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第4章　第1节　被动运输　第1课时　水进出细胞的原理
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.阐明细胞膜的选择透过性。2.举例说出细胞吸水、失水的原理。 1.渗透作用发生的两个条件：一是半透膜，二是浓度差。2.原生质层包括细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质。3.动物细胞和植物细胞都可通过渗透作用吸水和失水。
[主干知识梳理]
一、渗透作用
1．概念：指水分子(或其他溶剂分子)通过半透膜的扩散。
2．渗透作用发生的条件[填图]
3．渗透作用的方向：水分子从水的相对含量高的一侧向相对含量低的一侧渗透。
二、细胞的吸水和失水
1．动物细胞的吸水和失水
(1)原理
①动物细胞的细胞膜相当于一层半透膜；当外界溶液与细胞质存在浓度差时，细胞会发生吸水或失水。
②水是通过渗透作用进出动物细胞的。
(2)连线外界溶液浓度与细胞质浓度不同时细胞的形态变化
2．植物细胞的吸水和失水
(1)原生质层：细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质，称为原生质层。原生质层具有选择透过性，相当于一层半透膜。
(2)浓度差：细胞内的液体环境主要是指液泡内部的细胞液，当它和外界溶液有浓度差时，细胞发生吸水或失水。
(3)植物细胞也是通过渗透作用吸水和失水的。
[边角知识发掘]
1．用半透膜封住长颈漏斗的口部，在长颈漏斗内注入蔗糖溶液，然后把漏斗放到清水中，使内外液面相平，一段时间后会出现液面上升的现象，这就是渗透现象。结合下图(教材P62图变形)分析渗透现象发生的条件和原理。
(1)漏斗管内的液面为什么会升高？
提示：单位体积的清水中水分子数大于蔗糖溶液中的水分子数。单位时间内由清水进入蔗糖溶液的水分子数多于由蔗糖溶液进入清水的水分子数。
(2)如果漏斗管足够长，管内的液面会无限升高吗？为什么？
提示：不会。由于烧杯中与漏斗中的液体具有浓度差，即渗透压，所以水分子有进入漏斗的趋势；但是液面差ΔH会产生相应的压强，当ΔH产生的压强与渗透压平衡时，半透膜两侧水分子的交换速率相同，液面将不再升高。
(3)如果用纱布代替玻璃纸 (半透膜)，漏斗管内液面还会升高吗？
提示：不会。因为纱布是全透性的，水分子和蔗糖溶液都能通过。
(4)如果烧杯内不是清水，而是同浓度的蔗糖溶液，漏斗液面还会升高吗？
提示：液面不会升高，因为半透膜两侧溶液的浓度相等，单位时间内由清水进入蔗糖溶液的水分子数等于由蔗糖溶液进入清水的水分子数。
(5)由以上分析确定渗透作用发生需要什么样的条件？
提示：渗透作用发生的条件是具有半透膜和浓度差。
2．结合教材P63 图4 1及下图思考：临床上输液为什么要用生理盐水(质量分数为0.9%的NaCl溶液)
提示：生理盐水(质量分数为0.9%的NaCl溶液)的渗透压与人红细胞内的渗透压相等，不会使红细胞吸水或失水，可以维持红细胞的正常形态。
[教材问题提示]
思考·讨论(教材P63)
1．红细胞中的血红蛋白是大分子有机物，不能透过细胞膜，它相当于“问题探讨”中的蔗糖分子。
2．是(是“相当于”，不是“等同”)。
3．不一定。因为红细胞吸水膨胀后细胞内液浓度也会下降，如果外界溶液浓度不是很低，有可能细胞内液浓度下降后与外界溶液的浓度达到平衡，此时，红细胞将不再继续吸水膨胀。
4．取决于红细胞内外溶液的浓度差，一般情况下，浓度差越大，细胞吸水或失水越多。
