【学案】 第4章　第1节　第2课时　探究植物细胞的吸水和失水与被动运输　 生物学人教版（2019） 必修1

中小学教育资源及组卷应用平台
第2课时　探究植物细胞的吸水和失水与被动运输
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.说明两种被动运输方式的异同。2.尝试提出问题，作出假设，对探究活动进行设计。3.进行关于植物细胞吸水和失水的实验设计和操作。 1.植物细胞发生质壁分离的原因：①外界溶液的浓度大于细胞液浓度；②原生质层的伸缩性大于细胞壁。2.细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜，选择透过性是活细胞的一个重要特征。3.被动运输是物质以扩散方式进出细胞，不需要消耗细胞内化学反应所释放的能量，包括自由扩散和协助扩散。
[主干知识梳理]
一、探究植物细胞吸水和失水
1．实验原理
(1)成熟的植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。
(2)原生质层的内侧细胞液与外界溶液可形成浓度差。
2．实验材料：紫色的洋葱鳞片叶。
3．实验试剂：质量浓度为0.3_g/mL的蔗糖溶液，清水。
4．实验流程
5．实验结论
(1)当细胞液浓度小于外界溶液浓度时，细胞失水，原生质层和细胞壁分离，发生质壁分离。
(2)发生质壁分离的细胞，当细胞液浓度大于外界溶液浓度时，细胞吸水，发生质壁分离复原。
二、被动运输
1．概念：物质以扩散方式进出细胞，不需要消耗细胞内化学反应所释放的能量，这种物质跨膜运输方式称为被动运输。
2．类型
3．影响因素
(1)被动运输的速率直接受膜内外物质浓度梯度大小的影响。
(2)协助扩散的速率还与转运蛋白的数量有关。
[边角知识发掘]
1.如图表示正在进行质壁分离的紫色洋葱细胞(教材P63图4 2变形)，请分析：
(1)实验时一定要选择紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞吗？
提示：不一定。但紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液中含有色素，使液泡呈现紫色，便于观察。
(2)b的大小和颜色如何发生变化？
提示：b逐渐变小，颜色逐渐加深。
(3)当停止质壁分离时，b与c的浓度相等。
2．物质顺浓度梯度扩散进出细胞的过程称为被动运输，分析图示及教材P66、67相关内容，回答下列问题：
(1)图中圆点及圆点多少表示什么含义？
提示：表示细胞内外两种物质的浓度大小。
(2)图中，物质通过简单的扩散作用进出细胞，叫作自由扩散；进出细胞的物质借助转运蛋白(可分为载体蛋白和通道蛋白两种类型)的扩散，叫作协助扩散。
(3)由图示分析，自由扩散和协助扩散是顺浓度梯度还是逆浓度梯度运输的？需要消耗能量吗？
提示：二者都是顺浓度梯度进行的，都不需要消耗能量。
(4)写出下列物质的跨膜运输方式
①O2和CO2进出肺泡：自由扩散。
②苯被鼻黏膜细胞吸收：自由扩散。
③红细胞吸收血液中的葡萄糖：协助扩散。
④水分子进出根毛细胞：自由扩散或协助扩散。
⑤胆固醇进入肝细胞：自由扩散。
⑥甘油和乙醇被小肠上皮细胞吸收：自由扩散。
[教材问题提示]
(一)旁栏思考(教材P66)
因为甘油、乙醇等都是脂溶性物质，与磷脂分子有较强的亲和力，容易通过磷脂双分子层出入细胞。
(二)拓展应用(教材P67)
