资源简介

第1节　被动运输　第1课时　水进出细胞的原理
高中生物学　必修1　分子与细胞·学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1．生命观念：掌握渗透作用的原理，知道植物细胞是渗透系统，建立结构与功能观。
2．科学探究：体验科学探究过程，培养问题意识、实验设计能力、实践操作能力、自主构建概念能力。
3．社会责任：运用物质跨膜运输解决生产生活中的问题，培养尊重科学、实事求是的学风和团队分工合作精神。
二、情境导入
用半透膜封住长颈漏斗的口部，往长颈漏斗内注入蔗糖溶液，再把漏斗放到盛有清水的烧杯中，使漏斗内外液面相平。一段时间后，漏斗管内液面会上升。想一想：为什么漏斗管内液面会上升？水分子是怎样进出半透膜的？渗透作用的发生需要什么条件？
图1　渗透作用实验装置示意图
三、自主预学
（一）知识梳理
一、渗透作用
1．概念：是指水分子(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
渗透作用发生的条件 说明
具有半透膜 半透膜是水分子(或其他溶剂分子)可以通过、而大分子物质不能通过的膜
半透膜两侧存在浓度差 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
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、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，细胞就会发生吸水或失水。
(2)水是通过渗透作用原理进出动物细胞的。
2．条件及现象
图2　哺乳动物成熟红细胞形态示意图
三、植物细胞的吸水和失水
1．成熟植物细胞的结构
图3　成熟植物细胞结构示意图
2．探究植物细胞的吸水和失水
图4　探究植物细胞的吸水和失水实验流程示意图
3．发生质壁分离的原因
图5　质壁分离发生原因示意图
4．原理和现象
(1)外界溶液浓度大于细胞液浓度时，发生质壁分离现象。
(2)外界溶液浓度小于细胞液浓度时，发生质壁分离复原现象。
图6　渗透作用与细胞吸水失水知识框架图
（二）判断正误
判断下列说法是否正确，正确的填“√”，错误的填“×”。
(1)具有浓度差的溶液之间一定会发生渗透作用。________
(2)当外界溶液的浓度低时，红细胞一定会吸水涨破。________
(3)植物细胞的原生质层由细胞膜和液泡膜组成。________
(4)植物细胞放在0.3 g/mL的蔗糖溶液中，都能发生质壁分离现象。________
(5)在“探究植物细胞的吸水和失水”实验中，共涉及三次显微镜观察，第一次用低倍镜观察，第二、三次用高倍镜观察。________
四、课堂探究
探究一　渗透作用
[教材情境]阅读教材P62“问题探讨”，结合下述资料，分组讨论并完成以下探究问题。
资料1：用半透膜封住长颈漏斗的口部，往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，一段时间后漏斗管内液面上升，这就是渗透现象。
资料2：渗透作用发生的条件及原理图示：
图7　渗透作用发生的条件及原理示意图
1．在液面上升的过程中，水分子只是从烧杯向漏斗扩散吗？
2．漏斗管内的液面升高的原因是：由于单位体积的清水中水分子数多于蔗糖溶液中的水分子数，因此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。
3．渗透装置中，当漏斗内溶液不再上升时，半透膜两侧的溶液浓度相同吗？为什么？
4．如果用纱布代替玻璃纸(半透膜)，漏斗管内液面还会升高吗？
5．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？
6．由以上分析可以确定渗透作用发生需要什么样的条件？
渗透作用的分析
(1)原理分析
(2)液面变化的判断
①若半透膜A侧溶液可以通过半透膜，B侧溶质不能通过半透膜，则B侧液面升高。
