现用种类相同、面积不同的半透膜,制成大小不同的袋。不同袋的表面积与体积比值的大小不同(袋的容积越小,表面积与体积的比值就越大;袋的容积越大,表面积与体积的比值就越小)。为探究水分子通过半透膜的速率与袋的表面积与体积比值大小的关系,请你依据所给的材料和用品,设计出实验的方法步骤,预测可能的实验结果,并分别得出相应的实验结论。
(1)供选择的材料和用品:数量充足、容积不同的半透膜袋、直径和长度相同的玻璃刻度管,蔗糖溶液、清水、大烧杯若干等。
(2)方法步骤:
(3)可能的实验结果及相应的实验结论:
(4)最可能的实验结果及其原因:
在线课程【实验步骤】
①取2个容积分别为V1、V2(V1>V2。注意:为使实验效果明显,要求V1、V2有显著差异,如取V1=4V2),用相同半透膜制成的甲、乙袋,装满相同的蔗糖溶液,上端分别接上直径和长度相同的玻璃刻度管;
②将甲、乙2个袋同时置入盛有清水的大烧杯内,调节玻璃刻度管(竖直)内的液面至相同高度;
③一段时间后,观察、记录甲、乙2个玻璃管中液面上升的刻度值,并分别记作a、b。
【实验可能结果及相应结论】
①a/V1=b/V2,则水分子通过半透膜的速率与袋的表面积与体积比值的大小无关;
②a/V1>b/V2,则袋的表面积与体积的比值大时,水分子通过半透膜的相对速率快;
③a/V1<b/V2,则袋的表面积与体积的比值大时,水分子通过半透膜的相对速率慢。
最可能的结果是②,即a/V1>b/V2,袋的表面积与体积的比值大时,水分子通过渗透作用进入半透膜的相对速率快。因为相对表面积越大,水分子通过半透膜的面积越大,扩散能力越强。
众所周知,直径较小的球体具有相对较大的表面积,这在题干中已经明确指出。那么细胞代谢效率与细胞的大小是否存在关系?本题的立意就是设法探索这种关系,培养学生的科学探究能力。
细胞生物学指出:“在体积相同的前提下,较小的细胞和相对多的细胞数具有相对较大的细胞表面积,有利于接受外界信息以及与外界进行物质交换”,现用一个简单模型作近似说明:
设球体的半径为R,物质分子的扩散速率为V(个/单位面积),则单位体积的扩散速率可表示为:

可见这里的交换的速率不是一种“绝对速率”,而是指“单位体积”上的一种“相对速率”,甚至可以说是一种“效率”。
懂得这一原理,是我们顺利解答该探究实验题的关键。
【实验原理及预期】
用种类相同、面积不同的半透膜,制成大小不同的袋,这些大小不同的半透膜袋可以作为细胞模型。不同袋的表面积与体积比值的大小不同,水分子通过渗透作用进入半透膜的相对速率不同。
【实验步骤】
①取2个容积分别为V1、V2(V1>V2。注意:为使实验效果明显,要求V1、V2有显著差异,如取V1=4V2),用相同半透膜制成的甲、乙袋,装满相同的蔗糖溶液,上端分别接上直径和长度相同的玻璃刻度管;
②将甲、乙2个袋同时置入盛有清水的大烧杯内,调节玻璃刻度管(竖直)内的液面至相同高度;
③一段时间后,观察、记录甲、乙2个玻璃管中液面上升的刻度值,并分别记作a、b。
【实验可能结果及相应结论】
①a/V1=b/V2,则水分子通过半透膜的速率与袋的表面积与体积比值的大小无关;
②a/V1>b/V2,则袋的表面积与体积的比值大时,水分子通过半透膜的相对速率快;
③a/V1<b/V2,则袋的表面积与体积的比值大时,水分子通过半透膜的相对速率慢。
最可能的结果是②,即a/V1>b/V2,袋的表面积与体积的比值大时,水分子通过渗透作用进入半透膜的相对速率快。因为相对表面积越大,水分子通过半透膜的面积越大,扩散能力越强。