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4.1 被动运输（第一课时）
新人教版 高一 必修1 分子与细胞
第4章 细胞的物质输入和输出
通过探究“植物细胞的吸水和失水”，说明水分子进出植物细胞的原理，阐释原生质层的选择透过性与质壁分离及其复原的关系。
学习目标
细胞是个开放的生命系统
电子显微镜下的细胞膜
细胞膜的功能？
将细胞与外界环境分隔开、
控制物质进出细胞、
细胞间的信息交流
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
细胞膜控制物质进去细胞
电子显微镜下的细胞膜
无机物：水、无机盐；
有机物：氨基酸、蛋白质、糖、
脂质、维生素等
水、无机盐、O2、CO2、蛋白质、脂质等
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
思考：为什么细胞膜具有选择透过性？
细胞膜怎样控制物质输入和输出？
糖链
膜蛋白
细胞质
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
在一个长颈漏斗的漏斗口外密封上一层玻璃纸，往漏斗内注入蔗糖溶液，然后将漏斗浸入盛有清水的烧杯中，使漏斗管内外的液面高度相等。过一段时间后，会出现如右图所示现象。玻璃纸（又叫赛璐纷）是一种半透膜，水分子可以自由透过它，而蔗糖分子则不能。
讨论
1.漏斗管内的液面为什么会升高？如果漏斗管足够长，管内的液面会无限升高吗？为什么？
2.如果用一层纱布代替玻璃纸，还会出现原来的现象吗？
3.如果烧杯中不是清水，而是同样浓度的蔗糖溶液，结果会怎样？
问题探讨
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
一段时间后
蔗糖分子
水分子
问题探讨
半透膜：是具有一定孔径，可以让小分子物质通过（如水分子），而大分子物质不能通过的一类薄膜。物质能否通过只与孔径大小有关。这种膜可以是生物膜，也可以物理性膜。
玻璃纸，肠系膜
蛋壳膜，鱼鳔等
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
讨论1：漏斗管内液面为什么会升高？
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
外观表现：漏斗液面上升，一段时间后，达到渗透平衡，水通过半透膜进入漏斗中。
渗透装置详细分析
讨论1：漏斗管内液面为什么会升高？
蔗糖溶液
清水
半透膜
Δh
蔗糖溶液
清水
半透膜
浓度：
蔗糖＞清水
单位体积水分子数：
蔗糖<清水
单位时间内由清水 → 蔗糖溶液的水分子数多于蔗糖溶液→ 清水。
漏斗液面上升
渗透装置详细分析
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
讨论1：漏斗管内液面为什么会升高？
由于单位时间内透过半透膜进入长颈漏斗的水分子数量多于从长颈漏斗渗出的水分子数量，使得管内液面升高。
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
内部表现：事实上半透膜两侧的水分子都能够通过扩散作用自由进出。水分子的移动是双向的。
渗透装置详细分析
清水
半透膜
蔗糖溶液
多
清水
半透膜
蔗糖溶液
少
讨论2:达到动态平衡，水分子还会运动吗？
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
达到渗透动态平衡的时候，只意味着半透膜两侧水分子达到动态平衡，不可以看作没有水分子的移动，也不能看做两侧的溶度绝对相等、
渗透装置详细分析
讨论3:如果漏斗管足够长，管内的液面会无限升高吗？为什么？
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
如果漏斗管足够长，当管内的液面上升到一定高度之后，实际上，管内液面上升到一定高度之后，管中水柱产生的压力将加速将漏斗中的水分“压出”，水分进入漏斗（因为浓度差）的速率和水分流出（因为管中水柱的压力）的速率相等时，液面将不再上升。
渗透装置详细分析
Δh
蔗糖溶液
清水
半透膜
讨论4：若用纱布代替玻璃纸，漏斗的液面还会升高吗？
不会，因为纱布不是半透膜，孔隙很大，可溶于水的物质都可能自由通过，包括水分子和蔗糖分子都能通过。
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
渗透装置详细分析
①渗透作用的概念