1．提示：可以配制出一系列浓度梯度的蔗糖溶液。将紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞置于配好的各种浓度的蔗糖溶液中，适当时间后用显微镜观察细胞质壁分离情况。记录刚好发生质壁分离的细胞所用的蔗糖溶液浓度，以及刚好尚未发生质壁分离的细胞所用的蔗糖溶液浓度，据此推算出细胞溶液浓度应介于这两个浓度之间。
2．假设：温度变化会影响水分子通过半透膜的扩散速率。
设计实验提示：可以借用本节“问题·探讨”中的渗透装置进行实验。将该渗透装置置于不同温度的环境中，通过比较不同温度下漏斗管液面上升速度的快慢，判定温度是否影响水分的扩散速率。实验中要注意排除各种无关变量的干扰，如置于不同温度中的漏斗内的蔗糖溶液的量和浓度必须相等，以确保实验的准确性。
新知探究一　探究植物细胞的吸水和失水
[在探究中学]
[任务驱动]　
如图是将紫色洋葱鳞片叶的外表皮细胞先放到0.3 g/mL的蔗糖溶液中(甲)，再放到清水中(乙)的实验过程的图解。请分析回答下列问题：
(1)实验中共涉及三次显微镜观察，其中第一次观察的目的是什么？
提示：观察正常洋葱鳞片叶外表皮细胞的状态，以便与处理后的状态形成对照。
(2)为什么用紫色洋葱鳞片叶外表皮作为实验材料？
提示：紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液中有花青素，使液泡中的细胞液呈紫色，有利于观察。
(3)如果没有细胞壁，细胞会发生质壁分离现象吗？
提示：不会发生质壁分离现象，只发生渗透吸水或失水。
(4)本实验选用0.3 g/mL的蔗糖溶液作试剂，若浓度过高或过低对实验有何影响？
提示：选用0.3 g/mL的蔗糖溶液作试剂，既明显出现质壁分离现象，又不会杀死细胞。若浓度过高，质壁分离速度过快，细胞会因失水过多而死亡，不能再进行质壁分离复原；若浓度过低，不能引起质壁分离或质壁分离速度太慢。
(5)发生质壁分离的洋葱表皮细胞的原生质层与细胞壁之间是何物质？
提示：因为细胞壁是全透性的，所以洋葱表皮细胞的原生质层与细胞壁之间是蔗糖溶液。
(6)若用合适浓度的KNO3溶液进行该实验，结果会发生质壁分离与复原吗？
提示：开始外界溶液浓度较大，细胞发生质壁分离；细胞主动吸收K＋和NO后，随着细胞液浓度增大，质壁分离后又会自动复原。
[师说重难]　
1．质壁分离实验中的两组对照
实验组 对照组
第一组 经质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液处理后发生质壁分离的洋葱鳞片叶外表皮细胞 自然状态下的洋葱鳞片叶外表皮细胞
第二组 用清水处理后发生了质壁分离复原的细胞 发生了质壁分离的洋葱鳞片叶外表皮细胞
2．质壁分离的条件
(1)从细胞角度分析
①死细胞、动物细胞及未成熟的植物细胞(如根尖分生区细胞)不发生质壁分离及复原现象。
②具有中央大液泡的成熟植物细胞可发生质壁分离及复原现象。
(2)从溶液角度分析
①在一定浓度的溶液(溶质不能透过膜)中只发生质壁分离现象，不能发生自动复原现象(只有用清水或低渗溶液处理，方可复原)。
②在一定浓度的溶液(溶质可透过膜)中发生质壁分离后可自动复原，如甘油、尿素、乙二醇、KNO3溶液等。
③在高浓度溶液中质壁分离现象明显，但溶液浓度过高时不能发生质壁分离复原，因为溶液浓度过高，细胞会因过度失水而死亡。
④盐酸、酒精、醋酸等溶液能杀死细胞，不适于作质壁分离实验的溶液。
[在应用中悟]
[典例1]　(2020·南昌期中)如图为某同学利用紫色洋葱鳞片叶作为实验材料，观察植物细胞质壁分离与复原的基本操作步骤。下列相关叙述错误的是(　　)
