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第4章细胞的物质输入和输出第1节被动运输一、水进出细胞的原理1.渗透作用:(1)含义:水分子(或其他溶剂分子)通过_______的扩散。(2)方向:从_____________的一侧向___________的一侧渗透。半透膜水相对含量高相对含量低2.水进出动物细胞(以哺乳动物红细胞为例):(1)动物细胞所形成的“渗透装置”。①半透膜:_______。②浓度差:_____________________________。细胞膜细胞质与外界溶液之间的浓度差(2)现象。①当外界溶液浓度_____细胞质的浓度时,细胞失水。②当外界溶液浓度_____细胞质的浓度时,水分进出平衡。③当外界溶液浓度_____细胞质的浓度时,细胞吸水。大于等于小于【激疑】动物细胞长时间处于低渗溶液中细胞形态会发生什么变化?提示:细胞膨胀,有可能涨破。3.水进出植物细胞(以成熟植物细胞为例):植物细胞所形成的“渗透装置”。(1)半透膜(原生质层):______________________________________。(2)浓度差:细胞液与外界溶液之间的浓度差。细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质二、探究植物细胞的吸水和失水1.探究过程:提出问题→_________→实验设计思路→_________→记录结果→分析结果,得出结论→___________→进一步探究。作出假设进行实验表达和交流2.实验原理:3.材料分析:(1)选择材料必须是活细胞,因为________________________________________________________________________________。(2)要用含有_________的成熟植物细胞。(3)洋葱鳞片叶外表皮细胞的液泡为_____,易于观察。只有活细胞的原生质层才具有选择透过性,否则将不会出现质壁分离及质壁分离复原现象中央液泡紫色4.实验过程:三、被动运输——自由扩散和协助扩散1.特点:物质进出细胞时,___浓度梯度进行的扩散。顺2.两种被动运输的方式:(1)自由扩散与协助扩散的图形。①甲属于_________,也叫_________。判断理由:___________________________。②乙属于_________,也叫_________。判断理由:_________________________。自由扩散简单扩散顺浓度梯度、不需要转运蛋白协助扩散易化扩散顺浓度梯度、需要转运蛋白(2)自由扩散与协助扩散的比较。下列属于自由扩散的是_______,属于协助扩散的是_______。①顺浓度运输②逆浓度运输③需要转运蛋白①④⑤①③⑥④不需要转运蛋白⑤水、O2、CO2等物质通过细胞膜⑥葡萄糖进入红细胞3.细胞膜的选择透过性:结合细胞膜的功能特性,判断下列说法的正误:(1)细胞膜可以让水分子自由通过。()(2)小分子、离子都可以通过细胞膜。()提示:很多对细胞有害或细胞不需要的小分子、离子不能通过细胞膜。√×(3)甘油是极性分子,所以不能以自由扩散的方式通过细胞膜。()提示:甘油是脂溶性分子,能够以自由扩散的方式通过细胞膜。(4)具有半透性结构的都具有选择透过性。()提示:玻璃纸这种半透膜没有生物活性,不具备选择透过性。××知识点一渗透现象及原理分析1.渗透作用与扩散作用的比较:渗透作用扩散作用区别概念水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散物质从相对含量多的地方到相对含量少的地方的自由运动渗透作用扩散作用区别条件具有一层半透膜;半透膜两侧溶液存在浓度差两处物质相对含量不相等结果通过半透膜的溶剂分子达到动态平衡两处物质相对含量相等联系渗透作用是扩散作用的一种特殊形式2.渗透作用的对象、实质:(1)渗透对象:渗透作用的对象是指溶剂分子,而不是溶质分子。