5．因为生理盐水的浓度与血浆的浓度基本一致，血细胞不会因为过度吸水或失水而出现形态和功能上的异常。
新知探究一　水进出细胞的原理
[在探究中学]
[任务驱动]　
下图中A、B分别表示渗透作用装置，据图回答下列问题：
(1)分析溶液浓度S1＞S2与S1＜S2水分子的流动方向是怎样的？
提示：①当溶液浓度S1＞S2时，水分子通过半透膜由S2流向S1数目多于由S1流向S2的数目，液面上升；②当溶液浓度S1＜S2时，水分子通过半透膜由S1流向S2数目多于由S2流向S1的数目，液面下降。当渗透平衡时，通过半透膜的水分子达到平衡，液面不再发生变化。
(2)当Δh不变时，S1、S2的浓度是否相等，为什么？
提示：S1＞S2，渗透作用停止时，漏斗内液面不再上升，水分子通过半透膜的双向扩散速率相等，但漏斗内溶液浓度仍高于烧杯中溶液浓度。这是漏斗内液面升高产生的作用力加大阻止烧杯中水分子向漏斗扩散的缘故。
(3)在图B所示的U形玻璃管内，左右管内分别装入质量分数相等的葡萄糖、麦芽糖溶液。初始时两管中液面相平，假设溶质分子不能透过半透膜。一段时间后，两管中的液面会如何变化？
提示：左管液面升高，右管液面降低。
[师说重难]　
1．渗透装置图解
2．液面上升到一定程度时，液面不再升高的原因
分析右图可知：漏斗中的液面高于水槽中的液面，液面差为 H1，由于水槽中与漏斗中的液体具有浓度差，即具有渗透压差，所以水分子有进入漏斗的趋势；但是 H1 产生的压强与渗透压的平衡使半透膜两侧水分子的交换速率相同时，液面不再升高。
[在应用中悟]
[典例1]　图甲是发生渗透作用时的初始状态，图乙是较长时间之后，漏斗内外的水分子达到动态平衡时的状态。下列有关叙述错误的是(　　)
A．图甲中③为半透膜，水分子能自由通过
B．图甲中溶液②的浓度大于溶液①的浓度
C．图乙中溶液①的浓度与溶液②的浓度相等
D．图甲中溶液①和②浓度差越大，则图乙中的水柱越高
[解析]　在图乙中，高出液面的水柱所产生的压力与渗透压达到平衡，此时漏斗内溶液②的浓度应比溶液①的浓度高。
[答案]　C
[典例2]　如图所示，U型管底部中央放置一半透膜(不允许溶质分子透过)。a液和b液原先体积相同，由于浓度不同，后来产生一个高度差ΔH。请问ΔH主要取决于(　　)
A．a液和b液的溶质分子大小
B．a液和b液所在管的粗细
C．a液和b液的溶剂是否相同
D．a液和b液的浓度差大小
[解析]　半透膜两侧溶液的浓度差越大，水分子进入浓度高的一侧的数量越多，产生的液柱高度差越大。
[答案]　D
■方法规律
判断水分子流动方向的方法
(1)从膜两侧水分子的相对数目上分析：水分子总是从相对数目多的一侧流向相对数目少的一侧。
(2)从溶质浓度大小上分析：水分子总是从溶质浓度小的一侧流向溶质浓度大的一侧。
[在训练中评]
1.某同学为探究膜的通透性而设计了如图所示的渗透装置，开始时烧杯内的液面和长颈漏斗内的液面相平。在长颈漏斗内液面上升的过程中(　　)
A．液面上升的速率先加快后减慢最终维持稳定
B．水分子通过半透膜从蔗糖溶液向清水扩散的速率逐渐减慢
C．当半透膜两侧液体浓度相等时，水分子不再通过半透膜扩散
D．当半透膜两侧水分子进出速率相等时，长颈漏斗内液面最高
解析：选D　实验开始时，由于单位体积清水中水分子数量多于蔗糖溶液中的，因此，水分子通过半透膜扩散进入蔗糖溶液的速率大于从蔗糖溶液向清水扩散的速率；随着水分子进入漏斗内量的增多，蔗糖溶液浓度下降，同时由于漏斗液面升高与烧杯中液体形成的压力差增加，水分子扩散进入漏斗内的速率下降，而反方向水分子扩散速率升高，当水分子在半透膜两侧进出速率相等时，漏斗内液面达到最高并停止上升，即最终液面上升的速率变为0。
