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2019-2020年高一生物（人教版必修1）示范教案：4-1《物質跨膜運輸?shù)膶嵗返?課時 ●教學過程 課前準備］ 老師準備——滲透作用的演示實驗：剪取一塊平整、無裂痕的羊皮紙（或賽璐珞膜，俗稱透明紙或玻璃紙，也可以選用動物的膀胱膜、腸衣，蛋殼內膜等材料）作為半透膜，包在長頸漏斗的口上，用橡皮筋扎緊，然后在漏斗頸上套一段乳膠管（約3～4 cm長），將漏斗口朝下平放在桌面上，用吸管吸取加有紅墨水的蔗糖溶液，注滿漏斗。取一支0.5　mL的移液管，插在乳膠管的另一端并且與漏斗頸相接。將乳膠管的兩端用線扎緊。安裝完畢，將漏斗移入盛有清水的燒杯中，并且用鐵架臺固定如圖4－1－2所示： 圖4－1－2 實驗開始時，選一塊色彩鮮艷的紙條貼在移液管上，標明這時的液面位置。幾分鐘以后，便能夠看到明顯的實驗效果。注意，移液管不能太細，否則液面上升太快。 學生準備——預習實驗并寫下詳細實驗方案，復習顯微鏡的使用方法。 情境創(chuàng)設］ 在上一節(jié)課中，我們學習了進行探究實驗的一般方法和基本步驟，并且一起分析了“細胞在什么情況下會失水，什么情況下會吸水”的實驗設計，那今天我們就來動手做這個探究實驗，看我們的假設是否正確。 師生互動］ 1.學生實驗，教師指導 大家課前已經做好了預習，實驗器材已經發(fā)放到大家的桌面上了，下面可以開始動手實驗了。注意以下幾點： （1）加蔗糖溶液時不要污染了顯微鏡。 （2）如果你從蓋玻片左側加蔗糖溶液，接下來加清水時應從右側加入。 （3）如實記錄實驗結果，并完成實驗評價表（見評價方案）。 （4）實驗時間為25分鐘，實驗結束后要清洗和整理好實驗用具。 學生進行實驗，老師旁邊指導，將實驗效果特別好的裝片拿到教師顯微鏡下并通過顯微投影投放到大屏幕上展示出來。 2.分析實驗結果，得出結論 下面我們看一組同學的實驗結果記錄，它能否證明我們最初的假設是正確的呢？ 中央液泡的大小 原生質層的位置 細胞大小 0.3 g/mL蔗糖溶液 變小 脫離細胞壁 基本不變 清水 逐漸恢復原來的大小 逐漸恢復原來的位置 基本不變 學生：可以，很明顯細胞在0.3 g/mL蔗糖溶液下因失水發(fā)生了質壁分離，而在清水中因吸水發(fā)生了質壁分離的復原。 教師：大家想想，假如沒有細胞壁，實驗結果會有什么不同，你會聯(lián)系到之前我們講的一個什么實驗？ 學生：細胞會發(fā)生破裂，就像之前學的用哺乳動物的紅細胞制備細胞膜的實驗，紅細胞因沒有細胞壁，吸水以后會發(fā)生破裂。 教師：很好，其實動物細胞也會發(fā)生失水和吸水。下面我們看看水分進出哺乳動物紅細胞的圖片： 圖4－1－3 外界濃度與 圖4－1－4 外界濃度小 圖4－1－5 外界濃度 細胞質濃度相同， 于細胞質濃度， 大于細胞質濃度， 細胞形態(tài)正常 細胞吸水膨脹 細胞失水皺縮 那為什么細胞在高濃度的溶液中就會失水呢？原理是什么呢？我們接下來看下面的演示實驗。 3.滲透作用 演示“滲透作用實驗”——介紹實驗裝置，指導觀察實驗結果： 在這個裝置中（圖見課前準備］），①倒置漏斗內的是蔗糖溶液（為了便于觀察，可加入少量紅墨水），燒杯中的是清水。②漏斗口上扎的是玻璃紙（或腸系膜，或蛋殼膜，或魚鰾），它的特點是一些小分子如水分子可以自由通過，而大分子如蔗糖分子則不能通過，我們把它叫半透膜。③實驗之初，漏斗內液面位置我們用一個標志環(huán)標示出來了。 圖4－1－6 大家看現(xiàn)在液面發(fā)生了什么變化？為什么會發(fā)生這種變化呢？ 通過多媒體動畫演示突破難點： ①蔗糖分子不能自由通過半透膜而水分子可以。②兩側的水分子都在運動。③由于下側（燒杯內）的水分子數(shù)量多（相對濃度大），所以由下側進入上側（漏斗內）的水分子比由上側進入下側的水分子多。