Question

現(xiàn)用種類相同、面積不同的半透膜，制成大小不同的袋。不同袋的表面積與體積比值的大小不同(袋的容積越小，表面積與體積的比值就越大；袋的容積越大，表面積與體積的比值就越小)。為探究水分子通過半透膜的速率與袋的表面積與體積比值大小的關(guān)系，請(qǐng)你依據(jù)所給的材料和用品，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)的方法步驟，預(yù)測(cè)可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分別得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

(1)供選擇的材料和用品：數(shù)量充足、容積不同的半透膜袋、直徑和長(zhǎng)度相同的玻璃刻度管，蔗糖溶液、清水、大燒杯若干等。

(2)方法步驟：　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

(3)可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

(4)最可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其原因：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

Answer 1

【實(shí)驗(yàn)步驟】

①取2個(gè)容積分別為V₁、V₂（V₁＞V₂。注意：為使實(shí)驗(yàn)效果明顯，要求V₁、V₂有顯著差異，如取V₁=4V₂），用相同半透膜制成的甲、乙袋，裝滿相同的蔗糖溶液，上端分別接上直徑和長(zhǎng)度相同的玻璃刻度管；

②將甲、乙2個(gè)袋同時(shí)置入盛有清水的大燒杯內(nèi)，調(diào)節(jié)玻璃刻度管（豎直）內(nèi)的液面至相同高度；

③一段時(shí)間后，觀察、記錄甲、乙2個(gè)玻璃管中液面上升的刻度值，并分別記作a、b。

【實(shí)驗(yàn)可能結(jié)果及相應(yīng)結(jié)論】

①a/V₁=b/V₂，則水分子通過半透膜的速率與袋的表面積與體積比值的大小無(wú)關(guān)；

②a/V₁＞b/V₂，則袋的表面積與體積的比值大時(shí)，水分子通過半透膜的相對(duì)速率快；

③a/V₁＜b/V₂，則袋的表面積與體積的比值大時(shí)，水分子通過半透膜的相對(duì)速率慢。

最可能的結(jié)果是②，即a/V₁＞b/V₂，袋的表面積與體積的比值大時(shí)，水分子通過滲透作用進(jìn)入半透膜的相對(duì)速率快。因?yàn)橄鄬?duì)表面積越大，水分子通過半透膜的面積越大，擴(kuò)散能力越強(qiáng)。

 

眾所周知，直徑較小的球體具有相對(duì)較大的表面積，這在題干中已經(jīng)明確指出。那么細(xì)胞代謝效率與細(xì)胞的大小是否存在關(guān)系？本題的立意就是設(shè)法探索這種關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

細(xì)胞生物學(xué)指出：“在體積相同的前提下，較小的細(xì)胞和相對(duì)多的細(xì)胞數(shù)具有相對(duì)較大的細(xì)胞表面積，有利于接受外界信息以及與外界進(jìn)行物質(zhì)交換”，現(xiàn)用一個(gè)簡(jiǎn)單模型作近似說明：

設(shè)球體的半徑為R，物質(zhì)分子的擴(kuò)散速率為V（個(gè)/單位面積），則單位體積的擴(kuò)散速率可表示為：

可見這里的交換的速率不是一種“絕對(duì)速率”，而是指“單位體積”上的一種“相對(duì)速率”，甚至可以說是一種“效率”。

懂得這一原理，是我們順利解答該探究實(shí)驗(yàn)題的關(guān)鍵。

【實(shí)驗(yàn)原理及預(yù)期】

用種類相同、面積不同的半透膜，制成大小不同的袋，這些大小不同的半透膜袋可以作為細(xì)胞模型。不同袋的表面積與體積比值的大小不同，水分子通過滲透作用進(jìn)入半透膜的相對(duì)速率不同。

【實(shí)驗(yàn)步驟】

①取2個(gè)容積分別為V₁、V₂（V₁＞V₂。注意：為使實(shí)驗(yàn)效果明顯，要求V₁、V₂有顯著差異，如取V₁=4V₂），用相同半透膜制成的甲、乙袋，裝滿相同的蔗糖溶液，上端分別接上直徑和長(zhǎng)度相同的玻璃刻度管；

②將甲、乙2個(gè)袋同時(shí)置入盛有清水的大燒杯內(nèi)，調(diào)節(jié)玻璃刻度管（豎直）內(nèi)的液面至相同高度；

③一段時(shí)間后，觀察、記錄甲、乙2個(gè)玻璃管中液面上升的刻度值，并分別記作a、b。

【實(shí)驗(yàn)可能結(jié)果及相應(yīng)結(jié)論】

①a/V₁=b/V₂，則水分子通過半透膜的速率與袋的表面積與體積比值的大小無(wú)關(guān)；

②a/V₁＞b/V₂，則袋的表面積與體積的比值大時(shí)，水分子通過半透膜的相對(duì)速率快；

③a/V₁＜b/V₂，則袋的表面積與體積的比值大時(shí)，水分子通過半透膜的相對(duì)速率慢。

最可能的結(jié)果是②，即a/V₁＞b/V₂，袋的表面積與體積的比值大時(shí)，水分子通過滲透作用進(jìn)入半透膜的相對(duì)速率快。因?yàn)橄鄬?duì)表面積越大，水分子通過半透膜的面積越大，擴(kuò)散能力越強(qiáng)。