细胞大小与物质运输的关系一、学习目标本实验也是高中生物必修一“分子与细胞”一册书中典型的引导式实验，按照课程标 准的要求，学生要学会模拟探究细胞体积与表面积的关系。通过模拟探究过程的进行，体 验细胞必须要保持一定的体积，并认同细胞生长到一定大小后停止生长，细胞进入分裂增 殖。同时通过对实验方案的设计主要培养学生比较、判断、推理、分析综合等思维能力， 初步形成创造思维品质，能够运用学到的生物学知识评价和解决某些实际问题；其次通过 分组实验和讨论，培养合作和交流能力，领会生物科学探究的一般方法，培养学生科学探 究能力和勇于探索、不断创新的精神。二、观察与思考（一）提出问题生活中吹气球的时候，气球的体积在缓慢增大，能一直增大么？同理组成生物体的每一 个细胞的体积在生长发育过程中能无限增大么？（二）猜想与假设气球吹到一定程度是，橡胶的膨胀系数达到最大时，可能就会爆裂。细胞也一样可能有 同样的遭遇，或许不增大，停止生长，或许进入下一次分裂，也可能萎缩。假设细胞的体 积不能无限增大？（三）交流、讨论可以分组实验，在实验室连续观察细胞的生长状况，利用显微镜观察细胞是否无限增 大？也可以构建细胞模型，来验证细胞生长状况，以及细胞大小与物质运输的关系。三、设计与交流广实验方案：用含有酚酞的琼脂块模拟细胞形态，利用酚酞遇NaOH 变红特性，观察扩散深度的测量，计算表面积与体积I的比值来推导细胞大小与物质运输速率的关系我的设计实验器材：烧杯、酚酞、琼脂块、直尺等I 实验步骤：琼脂+H2）搅拌煮沸，冷却、凝固前加酚酞，搅拌混 合一倒入浅盘一固化后切成小块。一用餐刀切成边长 分别为3cm、2cm、1cm的正方体小块。一加入NaOH， 将上述3块琼脂放入烧杯，加入NaOH溶液，淹没琼 脂块，浸泡10 min，注意搅拌。一测量并记录。四、实验解析（一）实验原理1. 含有酚酞的琼脂块遇到NaOH，酚酞变红色。主要利用酚酞与碱性溶液变红的特性。2. 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。（二）主要实验材料1. 材料：3cmX3cmX6cm的含有酚酞的琼脂块（琼脂由琼脂糖（Agarose）和琼脂果 （Agaropec tin）两部分组成。琼脂在食品工业的应用中具有一种极其有用的独特性质。其特点：具有凝固性、稳定性，能与一些物质如酚酞形成络合物等物理化学性质，可用作增 稠剂、凝固剂、悬浮剂、乳化剂、保鲜剂和稳定剂。）、塑料餐刀、防护手套、塑料勺、纸 巾、烧杯。2. 药品：质量分数为%的NaOH溶液。（三）方法与步骤1. 酚酞琼脂块的制备：30g琼脂+ 1LH2Of搅拌煮沸，冷却、凝固前加1g酚酞，搅拌 混合f倒入浅盘f固化后切成3cm X 3 cm X 6cm的小块。2. 制备不同体积的正方体琼脂块，用餐刀切成边长分别为3cm、2cm、1cm的正方体小 块。加入NaOH，将上述3块琼脂放入烧杯，加入NaOH溶液，淹没琼脂块，浸泡10 min, 注意搅拌。3. 测量并记录：取出琼脂块，用餐刀沿中轴线切为两半并测量每块琼脂块上NaOH扩 散的深度,做好记录。4. 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。（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. 每次切割之前必须把刀擦干。4. 在实验开始之前，要求每位学生穿好实验服，戴好护目镜和防护手套，以防止实验 过程中药品飞溅，伤及眼睛和皮肤。5. 酚酞易引起过敏反应，准备实验材料时最好戴橡皮手套。6. 为了保证实验的严谨性，在放有琼脂块的三个烧杯内同时加入等量的NaOH溶液， 在相同的“扩散”时间后，将琼脂块一齐取出。颜色变化的观察与面积和体积的计算可同 时进行。7. 本实验最后要引导学生认同细胞表面积与体积比不能过小，否则会因表面积的限制 导致细胞代谢速率下降，这对细胞的生存是不利的。所以当细胞长到一定大时，便不再长 大，进而一分为二，为细胞快速代谢创造条件。（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。五、实验结论及分析（一）实验结果与预测结果的比较琼脂块的 边长/cm表面积/cm2体积/cm3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）321结论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。（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解除活不过敏？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？3. 实验结束后的废弃化学溶液，应如何处理？ 备注：遇到的问题可以到或是相关的课程资源网站中查询。六、例题分析真核细胞的直径一般在10100um之间。生物体细胞体积趋向于小的原因是（）A. 受细胞所能容纳的物质的制约B.相对面积小，有利于物质的迅速转运和交换C.受细胞核所能控制的范围的制约 D.相对面积大，有利于物质的迅速转运和交换 【解析】CD细胞核的控制直径是有限的，所以细胞不能无限增大，同时细胞体积越小，相 对表面积越大，这样物质运输的速率就越快。