细胞大小与物质运输的关系 实验设计

《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、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
①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；
②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；
③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
①培养学生团队合作精神；
②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＜8.2的溶液里为无色的内酯式结构，当8.2<pH<10时为红色的醌式结构）
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
（二）实验材料及用具
1．材料：3c m×3cm×6cm的含有酚酞的琼脂块。

2. 用具：
1 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、250ml牛奶盒2个、一次性手套4双
2 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0.1g，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．酚酞试剂：将0.1g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3cm×3 cm×6cm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酞相互污染，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
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20-30μm³,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、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。

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。

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70—90%）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.实验用具及试剂：
1 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，
2 化学药品及试剂：琼脂粉18 g、碘单质12.5g 、碘化钾5g、乙醇
250mL、淀粉
3.实验步骤
1 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。

2 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。

)
3 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。

4 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。

5 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行切面切成三块。

6 取中间那块观察切面，测量每一种琼脂块上碘液扩散的深度。