扩散：分子从高浓度一侧向低浓度一侧运动的现象。
渗透作用：水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散。
图1 扩 散
图2 渗 透
半透膜
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
1、渗透作用
①渗透作用的概念
1、渗透作用
水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜的扩散，称为渗透作用。
蔗糖溶液
水溶液
半透膜
S1溶液
S2溶液
半透膜
两种常见的渗透装置
②渗透作用的条件
1、渗透作用
I. 具有半透膜；Ⅱ.膜两侧溶液具有浓度差。
浓度差：指的是物质的量浓度，而非质量浓度。
一段时间后
③渗透作用的方向
1、渗透作用
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。
两溶液间的水分子进行双向运动，我们只是观测出由水分子双向运动的差所导致的液面改变。
一段时间后
单位时间内分子数多
单位时间内分子数少
低浓度溶液
渗透方向：
高浓度溶液
水分子多
水分子少
④渗透平衡
1、渗透作用
液面高度不发生变化，水分子双向运动速率相等，即动态平衡。
S1溶液
S2溶液
△H
S1溶液
S2溶液
半透膜
△H
（1）概念：水分子（或其他溶剂分子）透过半透膜从低浓度溶液向高浓度溶液的扩散，称为渗透作用。
总结 渗透作用
（2）条件：
①具有半透膜；
②半透膜两侧溶液具有浓度差。
（3）渗透的方向：
（以水分子为例）
含水量高 ——> 含水量低
溶液浓度低 ——> 溶液浓度高
渗透压低 ——> 渗透压高
（4）渗透平衡：水分子在半透膜两侧的进出速率相等
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
如图 U形管装置中a、b两侧分别为质量分数10%的葡萄糖溶液和蔗糖溶液，c处是半透膜（只允许水分子通过）。开始时两侧液面等高， 液面差为0， —段时间后观察两侧液面的变化。下列说法正确的是
A. a侧液面上升，b侧液面下降，结果两侧浓度相等
B. a侧液面上升，b侧液面下降，结果两侧浓度不等
C. a、b侧液面不发生变化
D. a侧液面下降，b侧液面上升
【答案】B。图2中半透膜只允许水分子通过，葡萄糖分子、蔗糖分子都不能通过。开始时a、b两侧的葡萄糖溶液和蔗糖溶液质量分数相同，即质量百分比浓度相同，那么单位体积中水分子数是否相等呢？葡萄糖的分子量约为180，蔗糖的分子量约为342，单位体积中葡萄糖分子数多，水分子数少；单位体积中蔗糖分子数少，水分子数多。发生渗透作用时，水分子由数量多的b侧通过半透膜向水分子数量少的a侧扩散，结果a侧液面上升，b侧液面下降。当达到渗透平衡时， 两侧的质量百分比浓度已不相同，那么物质的量浓度是否相等呢？由于a侧液面高，与b侧存在液面差，液面高的一侧形成的静水压会阻止溶剂由低浓度一侧向高浓度一侧扩散，故两侧物质的量浓度关系仍是a侧葡萄糖溶液>b侧蔗糖溶液。
渗透装置的应用
1、可用于确认与比较两种不同溶液的浓度大小
M
N
半透膜
比较 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 >
=
<
注：初始状态时漏斗内外液面相等。
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
渗透装置的应用
2、探究物质能否通过半透膜
（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
碘液
淀粉
半透膜
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
10%葡萄糖溶液的物质的量浓度大，因此水分子由10%蔗糖溶液→10%葡萄糖溶液较多，右侧液面升高
渗透装置的变式
1、半透膜只允许水分子通过
液面
（等高）
2 mol/L
蔗糖溶液
2 mol/L
葡萄糖溶液
半透膜
液面不变
①
液面
（等高）
10%
蔗糖溶液
10%
葡萄糖溶液
半透膜
②
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
蔗糖被水解为两分子单糖，导致左侧浓度升高，水分子由10%的葡萄糖溶液→10%的蔗糖溶液较多，则左侧液面升高，最终高于右侧
渗透装置的变式
1、半透膜只允许水分子通过
液面
（等高）
10%
蔗糖溶液
10%
葡萄糖溶液
半透膜
加蔗糖酶
③
