细胞大小与物质运输的关系实验设计.doc

2011级生科师范(5)班 第三小组西南大学生命科学学院细胞大小与物质运输的关系实验方案学院：生命科学学院时间：2013年10月指导教师签字： 教师助理签字：-1目录一、实验背景5（一）教材分析5（二）学情分析5二、实验目的5（一）知识目标5（二）能力目标5（三）情感态度与价值观5三、实验解析6（一）实验原理6 用琼脂模拟细胞的原因6 酚酞遇碱变红原理6 理论依据7（二）实验材料及用具7 每一个大组（8或9人组）所需材料用具7 全班实验所需的材料量及配置步骤9（三）方法与步骤9 实验准备91）酚酞92）琼脂块93）配制0.1%NaOH溶液10 实验操作步骤101）加入0.1%NaOH溶液102）切片103）测量104）填表10（四）实验结论及分析11 实验结论11 实验分析121）实验重难点122）实验结果与预测结果的比较123) 试验中遇到的问题12 资料的查阅12（五）实验注意事项13四、实验探究13(一) 实验改进探究13 淀粉代替酚酞，碘液代替NaOH溶液的实验131）原理132）实验用具及试剂133）实验步骤14(二) 原实验反应条件的探究15 实验材料15 实验步骤151) 加入NaOH溶液152) 取琼脂块153) 测量164) 填表16五、实验的相关思考问题及解释16（一）补充问题16（二）该实验不足的地方分析17六、参考文献18- 18 -一、实验背景（一）教材分析 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显红色, 学生可通过观察琼脂块“细胞”由无色变成红色的过程, 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）学情分析 由于细胞太小，无法直观的观察到物质运输的过程，为了更好的了解细胞大小和物质运输的关系，需要选择合适的材料来代替物质运输这一实际过程。通过对这一阶段学生学习情况的了解，我们发现，在初中阶段，学生们已经学习过有关“细胞通过分裂产生新胞”“受精卵通过细胞分裂和分化形成组织器官”等知识，也具有相应的化学知识，知道本实验中NaOH与酚酞的显色原理。最后，经过一系列的研究后，我们组选择用琼脂来代替细胞，用NaOH来代替物质。二、实验目的（一）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运输的关系； 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，帮助学生明白理解细胞不能无限长大的原因。（二）能力目标 学会建立数据模型，并运用数据及表格分析问题。 增强化学实验思维能力，拓宽知识面，变被动、机械的学习为主动灵活的学习，同时提高动手能力。（三）情感态度与价值观 培养学生实事求是的科学态度和严谨认真的治学精神； 通过自己动手做实验，以及师生间、同学间的交流，培养学生实验操作、观察、分析的能力，培养尊重科学、热爱物理的高尚情操。三、实验解析（一）实验原理该实验是用含有酚酞的琼脂块模拟细胞，用NaOH模拟被吸收的物质，利用分子的扩散来模拟细胞的物质运输，利用颜色反应来确认物质扩散的深度。由于酚酞遇NaOH显红色，学生可通过观察琼脂块“细胞”由无色变成红色的过程，了解分子扩散进入“细胞”的过程；再通过测量扩散进入琼脂块“细胞”的深度，比较不同体积的琼脂块“细胞”吸收物质的速度，来探究细胞大小与物质运输的关系。通过计算、比较在相同时间内物质扩散的体积与总体积之比，可得知细胞表面积、体积之比与细胞代谢、物质运输效率之间的关系，进而理解细胞不能无限长大的原因。细胞体积越大，其相对表面积越小，细胞物质运输效率越低，细胞表面积与体积的关系限制了细胞的生长。 用琼脂模拟细胞的原因细胞中的细胞质在生活状态下为透明胶状物质，而一定浓度的琼脂为规则的多孔网状的胶质物且孔网的孔径很大，可以允许大分子物质自由通过。琼脂又具有良好的化学稳定性、凝固性，含水量大、透明度好、来源方便、处理容易等优点，因此是良好的扩散介质。NaOH通过扩散进入琼脂块，相当于细胞的自由扩散，因此虽然琼脂没有细胞结构，却可以模拟被动运输的自由扩散，可是却不可以模拟协助扩散、主动运输。 酚酞遇碱变红原理 酚酞为一种常见的碱性指示剂，酚酞的变色范围是PH=8.2到PH=10之间在PH8.2时为红色的醌式结构。这是因为酚酞是 4,4-二羟基三苯甲醇-2-羧酸的内酯，无色，不溶于水溶于有机溶剂。遇碱时内酯开环而生成二钠盐，发生重排，形成醌式结构而呈红色，醌基显色基团。 