④整體表現(xiàn)為水分子由燒杯通過半透膜進入了漏斗。 這種水分子透過半透膜的運動叫滲透作用。這個裝置叫滲透裝置。 大家總結一下，滲透作用的發(fā)生必需的條件有哪些？ 引導學生回答：①要有半透膜；②半透膜兩側的溶液濃度不同。 那漏斗內的液面會一直升高嗎？ 學生：不會，當兩側水分子的數(shù)量同時達到一種動態(tài)的平衡時，漏斗內液面不再上升。 教師：我們再回到細胞的失水與吸水，那一個細胞相當于一個滲透系統(tǒng)嗎？它具備滲透作用的發(fā)生必需的條件嗎？（展示植物細胞結構圖P61圖4－2） 從圖中可以看出原生質層相當于半透膜，一些分子可以自由通過，一些分子不能自由通過，但由于原生質是具有生命活性的物質，它又與物理意義的半透膜（如玻璃紙也是半透膜）是有區(qū)別的。下面我們看看物質跨膜運輸?shù)钠渌麑嵗? 4.半透膜與選擇透過性膜 學生閱讀課本P63的“資料分析”，并進行討論： （1）水稻培養(yǎng)液里的Ca2+和Mg2+濃度為什么會增高？說明什么？ 學生：水稻吸收水分和其他離子多，而吸收Ca2+和Mg2+較少。 （2）不同作物對無機鹽的吸收有差異嗎？ 學生：有明顯差異，水稻吸收大量的Si4+而番茄幾乎不吸收。番茄吸收Ca2+和Mg2+較多。 （3）水分子跨膜運輸是順相對含量梯度的，其他物質也是這樣的嗎？ 學生：不是的，比如水稻吸收Si4+，這是根據(jù)生物生命活動的需要。 （4）細胞對物質的吸收有選擇嗎？如果有，這種選擇有普遍性嗎？ 學生：是有選擇性的，因為不同生物吸收的離子的量是各不相同的；這種選擇也是有普遍性的，如不同微生物對不同礦物的吸收表現(xiàn)出較大的差異。 教師：所以，細胞膜并不是單純物理意義的半透膜，它是有生理活性的，能對一些物質進行選擇性通過，這叫選擇透過性膜。 教師精講］ 典型的滲透裝置必須具備兩個條件：一是具有半透膜；二是半透膜兩側的溶液具有濃度差。細胞主要通過滲透作用從外界吸收水分，當水分進入細胞時，人必須通過細胞壁和原生質層，細胞壁是全透性的，原生質層由于細胞膜和液泡膜是選擇透過性膜，因此可以看作一層選擇透過性膜。這里，往往造成概念錯誤，把選擇透過性膜當作半透膜。事實上，兩者之間是有區(qū)別的。 滲透作用原先是一種物理和化學現(xiàn)象。化學中的半透膜是指只允許某種混合物中的一些物質透過，而不容許另外一些物質透過的薄膜，如膀胱膜、動植物細胞的細胞膜；物理中的半透膜是指只允許某種混合物（溶液、混合氣體）中的一些物質透過，而不允許另一些物質透過的薄膜，例如動物的膀胱、動植物細胞膜；生物上的半透膜是指只讓溶劑分子透過而不讓溶質分子透過的薄膜，如膀胱膜等。從上述概念中可以看出，半透膜是指只允許某些分子（或離子）透過而不讓別的分子（或離子）透過的膜。植物生理學中通過杜南氏平衡不消耗能量使某種離子在細胞內累積的現(xiàn)象是用半透膜理論來解釋的。由于植物細胞的質膜是一個半透膜，細胞內含有一些大分子帶電化合物（如蛋白質），這些蛋白質帶負電而又不能向細胞外擴散，但它可與一些陽離子形成鹽（如K+），當把這種細胞放于KCl溶液中，如果細胞內沒有Cl－，則Cl－進入細胞內，同時K+也跟著進入細胞內以保持細胞內外一定的電位差，最后達平衡時細胞內的K+遠遠高于細胞外。細胞膜選擇透性是由于膜上具有一些吸收與運輸物質的載體。一般認為這種載體是蛋白質大分子，它有專門運送物質的功能。因不同植物細胞膜含有不同類型的載體，同一細胞膜上對不同物質的載體性質不同，數(shù)量也不同，甚至對同一種鹽類的陽離子與陰離子的透過酶也不同，因而表現(xiàn)了細胞膜的高度選擇性。細胞通過選擇透性膜吸收物質時需要消耗能量，故稱為主動吸收。細胞死亡時膜便失去選擇透過性，成為全透性。由此可見半透性膜與選擇透性膜是兩個明顯不同的概念。 