七、知识反馈（一）同步练习1. 实验目的2. 本实验中不同大小的琼脂块模拟的 。3. NaOH溶液遇到酚酞试液变。4. 细胞越大，物质运输的效率越，所以多细胞生物都是由许多个细胞而不是由少数 体积更大的细胞构成的。5细胞体积越大,其表面积相对，细胞与周围环境之间物质交流的面积相对越小，所以物质运输的效率越。6.实验用品9将琼脂块放入到烧杯内，用NaOH溶液将其淹没，浸泡1 Omin。用塑料勺翻动琼脂块。注 意：不要用勺子将琼脂块切开。(二)检测过关1下列有关细胞不能无限长大的原因中，不正确的是()A. 与细胞表面积和体积的比有关B. 细胞核的大小是有一定限度的C. 细胞体积过大不利于细胞内的物质交流D. 细胞内各种细胞器的数目和种数限制2下列细胞中最容易进行物质运输的是()A. 神经细胞B.皮肤表皮细胞C.卵细胞D.胚胎干细胞3当细胞的体积增大时，细胞体积与表面积的比值将()A. 减小B.增大C.不变D.无法确定4通常认为细胞生长到一定程度时，由于细胞代谢的需要，细胞将()A. 不再生长B.死亡C.分裂D.消失5. 目前，科学家发现生物界最小、最简单的细胞是()A. 原核细胞B.病毒C.支原体D.衣原体6. 下列关于细胞物质跨膜运输的叙述正确的是()A. 胚胎干细胞体积小、核大，物质运输速率较快B. 哺乳动物成熟红细胞由于没有细胞核的控制作用，所以不能进行物质运输作用C. 细胞膜上载体的种类和数量只影响主动运输D. 动物细胞的细胞液浓度越大，物质运输速率越快7. 下列关于细胞大小的叙述中，不正确的是()A. 细胞体积过大，细胞核的负担就会过重B. 细胞体积增大过程中，细胞核内的DNA会随之增加C. 细胞表面积与体积的关系限制了细胞的长大D. 绿色植物细胞提及的大小，可能受限于液泡的大小8. 探究细胞大小与物质运输的关系的实验原理不包括的是()A. 酚酞遇到NaOH呈现红色反应B.以琼脂块的大小表示细胞大小C.以NaOH的扩散深度表示吸收速度 D.以NaOH的扩散体积比表示吸收速度9. 关于多细胞生物体的叙述中，错误的是()A. 多细胞生物体的生长，既靠细胞生长，又靠细胞分裂B. 不同动物同类组织的细胞大小差异不明显C. 某器官大小主要决定于细胞数量的多少D. 生物体生长时，细胞体积越大，物质运输速率越快，生物体生长越快10. 关于细胞大小与物质运输效率的关系的叙述中，错误的是() 体积越大，物质运输效率相对越高 体积越小，物质运输效率相对越高 表面积与体积的比值越大，物质运输效率相对越高 表面积与体积的比值越小，物质运输效率相对越高A.B.C.D.11、真核细胞的直径一般在10100um之间，生物体细胞体积受限的原因不包括（）A. 受细胞所能容纳的物质制约B. 表面积与体积的比值越小，有利于物质的迅速转运和交换C. 受细胞核所能控制的范围制约D. 表面积与体积的比值越大，有利于物质的转运和交换12. 生物体内细胞代谢速率与物质扩散的速率有关。同种物质虽然在细胞中扩散的速率基 本相同，但细胞大小不同，扩散的快慢会有差异。有人设计了一种模型，用于研究这一问 题。根据教科书P110页所提供的材料用具完成以下实验步骤： 用小刀将琼脂块（内含酚酞）切成三块边长分别为3 cm, 2 cm和1 cm的立方体。 将以上三块琼脂样品浸在质量分数为0.1%的MaOH溶液中，处理1 Omin。 取出琼脂块样品，吸干浮液后，分别将每一样品切成两半，观察切面，测量每一切面上 NaOH扩散的深度，记录结果。请分析回答：（1）请你为此研究拟定一个课题名称：（2）该研究中所用的细胞模型是：实验时，在样品中加入酚酞是用以检测NaOH在琼脂块中的扩散深度，原因 是。计算得出样品有关数据如上表：通过上表比值分析，你得出的结论 。据此推测三个样品中，NaOH扩散深度依 次为。通常情况下，细胞边长小于0. 1cm。根据上述研究，可以对细胞大小与物质扩散之间的 关系作出合理的解释:八、高考链接（一）高考导航本实验是高中生物学中的一个典型考查引导式探究实验，历年来高考中的考查主要是 以选择题的形式出现，考查细胞大小与物质运输速率的关系，属于基础知识的范畴，高考 中此知识点重现率较低。（二）真题解析1. （2005年江苏）生物膜系统在细胞生命活动中的作用主要体现在多选（）A. 在细胞内外的物质运输等过程中起决定性作用B. 使核内遗传信息的传递不受细胞质的影响C. 广阔的膜面积为酶提供了大量的附着位点D. 使细胞的结构和功能区域化【解析】ACD生物膜上含有丰富的载体蛋白，为物质运输提供了运输条件。核内遗传信息的 传递主要路线是借助细胞核膜上的核孔来完成的。广阔的膜面积为酶提供了分舵附着位点， 使化学反应的速度大大提升。同时各细胞器膜保证了各自内部反应的相对独立性，相互之 间不干扰，使细胞的结构和功能更加区域化。2. （2005年北京）结合表中数据，指出下列叙述错误的（）成分线粒体膜蛋白质（质量分数%）脂类（质量分数%）外膜5248内膜7624A. 内膜含有许多与有氧呼吸有关的酶B. 内膜比外膜具有更多的功能C. 内膜、外膜的化学组成大致相同D. 内膜表面积大，导致蛋白质含量高【解析】D通常情况下，真核生物细胞有氧呼吸的第三阶段均发生在线粒体内膜上，所以内 膜含有与有氧呼吸有关的酶，更能比外膜更复杂一些。内外膜的化学成分大致相同，