人教版 (2019)必修1《分子与细胞》第4章 细胞的物质输入和输出第1节 被动运输导学案及答案

4.1 被动运输

1.通过对问题探讨的分析，理解渗透作用的条件及原理。

2.进行关于植物细胞吸水和失水的实验操作，分析植物细胞的吸水和失水，理解细胞吸水和失水的过程及应用。

3.比较自由扩散和协助扩散的异同点，建构被动运输的概念。

知识点01  水进出细胞的原理

1.“问题探讨”所展示的漏斗管内的液面之所以会上升，是水分子通过半透膜向漏斗内扩散的结果。水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜的扩散，称为渗透作用。渗透的方向是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。

2.将哺乳动物的红细胞放入不同浓度的氯化钠溶液中, 完成下面的表格。

3.植物细胞的细胞壁是全透性的，水分子可以自由通过，细胞壁的伸缩性较小。成熟植物细胞内的液体环境是指细胞液，细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质称为原生质层，相当于半透膜，水分子通过该结构进出细胞。

【易错警示】

①半透膜两侧的水分子进行的是双向运动，而不是单向运动，观测到的现象是由双向水分子运动的差别所导致的液面改变。

②当液面高度不再变化时，半透膜两侧仍有水分子进出，且进出速率相同。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若溶质分子能通过半透膜，则先是浓度高的一侧液面升高，随后另一侧液面上升，最后达到渗透平衡。

④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，不是质量分数。

知识点02 探究植物细胞的吸水和失水

1.实验假设：原生质层相当于一层半透膜。

2.预期结果：由于原生质层相当于一层半透膜，水分子可以自由透过，而蔗糖分子不能透过。因此，在蔗糖溶液中植物细胞的中央液泡会变小，发生质壁分离；加入清水后，当细胞液浓度大于外界溶液的浓度时，外界溶液中的水就会透过原生质层进入细胞液，发生质壁分离的复原。

3.探究植物细胞的吸水和失水

（1）成熟植物细胞内的液体环境是指液泡里面的细胞液，细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质称为原生质层，相当于半透膜。细胞液、原生质层和外界溶液共同构成一个渗透系统。当外界溶液的浓度低于细胞液的浓度时，细胞就会吸水；当外界溶液的浓度高于细胞液的浓度时，细胞就会失水。

（2）观察植物细胞质壁分离和质壁分离复原的实验步骤：制作洋葱鳞片叶外表皮临时装片→用低倍镜观察洋葱鳞片叶中央液泡大小，原生质层位置→从盖玻片一侧滴入蔗糖溶液，在盖玻片另一侧用吸水纸引流，重复几次→用低倍显微镜观察中央液泡大小和原生质层位置的变化→在盖玻片的一侧滴入清水，在盖玻片的另一侧用吸水纸引流，重复几次→用低倍显微镜观察中央液泡大小和原生质层位置的变化。

（3）植物细胞的原生质层相当于一层半透膜，植物细胞通过渗透作用吸水和失水。当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度时，细胞失水，使细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩，由于原生质层比细胞壁的伸缩性大，原生质层就会与细胞壁逐渐分离开来，也就是逐渐发生了质壁分离。当细胞液的浓度大于外界溶液的浓度时，细胞吸水，原生质层就会慢慢恢复成原来的状态，逐渐发生质壁分离的复原。如下图所示：

【拓展应用】

①判断成熟植物细胞是活细胞还是死细胞。 

②测定细胞液浓度范围。

③比较不同植物成熟细胞的细胞液浓度。

④鉴别不同种类的溶液。              

知识点03  被动运输

1.物质以扩散方式进出细胞，不需要消耗细胞内化学反应所释放的能量，这种物质跨膜运输方式称为被动运输。被动运输又分为自由扩散和协助扩散两类。

2.自由扩散和协助扩散比较

【易错提醒】

①哺乳动物成熟的红细胞吸收葡萄糖时需要转运蛋白协助，可以逆浓度梯度进行（ × ）

提示：哺乳动物成熟的红细胞吸收葡萄糖为协助扩散，顺浓度梯度。

②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：甘油是脂溶性的小分子，进入细胞的方式是自由扩散。

③自由扩散和协助扩散都不需要转运蛋白和能量（ × ）

提示：协助扩散需要转运蛋白。

④协助扩散的速率与膜两侧的浓度差成正比（ × ）

提示：协助扩散的速率还受转运蛋白质数量的限制。

考法01 渗透系统和渗透现象

1.渗透系统的组成：①存在半透膜；②半透膜两侧的溶液存在浓度差。这里的浓度指的是无质量浓度而不是百分比浓度，相同百分比浓度的两种溶液物质的量浓度可能存在很大差异，如10%的葡萄糖溶液的物质的量浓度约为10%麦芽糖溶液物质的量浓度2倍。