評價反饋］ 1.實驗過程性評價 實驗名稱 探究植物細胞在什么情況下失水和吸水 姓名 評價項目 自評 小組互評 老師評價 1.能熟練制作洋蔥表皮臨時裝片 2.能熟練正確操作顯微鏡 3.整個實驗進程有序緊湊 4.實驗效果明顯 說明：評價采用“A、B、C、D”四個等級 2.精選練習 （1）放在0.3 g/mL的蔗糖溶液中，會發(fā)生質壁分離的細胞是 A.人的口腔上皮細胞 B.干種子細胞 C.洋蔥根尖分生區(qū)細胞 D.洋蔥表皮細胞 （2）甜菜塊根細胞的液泡中有花青素，使塊根為紅色。將塊根切成小塊放在蒸餾水中，水無明顯的顏色變化。但用鹽酸處理這些塊根后，則能使溶液變紅。這是因為 A.細胞壁被鹽酸破壞 B.鹽酸破壞了細胞膜的選擇透過性 C.鹽酸破壞了原生質層的選擇透過性 D.花青素不溶于水而溶于鹽酸 （3）當把紫色的洋蔥鱗片葉的表皮置于質量濃度為0.3 g/mL的蔗糖溶液中后，原生質層和細胞壁之間將 A.緊緊靠在一起 B.充滿細胞液 C.充滿蔗糖溶液 D.充滿清水 （4）圖4－1－7中a、b、c表示某植物體的三個相鄰的細胞，它們的細胞液濃度為a>b>c，它們之間的水分滲透方向應是 圖4－1－7 （5）將洋蔥表皮浸泡在7%的尿素溶液中，表皮細胞發(fā)生質壁分離，隨后又自發(fā)地發(fā)生質壁分離復原。你能解釋其原因嗎？ （6）將洋蔥表皮細胞放入一定濃度的硝酸鉀溶液中，其細胞便發(fā)生質壁分離，不久這些細胞又逐漸發(fā)生質壁分離復原，你能解釋其原因嗎？ 參考答案： （1）D〔動物細胞沒有細胞壁不能發(fā)生質壁分離，干種子和根尖分生區(qū)細胞（沒有形成大的中央液泡）主要以吸脹方式吸水〕 （2）C（鹽酸破壞了原生質層，選擇性功能喪失，液泡中的花青素滲出。B選項不全面） （3）C（細胞壁是全通透的） （4）C（根據(jù)水分由濃度低的溶液向濃度高的溶液滲透的原理來判斷） （5）因為尿素通過細胞膜的方式是自由擴散，即尿素可在不需要載體、不需要能量的情況下，完全依靠膜兩側的尿素分子的濃度差過膜移動，所以，在洋蔥表皮細胞失水而發(fā)生質壁分離的同時，尿素分子會順著濃度差向細胞液內擴散，從而使得在尿素溶液中質壁分離的速率與在相同濃度的蔗糖液中相比要慢一些，當細胞液濃度由于尿素不斷增多而與外界尿素溶液濃度一樣時，由于細胞本身失水而使細胞液總的濃度高于外界尿素液濃度，從而自發(fā)地發(fā)生質壁分離復原現(xiàn)象。 （6）當硝酸鉀溶液的濃度大于洋蔥表皮細胞的細胞液濃度時，細胞液中的水分會更多地向細胞外移動，表現(xiàn)為細胞失水，從而發(fā)生質壁分離現(xiàn)象；而后，由于植物細胞可主動運輸硝酸根離子和鉀離子，使這兩種離子進入細胞，結果導致硝酸鉀溶液的濃度降低，細胞液濃度升高，當細胞液的濃度大于硝酸鉀溶液的濃度時，植物細胞會吸水，從而表現(xiàn)出質壁分離復原的現(xiàn)象。 課堂小結］ 本節(jié)課我們通過實驗探究了植物細胞在什么情況下失水和吸水，并且學習了其失水和吸水的原理是滲透作用。細胞膜是一種半透膜，一些小分子可以自由通過，一些分子則不能自由通過，但細胞膜又不是純物理意義上的半透膜，它是有生理活性的，能對一些離子和小分子進行選擇性通過。所以細胞膜更是一種選擇透過性膜。 那為什么會有選擇性呢？細胞膜是靠什么機制來對不同的物質進行選擇的呢？這就跟細胞膜的結構有密切的關系，下節(jié)課我們再來學習細胞膜的結構特點。 布置作業(yè)］ 課后探討課本P64“與社會的聯(lián)系”中的問題。 課后拓展］ 質壁分離法測定細胞的滲透勢實驗 實驗原理 將植物組織置于對其無毒害的一系列不同濃度的溶液里處理一定時間，然后鏡檢發(fā)生質壁分離的細胞數(shù)，通常把視野中有50％的細胞發(fā)生質壁分離時定為初始質壁分離，細胞初始質壁分離時壓力勢為零，因而可把引起細胞初始質壁分離的外界溶液稱之為等滲溶液，其溶液具有的滲透勢即為細胞的滲透勢。