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第4章　第1節　被動運輸　第1課時　水進出細胞的原理
學有目標——課標要求必明 記在平時——核心語句必背
1.闡明細胞膜的選擇透過性。2.舉例說出細胞吸水、失水的原理。 1.滲透作用發生的兩個條件：一是半透膜，二是濃度差。2.原生質層包括細胞膜、液泡膜以及兩層膜之間的細胞質。3.動物細胞和植物細胞都可通過滲透作用吸水和失水。
[主干知識梳理]
一、滲透作用
1．概念：指水分子(或其他溶劑分子)通過半透膜的擴散。
2．滲透作用發生的條件[填圖]
3．滲透作用的方向：水分子從水的相對含量高的一側向相對含量低的一側滲透。
二、細胞的吸水和失水
1．動物細胞的吸水和失水
(1)原理
①動物細胞的細胞膜相當于一層半透膜；當外界溶液與細胞質存在濃度差時，細胞會發生吸水或失水。
②水是通過滲透作用進出動物細胞的。
(2)連線外界溶液濃度與細胞質濃度不同時細胞的形態變化
2．植物細胞的吸水和失水
(1)原生質層：細胞膜、液泡膜以及兩層膜之間的細胞質，稱為原生質層。原生質層具有選擇透過性，相當于一層半透膜。
(2)濃度差：細胞內的液體環境主要是指液泡內部的細胞液，當它和外界溶液有濃度差時，細胞發生吸水或失水。
(3)植物細胞也是通過滲透作用吸水和失水的。
[邊角知識發掘]
1．用半透膜封住長頸漏斗的口部，在長頸漏斗內注入蔗糖溶液，然后把漏斗放到清水中，使內外液面相平，一段時間后會出現液面上升的現象，這就是滲透現象。結合下圖(教材P62圖變形)分析滲透現象發生的條件和原理。
(1)漏斗管內的液面為什么會升高？
提示：單位體積的清水中水分子數大于蔗糖溶液中的水分子數。單位時間內由清水進入蔗糖溶液的水分子數多于由蔗糖溶液進入清水的水分子數。
(2)如果漏斗管足夠長，管內的液面會無限升高嗎？為什么？
提示：不會。由于燒杯中與漏斗中的液體具有濃度差，即滲透壓，所以水分子有進入漏斗的趨勢；但是液面差ΔH會產生相應的壓強，當ΔH產生的壓強與滲透壓平衡時，半透膜兩側水分子的交換速率相同，液面將不再升高。
(3)如果用紗布代替玻璃紙 (半透膜)，漏斗管內液面還會升高嗎？
提示：不會。因為紗布是全透性的，水分子和蔗糖溶液都能通過。
(4)如果燒杯內不是清水，而是同濃度的蔗糖溶液，漏斗液面還會升高嗎？
提示：液面不會升高，因為半透膜兩側溶液的濃度相等，單位時間內由清水進入蔗糖溶液的水分子數等于由蔗糖溶液進入清水的水分子數。
(5)由以上分析確定滲透作用發生需要什么樣的條件？
提示：滲透作用發生的條件是具有半透膜和濃度差。
2．結合教材P63 圖4 1及下圖思考：臨床上輸液為什么要用生理鹽水(質量分數為0.9%的NaCl溶液)
提示：生理鹽水(質量分數為0.9%的NaCl溶液)的滲透壓與人紅細胞內的滲透壓相等，不會使紅細胞吸水或失水，可以維持紅細胞的正常形態。
[教材問題提示]
思考·討論(教材P63)
1．紅細胞中的血紅蛋白是大分子有機物，不能透過細胞膜，它相當于“問題探討”中的蔗糖分子。
2．是(是“相當于”，不是“等同”)。
3．不一定。因為紅細胞吸水膨脹后細胞內液濃度也會下降，如果外界溶液濃度不是很低，有可能細胞內液濃度下降后與外界溶液的濃度達到平衡，此時，紅細胞將不再繼續吸水膨脹。
4．取決于紅細胞內外溶液的濃度差，一般情況下，濃度差越大，細胞吸水或失水越多。
5．因為生理鹽水的濃度與血漿的濃度基本一致，血細胞不會因為過度吸水或失水而出現形態和功能上的異常。