2．如图表示渗透作用装置图，其中半透膜为猪膀胱膜，图1、3表示初始状态，其装置内溶液A、B、a、b浓度分别用MA、MB、Ma、Mb表示，图2、图4分别表示一段时间后的状态，液面上升的高度分别为h1、h2。如果A、B、a、b均为蔗糖溶液，且MA＞MB、Ma＝Mb＞MA，则达到平衡后(　　)
A．h1＞h2，Ma＞Mb　　　 B．h1＞h2，Ma＜Mb
C．h1＜h2，Ma＜Mb D．h1＜h2，Ma＞Mb
解析：选D　由于MA＞MB、Ma＝Mb＞MA，所以两个漏斗中的液面都会上升，由于溶液A与a的浓度差要小于溶液B与b的浓度差，所以平衡后h2>h1；同时由于图2中进入漏斗内的水比图4中相对要少，所以Ma>Mb。
新知探究二　 动物细胞和植物细胞的吸水和失水
[在探究中学]
[任务驱动]
1．观察下图，试从细胞结构及渗透作用的条件分析，植物细胞发生吸水和失水的原因。
(1)植物细胞的细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质称为原生质层，原生质层具有选择透过性，相当于一层半透膜。
(2)从原生质层的概念出发，原生质层包含细胞核吗？包含核糖体、线粒体、叶绿体和液泡吗？
提示：不包含细胞核，但包含除液泡外的细胞器。
(3)植物细胞内的液体环境主要是指液泡内部的细胞液。当外界溶液的浓度大于细胞液浓度时，植物细胞会失水；当外界溶液的浓度小于细胞液浓度时，植物细胞会吸水。
由此可见，植物细胞也可以通过渗透作用吸水或失水。
2．分析动物细胞是否也符合渗透作用的条件？举例说明。
提示：动物细胞膜相当于半透膜，在细胞质和外界溶液之间形成浓度差。
[师说重难]　
动植物细胞都是渗透系统
项目 渗透作用模型 动植物细胞与外界溶液形成的渗透系统
图解
基本条件 半透膜、浓度差 原生质层(动物细胞膜)——相当于半透膜；浓度差——细胞液(细胞质)与外界溶液之间的浓度差
原理 水分子通过半透膜的扩散作用　 水分子通过原生质层(细胞膜)在细胞液(细胞质)与外界溶液之间发生扩散
水扩散总趋势 低浓度溶液→高浓度溶液
[在应用中悟]
[典例1]　将人的红细胞放入 4 ℃蒸馏水中，一段时间后红细胞破裂，主要原因是(　　)
A．红细胞膜具有脂溶性
B．红细胞的液泡体积增大
C．蒸馏水大量进入红细胞
D．低温时红细胞膜流动性降低
[解析]　将人的红细胞放入 4 ℃蒸馏水中，红细胞会因大量蒸馏水进入而破裂；人的红细胞没有液泡。
[答案]　C
[典例2]　若如图表示植物细胞渗透作用的图解，下列说法错误的是(　　)
A．植物细胞的原生质层相当于一层半透膜
B．一定条件下，活的、成熟的植物细胞能发生渗透失水或吸水
C．当溶液浓度甲>乙时，细胞发生渗透失水；当溶液浓度乙>甲时，细胞发生渗透吸水
D．当溶液浓度甲＝乙时，细胞处于动态平衡状态，不发生渗透作用
[解析]　植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。当溶液浓度甲>乙时，细胞发生渗透失水；当溶液浓度乙>甲时，细胞发生渗透吸水。活细胞处于外界溶液中，渗透作用就会发生，即当溶液浓度甲＝乙时，也发生渗透作用，此时处于动态平衡状态。
[答案]　D
[在训练中评]
1．将成熟的植物细胞放在溶液中能构成一个渗透系统，主要原因是(　　)
A．液泡膜内外溶液有浓度差
B．原生质层相当于一层半透膜
C．细胞壁是全透性的
D．水分可以自由出入细胞