由于很難正好找到引起50％細胞發(fā)生質壁分離的濃度。因此通常用插值法求得等滲溶液濃度，代入公式即可計算滲透勢。 器材與試劑 器材：顯微鏡，載玻片，蓋玻片，鑷子，刀片，培養(yǎng)皿（或具塞試管），記號筆，滴管。 試劑：蔗糖。 方法與步驟 （1）配制質量濃度為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mol/L蔗糖溶液，放于6個試劑瓶中，必要時配制溶液濃度可相差≤0.05 mol。 （2）取6套干凈清潔的小培養(yǎng)皿，用記號筆編號，將配制好的不同濃度的蔗糖溶液按順序倒入各個培養(yǎng)皿中使之成一薄層，蓋好培養(yǎng)皿蓋。 （3）將帶有色素的植物組織或葉片（可選用有色素的洋蔥鱗片的外表皮，紫鴨跖草，蠶豆，小麥，玉米等葉的表皮）撕取表皮分別迅速投入各種濃度的蔗糖溶液中，每個培養(yǎng)皿中放3塊左右材料，使其完全浸沒，浸泡20～40分鐘。 （4）到時間后，取出表皮，放在載玻片上，滴一滴相同濃度的蔗糖，蓋上蓋玻片，在顯微鏡下觀察質壁分離的細胞數(shù)和細胞總數(shù)，找出引起50％細胞發(fā)生質壁分離的外界溶液濃度，即為細胞滲透濃度值。 ●板書設計 第二課時 水分及其他物質的跨膜運輸 一、滲透作用：水分子是順著水分子的相對含量的梯度跨膜運輸?shù)? 兩個條件：1.要有半透膜 2.半透膜兩側的溶液濃度不同 二、離子的跨膜運輸并不是順著離子相對含量的梯度來進行的 細胞膜是一種選擇透過性膜 ●習題詳解 一、練習（課本P64） （一）基礎題 1.√（此題考查對生物膜系統(tǒng)的理解，生物膜系統(tǒng)中各種膜的成分和結構很相似，也都是選擇透過性膜） 2.√（此題考查對滲透作用的應用，水分子是通過滲透作用進出細胞的，滲透作用中水分子的運輸方向取決于膜兩側的濃度差） 3.（此題考查對選擇透過性膜的理解，并不是所有的小分子都能通過細胞膜；另一些大分子物質可以有選擇地通過細胞膜，另一些大分子還可以以胞吞和胞吐的方式通過細胞膜） （二）拓展題 農業(yè)生產上的輪作正是針對不同作物根系對礦物質元素的選擇性吸收而采取的生產措施。如果長期在同一塊田里種植同種作物，地力就會下降（俗稱傷地），即某些元素因被植物吸收過多而含量下降，這樣就會影響往后種植的作物的產量。（此題考查細胞膜對礦質離子的選擇透過性吸收在實際生產中的應用） 二、問題探討（課本P60） 1.由于單位時間內透過玻璃紙進入長頸漏斗的水分子數(shù)量多于從長頸漏斗滲出的水分子數(shù)量，使得管內液面升高。 2.不會。因紗布的孔隙很大，蔗糖分子也可以自由通過。 3.液面不會上升。單位時間內透過玻璃紙進入長頸漏斗的水分子數(shù)量等于滲出的水分子數(shù)量。 三、思考與討論（課本P61） 1.血紅蛋白不能通過細胞膜。 2.紅細胞膜相當于半透膜。 3.當外界溶液的濃度低于紅細胞內部的濃度時，紅細胞一般會因持續(xù)吸水而脹破。 4.紅細胞吸水或失水的多少主要取決于紅細胞內外濃度的差值。一般情況下，差值較大時吸水或失水較多。 四、與生活的聯(lián)系（課本P61） 會感到口腔黏膜比較干。因為吃過鹽的食物，口腔細胞失水過多。 五、與社會的聯(lián)系（課本P64） 不能過于宣傳高濃度飲料的解渴作用，因為過高濃度的飲料反而會導致細胞失水。 六、本節(jié)聚焦（課本P60） 1.細胞在外界濃度高于細胞內液體濃度時會失水，反之則細胞吸水。 2.植物細胞的質壁分離與復原說明了細胞的失水和吸水現(xiàn)象。 3.因為細胞膜可以讓水分子自由通過，一些離子和小分子也可以通過。而細胞不需要的小分子、離子和大分子則不能通過。