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
渗透装置的变式
2、溶质能通过半透膜的渗透装置
S1和S2是两种不同的溶质且只有水和S1能透过半透膜
S1的物质的量浓度大于S2的物质的量浓度
S1的物质的量浓度小于S2的物质的量浓度
S1溶液
S2溶液
半透膜
①
S1液面升高
S1液面始终低于S2液面
S1中的溶质透过半透膜进入S2
S2液面升高，最终高于S1
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
渗透装置的变式
2、溶质能通过半透膜的渗透装置
S1和S2是同种溶质，且能透过半透膜， S1溶液浓度大于S2溶液浓度
由于半透膜两侧存在浓度差，由S2 → S1的水分子数多于S1 → S2的。导致S1 液面上升
随后S1中的溶质透过半透膜进入S2，半透膜两侧的浓度差逐渐减小， S1 和S2的溶液浓度相等
S1溶液
S2溶液
半透膜
S1 下降，最终S1 和S2溶液液面持平
②
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
生物细胞也能发生渗透作用吗？
生物细胞结构也具备以下两个条件吗？
1、具有半透膜。
2、半透膜两侧具有浓度差。
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
2、水分进入动物细胞
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
2、水分进入动物细胞
外界溶液浓度< 细胞质浓度
红细胞吸水膨胀
外界溶液浓度=细胞质浓度
红细胞形态不变
外界溶液浓度>细胞质浓度
红细胞失水皱缩
低渗溶液中
吸水膨胀
等渗溶液中
形态不变
高渗溶液中
失水皱缩
高浓度溶液
生理盐水
蒸馏水
吸水膨胀
失水皱缩
保持原态
外界浓度
细胞质浓度
<
外界浓度
细胞质浓度
>
外界浓度
细胞质浓度
=
2、水分进入动物细胞
与渗透装置比较：
②外界溶液与细胞质之间的浓度差。
①动物细胞的细胞膜相当于一层半透膜；
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
为什么以哺乳动物的成熟红细胞为实验材料？
①哺乳动物的成熟红细胞，没有细胞核及细胞器，避免细胞核及各种具膜的细胞器对细胞吸水、失水的影响；
②哺乳动物的红细胞具有运输氧气的功能，其内部有大量的血红蛋白。
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
2、水分进入动物细胞
1、红细胞内的血红蛋白等有机物能够透过细胞膜吗？这些有机物相当于“问题探讨”所示装置中的什么物质？
2、红细胞的细胞膜是否相当于一层半透膜？
3、当外界溶液溶质的浓度低时，红细胞一定会由于吸水而涨破吗？
4、红细胞吸水或失水取决于什么条件？
5、想一想临床上输液为什么要用生理盐水。
思考·讨论
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”所示装置中的蔗糖分子。
是（相当于）。
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，此时红细胞将不再吸水。
取决于红细胞内外溶液的浓度差，一般情况下，浓度差越大时，细胞吸水或失水越多。
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。
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
基于红细胞的结构特点及图示结果，你认为水进出红细胞的方式是什么？请说明原因。
1.细胞膜是选择透过性膜，相当于半透膜;
2.红细胞中富含大分子的血红蛋白等有机物，不能透过细胞膜，当将其置于低浓度溶液中时，膜两侧存在浓度差。
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
外界溶液
细胞质溶液
蔗糖溶液
相当于
细胞膜
相当于
半透膜
① 动物细胞与外界溶液组成了一个渗透系统
② 动物细胞的细胞膜相当于一层半透膜，水分通过渗透进出细胞
与生活的联系
吃咸瓜子或平时吃话梅等较咸的东西，吃多了后会有什么感觉？为什么会有这种感觉？
觉得嘴唇比较干。因为嘴唇周围的细胞失水。
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
动物细胞的吸水和失水
动物细胞
细胞膜相当于半透膜
细胞质与外界溶液可以具有浓度差
植物细胞也能发生渗透作用吗？
