人教版（2019）生物必修1教案：4-1 第1课时水进出细胞的原理

第4章 细胞的物质输入和输出
第1节 被动运输
第1课时 水进出细胞的原理
素养导引
1.生命观念:运用结构与功能观,说出细胞的失水与吸水与其结构相适应。
2.科学探究:利用给定的条件,设计并实施探究实验方案,分析得出结论。
3.社会责任:基于细胞失水和吸水,指导农业生产、合理施肥。
一、水进出细胞的原理
1.渗透作用:
(1)概念:指水分子(或其他溶剂分子)通过半透膜的扩散。
(2)方向:水相对含量高→水相对含量低。
2.水进出动物细胞:
(1)原理。
①半透膜:动物细胞的细胞膜。
②浓度差:外界溶液与细胞质之间的浓度差。
(2)现象。
①外界溶液浓度小于细胞质的浓度:细胞吸水膨胀。
②外界溶液浓度等于细胞质的浓度:细胞形态不变。
③外界溶液浓度大于细胞质的浓度:细胞失水皱缩。
3.水进出植物细胞:
(1)原理。
①半透膜:植物细胞的原生质层包括细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质。
②浓度差:外界溶液与细胞液之间的浓度差。
(2)动植物细胞之间的区别。
①结构:植物细胞的细胞膜外有一层细胞壁,伸缩性比较小。
②吸水后对细胞的影响:动物细胞吸水能涨破,植物细胞吸水过多不会(填“会”或“不会”)涨破。
[思考]　输液时为何要用浓度为0.9%的NaCl溶液
提示:0.9%的NaCl溶液与细胞质的浓度相等,可以维持细胞的正常形态。
二、探究植物细胞的吸水和失水
1.实验原理:
(1)原生质层与细胞壁的特点。
①原生质层的伸缩性比细胞壁大。
②细胞壁是全透性的,原生质层具有选择透过性。
(2)溶液浓度对细胞的影响。
①当外界溶液浓度大于细胞液浓度时,细胞将失水。
②当外界溶液浓度小于细胞液浓度时,细胞将吸水。
2.实验步骤:
3.实验结果:
外界溶液 中央液泡大小 原生质层的位置 细胞大小 液泡颜色
蔗糖溶液 变小 与细胞壁分离 基本不变 变深
清水 恢复原状 与细胞壁紧贴 基本不变 变浅
4.实验结论: 原生质层相当于一层半透膜。
[思考]　洋葱根尖分生区细胞能否用于质壁分离实验
提示:不能,洋葱根尖分生区细胞无大液泡,细胞壁伸缩性较大,不会发生质壁分离。
近年来,生物膜的研究成果在环保、医疗等领域有了广泛的应用,例如人工制成的血液透析膜,通过血液和透析液在透析膜内外两侧的相对流动,其溶质按照浓度梯度差从高浓度一侧向低浓度一侧转运,将代谢废物透析掉。结合所学知识判断:
1.水会从溶质浓度高的一侧向浓度低的一侧转运。(×)
分析:水会从相对含量高的地方向相对含量低的方向运动,溶质浓度高的溶液水的相对含量低。
2.透析膜是半透膜,也是生物膜。(×)
分析:透析膜是半透膜,但不具有生物活性,不是生物膜。
3.透析膜也具有选择性。(√)
学习任务一:渗透作用
1.渗透装置图:
2.渗透作用发生的条件:
(1)具有半透膜。
(2)半透膜两侧具有浓度差。
3.渗透作用的原理:
(1)漏斗内蔗糖溶液中水分子相对含量比清水中水分子相对含量低。
(2)烧杯中水分子向漏斗内扩散,漏斗管内的液面会上升。
[思考探究]　当漏斗内液面达到稳定后,是否还有水分子进出半透膜
提示:有。此时水分子进出半透膜的速率达到平衡,故液面不再变化。
【学习加点料】
思维易错:渗透装置内液面达到平衡后,半透膜两侧是否还存在浓度差
提示:存在。由于蔗糖分子不能进入烧杯,烧杯中依然为清水,而漏斗内为蔗糖溶液,故依然有浓度差。
(2022·德州高一检测)将盛有一定浓度蔗糖溶液①的透析袋(蔗糖分子不能透过②)浸入蒸馏水中③,题图能正确表示透析袋中蔗糖溶液浓度与时间关系的是(　　)
[解题思维]
提取关键点 ①盛有一定浓度的蔗糖溶液②蔗糖分子不能通过③浸入蒸馏水
