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”的原因之一就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培养学生实事求就是的科学态度与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。

(酚酞就是一种弱有机酸,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)与模拟细胞的体积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与体积的计算可同时进行。

(五)实验变量分析
本实验中自变量就是不同大小琼脂块模拟的细胞,因变量就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。

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20-30μm³,所以在数据处理上可以增加一边长为0、01cm琼脂块的表面积与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.酚酞就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与眼睛接触。

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与废液,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与试剂来代替。

本实验就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,而这种紫色络合物就是可溶性的,边缘部分就会溶解,而不就是想象出的渗透进去,所以这个方案就是不可行。

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,实验的原理就是淀粉遇碘变蓝,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:本实验就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:淀粉就是白色无定形粉末,由直链淀粉(占10—30%)与支链淀粉(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与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。

⑦记录数据,填入表格。

扩散的体积=琼脂块体积-(琼脂块边长-测量的扩散深度)³。