解析：选B　细胞内原生质层主要包括细胞膜、液泡膜和这两层膜之间的细胞质，原生质层具有选择透过性，相当于半透膜。把成熟的植物细胞放在溶液中，原生质层两侧的溶液具有浓度差，但A选项说的是液泡膜内外溶液有浓度差，故错误。C、D选项的说法虽然正确，但与题意不符。
2．将六个大小相同的马铃薯去皮之后，分别置于不同浓度的蔗糖溶液中，数小时后取出称其质量。增减的质量与蔗糖溶液的浓度关系如图，根据图示判断，马铃薯细胞液浓度与下列哪项最为接近(　　)
A．0.4　　 B．0.8　　　
C．1.0　　　 D．1.6
解析：选C　在马铃薯的质量变化为0时，水分进出马铃薯细胞达到平衡，细胞内外溶液的浓度相等，此时对应的蔗糖溶液浓度即马铃薯细胞液的浓度，由图可知马铃薯细胞液的浓度在0.8～1.2之间。
科学探究——渗透作用发生条件的实验验证和应用
1．渗透作用发生条件的验证
2．比较不同溶液浓度大小
漏斗内 烧杯内
溶液浓度 M N
现象及结论 ①若漏斗内液面上升，则M ＞N；②若漏斗内液面不变，则M＝N；③若漏斗内液面下降，则M＜N
　　3.探究物质能否通过半透膜的方法(以碘和淀粉为例)
烧杯内盛淀粉溶液 漏斗内盛碘液 结论
变蓝 不变蓝 碘能通过半透膜，而淀粉不能
不变蓝 变蓝 淀粉能通过半透膜，而碘不能
变蓝 变蓝 淀粉和碘都能通过半透膜
不变蓝 不变蓝 淀粉和碘都不能通过半透膜
[素养评价]
1．如图1所示的甲、乙、丙三个渗透装置中，三个漏斗颈的内径相等，漏斗内盛有浓度相同的蔗糖溶液，且漏斗内液面高度相同，漏斗口均封以半透膜，置于同一个水槽的清水中。三个渗透装置半透膜的面积和所盛蔗糖溶液的体积如下表所示。图2中曲线1、2、3表示漏斗液面高度随时间的变化情况。则曲线1、2、3与甲、乙、丙三个装置的对应关系应是(　　)
装置编号 甲 乙 丙
半透膜面积 S S/2 S
蔗糖溶液体积 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：选A　丙的体积最大，吸水体积最大，漏斗液面高度最高，对应图2中的曲线1；甲、乙的体积相等，但是甲漏斗口的半透膜面积比乙的大，吸水的速度快，故甲漏斗液面高度变化要比乙的快些，对应图2中的曲线2。
2．(2020·郑州模拟)某同学进行如图所示的实验，甲图为实验开始状态，乙图为实验结束状态。请在乙图所示实验结果的基础上继续实验，探究蔗糖的水解产物能否通过半透膜。
增添的实验材料：蔗糖酶溶液、斐林试剂、试管、滴管、水浴锅等。
(1)请设计出继续实验的简要步骤：
①____________________________________________________；
②____________________________________________________。
(2)预测实验现象并做出结论：______________________________________________
___________________________________。
答案：(1)①向a、b两管分别加入等量蔗糖酶溶液，观察a、b两管内液面的变化　②吸取a、b两管内适量液体，分别加入A、B两试管中，并加入斐林试剂，50～65 ℃水浴加热，观察A、B试管内有无砖红色沉淀　(2)如果a、b两管液面高度差缩小且A、B试管内均有砖红色沉淀，则蔗糖的水解产物能通过半透膜；如果a、b两管液面高度差增大且A试管内无砖红色沉淀、B试管内有砖红色沉淀，则蔗糖的水解产物不能通过半透膜
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