2.教材问题探讨渗透现象分析：

①漏斗内液面上升的原因：单位时间内由清水进入蔗糖溶液中的水分子数多于由蔗糖溶液进入清水中的水分子数。

②漏斗内液面停止上升的原因：随着液面的不断上升，漏斗内液体的压强越来越大，从而使水分子从漏斗内移向烧杯的速度加快，水分子进出漏斗的速率越来越接近，直至完全相等，漏斗内液面不再升高，此时水分子的进出达到相对平衡。

③若渗透平衡后，半透膜两侧液面仍存在液面差的原因是：渗透平衡后半透膜两侧溶液仍存在浓度差，且浓度差就越大，液面差越大。液面高的一侧溶液的物质的量的浓度高。

【典例1】下图为研究渗透作用的实验装置，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，水分子可以透过半透膜，而蔗糖分子则不能。当渗透达到平衡时，液面差为m。下列有关叙述正确的是(　　)

A.渗透平衡时S1溶液的浓度等于S2溶液的浓度

B.若向漏斗中加入蔗糖分子，则平衡时m变小

C.当漏斗内外的高度差达到平衡时，没有水分子进出半透膜

D.若吸出漏斗中高出烧杯液面的溶液，再次平衡时m将变小

【答案】D

【解析】渗透平衡时S1液面比S2液面高，S1溶液的浓度大于S2溶液的浓度，A错误；向漏斗中加入蔗糖分子，漏斗中蔗糖溶液浓度增大，通过渗透作用进入漏斗中的水分子增加，m增大，B错误；漏斗内外的高度差达到平衡，说明进出半透膜的水分子达到动态平衡，C错误；吸出漏斗中高出烧杯液面的溶液，由于存在浓度差，水分子还会进入漏斗，水分将漏斗中的溶液稀释，渗透压下降，再次平衡时m将变小，D正确。

考法02  渗透作用原理的应用

1.验证半透膜是渗透系统的必要条件

实验思路：设置A、B、C三组实验，A组长颈漏斗口外密封一层玻璃纸（半透膜），B组长颈漏斗口外密封一层塑料薄膜（不透膜），C组长颈漏斗口外密封一层纱布（全偷膜），向三个漏斗注入等量等物质的量浓度的蔗糖溶液；然后将漏斗浸入盛有等量清水的等规格的三个烧杯A/、B/、C/中，观察三组漏斗管内的液面变化。

预期结果：A漏斗管内液面上升，B、C漏斗管内液面不发生改变。得出的结论：半透膜是渗透系统的必要条件。

2.验证半透膜两侧溶液具有浓度差是发生渗透现象的必要条件

实验思路：设置A、B两组实验，两组长颈漏斗口外均密封一层玻璃纸（半透膜），向两个漏斗注入等量等物质的量浓度的蔗糖溶液；将A组漏斗浸入盛有清水的烧杯中，B组漏斗浸入盛有等量盛有与漏斗内等物质的量蔗糖溶液的烧杯中，观察两组漏斗管内的液面变化。

预期结果：A漏斗管内液面上升，B漏斗管内液面不发生改变。得出的结论：半透膜两侧溶液具有浓度差是发生渗透现象的必要条件。

3.探究物质能否通过半透膜的方法(以碘和淀粉为例)

【典例2】现有一种由人工膜制成的袋，为检测淀粉和碘能否透过该膜，现提供试剂和用品如下：铁架台、烧杯和人工膜袋各一个、1%的淀粉溶液、稀碘溶液和细棉线。

（1）请用上述试剂和用品，设计一个实验装置，探究淀粉溶液中的淀粉和碘溶液中的碘能否通过该膜，请用示意图表示(加图注)。
（2）实验结果预测及分析：
①________________________________。
②________________________________。
③________________________________。
④________________________________。