转化知识点 ①具有半透膜②半透膜两侧具有浓度差
排除障碍点 透析袋中含有蔗糖溶液,浸入蒸馏水中,透析袋吸水,蔗糖溶液浓度降低,但降低到一定程度后,不再发生变化
【解析】选B。透析袋中溶液的浓度高,透析袋渗透吸水,蔗糖溶液浓度下降,当达到平衡时,蔗糖溶液浓度不变,故选B。
[借题发挥]　如果在透析袋中加入蔗糖酶(可以将蔗糖水解为单糖,不能透过透析袋),单糖能透过透析袋,透析袋中溶液浓度的变化是什么
提示:浓度逐渐减小,然后不再变化,但仍高于外界溶液。因为透析袋中还含有蔗糖酶。
1.某同学设计了如图所示的渗透作用的实验装置,实验开始时长颈漏斗内外液面平齐,记作零液面。实验开始后,长颈漏斗内部液面的变化趋势可表示为(　　)
【解析】选A。仔细观察图示,漏斗内为蒸馏水,实验开始后长颈漏斗内部液面将下降,由于实验初始阶段膀胱膜内外溶液浓度差较大,故液面下降速率较大,之后速率逐渐减小直至为0,达到动态平衡。
2.(2022·重庆高一检测)某同学为探究渗透现象,组装了如图所示装置。图甲为初始状态,图乙为一段时间后的状态,①表示烧杯中的溶液,②表示长颈漏斗中的溶液,③表示玻璃纸。下列相关叙述错误的是(　　)
A.初始状态时①的浓度小于②
B.漏斗中的液面会逐渐上升,最后达到平衡
C.如果用纱布代替玻璃纸,则不会出现图乙的现象
D.图乙中没有水分子透过玻璃纸进出漏斗
【解析】选D。由分析可知,最终图乙漏斗液面上升,说明初始状态时②溶液浓度大于①溶液浓度,A正确;初始状态时烧杯中溶液浓度小于漏斗内溶液浓度,水分子通过玻璃纸进入漏斗,漏斗的液面逐渐上升,当漏斗内液面产生的压力与其吸水能力相等时,水分子进出平衡,液面不再上升,B正确;纱布不属于半透膜,如果用纱布代替玻璃纸,则不会出现图乙的现象,C正确;图乙中水分子透过玻璃纸进出漏斗的数量相等,达到动态平衡,D错误。
【补偿训练】
　　如图所示,在漏斗中加入的蔗糖溶液与蒸馏水液面齐平,一段时间后,待漏斗内液面不再变化时,再向漏斗中加入一定量的蔗糖酶。下列坐标曲线中能正确反映整个实验过程中漏斗内外溶液的液面高度差变化的是(　　)
【解析】选A。据图分析,该装置具有半透膜,而漏斗内外溶液存在浓度差,能发生渗透作用,由于蔗糖溶液浓度大于蒸馏水,因而开始时漏斗内液面上升;一段时间后,向漏斗中加入一定量的蔗糖酶,将蔗糖水解成单糖,摩尔浓度增大,使得液面继续上升,后随着单糖逐渐进入烧杯,而使得漏斗内溶液浓度下降,液面下降,高度差减小。由于浓度差越来越接近,高度差减小的趋势越来越慢。但由于漏斗内有蔗糖酶,所以漏斗内液体浓度始终大于烧杯内液体浓度。因此,最后漏斗内的液面稍高于烧杯的液面。
学习任务二:质壁分离及复原实验的应用
1.实验探究的一般过程:
2.质壁分离和复原实验的拓展应用:
(1)判断成熟植物细胞的死活:
(2)测定细胞液浓度范围:
(3)比较不同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):
[思考探究]　如果在显微镜下一个视野中发现有一个细胞未发生质壁分离而其他细胞都发生了质壁分离,可能的原因是什么
提示:细胞死亡,不能发生渗透作用。
【学习加点料】
思维易错:有人认为观察植物细胞质壁分离和复原实验用黑藻叶片进行实验时,叶绿体的颜色会干扰实验现象的观察,你认为正确吗 请说出依据。
提示:不正确,黑藻叶片的叶肉细胞中液泡呈无色,叶绿体的存在使原生质层呈绿色,有利于实验现象的观察。
下列关于植物细胞吸水和失水实验的过程,叙述正确的是(　　)
A.该实验没有设置对照
B.实验材料换成黑藻也能观察到实验现象
C.实验步骤中吸水纸的作用是吸去多余的蔗糖溶液
D.该实验中显微镜下能观察到水分子的双向运动
[解题思维]
提取关键点 植物细胞吸水和失水实验
转化知识点 实验操作过程及注意事项