理论依据NaOH在琼脂块中扩散的速度相同（因为琼脂块是由琼脂粉形成的内部结构均一，全透性凝胶）,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 每一个大组（8或9人组）所需材料用具八到九个人一大组，再分为2个小组每小组5个人或4个。每一组所需材料用具名称数量作用边长为1cm的含酚酞的琼脂块1块2琼脂模拟细胞边长为2cm 的含酚酞的琼脂块1块2琼脂模拟细胞边长为3cm的含酚酞的琼脂块1块2琼脂模拟细胞质量分数为0.1%的NaOH溶液200ml2NaOH与琼脂中的酚酞会形成红色，便于观察其浸入琼脂的深度500ml大烧杯1个2作为琼脂中的酚酞与NaOH反应的场所毫米尺子1把2测量NaOH侵入琼脂的深度小刀1把2切开琼脂观察NaOH浸入的深度纸巾若干吸掉琼脂取出后所附带的溶液塑料勺1把2帮助琼脂在NaOH中翻转垫板1个2将琼脂放在上面切割塑料手套2个2避免手直接触碰琼脂，减少NaOH对皮肤的腐蚀废液桶1个2盛放废液鱼形模具1个2制作琼脂块电炉1个熔化琼脂玻璃棒1根2搅拌琼脂500ml量筒1个250ml量筒1个2250ml烧杯2个 全班实验所需的材料量及配置步骤为全班三个大组（6个小组）提供6套琼脂块模型，应配置600 ml的含有酚酞的琼脂粉溶液（200 ml的含酚酞琼脂粉溶液就可以制作三套模型，一共可以做九套，全班一共分为6个小组共需6套模型，多制作的3套是用来备用的）。步骤一：需配置2%的琼脂溶液，琼脂粉与水质量比1:50（10g/500ml），计算琼脂粉需要12g；步骤二：每100ml 2%的琼脂溶液中需要加入0.01g的酚酞（配置酚酞指示剂：0.5%酚酞乙醇溶液），因此实验中所需的600ml琼脂溶液需要加入0.06g的酚酞。加入酚酞之前，需要先用95%的乙醇溶液溶解，加入12ml 95%的乙醇溶液溶解。（酚酞质量与95%的乙醇溶液体积比0.05g/100ml）步骤三：在500 ml的大烧杯中，把一套模具的琼脂块都淹没，至少需200 ml的NaOH溶液，全班需要六个500 ml的大烧杯，共需NaOH溶液1200ml，, NaOH溶液的质量浓度为0.1%，计算NaOH粉末需1.2 g。全班实验所需的琼脂块的制作材料量名称数量备注琼脂粉12g酚酞0.06g95%的酒精12ml酚酞为有机物，难溶于水易溶于酒精，酒精的沸点低，易挥发NaOH粉末1.2 g（三）方法与步骤 实验准备1） 酚酞称取酚酞粉末0.06g，加入95%的乙醇溶液12ml，进行充分溶解，配成12ml 0.5%酚酞乙醇试剂。2） 琼脂块称取琼脂粉12g加入水至体积为600 ml，导入加热容器中（先将琼脂粉在适量的水中调散开再导入，防止琼脂粉粘成块状），温火加热，保持温度在83摄氏度左右。（不可用急火，防止糊锅底，保持温度在83摄氏度左右）待琼脂完全溶解后，将配好的酚酞试剂加入琼脂液搅匀。酚酞试剂与琼脂体积比为1:50。搅匀后趁热倒入模具中。（琼脂完全溶解后便可倒入模具，若待到沸腾后再倒，制成的琼脂块表面可能会含有气泡），将鱼形模具放入冰箱冷冻一段时间，至琼脂完全凝固成固体。取出鱼形模具，在垫板上轻轻扣使琼脂块掉出，或用洗耳球将之吹出。（扣时要小心不要损坏琼脂块）形成的琼脂块分别为3x3x3 cm、2x2x2 cm 、1x1x1 cm体积大小的三块。制作成九套3x3x3 cm、2x2x2 cm 、1x1x1 cm体积大小的酚酞琼脂块。3） 配制0.1%NaOH溶液称取1.2 g NaOH粉末，加入1200 ml水中，进行搅匀，制成0.1%NaOH溶液。 实验操作步骤（以一个小组为陈述对象）每个小组分得一套模具（3x3x3 cm、2x2x2 cm 、1x1x1 cm体积大小的酚酞琼脂块），200ml的0.1%NaOH溶液。1）加入0.1%NaOH溶液戴一次性手套，将上述3块琼脂放入1个500ml烧杯中，加入200mlNaOH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（用勺背将其推动）（注：3块琼脂快要同时放入500ml烧杯中，翻转也要同时进行，以避免实验误差）（思考题1：为什么不要用勺子将琼脂块切开或挖动其表面？ 避免干扰实验结果。）2）切片戴上手套，用塑料勺将琼脂块从NaOH溶液中取出来。用纸巾把它们吸干（放在纸巾上），用塑料刀把每一个琼脂块沿两个平行切面切成三块。（没干之前不要接触它们，以免在后面的操作中，琼脂块表面的NaOH溶液从切口流进去）（每两次操作之间把刀擦干。）（思考题2：琼脂块变成红色的部分代表什么？NaOH扩散的深度）（思考题3：为什么每两次操作之间必须把刀擦干？避免干扰实验3）测量观察切面，测量每一块上NaOH扩散的深度。