【答案】（1）

（2）实验结果预测及分析：一段时间后，
①袋内外液体均不变蓝，表明淀粉和碘均不能通过
②袋内外液体均变蓝，表明淀粉和碘均能通过
③袋内液体变蓝，袋外液体不变蓝，表明碘能通过，淀粉不能通过
④袋外液体变蓝，袋内液体不变蓝，表明碘不能通过，淀粉能通过

【解析】（1）已知淀粉遇碘变蓝色，预探究淀粉溶液中的淀粉和碘溶液中的碘能否通过该膜，应把淀粉溶液和稀碘溶液分别置于膜的两侧，观察两侧溶液变蓝的情况。可以是上图所示的设计，也可以是袋内装淀粉溶液，袋外烧杯内盛稀碘溶液。

（2）若只有淀粉溶液一侧变蓝色，稀碘溶液一侧不变蓝，说明碘能通过该膜、淀粉不能通过该膜；若只有稀碘溶液一侧变蓝色，淀粉溶液一侧不变蓝，说明淀粉能通过该膜、碘不能通过该膜；若淀粉溶液一侧和稀碘溶液一侧都变蓝色，说明碘和淀粉都能通过该膜；若淀粉溶液一侧和稀碘溶液一侧都不变蓝色，说明碘和淀粉都不能通过该膜。

考法03  探究植物细胞的吸水和失水

1.探究原理：植物细胞的原生质层相当于一层半透膜，植物细胞细胞液和外界溶液是位于原生质层两侧的溶液。当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度时，植物细胞通过渗透作用失水，由于细胞壁的收缩程度比原生质体小，当细胞不断失水时， 由于原生质层比细胞壁的伸缩性大，原生质层就会与细胞壁逐渐分离开来，发生质壁分离。当细胞液的浓度大于外界溶液的浓度时，植物细胞通过渗透作用吸水，原生质层就会恢复成原来的状态，使植物细胞逐渐发生质壁分离的复原。

2.操作步骤分析：

①选择紫色洋葱鳞片叶外表皮做实验材料的原因是紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞有大型紫色液泡，便于观察中央液泡的大小变化和原生质层的位置变化。

②本实验遵循对照原则，所进行的对照是自身对照。第一次对照是新制洋葱鳞片叶上皮细胞和浸润在质量浓度0.3g/mL蔗糖溶液中洋葱鳞片叶上皮细胞的对照；第二次对照是浸润在质量浓度0.3g/mL蔗糖溶液中洋葱鳞片叶上皮细胞和浸润在清水中洋葱鳞片叶上皮细胞的对照；两次对照的自变量都是浸润洋葱鳞片叶上皮细胞溶液浓度。

③此实验选择的换浸润洋葱表皮细胞液体环境的方法是引流法。

④此实验没有使用高倍镜观察，是教材中唯一一个只在低倍镜下观察的实验。

3.质壁分离后自动复原和不能自动复原的问题

①如果溶液的溶质不能进入细胞，在高浓度溶液中成熟植物只会发生质壁分离现象，不能发生自动复原现象。只有把分离的细胞转移到清水或低浓度溶液才能复原，如果因细胞失水过度而死亡，即使把分离的细胞转移到清水或低浓度溶液也不能复原。

②如果溶液的溶质能进入细胞，在一定浓度的溶液(如KNO3、甘油、尿素、乙二醇等)中可发生质壁分离，并能自动复原，原因是K＋、NO、尿素、乙二醇等可转运到细胞内，使细胞液浓度升高，导致细胞进行渗透吸水而发生自动复原。如：将成熟植物的细胞依次浸于蒸馏水、物质的量浓度为0.3 mol/L的蔗糖溶液和0.5 mol/L的尿素溶液中，原生质体(即植物细胞中细胞壁以内部分)的体积随时间变化如图。

A曲线表示细胞在蒸馏水中：细胞略膨胀，但是由于细胞壁的存在，原生质体的体积不能无限膨胀。

B曲线表示细胞在0.5 mol/L的尿素溶液中：细胞先因渗透失水而发生质壁分离，后由于尿素能进入细胞，使得质壁分离后的细胞因吸水而自动复原；细胞在KNO3、甘油、乙二醇等溶液中也可发生质壁分离后自动复原现象。

C曲线表示细胞在0.3 mol/L的蔗糖溶液中：蔗糖不能进入细胞，因此质壁分离后细胞不能发生自动复原。

【典例3】在“探究植物细胞的吸水和失水”实验中，对紫色洋葱鳞片叶外表皮临时装片进行了三次观察和两次处理，下列叙述正确的是(　　)