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
3、水分进入植物细胞
请说出植物细胞和动物细胞在结构上的主要区别
细胞壁
伸缩性较小，主要作用是支持和保护作用，全透性的，即水分子和水溶性的物质都可以自由地通过细胞壁
细胞液
由于中央液泡占据了细胞的大部分空间，所以细胞内的液体环境主要指的是液泡里面的细胞液
细胞膜
细胞质
液泡膜
由于中央大液泡的存在，细胞质被挤成一薄层。
原生质层
图4-2 成熟的植物细胞模式图
水进出细胞，主要是指水经过原生质层进出液泡。
3、水分进入植物细胞
植物细胞的吸水和失水
细胞壁（全透性）
细胞膜
细胞质
液泡膜
细胞液
（具有一定的浓度）
原生质层
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
成熟植物细胞
细胞膜
细胞质
液泡膜
原生质层
细胞核
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
这些现象都说明，植物细胞也像动物细胞一样，会发生吸水或失水现象，吸水或失水同样与外界溶液的浓度有关。
水分进出植物细胞是通过渗透作用吗？
原生质层是否相当于一层半透膜？
提出问题
作出假设
根据已有的知识和经验作出合理的推断，做出尝试性回答。
水分进出植物细胞是通过渗透作用！
原生质层是否相当于一层半透膜！
设计实验
1. 如果假设正确，当外界溶液浓度高于细胞液的浓度时，细胞就会_______；当外界溶液的浓度低于细胞液时，细胞就会_________.
2. 如何使细胞外溶液浓度提高或降低？
3. 如何看到细胞？需要用到什么材料和器具？
4. 对实验结果作出预测——细胞失水或吸水后可能出现哪些可观察的变化？
实验：探究植物细胞的吸水和失水
滴清水
撕取洋葱鳞片叶外表皮细胞
盖上盖玻片，制成洋葱鳞片叶外表皮临时装片
低倍镜下观察
在盖玻片的一侧滴0.3 g/mL的蔗糖溶液，在另一侧用吸水纸吸引
低倍镜下观察
在盖玻片的一侧滴清水，在另一侧用吸水纸吸引
低倍镜下观察
紫色中央液泡的大小，以及原生质层的位置。
中央液泡是否逐渐变小，原生质层在什么位置，细胞大小是否变化。
中央液泡是否逐渐变大，原生质层的位置有没有变化，细胞大小有没有变化
实验：探究植物细胞的吸水和失水
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
滴加蔗糖溶液
滴加清水
质壁分离
质壁分离复原
水分子多 水分子少
中央液 泡大小 原生质层 的位置 中央液 泡颜色 细胞的大小 细胞液的渗透压
蔗糖溶液
清水
变小
逐渐恢复原来大小
原生质层逐渐与细胞壁分离
原生质层逐渐恢复原来位置
基本不变
基本不变
变深
变浅
变大
变小
0.3g/mL
蔗糖溶液
清水中
实验：探究植物细胞的吸水和失水
思 考：
1.该实验过程共观察了3次，制作临时装片后观察，滴加蔗糖溶液后观察，再次滴加清水后观察。每一次是什么样的实验现象呢？
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
第一次观察
滴加蔗糖溶液后观察
再次滴加清水溶液后观察
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
质壁分离：植物细胞由于液泡失水，而使原生质层与细胞壁分离的现象。
质壁分离复原：当细胞液浓度高于外界溶液浓度时，细胞吸水使整个原生质层恢复成原来的状态。
思 考：
2.解释滴加 0.3g/mL的蔗糖溶液后液泡变小的原因。
细胞外蔗糖溶液的浓度高于细胞液，水从细胞液透过原生质层进入到蔗糖溶液中，液泡发生失水收缩，原生质层一定程度的收缩。
水进出细胞的原理
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实验结论
①成熟植物细胞能与外界溶液进行渗透作用，当细胞外溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水，发生质壁分离。
②当细胞外溶液浓度小于发生质壁分离的细胞的细胞液浓度时，细胞吸水，发生质壁分离复原。
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
实验：探究植物细胞的吸水和失水
当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水，发生质壁分离。
当外界溶液浓度小于细胞液浓度时，细胞吸水，发生质壁分离复原。
植物细胞之比分离和复原的现象