记录测量结果。4）填表根据测量结果计算，并填写下表。琼脂块的边长/cm表面积/cm体积/cm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）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 。2NaOH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)（四）实验结论及分析 实验结论实验数据需计算表面积S（cm）和模拟细胞的体积V（cm），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（cm）之比，表示细胞运输效率的大小。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。通过表格得出结论。琼脂块的边长/cm表面积/ cm体积/cm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）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 。2NaOH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) 实验分析1）实验重难点重点：探究细胞大小与物质运输的关系。（依据：这是本实验要探究的主题，通过探究得出“细胞不能无限长大”的原理。）难点：利用模型探究细胞表面积与体积的关系；理解细胞越小表面积越大、越有利于物质交换的原理。（依据：由于客观条件的限制，只能进行模拟实验，要借助逻辑推理和想象、迁移才能得出合乎事实规律的认识。）2） 实验结果与预测结果的比较 预测结果：边长不同的琼脂块中，NaOH的扩散速度一致，琼脂块的表面积与体积之比随着琼脂块的增大而减小， NaOH 扩散的体积与整个琼脂块的体积之比随着琼脂块的增大而减小。实验结果：(1)琼脂块的边长越大，表面积与体积之比值越小，NaOH扩散的体积与整个琼脂块的体积之比值越小。(2)通过模拟实验可以看出，细胞体积越大，其相对表面积越小，细胞的物质运输效率就越低。3) 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。NaOH具有极强的腐蚀性，操作时应避免与皮肤和眼睛接触。2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。 资料的查阅1） 当NaOH与含酚酞的琼脂块相遇时，其中的酚酞变成红色，这是常用的检测NaOH的方法，从琼脂块的颜色变化就知道NaOH扩散到多远；在相同时间内，NaOH在每一琼脂块内扩散的深度基本相同，说明NaOH在每一琼脂块内扩散的速率是相同的。2） 细胞越大，物质运输的效率越低，所以多细胞生物体是由许多细胞而不是由少数体积更大的细胞构成的。细胞越大，需要与外界环境交流的物质越多；但是细胞体积越大，其表面积相对越小，细胞与周围环境之间物质交流的面积相对小了，所以物质运输的效率越低。3） 细胞核：细胞核是细胞的控制中心，细胞核中的DNA是不会随着细胞体积的扩大而增加的。如果细胞太大，细胞核的“负担”就会过重。（五）实验注意事项实验步骤1中应防止勺子破坏琼脂块的表面。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。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。酚酞易引起过敏反应，准备实验材料时最好戴一次性手套。为了保证实验的严谨性，将琼脂快放入烧杯中后，倒入NaOH溶液，在相同的“扩散”时间后，先将NaOH溶液倒出，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。四、实验探究(一) 实验改进探究 淀粉代替酚酞，碘液代替NaOH溶液的实验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溶液进行实验。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1030%）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400750nm），从而使淀粉变为深蓝色。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 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鱼形模具中，冷却。