A．第二次观察(d)和第一次观察(b)形成对照，第三次观察(f)和第二次观察(d)形成对照
B．该实验用显微镜主要观察原生质层和细胞壁的位置关系、液泡的颜色和大小等
C．如果将蔗糖溶液换成浓度适宜的KNO3溶液，则可以省略e过程
D．增大蔗糖溶液的浓度，实验效果会更明显且不影响细胞的活性
[解析]　题图中共有三次显微镜观察，观察的指标主要是原生质层和细胞壁的位置关系以及液泡的大小和颜色；第二次观察与第一次观察形成对照，第三次观察与第二次观察形成对照；如果将蔗糖溶液换成适宜浓度的KNO3溶液，由于在细胞失水的同时，不断以主动运输的方式获得K＋和NO，导致细胞液浓度升高，当其大于外界溶液浓度时，细胞开始吸水，从而出现质壁分离自动复原的现象；如果蔗糖溶液的浓度过高，会导致细胞过度失水而死亡。
[答案]　D
[典例2]　(2020·德州期末)将相同的植物根毛区细胞置于一定浓度的蔗糖溶液或KNO3溶液中后(溶液体积远大于细胞)，原生质体的体积随时间的变化如图所示(最终不再变化)。下列分析正确的是(　　)
A．①是蔗糖溶液中的变化，②是KNO3溶液中的变化
B．原生质体最终体积b与溶液初始浓度无关
C．若用甘油溶液，原生质体的体积变化可与①或②相似
D．①曲线中的细胞，a时刻细胞液浓度最大
[解析]　由分析可知，①是KNO3溶液中的变化，②是蔗糖溶液中的变化，A错误；原生质体最终体积b与溶液初始浓度有关，B错误；若用甘油溶液，当溶液浓度过高时，原生质体的体积变化可能与②相似，当甘油浓度相对较高时原生质体的体积变化可能与①相似，C正确；①曲线中的细胞，a时刻之前的拐点时细胞液浓度最大，D错误。
[答案]　C
■方法规律
不同外界溶液中植物细胞的变化分析
将成熟的植物细胞依次浸于蒸馏水、物质的量浓度为0.3 mol/L的蔗糖溶液和0.5 mol/L的尿素溶液中，原生质体(即植物细胞中细胞壁以内的部分)的体积随时间变化如图，分析如下：
(1)A曲线表示细胞在蒸馏水中：细胞略膨胀，但是由于细胞壁的存在，原生质体的体积不能无限膨胀。
(2)B曲线表示细胞在0.5 mol/L的尿素溶液中：细胞先因渗透失水而发生质壁分离，后由于尿素能进入细胞，使得质壁分离后的细胞因吸水而自动复原。KNO3、甘油、乙二醇等溶液中也可发生质壁分离后自动复原现象。
(3)C曲线表示细胞在0.3 mol/L的蔗糖溶液中：蔗糖不能进入细胞，因此质壁分离后细胞不能发生自动复原。
[在训练中评]
1.如图是某同学用紫色洋葱鳞片叶的外表皮做“探究植物细胞的吸水和失水”的实验中所观察到的细胞图。下列叙述正确的是(　　)
A．图中①②⑥组成了细胞的原生质层
B．图中细胞处于质壁分离状态，此时⑥处的浓度一定大于⑦处的浓度
C．图中①是细胞壁，⑥中充满了外界溶液
D．图中⑦是细胞液，在细胞发生质壁分离过程中，其颜色逐渐变浅
解析：选C　图中①为细胞壁，②(细胞膜)与④(液泡膜)以及二者之间的⑤(细胞质)共同组成了原生质层。由于①(细胞壁)是全透性的，所以⑥处充满了外界溶液。题图中的细胞处于质壁分离状态但此时细胞不一定正在失水，所以⑦处的浓度不一定小于⑥处的浓度。在质壁分离的过程中⑦(细胞液)失水，所以⑦的颜色应该是逐渐加深。
2．撕取洋葱外表皮分别放置在一定浓度的蔗糖和KNO3溶液中，细胞失水量的变化情况如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A．曲线甲表示KNO3溶液组细胞的液泡体积的变化