②若半透膜两侧的溶质相同，且均不能通过半透膜，则浓度高的一侧液面升高。
③若半透膜两侧的溶质均能通过半透膜，则不存在高度差。
(3)高度差分析：高度差的大小取决于浓度差的大小，浓度差越大，高度差越大。
(4)浓度变化：渗透系统中，溶质不能通过半透膜时，实验刚开始时浓度大的一侧达到平衡后的浓度仍大于另一侧。
1．如图所示为U形渗透装置，把质量分数相同的果糖溶液和蔗糖溶液用膀胱膜(允许水分子通过，不允许蔗糖和果糖分子通过)隔开，实验起始前液面高度相同。下列推测和判断错误的是(　　)
图8　U形渗透装置示意图
A．起始前两侧溶液质量浓度相等，但物质的量浓度不相等
B．推测装置内溶液渗透平衡时，甲侧液面低于乙侧
C．装置内溶液达到渗透平衡时，甲、乙两侧溶液的浓度相等
D．用纱布或滤纸取代膀胱膜不会出现相同的实验现象
2．图甲烧杯中是5%的淀粉溶液，图乙烧杯中是5%的葡萄糖溶液，将装有蒸馏水(含碘液)的透析袋放入甲组烧杯中，只有蒸馏水的透析袋放入乙组烧杯中。放置12 h后，观察甲组实验现象；取乙组透析袋内液体，加入斐林试剂热水浴后观察实验现象。下列叙述错误的是(　　)
图9　透析袋渗透实验示意图
A．甲组静置12 h后，透析袋外的淀粉溶液变蓝
B．甲组静置12 h后，透析袋内的液体颜色变浅
C．乙组静置12 h后，透析袋外的葡萄糖溶液浓度增大
D．该实验说明葡萄糖分子和碘可以透过半透膜，而淀粉分子无法通过
探究二　探究植物细胞的吸水和失水
[教材情境]仔细阅读教材P64“探究·实践”，分组讨论并回答下列问题。
1．植物细胞的吸水和失水与动物细胞不同，是动植物细胞在结构上有所不同导致的，从结构与功能相适应的角度分析并回答下列问题：
(1)①结构：植物细胞的细胞膜外有一层细胞壁，是全透性的，伸缩性比较小，植物细胞吸水过多________(填“会”或“不会”)涨破。
②对于成熟的植物细胞，当外界溶液的浓度高于细胞液的浓度时，细胞就会失水，发生质壁分离；当外界溶液的浓度低于细胞液的浓度时，细胞就会吸水，发生质壁分离的复原。
(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？
(3)质壁分离的“质”和“壁”分别代表什么？
2．实验材料为什么选择紫色洋葱鳞片叶外表皮而不选择内表皮细胞？
3．实验中共涉及几次显微镜观察，其中第一次观察的目的是什么？
4．有同学认为使用越高浓度的蔗糖溶液实验效果越好，你同意该同学的想法吗？为什么？
5．发生质壁分离的洋葱表皮细胞的原生质层与细胞壁之间是何物质？
6．若将0.3 g/mL蔗糖溶液换用合适浓度的KNO3溶液(溶质可透过原生质层被吸收)进行该实验，结果会发生质壁分离及其复原吗？
质壁分离的原因、表现及应用
1．质壁分离的原因及表现
图10　质壁分离的表现示意图
2．质壁分离的应用
(1)判断成熟植物细胞的死活
图11　用质壁分离实验判断植物细胞死活流程示意图
(2)测定细胞液浓度范围
图12　测定细胞液浓度范围流程示意图
(3)比较不同植物细胞的细胞液浓度
图13　比较不同植物细胞细胞液浓度流程示意图
(4)鉴别不同种类的溶液(如KNO3溶液和蔗糖溶液)
图14　鉴别不同种类溶液流程示意图
3．某同学用新鲜的洋葱鳞片叶内表皮细胞、质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液(含少量大分子红色色素)、清水等做质壁分离及复原实验时，根据视野中观察到的细胞绘制了下图。据图分析正确的是(　　)
图15　质壁分离状态洋葱表皮细胞示意图
A．②③及两者间的细胞核构成原生质层
B．实验过程中④处的红色先变深后变浅
C．该表皮细胞可能正在进行质壁分离复原
D．质壁分离复原过程中细胞吸水能力增强
4．（2025·舟山五校联考）将某种植物的成熟细胞放入一定浓度的M溶液中，发现其原生质体的体积变化趋势如图所示，下列叙述错误的是（　　）
图16　原生质体相对体积随时间变化曲线
A. 0~1h内细胞发生质壁分离，2~3h细胞发生质壁分离复原
