尺等

③实验步骤：琼脂＋H2O→搅拌煮沸，冷却、凝固前加酚酞，搅拌

混合→倒入浅盘→固化后切成小块。→用餐刀切成边

长分别为3cm、2cm、1cm的正方体小块。→加入

NaOH，将上述3块琼脂放入烧杯，加入NaOH溶液，

淹没琼脂块，浸泡10 min，注意搅拌。→测量并记录。

四、实验解析

（一）实验原理

1．含有酚酞的琼脂块遇到NaOH，酚酞变红色。主要利用酚酞与碱性溶液变红的特性。

2．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。

（二）主要实验材料

1．材料：3c m×3cm×6cm的含有酚酞的琼脂块（琼脂由琼脂糖（Agarose）和琼脂果（Agaropectin）两部分组成。琼脂在食品工业的应用中具有一种极其有用的独特性质。其特点：具有凝固性、稳定性，能与一些物质如酚酞形成络合物等物理化学性质，可用作增稠剂、凝固剂、悬浮剂、乳化剂、保鲜剂和稳定剂。）、塑料餐刀、防护手套、塑料勺、纸巾、烧杯。

2．药品：质量分数为0.1%的NaOH溶液。

（三）方法与步骤

1．酚酞琼脂块的制备：30g琼脂＋1LH2O→搅拌煮沸，冷却、凝固前加1g酚酞，搅拌混合→倒入浅盘→固化后切成3cm× 3 cm ×6cm的小块。

2．制备不同体积的正方体琼脂块，用餐刀切成边长分别为3cm、2cm、1cm的正方体小块。

加入NaOH，将上述3块琼脂放入烧杯，加入NaOH溶液，淹没琼脂块，浸泡10 min，注意搅拌。

3．测量并记录：取出琼脂块，用餐刀沿中轴线切为两半并测量每块琼脂块上NaOH扩散的深度,做好记录。

4．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。

（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．每次切割之前必须把刀擦干。

4．在实验开始之前，要求每位学生穿好实验服，戴好护目镜和防护手套，以防止实验过程中药品飞溅，伤及眼睛和皮肤。

5．酚酞易引起过敏反应，准备实验材料时最好戴橡皮手套。

6．为了保证实验的严谨性，在放有琼脂块的三个烧杯内同时加入等量的NaOH溶液，在相同的“扩散”时间后，将琼脂块一齐取出。颜色变化的观察与面积和体积的计算可同时进行。

7．本实验最后要引导学生认同细胞表面积与体积比不能过小，否则会因表面积的限制导致细胞代谢速率下降，这对细胞的生存是不利的。所以当细胞长到一定大时，便不再长大，进而一分为二，为细胞快速代谢创造条件。

（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。

五、实验结论及分析

（一）实验结果与预测结果的比较

（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解除活不过敏？

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？

3．实验结束后的废弃化学溶液，应如何处理？

备注：遇到的问题可以到/或是/

相关的课程资源网站中查询。

六、例题分析

真核细胞的直径一般在10~100μm之间。生物体细胞体积趋向于小的原因是（）A．受细胞所能容纳的物质的制约B．相对面积小，有利于物质的迅速转运和交换C．受细胞核所能控制的范围的制约D．相对面积大，有利于物质的迅速转运和交换【解析】CD 细胞核的控制直径是有限的，所以细胞不能无限增大，同时细胞体积越小，相对表面积越大，这样物质运输的速率就越快。

七、知识反馈

（一）同步练习

1．实验目的

2．本实验中不同大小的琼脂块模拟的是。

3．NaOH溶液遇到酚酞试液变成。

4．细胞越大,物质运输的效率越，所以多细胞生物都是由许多个细胞而不是由少数体积更大的细胞构成的。

5．细胞体积越大,其表面积相对，细胞与周围环境之间物质交流的面积相对越小,所以物质运输的效率越。

6．实验用品

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