B．a点时，曲线乙中水分子进出细胞达到动态平衡状态
C．b点时，曲线乙中的细胞液渗透压与实验初始时相等
D．两条曲线变化趋势的差异是因甲、乙溶液浓度不同导致
解析：选B　由曲线分析可知，曲线乙表示KNO3溶液组细胞的液泡体积的变化，A错误；a点是个拐点，a点之前细胞失水，a点之后细胞又吸水，所以a点表示曲线乙中水分子进出细胞达到动态平衡状态，B正确；b点时由于K＋和NO大量进入细胞，细胞液渗透压应大于实验初始时的渗透压，C错误；两条曲线变化趋势的差异是因为细胞能主动吸收K＋和NO，而不能吸收蔗糖分子，D错误。
新知探究二　被动运输的类型和特点
[在探究中学]
[任务驱动]　
物质顺浓度梯度扩散进出细胞的过程称为被动运输，结合下图分析其特点。
1．对两种方式进行比较，完成下表
方式 转运方向 是否需要转运蛋白 是否消耗能量
方式a 高浓度→低浓度 不需要 不消耗
方式b、c 高浓度→低浓度 需要 不消耗
(1)方式a中，物质通过简单的扩散作用进出细胞，叫作自由扩散。
(2)方式b、c中，进出细胞的物质借助转运蛋白(载体蛋白或通道蛋白)的扩散，叫作协助扩散。
2．膜上的两种转运蛋白比较
名称 转运对象 特点
载体蛋白 与自身结合部位相适应的分子或离子 每次转运时都会发生自身构象的改变
通道蛋白 与自身通道的直径和形状相适配、大小和电荷相适宜的分子或离子 转运分子不需要与通道蛋白结合
[师说重难]　
影响被动运输的因素
(1)图A表示的运输方式是自由扩散，转运速率主要取决于膜两侧物质的浓度差。
(2)图B表示的运输方式可能是协助扩散，ab段主要受膜两侧浓度差的影响，bc段受到转运蛋白数量的限制，运输速率不能再上升。
[在应用中悟]
[典例1]　水分子以简单渗透方式通过细胞膜，但扩散速度非常缓慢，科学研究证明，水分子跨越细胞膜的快速运输是通过细胞膜上的一种水通道蛋白实现的。下列说法错误的是(　　)
A．水分子可以以协助扩散的方式进入细胞
B．水通道蛋白可以使双缩脲试剂变蓝，原因是其具有氨基
C．哺乳动物肾小管、集合管细胞应分布较多的水通道蛋白
D．水通道蛋白可以使水分子通过，但其他分子或离子则不能通过
[解析]　水分子通过水通道蛋白运输属于协助扩散；水通道蛋白能与双缩脲试剂产生紫色反应，原因是其具有肽键；哺乳动物肾小管、集合管对水的重吸收很快，原因是肾小管、集合管细胞上分布有较多的水通道蛋白；水通道蛋白是专门运输水分子的，其他分子或离子则不能通过。
[答案]　B
[典例2]　如图表示与自由扩散、协助扩散有关的图例或曲线。下列选项中对应正确的是(　　)
A．肺泡上皮细胞吸收氧气——①④
B．人的成熟红细胞吸收葡萄糖——②③
C．甘油进出细胞——①③
D．肌肉细胞吸收水——②④
[解析]　①、②表示两种跨膜运输方式，分别是自由扩散、协助扩散，③、④表示两种影响因素曲线，分别对应自由扩散、协助扩散。肺泡上皮细胞吸收氧气的方式是自由扩散，对应①③；人的成熟红细胞吸收葡萄糖的过程属于协助扩散，对应②④；甘油进出细胞的过程属于自由扩散，对应①③；肌肉细胞吸收水的方式是自由扩散和协助扩散，可对应①②③④。
[答案]　C
[在训练中评]
1．甲、乙两种物质分别以自由扩散和协助扩散进入细胞，如果以人工合成的无蛋白磷脂双分子膜代替细胞膜，并维持其他条件不变，则(　　)
A．甲物质的运输被促进　 B．乙物质的运输被促进
C．甲物质的运输被抑制 D．乙物质的运输被抑制
解析：选D　是否需要转运蛋白是自由扩散与协助扩散的区别。由于人工合成的无蛋白磷脂双分子膜无蛋白质，也就没有转运蛋白，协助扩散将受到抑制。
2.