(2)扩散方向:渗透时溶剂分子的扩散是双向的。(3)平衡实质:渗透平衡是指半透膜两侧的水分子移动到达平衡状态。【思考·讨论】1.半透膜两侧溶剂分子的扩散方向取决于一种溶质浓度还是取决于溶质的总浓度?(科学思维)提示:取决于半透膜两侧溶质的总浓度,也就是所有溶质的物质的量浓度。2.教材中渗透装置漏斗液面达到平衡状态时,试比较漏斗内外侧液体浓度的高低,并分析原因。(科学思维)提示:(1)漏斗内是蔗糖溶液,烧杯中是清水,蔗糖溶液浓度清水。(2)漏斗内的液体浓度高,保持向上的吸水力,当吸水力与液柱的重力相等时达到平衡。【素养案例】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清水向蔗糖溶液扩散的速率逐渐增大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【解题导引】(1)回忆关键知识点:水分子扩散的速率与浓度差大小的关系:浓度差越大,扩散的越快。(2)认清渗透平衡的本质:渗透压(长颈漏斗的吸水力)=液柱的重力。【解析】选D。液面上升的速率开始时最快,随后逐渐减慢,A项错误;水分子通过半透膜由清水向蔗糖溶液扩散的速率逐渐减小,B项错误;半透膜两侧液体浓度相等时,水分子进出的速率相等,而不是不再通过半透膜扩散,C项错误;当半透膜两侧水分子进出速率相等时,达到动态平衡,长颈漏斗内液面达到最高,D项正确。【素养·探究】——母题追问(1)科学思维——演绎与推理若要使漏斗液面上升的更高,可采取什么措施?提示:向漏斗中添加一些蔗糖或其他不能通过半透膜的溶质。(2)科学思维——演绎与推理若在平衡状态下向烧杯中添加少量葡萄糖(不能通过半透膜),漏斗液面会有什么变化?为什么?提示:漏斗液面下降。因为半透膜两侧的浓度差降低了。【素养·迁移】向猪膀胱内注入一半质量分数为30%的蔗糖溶液,扎紧入口,然后将其浸入质量分数为5%的蔗糖溶液中,每隔10min称一次猪膀胱的重量,能正确表示测定结果的是图中的()【解析】选B。猪膀胱是半透膜,蔗糖不能通过,水能通过。外界蔗糖溶液浓度小于猪膀胱中蔗糖溶液的浓度,水分子从低浓度溶液通过半透膜进入高浓度溶液,即水从5%的蔗糖溶液流向注有质量分数为30%的蔗糖溶液的猪膀胱中,膀胱中溶液的重量不断增加,直到膀胱两侧溶液浓度相当时,水分进出处于相对平衡状态,故膀胱的重量不发生变化,即B正确。【补偿训练】如图所示,在漏斗中加入的蔗糖溶液与蒸馏水液面齐平,一段时间后,待漏斗内液面不再变化时,再向漏斗中加入一定量的蔗糖酶。下列坐标曲线中能正确反映整个实验过程中漏斗内外溶液的液面高度差变化的是()【解析】选A。据图分析,该装置具有半透膜,而漏斗内外溶液存在浓度差,能发生渗透作用,由于蔗糖溶液浓度大于蒸馏水,因而开始时漏斗内液面上升;一段时间后,向漏斗中加入一定量的蔗糖酶,将蔗糖水解成单糖,浓度增大,使得液面继续上升,随着单糖逐渐进入烧杯,而使得漏斗内溶液浓度下降,液面下降,高度差减小。由于浓度差越来越接近,高度差减小的趋势越来越慢。但由于漏斗内有蔗糖酶,所以漏斗内液体浓度始终大于烧杯内液体浓度。因此,最后漏斗内的液面稍高于烧杯的液面。知识点二探究细胞的吸水和失水1.实验过程分析:(1)细胞变化:细胞变化加蔗糖溶液加清水中央液泡大小变小恢复原状液泡颜色变深变浅原生质层的位置与细胞壁分离与细胞壁紧贴细胞大小基本不变基本不变(2)两组对照:(3)操作细节:①滴加蔗糖溶液或清水时,应在实验台上操作,滴加液体不要太多,避免污染物镜镜头。②观察质壁分离的时间不宜过长,以免细胞因长时间处于失水状态而死亡,影响对复原现象的观察。2.质壁分离及复原实验的应用:(1)可确定植物细胞膜的存在。正常生理状态下,植物的细胞膜与细胞壁紧贴在一起。通过光学显微镜,只能看到细胞壁。当质壁分离时,由于原生质层的收缩,光学显微镜下会在细胞壁内侧观察到一个边界。边界的存在,间接证明了细胞膜的存在。(2)判断细胞的死活。