取出鱼形模具，在垫板上轻轻扣使琼脂块掉出，或用洗耳球将之吹出。（扣时要小心不要损坏琼脂块）形成的琼脂块分别为3x3x3 cm、2x2x2 cm 、1x1x1 cm体积大小的三块。(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，加入碘液将3块琼脂块放入500ml烧杯中，加入200ml碘液的将琼脂块完全淹没。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。4，切片并测量将烧杯中的液体倒掉，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。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。5，记录数据，填入表格琼脂块的边长/cm表面积/cm体积/cm比值（表面积/体积）碘液扩散的深度/cm比值（碘液扩散的体积/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碘液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-2测量的扩散深度)将本探究实验替代品的实验效果与原实验效果进行比较，从而得出最合适的实验用品，进行试验。(二) 原实验反应条件的探究探究一 NaOH溶液浓度对实验结果的影响探究二 琼脂块浸入NaOH溶液的时间长短对实验结果的影响（以边长为3cm的琼脂块为研究对象） 实验材料 1）9个边长为3cm 酚酞琼脂块 2）3种不同浓度的NaOH溶液浓度3）三个500ml的烧杯 4）计时器 5）一次性手套6）毫米尺子1把（测量NaOH浸入琼脂的深度）7）小刀1把（切开琼脂观察NaOH浸入的深度）8）纸巾若干（吸掉琼脂取出后所附带的溶液）9）塑料勺1把（帮助琼脂在NaOH中翻转）10）垫板1个（将琼脂放在上面切割）11）塑料手套2个（避免手直接触碰琼脂，减少NaOH对皮肤的腐蚀）12）废液桶1个（盛放废液） 实验步骤1) 加入NaOH溶液：戴一次性手套，将上述9块琼脂块均分三份放入三个500ml烧杯中，加入300mlNaOH溶液，淹没琼脂块，在此时间内，用塑料勺不断翻转琼脂块（用勺背将其推动）（注：9块琼脂块要同时放入500ml烧杯中，翻转也要同时进行，以避免实验误差）2) 取琼脂块 当时间到5min的时候，戴上手套，分别从三个烧杯中，用塑料勺从NaOH溶液中取一个琼脂块。用纸巾把它们吸干（放在纸巾上），用塑料刀把每一个琼脂块沿两个平行切面切成三块。直到（没干之前不要接触它们，以免在后面的操作中，琼脂块表面的NaOH溶液从切口流进去）（每两次操作之间把刀擦干。）到10min,15min时分别重复上操作。3) 测量 观察切面，测量每一块上NaOH扩散的深度。记录测量结果。4) 填表根据测量结果计算，并填写下表。记录数据为：NaOH扩散的深度/cm浸入时间NaOH溶液浓度T1(5min )T2（10min）T3(15min)C1(0.01)C2（0.1）C3（1.0）在相同的琼脂块大小的情况下，体积与表面积的比值是定值，在相同的浸染时间下，可以得出不同NaOH溶液浓度下的，NaOH扩散的深度/cm的大小即可代表不同NaOH溶液浓度下对细胞物质运输速率的影响；在同一NaOH溶液的条件下，可以得出不同浸染时间下的NaOH扩散的深度/cm的大小，即代表不同浸染时间对细胞物质运输速率的影响，从而得出最佳的NaOH溶液浓度，以及最佳浸染时间。五、实验的相关思考问题及解释（一）补充问题：1、为什么要用95%乙醇溶液溶解酚酞？（1）、乙醇可以溶解琼脂，琼脂易溶于乙醇而不溶于水，所以需要乙醇作为溶解介质。（2）、乙醇在加热之后会挥发，所以不会给后面的实验结果照成影响。2、琼脂块的可以怎么的后处理？实验结束后老师应将琼脂块统一回收处理。千万不要随意丢弃，防止误食以及微生物滋生。最好的处理方法是将其放在热水中浸泡一会，使其硬度减小后，戴上防护手套将它们攥碎，再把它们放在下水管口的铁箅子上用硬东西（例如，装满水的矿泉水瓶子），继续将攥碎的废琼脂块碾得粉碎、冲进下水道即可。3、“探究细胞大小与物质的运输关系”的模拟实验的设计思路是什么？该怎样设计？设计思路：由于细胞太小，无法直观的观察到物质运输的过程，为了更好的了解细胞大小和物质运输的关系，需要选择合适的材料来代替物质运输这一实际过程。设计结果：用含有酚酞的琼脂块模拟细胞，用NaOH模拟被吸收的物