B. 2~3h内M溶液的渗透压小于细胞液的渗透压
C. a点后，细胞开始吸收物质M，导致质壁分离复原
D. 4h时，该植物细胞的吸水能力大于初始时
渗透作用的三个易误点
(1)水分子通过半透膜是双向运动而不是单向运动，观测到的现象是由水分子双向运动的差别所导致的液面改变。
(2)半透膜两侧的溶液达到平衡是指两侧的水分子运动达到平衡，而两侧溶液的浓度并不一定相同，两侧的液面高度也不一定相同。
(3)水分子通过半透膜由低浓度溶液向高浓度溶液扩散。此处的浓度是指物质的量浓度，是单位体积中微粒的多少，而不是质量分数。
五、分层训练
课后分层练(十二)　水进出细胞的原理
(选择题每题5分，非选择题每题15分)
【基础巩固练】
考点一　渗透作用与细胞的吸水和失水
1．某半透膜的结构模型如图甲所示，膜上小孔的直径为x纳米。用该半透膜为材料的实验装置如图乙所示。已知A物质分子的直径为y(y＞x)纳米，水分子的直径为z(z＜x)纳米，理论上烧杯中水的量将(　　)
图17　半透膜结构模型及渗透装置示意图
A．增加　　B．减少　　C．不变　　D．先增加后减少
2．人体正常红细胞是两面凹陷的圆饼状，现将人的红细胞分别浸入装有a、b、c三种不同浓度溶液的烧杯内，一段时间后，实验结果如图所示。则a、b、c溶液初始浓度大小的比较，正确的是(　　)
图18　红细胞在不同浓度溶液中的吸水失水
A．a＞b＞c　　B．a＞c＞b　　C．a＜c＜b　　D．a＜b＜c
考点二　质壁分离及复原实验
3．腌萝卜是一种传统食物，它不仅能够延长萝卜的保质期，还能够让萝卜产生独特的风味。下列相关说法错误的是(　　)
A．萝卜细胞渗出的水分主要来自液泡
B．用盐腌萝卜可使细菌等微生物失水死亡
C．萝卜细胞失水死亡后，生物膜会失去选择透过性
D．萝卜在盐水中细胞壁被破坏，从而导致萝卜条变软
4．如图是某同学用洋葱紫色鳞片叶外表皮做“探究植物细胞的吸水与失水”实验中所观察到的细胞图，下列叙述正确的是(　　)
图19　质壁分离状态的洋葱外表皮细胞示意图
A．图中①②⑥组成细胞的原生质层
B．图中细胞处于质壁分离状态，此时⑥处的浓度一定大于⑦处的浓度
C．图中①是细胞壁，⑥中充满了外界溶液
D．图中⑦是细胞液，在细胞发生质壁分离的过程中，其颜色逐渐变浅
5．如图是植物细胞某种生理过程的实验图解，甲、乙分别表示该植物细胞在不同溶液里的两个过程。下列说法不正确的是(　　)
图20　植物细胞质壁分离及复原实验图解
A．1处的溶液为蔗糖溶液
B．原生质层由2、3、4构成
C．甲过程中5处的浓度不断降低
D．乙过程中细胞的吸水能力不断减弱
【综合提升练】
6．某科研小组设计如图所示的渗透装置，其中蔗糖不能透过半透膜，漏斗内溶液(S1)和漏斗外溶液(S2)为两种不同浓度的蔗糖溶液，液面不动(渗透平衡)时液面差为Δh。下列说法正确的是(　　)
图21　渗透作用实验装置示意图
A．渗透平衡后S1和S2浓度的大小关系为S1＝S2
B．渗透平衡后无水分子通过半透膜
C．漏斗中溶液液面上升速率逐渐加快
D．向漏斗内加适量清水，Δh将变小
7．某学生用紫色洋葱鳞片叶为实验材料，撕取外表皮制作临时装片，先在清水中观察(图甲)，然后用0.3 g/mL蔗糖溶液取代清水并观察(图乙)。下列叙述错误的是(　　)
A．图甲中洋葱外表皮细胞的原生质层紧贴细胞壁
B．从图甲到图乙是由于细胞周围溶液浓度低于细胞液浓度
C．图乙所示细胞出现质壁分离，b处充满蔗糖溶液
D．图甲的a和图乙的c中存在紫色物质
8．血液透析膜是一张布满小孔的薄膜，膜两侧溶液中的水分子和小分子溶质可以透过膜，但大分子溶质(如胰岛素等蛋白质)不能通过。下列叙述错误的是(　　)
图22　血液透析(人工肾)工作原理示意图
A．配制的透析液中含有一定浓度的无机盐
B．透析装置中的血液流向与透析液相反，有利于物质交换
C．经充分透析，血液中的代谢废物浓度小于透析液
D．血液中的胰岛素不会进入透析液，因此透析后无需补充胰岛素
9．图1和图2是渗透装置的示意图，图3是成熟植物细胞处于质壁分离状态的结构简图。