新知探究一　水進出細胞的原理
[在探究中學]
[任務驅動]　
下圖中A、B分別表示滲透作用裝置，據圖回答下列問題：
(1)分析溶液濃度S1＞S2與S1＜S2水分子的流動方向是怎樣的？
提示：①當溶液濃度S1＞S2時，水分子通過半透膜由S2流向S1數目多于由S1流向S2的數目，液面上升；②當溶液濃度S1＜S2時，水分子通過半透膜由S1流向S2數目多于由S2流向S1的數目，液面下降。當滲透平衡時，通過半透膜的水分子達到平衡，液面不再發生變化。
(2)當Δh不變時，S1、S2的濃度是否相等，為什么？
提示：S1＞S2，滲透作用停止時，漏斗內液面不再上升，水分子通過半透膜的雙向擴散速率相等，但漏斗內溶液濃度仍高于燒杯中溶液濃度。這是漏斗內液面升高產生的作用力加大阻止燒杯中水分子向漏斗擴散的緣故。
(3)在圖B所示的U形玻璃管內，左右管內分別裝入質量分數相等的葡萄糖、麥芽糖溶液。初始時兩管中液面相平，假設溶質分子不能透過半透膜。一段時間后，兩管中的液面會如何變化？
提示：左管液面升高，右管液面降低。
[師說重難]　
1．滲透裝置圖解
2．液面上升到一定程度時，液面不再升高的原因
分析右圖可知：漏斗中的液面高于水槽中的液面，液面差為 H1，由于水槽中與漏斗中的液體具有濃度差，即具有滲透壓差，所以水分子有進入漏斗的趨勢；但是 H1 產生的壓強與滲透壓的平衡使半透膜兩側水分子的交換速率相同時，液面不再升高。
[在應用中悟]
[典例1]　圖甲是發生滲透作用時的初始狀態，圖乙是較長時間之后，漏斗內外的水分子達到動態平衡時的狀態。下列有關敘述錯誤的是(　　)
A．圖甲中③為半透膜，水分子能自由通過
B．圖甲中溶液②的濃度大于溶液①的濃度
C．圖乙中溶液①的濃度與溶液②的濃度相等
D．圖甲中溶液①和②濃度差越大，則圖乙中的水柱越高
[解析]　在圖乙中，高出液面的水柱所產生的壓力與滲透壓達到平衡，此時漏斗內溶液②的濃度應比溶液①的濃度高。
[答案]　C
[典例2]　如圖所示，U型管底部中央放置一半透膜(不允許溶質分子透過)。a液和b液原先體積相同，由于濃度不同，后來產生一個高度差ΔH。請問ΔH主要取決于(　　)
A．a液和b液的溶質分子大小
B．a液和b液所在管的粗細
C．a液和b液的溶劑是否相同
D．a液和b液的濃度差大小
[解析]　半透膜兩側溶液的濃度差越大，水分子進入濃度高的一側的數量越多，產生的液柱高度差越大。
[答案]　D
■方法規律
判斷水分子流動方向的方法
(1)從膜兩側水分子的相對數目上分析：水分子總是從相對數目多的一側流向相對數目少的一側。
(2)從溶質濃度大小上分析：水分子總是從溶質濃度小的一側流向溶質濃度大的一側。
[在訓練中評]
1.某同學為探究膜的通透性而設計了如圖所示的滲透裝置，開始時燒杯內的液面和長頸漏斗內的液面相平。在長頸漏斗內液面上升的過程中(　　)
A．液面上升的速率先加快后減慢最終維持穩定
B．水分子通過半透膜從蔗糖溶液向清水擴散的速率逐漸減慢
C．當半透膜兩側液體濃度相等時，水分子不再通過半透膜擴散
D．當半透膜兩側水分子進出速率相等時，長頸漏斗內液面最高
解析：選D　實驗開始時，由于單位體積清水中水分子數量多于蔗糖溶液中的，因此，水分子通過半透膜擴散進入蔗糖溶液的速率大于從蔗糖溶液向清水擴散的速率；隨著水分子進入漏斗內量的增多，蔗糖溶液濃度下降，同時由于漏斗液面升高與燒杯中液體形成的壓力差增加，水分子擴散進入漏斗內的速率下降，而反方向水分子擴散速率升高，當水分子在半透膜兩側進出速率相等時，漏斗內液面達到最高并停止上升，即最終液面上升的速率變為0。