植物细胞可以进行吸水和失水
说明
原生质层相当于一层半透膜
得出结论
植物细胞的质壁分离（左图表示刚开始发生质壁分离，右图表示已明显发生质壁分离；放大200倍）
图4-2
外界溶液
细胞膜
原生质体
相当于
半透膜
细胞质
液泡膜
细胞液
相当于
蔗糖溶液
通过上面的探究活动可以看出，植物细胞的原生质层相当于一层半透膜，植物细胞也是通过渗透作用吸水和失水的。
实验原理
②原生质层比细胞壁的伸缩性___
①成熟植物细胞的原生质层相当于一层______
细胞液与外界环境具有一定的浓度差，能渗透吸水和失水
内因：
外因：
半透膜
大
外界溶液浓度 > 细胞液浓度
原生质层相当于半透膜
细胞渗透失水
细胞壁伸缩性小
原生质层伸缩性大
质壁分离
质壁分离
外界溶液浓度 < 细胞液浓度
原生质层相当于半透膜
细胞渗透吸水
细胞壁伸缩性小
原生质层伸缩性大
质壁分离
复原
质壁分离复原
质壁分离的原因：
内因：
原生质层伸缩性大于细胞壁伸缩性
外因：
外界溶液浓度大于细胞液的浓度，细胞失水
溶质分子进入了细胞，如滴加浓度稍高的硝酸钾溶液时（硝酸钾、甘油、葡萄糖溶液等均可复原）
质壁分离复原的两种特殊情况分析：
1、已经发生质壁分离的细胞，再放入清水也不能复原的原因？
细胞死亡
2、发生质壁分离自动复原
发生质壁分离或复原的条件有哪些？
(3) 活细胞
总结：
（1）具有细胞壁
（2）具有大液泡
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
1.植物细胞壁是全透性的，发生质壁分离的细胞壁内侧溶液是外界溶液。
2.动物细胞不会在高浓度溶液中发生质壁分离，因为其不具有细胞壁。
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
实验：探究植物细胞的吸水和失水
特别提醒
1、实验成功的关键是实验材料的选择。
活细胞、有细胞壁、有大液泡
紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞
黑藻叶片细胞
水进出细胞的原理
How water flows in and out of cells
实验：探究植物细胞的吸水和失水
2.质壁分离和质壁分离复原中水分移动是双向的，总结果是单向的。
3.质壁分离后在细胞壁和细胞膜之间充满的是外界溶液，因细胞壁是全透性。
4.选择对细胞无毒害作用，浓度适中的外界溶液，浓度过高会导致细胞失水过多而死亡。
特别提醒
0.3g/mL的蔗糖溶液
水进出细胞的原理
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实验：探究植物细胞的吸水和失水
5.若用葡萄糖、KNO3、NaCl、尿素、乙二醇等做实验会出现自动复原现象，因溶液溶质会转移到细胞内而引起细胞液浓度升高。
6.动物细胞能发生质壁分离吗？细菌也有细胞壁，也能发生质壁分离吗？
7.植物体如何从外界吸水，如何向外界散失水分？不同的植物细胞吸水方式一样吗？
特别提醒
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How water flows in and out of cells
拓展——质壁分离及其复原的应用
（1）判断细胞的死活
（2）测定细胞液浓度范围
（3）比较不同植物细胞的细胞液浓度
（4）农业生产中的水肥管理
（5）生活中杀菌、防腐、腌制食品
（6）鉴别不同种类的溶液。
成熟植物细胞+不同种类溶液→质壁分离→溶质不能通过半透膜的溶液（如蔗糖溶液）
质壁分离后又自动复原→溶质能通过半透膜的溶液
（如KNO3、尿素、甘油、乙二醇等溶液）
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小 结
细胞膜既是将细胞内部与外界分隔开的屏障，也是细胞与外界进行物质交换的门户；
渗透作用是水分子通过半透膜的扩散，细胞可以通过渗透作用吸水或失水；
动物的细胞膜、植物细胞的原生质层都相当于一层半透膜。
课堂总结
Class summary
课堂总结
Class summary
1.如图，甲、乙为两个渗透装置。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。判断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
C
随堂练习
In-class practice

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