图23　渗透作用装置及细胞液浓度示意图
图24　质壁分离状态成熟植物细胞结构示意图
(1)图1渗透装置达到渗透平衡时S1溶液的浓度________(填“大于”“小于”或“等于”)S2溶液的浓度，漏斗内液面上升到一定高度不再上升的原因是________________________________________________________________________。
(2)图2的渗透装置中如果甲、乙分别是0.1 mol/L葡萄糖溶液和0.1 mol/L蔗糖溶液(假设葡萄糖和蔗糖不能通过半透膜)，一段时间后两液面关系是_________。
(3)我们常说“水从低浓度溶液往高浓度溶液扩散”，这一描述与教材上的“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”并不矛盾，理由是__________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(4)质壁分离指的是_____和细胞壁的分离，在这个过程中细胞失水能力逐渐______，细胞大小变化是________。从细胞结构上分析发生图3中现象的原因是_________________________________。
六、参考答案
（一）自主预学·判断正误
（1）×　（2）×　（3）×　（4）×　（5）×
解析：（1）发生渗透率还需要半透膜。（2）红细胞吸水后细胞内溶液浓度下降，若外界溶液浓度不是很低，细胞液浓度下降至与外界平衡后，红细胞将不再吸水、不会涨破。（3）原生质层还包含细胞膜和液泡膜之间的细胞质。（4）有些植物细胞液浓度大于0.3 g/mL的蔗糖溶液，不会发生质壁分离。（5）在该实验中，三次显微镜观察均用低倍镜。
（二）课堂探究·探究一
探究1　不只从烧杯到漏斗。水分子通过半透膜双向扩散。
探究3　不同。漏斗内液面不再上升时，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。
探究4　不会，因为纱布是全透性的，水分子和蔗糖分子都能通过。
探究5　不会，因为半透膜两侧溶液的浓度相等。
探究6　渗透作用发生的条件是具有半透膜和浓度差。
（三）课堂例题解析（探究一）
例题1　C
解析：甲、乙两侧分别是蔗糖溶液和果糖溶液，且质量分数相同，由于蔗糖是二糖、果糖是单糖，故两侧溶液的质量浓度不相等，A正确；甲侧溶质分子数少，渗透压低于乙侧，水分子进入乙侧更多，使甲侧液面降低、乙侧液面升高，B正确；渗透平衡时水分子仍双向通过膀胱膜，只是速率相同，但乙侧溶液浓度仍大于甲侧，C错误；用纱布或滤纸取代膀胱膜不能阻挡蔗糖和果糖分子，最终两侧液面高度相等，D正确。
例题2　C
解析：甲组静置12 h后，碘进入淀粉溶液使透析袋外淀粉溶液变蓝，A正确；碘浓度降低使透析袋内液体颜色变浅，B正确；乙组透析袋内的水进入葡萄糖溶液、葡萄糖进入透析袋，使透析袋外葡萄糖溶液浓度降低，C错误；该实验说明葡萄糖分子和碘可以透过半透膜、而淀粉分子不能透过，D正确。
（四）课堂探究·探究二
探究1（1）　不会
探究1（2）　不包含细胞核。包含除液泡外的细胞器。
探究1（3）　“质”指原生质层，“壁”指细胞壁。
探究2　紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞有大液泡且细胞液呈紫色，便于观察；内表皮细胞的液泡无色，不便于观察。
探究3　三次；第一次观察正常洋葱鳞片叶外表皮细胞的状态，以便与处理后的状态形成自身对照。
探究4　不同意。若蔗糖溶液浓度过高，细胞会因失水过多而死亡，不能再进行质壁分离的复原。
探究5　因为细胞壁是全透性的，且发生质壁分离时细胞失水，所以原生质层与细胞壁之间是浓度略有下降的蔗糖溶液。
探究6　会。开始外界溶液浓度较大，细胞发生质壁分离；细胞吸收K 和NO 后，随细胞液浓度增大，质壁分离后自动复原。
（五）课堂例题·质壁分离（探究二）
例题3　C