2．如圖表示滲透作用裝置圖，其中半透膜為豬膀胱膜，圖1、3表示初始狀態，其裝置內溶液A、B、a、b濃度分別用MA、MB、Ma、Mb表示，圖2、圖4分別表示一段時間后的狀態，液面上升的高度分別為h1、h2。如果A、B、a、b均為蔗糖溶液，且MA＞MB、Ma＝Mb＞MA，則達到平衡后(　　)
A．h1＞h2，Ma＞Mb　　　 B．h1＞h2，Ma＜Mb
C．h1＜h2，Ma＜Mb D．h1＜h2，Ma＞Mb
解析：選D　由于MA＞MB、Ma＝Mb＞MA，所以兩個漏斗中的液面都會上升，由于溶液A與a的濃度差要小于溶液B與b的濃度差，所以平衡后h2>h1；同時由于圖2中進入漏斗內的水比圖4中相對要少，所以Ma>Mb。
新知探究二　 動物細胞和植物細胞的吸水和失水
[在探究中學]
[任務驅動]
1．觀察下圖，試從細胞結構及滲透作用的條件分析，植物細胞發生吸水和失水的原因。
(1)植物細胞的細胞膜、液泡膜以及兩層膜之間的細胞質稱為原生質層，原生質層具有選擇透過性，相當于一層半透膜。
(2)從原生質層的概念出發，原生質層包含細胞核嗎？包含核糖體、線粒體、葉綠體和液泡嗎？
提示：不包含細胞核，但包含除液泡外的細胞器。
(3)植物細胞內的液體環境主要是指液泡內部的細胞液。當外界溶液的濃度大于細胞液濃度時，植物細胞會失水；當外界溶液的濃度小于細胞液濃度時，植物細胞會吸水。
由此可見，植物細胞也可以通過滲透作用吸水或失水。
2．分析動物細胞是否也符合滲透作用的條件？舉例說明。
提示：動物細胞膜相當于半透膜，在細胞質和外界溶液之間形成濃度差。
[師說重難]　
動植物細胞都是滲透系統
項目 滲透作用模型 動植物細胞與外界溶液形成的滲透系統
圖解
基本條件 半透膜、濃度差 原生質層(動物細胞膜)——相當于半透膜；濃度差——細胞液(細胞質)與外界溶液之間的濃度差
原理 水分子通過半透膜的擴散作用　 水分子通過原生質層(細胞膜)在細胞液(細胞質)與外界溶液之間發生擴散
水擴散總趨勢 低濃度溶液→高濃度溶液
[在應用中悟]
[典例1]　將人的紅細胞放入 4 ℃蒸餾水中，一段時間后紅細胞破裂，主要原因是(　　)
A．紅細胞膜具有脂溶性
B．紅細胞的液泡體積增大
C．蒸餾水大量進入紅細胞
D．低溫時紅細胞膜流動性降低
[解析]　將人的紅細胞放入 4 ℃蒸餾水中，紅細胞會因大量蒸餾水進入而破裂；人的紅細胞沒有液泡。
[答案]　C
[典例2]　若如圖表示植物細胞滲透作用的圖解，下列說法錯誤的是(　　)
A．植物細胞的原生質層相當于一層半透膜
B．一定條件下，活的、成熟的植物細胞能發生滲透失水或吸水
C．當溶液濃度甲>乙時，細胞發生滲透失水；當溶液濃度乙>甲時，細胞發生滲透吸水
D．當溶液濃度甲＝乙時，細胞處于動態平衡狀態，不發生滲透作用
[解析]　植物細胞的原生質層相當于一層半透膜。當溶液濃度甲>乙時，細胞發生滲透失水；當溶液濃度乙>甲時，細胞發生滲透吸水?；罴毎幱谕饨缛芤褐校瑵B透作用就會發生，即當溶液濃度甲＝乙時，也發生滲透作用，此時處于動態平衡狀態。
[答案]　D
[在訓練中評]
1．將成熟的植物細胞放在溶液中能構成一個滲透系統，主要原因是(　　)
A．液泡膜內外溶液有濃度差
B．原生質層相當于一層半透膜
C．細胞壁是全透性的
D．水分可以自由出入細胞
解析：選B　細胞內原生質層主要包括細胞膜、液泡膜和這兩層膜之間的細胞質，原生質層具有選擇透過性，相當于半透膜。把成熟的植物細胞放在溶液中，原生質層兩側的溶液具有濃度差，但A選項說的是液泡膜內外溶液有濃度差，故錯誤。C、D選項的說法雖然正確，但與題意不符。