在一定浓度的蔗糖溶液中,植物细胞若发生质壁分离,则证明细胞处于存活状态。(3)测量细胞液的浓度。①测量原理:植物细胞在低渗溶液和等渗溶液中均不会发生质壁分离,只有在高渗溶液中才会发生质壁分离的现象。②测量关键:配制一系列浓度梯度的溶液,分别镜检。【思考·讨论】1.将植物细胞放在清水中,当细胞表现为不再吸水时,细胞内外浓度是否相等?为什么?(科学思维)提示:不相等。因为细胞外是清水,浓度为零,肯定是细胞内浓度高。细胞不再吸水的原因是细胞壁的束缚造成的。2.参照动物细胞在低浓度溶液中吸水涨破,若将植物细胞放入清水中是否也会发生吸水涨破?(科学思维)提示:植物细胞在清水中不会涨破,细胞壁起到保护和支持作用。【素养案例】(2017·全国卷Ⅱ)将某种植物的成熟细胞放入一定浓度的物质A溶液中,发现其原生质体(即植物细胞中细胞壁以内的部分)的体积变化趋势如图所示,下列叙述正确的是()A.0～4h内物质A没有通过细胞膜进入细胞内B.0～1h内细胞体积与原生质体体积的变化量相等C.2～3h内物质A溶液的渗透压小于细胞液的渗透压D.0～1h内液泡中液体的渗透压大于细胞质基质的渗透压【解题导引】(1)获取关键信息:根据曲线变化正确判断原生质体处于失水(体积缩小)还是吸水(体积增大)状态。(2)分析浓度变化对吸水、失水的影响:外界溶液浓度细胞液浓度,细胞失水;反之,吸水。(3)关键知识点:理解质壁分离后自动复原的原因:外界溶液进入细胞内,导致细胞内溶液浓度大于外界溶液浓度,细胞吸水。【解析】选C。本题主要考查植物细胞质壁分离及其复原。依据曲线先下降后上升的变化趋势可知,原生质体的体积先减小后增大,即细胞发生质壁分离后自动复原,原因是物质A通过细胞膜进入细胞内,导致细胞液浓度增加,开始吸水,逐渐发生质壁分离的复原,A项错误;0～1h内,原生质体的体积减小,即细胞发生质壁分离,此时原生质体和细胞壁都收缩,但原生质体收缩得更快,细胞体积与原生质体体积的变化量不相等,B项错误;2～3h内,原生质体的体积开始增大,即细胞发生质壁分离的复原,物质A溶液的渗透压低于细胞液的渗透压,C项正确;0～1h内,细胞失水,发生质壁分离,则液泡中液体的渗透压小于细胞质基质的渗透压,D项错误。【素养·探究】——母题追问(1)生命观念——物质与能量观上题中既然物质A和水分都可以进入细胞膜,为什么还会发生质壁分离现象?提示:虽然物质A能进入细胞内,但起初外界溶液浓度仍高于细胞液浓度,细胞仍渗透失水,发生质壁分离。(2)科学思维——演绎与推理假如将某植物的成熟细胞放入清水中,原生质体的相对体积为曲线中100%时,细胞液浓度与外界环境相等吗?为什么?提示:不相等,植物细胞的液泡内液体为细胞液,细胞液有一定的溶质,而细胞外界为清水,所以细胞液的浓度一定大于外界环境。【素养·迁移】把数条5cm长的马铃薯条分别浸在蒸馏水和不同浓度的蔗糖溶液中,每隔一段时间测量马铃薯条的长度。如图显示马铃薯条在不同浓度溶液中长度改变的百分率。下列相关叙述错误的是()A.马铃薯条通过渗透吸(失)水改变其长度B.马铃薯条在0.10M蔗糖溶液中的吸水量小于在0.20M蔗糖溶液中的吸水量C.马铃薯细胞液浓度相当于0.30M的蔗糖溶液D.在0.40M蔗糖溶液中马铃薯细胞失水发生质壁分离【解析】选B。马铃薯条在蒸馏水和不同浓度的蔗糖溶液中,通过渗透吸(失)水改变其长度,A正确;马铃薯条在0.10M蔗糖溶液中的吸水量大于在0.20M蔗糖溶液中的吸水量,B错误;由于马铃薯条在0.30M蔗糖溶液中长度改变的百分率为0,说明马铃薯细胞液浓度相当于0.30M的蔗糖溶液,C正确;由于马铃薯条在0.40M蔗糖溶液中长度改变的百分率为负值,说明马铃薯细胞失水,导致其长度变短,D正确。知识点三自由扩散和协助扩散1.被动运输两种形式比较:方式自由扩散协助扩散运输方向高浓度→低浓度是否需要转运蛋白不需要需要能量不消耗不消耗方式自由扩散协助扩散模型2.转运蛋白的特性:(1)专一性:一种转运蛋白在对细胞内外物质进行运输时只能对应地运送唯一的一种或性质非常相近的一类物质。(