解析：细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质构成原生质层，A错误；洋葱鳞片叶内表皮细胞液泡内无色素，不能观察到④处颜色变化，B错误；图中细胞处于质壁分离状态，可能正在复原，C正确；质壁分离复原过程中细胞吸水能力减弱，D错误。
例题4　C
解析：0~1h原生质体体积不断缩小，细胞失水发生质壁分离，2~3h体积增大，发生质壁分离复原，A正确；2~3h细胞吸水，M溶液渗透压小于细胞液渗透压，B正确；a点前细胞即开始吸收物质M，C错误；4h时原生质体体积虽与初始相同，但M进入细胞使细胞液渗透压增大，吸水能力大于初始时，D正确。
（六）课后分层练(十二)
1　B
解析：A物质分子直径y＞x，不能透过半透膜；水分子直径z＜x，能透过半透膜进入透析袋，故烧杯中水减少，选B。
2　C
解析：红细胞在a中吸水膨胀，a浓度小于细胞质浓度；在b中失水皱缩，b浓度大于细胞质浓度；在c中保持正常形态，c浓度等于细胞质浓度，故浓度大小关系为a＜c＜b，选C。
3　D
解析：萝卜条渗出的水分主要来自液泡，A正确；高浓度盐使细菌等失水死亡，B正确；细胞失水死亡后生物膜失去选择透过性，C正确；萝卜条变软是细胞失水导致细胞皱缩，不是细胞壁被破坏，D错误。
4　C
解析：原生质层由②细胞膜、④液泡膜及⑤两层膜之间的细胞质构成，A错误；无法判断细胞处于质壁分离或复原或平衡，故⑥⑦浓度无法比较，B错误；①细胞壁全透性，⑥中充满外界溶液，C正确；⑦是细胞液，质壁分离过程中细胞失水，颜色逐渐加深，D错误。
5　C
解析：细胞壁全透，1处为蔗糖溶液，A正确；原生质层由2、3、4构成，B正确；甲过程为质壁分离，细胞不断失水，5处细胞液浓度不断升高，C错误；乙过程为质壁分离复原，细胞不断吸水，吸水能力不断减弱，D正确。
6　D
解析：渗透平衡时存在液面差Δh，S1浓度仍大于S2，A错误；平衡后水分子仍双向通过，只是量相等，B错误；随液面差增大液面上升速率减慢，C错误；向漏斗内加清水，浓度差减小，Δh变小，D正确。
7　B
解析：图甲在清水中细胞吸水，但受细胞壁限制原生质层紧贴细胞壁，A正确；从图甲到图乙发生失水质壁分离，是因为细胞液浓度低于周围溶液浓度，B错误；图乙b处充满蔗糖溶液，C正确；图甲a与图乙c都含色素呈紫色，D正确。
8　C
解析：透析液中加入与血清相近浓度的无机盐，模拟体液环境并维持渗透压稳定，A正确；血液与透析液反向流动利于物质交换，B正确；代谢废物顺浓度梯度扩散至透析液，经充分透析血液中废物浓度仍大于透析液，C错误；胰岛素不能通过透析膜，透析后无需补充，D正确。
9　（1）大于　液面高度差产生的压强差使水分子进出半透膜的速率达到平衡　（2）相等　（3）前者的低浓度和高浓度指溶液的溶质浓度，水从低浓度溶液向高浓度溶液扩散；而从水分子角度分析，单位体积内低浓度溶液中水分子数多于高浓度溶液，故水分子从水的相对含量高的一侧向低的一侧渗透　（4）原生质层　减弱　基本不变　原生质层与细胞壁的伸缩性不同(或原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性)
解析：图1中S1为漏斗内溶液、S2为烧杯中溶液，加一层半透膜构成渗透装置；图2为U型管渗透装置；图3中①细胞壁、②细胞膜、③细胞核、④液泡膜、⑤细胞质、⑥外界溶液、⑦细胞液。(1)渗透平衡时存在高度差，S1浓度仍大于S2浓度；液面高度差产生的压强使水分子出入半透膜的速率达到平衡，漏斗内液面不再上升。(2)甲、乙两侧渗透压相等且葡萄糖、蔗糖都不能通过半透膜，一段时间后两液面相等。(3)两种说法并不矛盾，前者从溶质角度、后者从水分子角度描述。(4)质壁分离指原生质层和细胞壁相互分离；质壁分离过程中细胞失水，失水能力逐渐减弱，由于细胞壁伸缩性小，细胞体积基本不变；发生质壁分离的内因是原生质层伸缩性大于细胞壁的伸缩性。

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