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《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pH＜8.2的溶液里为无色的内酯式结构，当8.2 - 1 - 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：3cm×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 - 2 - 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）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， - 3 - 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 3 2 1 0.01 结论 表面积 /cm 2体积 /cm 3比值（表面积/体积） NaOH扩散的深度/cm 比值（NaOH扩散的体积整个琼脂块的体积） 1．琼脂块的表面积和体积的比随着琼脂块的增大而 。 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20-30μm3,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。 - 4 -