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

2、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 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

3、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 pHv 8.2 的溶液里为无色的内酯式结构， 当 8.2pH10 时为红色的醌式结构）欢迎下载6酚猷是一种有机弱嚴.无色.金俗,水常于 有机溶列：实骗室中的酚臥溶液通过酚瞅涪丁酒精来配制；：酚猷的酸式结构是无色 的內陸式，遇碱 时.内酯开环生成江色的虧式结构醍基是显色基 团（红人但在強磁中不稳定而形成无色的竣嚴式 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

4、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10H曲oir散体枳/整个琼脂块体积123456790987654321 Lo-o.o.0.0.0.0,扩散俸秩垢整个琼墙块体祝的比琼脂块表血积与幣积的比佰8 7琼脂块边长（帧）S1琼脂块大小变化对NQH扩散效率的影响（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、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

5、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 500mLH 20,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80E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

6、 3cm x 3 cm x 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，

7、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

8、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）NaOH扩散的深度/cm比值（NaOH扩散的 体积整

9、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看琼脂块的增大而。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 20-30卩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

10、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

11、、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 NaOHt 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

12、 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. 实验用具及试剂： 用具：电子天平一个、 500ml 烧杯一个、

13、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 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水，力廿 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