如图表示一种物质的跨膜运输方式，下列叙述正确的是(　　)
A．该膜中载体蛋白也能运输蔗糖
B．碘以该方式进入海带细胞
C．该方式不会出现饱和现象
D．该方式发生在被运输物质从高浓度到低浓度时
解析：选D　据图可知，葡萄糖进入细胞需要载体蛋白，而不需要能量，故该跨膜运输方式为协助扩散，只能从高浓度一侧运输到低浓度一侧；跨膜运输中的载体蛋白具有专一性，运输葡萄糖的载体蛋白不能运输蔗糖；碘进入细胞的方式为主动运输，而不是协助扩散；由于膜上运输相应物质的转运蛋白数量是有限的，故该运输方式会达到饱和。
科学探究——植物细胞质壁分离实验的应用
1．判断成熟植物细胞是活细胞还是死细胞
2．测定细胞液浓度范围
3．比较不同成熟植物细胞的细胞液浓度
4．鉴别不同种类的溶液(如KNO3溶液和蔗糖溶液)
[素养评价]
1．为研究植物细胞质壁分离现象，某同学将某植物的叶表皮放入一定浓度的甲物质溶液中，一段时间后观察到叶表皮细胞发生了质壁分离现象。下列说法错误的是(　　)
A．该植物的叶表皮细胞是具有液泡的活细胞
B．细胞内甲物质的浓度高于细胞外甲物质的浓度
C．细胞液中的H2O可以经扩散进入甲物质溶液中
D．甲物质和H2O能自由通过该叶表皮细胞的细胞壁
解析：选B　具有大液泡的活细胞才能发生质壁分离；质壁分离过程中，细胞失水，此时，细胞外甲物质的浓度高于细胞内甲物质的浓度；水分子跨膜运输的方式是自由扩散、协助扩散；细胞壁是全透性的，甲物质和H2O能自由通过细胞壁。
2．取生理状态相同的某种植物新鲜叶片若干，去除主脉后剪成大小相同的小块，随机分成三等份，之后分别放入三种浓度的蔗糖溶液(甲、乙、丙)中，一定时间后测得甲的浓度变小，乙的浓度不变，丙的浓度变大。假设蔗糖分子不进出细胞，则关于这一实验结果，下列说法正确的是(　　)
A．实验前，丙的浓度＞乙的浓度＞甲的浓度
B．乙的浓度不变是因为细胞内蔗糖溶液浓度与乙的浓度相等
C．实验中，细胞与蔗糖溶液间的水分移动属于协助扩散
D．甲、丙的浓度变化是由水分在细胞与蔗糖溶液间移动引起的
解析：选D　成熟的植物细胞是一个渗透系统，当外界溶液浓度大于细胞液浓度时细胞失水，发生质壁分离现象，反之发生质壁分离复原现象；两者浓度相等时，吸水量与失水量相等，水分进出达到平衡状态。分析实验结果可知，实验过程中，甲吸水、乙水分进出平衡、丙失水，所以实验前甲的浓度＞乙的浓度＞丙的浓度；乙的浓度不变是因为细胞外蔗糖溶液浓度与乙的细胞液浓度相等，水分进出平衡；实验中细胞与蔗糖溶液间的水分移动属于自由扩散和协助扩散；甲、丙的浓度变化是由水分在细胞与蔗糖溶液间移动引起的。
3．(2020·潍坊模拟)用不同浓度的NaCl溶液处理洋葱鳞片叶外表皮细胞，研究其发生质壁分离与复原的快慢(时间/s)，结果如下表所示，下列说法正确的是(　　)
NaCl溶液浓度(%) 开始质壁分离时间 完全质壁分离时间 质壁分离最大程度 完全质壁分离复原时间 质壁分离复原程度
0.8 不发生 不发生
0.9～1 219 497 ＋ ＞600 ＋
2 46 151 ＋＋ 205 ＋＋
4 27 125 ＋＋＋ 97 ＋＋＋
6 17 76 ＋＋＋＋ 81 ＋＋＋＋
7 浓度≥7%都发生质壁分离，且所需时间＜13 54 ＋＋＋＋ 浓度≥7%不发生质壁分离复原
9 38 ＋＋＋＋
11以上 <25 ＋＋＋＋
注：“＋”表示质壁分离与复原的程度。
A．处理的NaCl溶液浓度越高，质壁分离发生越快，质壁分离程度越大
B．实验观察细胞质壁分离与复原的NaCl溶液浓度最好在4%～6%之间选择
C．洋葱鳞片叶外表皮细胞的浓度与约7%的NaCl溶液浓度相等
D．若某浓度蔗糖溶液与浓度4%的NaCl溶液渗透压相当，则在两种溶液中细胞的质壁分离与复原程度应大致相同
解析：选B　处理的NaCl溶液浓度越高，质壁分离发生越快，质壁分离程度逐渐增大，到达一定程度将不再变化；当NaCl溶液浓度为0.8%时不发生质壁分离与复原现象，当NaCl溶液浓度≥7%时质壁分离后将不再复原，实验观察细胞质壁分离与复原的NaCl溶液浓度最好在4%～6%之间选择；当NaCl溶液浓度为0.8%时不发生质壁分离与复原现象，当NaCl溶液浓度在0.9%～1%时细胞刚发生质壁分离与复原，所以洋葱鳞片叶外表皮细胞的浓度与约0.8%的NaCl溶液浓度相等；若某浓度蔗糖溶液与浓度4%的NaCl溶液渗透压相当，则在两种溶液中细胞的质壁分离的程度应大致相同，但在蔗糖溶液中不会发生质壁分离复原。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)