2．將六個大小相同的馬鈴薯去皮之后，分別置于不同濃度的蔗糖溶液中，數小時后取出稱其質量。增減的質量與蔗糖溶液的濃度關系如圖，根據圖示判斷，馬鈴薯細胞液濃度與下列哪項最為接近(　　)
A．0.4　　 B．0.8　　　
C．1.0　　　 D．1.6
解析：選C　在馬鈴薯的質量變化為0時，水分進出馬鈴薯細胞達到平衡，細胞內外溶液的濃度相等，此時對應的蔗糖溶液濃度即馬鈴薯細胞液的濃度，由圖可知馬鈴薯細胞液的濃度在0.8～1.2之間。
科學探究——滲透作用發生條件的實驗驗證和應用
1．滲透作用發生條件的驗證
2．比較不同溶液濃度大小
漏斗內 燒杯內
溶液濃度 M N
現象及結論 ①若漏斗內液面上升，則M ＞N；②若漏斗內液面不變，則M＝N；③若漏斗內液面下降，則M＜N
　　3.探究物質能否通過半透膜的方法(以碘和淀粉為例)
燒杯內盛淀粉溶液 漏斗內盛碘液 結論
變藍 不變藍 碘能通過半透膜，而淀粉不能
不變藍 變藍 淀粉能通過半透膜，而碘不能
變藍 變藍 淀粉和碘都能通過半透膜
不變藍 不變藍 淀粉和碘都不能通過半透膜
[素養評價]
1．如圖1所示的甲、乙、丙三個滲透裝置中，三個漏斗頸的內徑相等，漏斗內盛有濃度相同的蔗糖溶液，且漏斗內液面高度相同，漏斗口均封以半透膜，置于同一個水槽的清水中。三個滲透裝置半透膜的面積和所盛蔗糖溶液的體積如下表所示。圖2中曲線1、2、3表示漏斗液面高度隨時間的變化情況。則曲線1、2、3與甲、乙、丙三個裝置的對應關系應是(　　)
裝置編號 甲 乙 丙
半透膜面積 S S/2 S
蔗糖溶液體積 T T 2T
A．1—丙；2—甲；3—乙　　　 B．1—乙；2—甲；3—丙
C．1—甲；2—乙；3—丙 D．1—丙；2—乙；3—甲
解析：選A　丙的體積最大，吸水體積最大，漏斗液面高度最高，對應圖2中的曲線1；甲、乙的體積相等，但是甲漏斗口的半透膜面積比乙的大，吸水的速度快，故甲漏斗液面高度變化要比乙的快些，對應圖2中的曲線2。
2．(2020·鄭州模擬)某同學進行如圖所示的實驗，甲圖為實驗開始狀態，乙圖為實驗結束狀態。請在乙圖所示實驗結果的基礎上繼續實驗，探究蔗糖的水解產物能否通過半透膜。
增添的實驗材料：蔗糖酶溶液、斐林試劑、試管、滴管、水浴鍋等。
(1)請設計出繼續實驗的簡要步驟：
①____________________________________________________；
②____________________________________________________。
(2)預測實驗現象并做出結論：______________________________________________
___________________________________。
答案：(1)①向a、b兩管分別加入等量蔗糖酶溶液，觀察a、b兩管內液面的變化?、谖、b兩管內適量液體，分別加入A、B兩試管中，并加入斐林試劑，50～65 ℃水浴加熱，觀察A、B試管內有無磚紅色沉淀　(2)如果a、b兩管液面高度差縮小且A、B試管內均有磚紅色沉淀，則蔗糖的水解產物能通過半透膜；如果a、b兩管液面高度差增大且A試管內無磚紅色沉淀、B試管內有磚紅色沉淀，則蔗糖的水解產物不能通過半透膜
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