排除障碍点 质壁分离实验的对照是前后自身对照
【解析】选B。题述实验用显微镜观察了三次,第二次与第一次形成对照,第三次与第二次形成对照,该对照方法为自身对照,可见,该实验有设置对照,A错误;组成黑藻的细胞中也有成熟的植物细胞,液泡无色,叶绿体的存在使原生质层呈绿色,因此将实验材料换成黑藻也能观察到实验现象,B正确;实验步骤中吸水纸的作用是引流,使洋葱鳞片叶表皮细胞浸润在蔗糖溶液或清水中,以便观察质壁分离或质壁分离复原现象,C错误;题述实验中显微镜下不能观察到水分子的双向运动,D错误。
1.植物细胞的质壁分离过程中,与细胞壁分离的是(　　)
A.细胞核 B.原生质层 C.细胞质 D.液泡膜
【解析】选B。植物细胞的质壁分离现象指的是原生质层与细胞壁的分离。
2.与植物细胞的吸水和失水的探究实验材料及外界溶液有关的正确叙述是(　　)
①实验材料必须是成熟的植物活组织细胞
②细胞液最好有颜色,便于观察和判断细胞质壁分离和复原的程度
③细胞液必须有颜色,否则不能发生质壁分离和复原
④外界溶液的浓度应适中,不能过低或过高
⑤外界溶液必须对细胞无毒害
⑥外界溶液的浓度无特殊要求,任何浓度均可以
A.①②⑤⑥ B.①②④⑤
C.①③④⑤ D.①③⑤⑥
【解析】选B。质壁分离的前提条件是实验材料必须是成熟的植物活组织细胞,①正确;所选细胞的细胞液最好有颜色,这样便于观察和判断细胞质壁分离及其复原的程度,②正确;细胞液是否有颜色不能决定质壁分离及其复原是否可以发生,③错误;外界溶液的浓度应适中,不能过低或过高,否则会使实验现象不明显或使细胞失水过多死亡,④正确;外界溶液必须对细胞无毒害,因为该实验需要细胞保持活性,⑤正确;外界溶液的浓度要适中,不能是任何浓度,⑥错误。故选B。
反渗透
　　海鸥嗉囊位置有一层薄膜,海鸥正是利用了这层薄膜把海水过滤为可饮用的淡水,而含有杂质及高浓缩盐分的海水则吐出嘴外。这就是反渗透法的基本理论架构。
　　反渗透原理最早应用于美国太空人将尿液回收为纯水使用,医学界也出现过用反渗透法的技术进行血液透析的临床案例。反渗透膜可以将重金属、农药、细菌、病毒、杂质等彻底分离。整个工作原理均采用物理法,不添加任何杀菌剂和化学物质,所以不会发生化学变化。如图为反渗透装置的原理图。
探究:
请分析回答问题:
(1)海鸥嗉囊中的薄膜相当于渗透装置中的__________。
(2)反渗透装置中水分子扩散的方向是_________________________________,该过程______________(填“需要”或“不需要”)消耗能量。
(3)利用该原理生产的反渗透净水机可以获得较为纯净的水,使用过程中为什么要经常更换反渗透膜 ________________________________________。
【解析】(1)海鸥嗉囊中的薄膜具有过滤作用,相当于渗透装置中的半透膜。
(2)反渗透装置中水分子从浓溶液向稀溶液的方向扩散,该过程需要外界压力,因此需要消耗能量。
(3)反渗透净水机利用压力使水分子逆浓度运输,所以水分子能通过半透膜即反渗透膜而其他物质不能通过,使用过程中不能通过半透膜的物质会影响半透膜的过滤效果,使产生的水不再纯净。
答案:(1)半透膜
(2)浓溶液向稀溶液(水的相对含量低向水的相对含量高)　需要
(3)水分子能通过半透膜即反渗透膜而其他物质不能通过,使用过程中不能通过半透膜的物质会影响半透膜的过滤效果,使产生的水不再纯净
情境载体 情境类型为生活、学习和实践情境,突出与生活的联系
关键能力↓信息转化 ①嗉囊位置的薄膜能把海水过滤为可饮用的水
②通过压力和反渗透膜将浓溶液变为稀溶液
学科素养 培养生命观念中的结构与功能观、科学思维中的分析与比较等素养
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