A．第一次观察为低倍镜观察，后两次为高倍镜观察

B．第一次处理滴加的液体为清水，第二次滴加的液体为0.3 g/mL的蔗糖溶液

C．若将紫色洋葱鳞片叶的外表皮换成内表皮，则不会发生质壁分离

D．紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞中不属于原生质层的结构有细胞壁、细胞核和细胞液

【答案】 D

【解析】　三次观察均为低倍镜观察，A错误；第一次处理滴加的液体为0.3 g/mL的蔗糖溶液，第二次滴加的液体为清水，B错误；若将紫色洋葱鳞片叶的外表皮换成内表皮，因内表皮细胞也是成熟的植物细胞，所以也会发生质壁分离，C错误；原生质层是指细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质，据此可推知紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞中不属于原生质层的结构有细胞壁、细胞核和细胞液，D正确。

考法04  自由扩散和协助扩散

1. 类型

2. 影响因素

（1）被动运输的速率直接受膜内外物质浓度梯度大小的影响。

（2）协助扩散的速率还与转运蛋白的数量有关。

【典例4】如图甲、乙分别表示由载体蛋白和通道蛋白介导的两种物质运输方式，其中通道介导的运输速率比载体介导的快一千倍。下列叙述错误的是（    ）

A．细胞膜上的大多数蛋白质具有一定的流动性

B．这两种蛋白对运输的物质可能均具有专一性

C．通道介导的运输速率较快可能是因为其消耗的能量较多

D．载体介导的运输速率会受到载体蛋白数量的限制

【答案】C

【解析】根据细胞膜的流动镶嵌结构模型可知，细胞膜上的大多数蛋白质具有一定的流动性，载体蛋白和通道蛋白也不例外，A正确；载体蛋白和通道蛋白均具有专一性，B正确；通道介导的运输速率较快与其结构特点有关，但通道蛋白转运物质都是顺浓度梯度进行的，不消耗能量，C错误；载体介导和通道蛋白转运的物质运输速率都受到载体蛋白数量的限制，D正确。

题组A  基础过关练

1.人成熟的红细胞在下列哪种环境中能够保持形态不发生变化（   ）

A.30%的蔗糖溶液

B.严格灭菌的蒸馏水

C.0.9%的食盐水溶液

D.高浓度的甘油溶液

2.用紫色洋葱鳞片叶作实验材料探究植物细胞的吸水和失水时，显微镜下观察的主要目标是(　　)

A.中央液泡的大小和颜色　　　　　　    

B.细胞壁和原生质层的伸缩

C.中央液泡的大小和原生质层的位置      

D.中央液泡的颜色和原生质层的位置

3.将成熟的植物细胞放在溶液中能构成一个渗透系统，主要原因是（　　）

A.液泡膜内外有浓度差    

B.原生质层相当于一层半透膜

C.细胞壁是全透的    

D.水分可以自由出入细胞

4.一学生做质壁分离和复原实验时，显微镜下只有一个细胞没有发生质壁分离，其他细胞都出现了明显的质壁分离现象，这可能是因为(　　)

A.该细胞是正在发育过程中的细胞

B.该细胞是死细胞

C.蔗糖溶液浓度太低

D.实验操作不正确

5.观察浸润在0.3g/mL蔗糖溶液中的紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞，会发现（　　）

A.大液泡逐渐变小，紫色变深   

B.大液泡逐渐变小，紫色变浅

C.大液泡逐渐变大，紫色变深   

D.大液泡逐渐变大，紫色变浅

6.关于哺乳动物红细胞运输葡萄糖的分析错误的是（　　）

A.该种转运方式为易化扩散

B.转运时载体蛋白形状会发生改变

C.运输葡萄糖的载体也能运输氨基酸

D.葡萄糖的运输方向取决于膜两侧的浓度差

题组B  能力提升练

7.利用紫色洋葱外表皮细胞和不同浓度的蔗糖溶液进行渗透实验，下列有关该实验的叙述正确的是(　　)

A.该实验可用来探究洋葱外表皮细胞液的浓度

B.质壁分离过程中细胞吸水能力逐渐减弱

C.质壁分离复原过程中液泡的颜色逐渐加深

D.蔗糖溶液浓度的高低不影响细胞的质壁分离及复原

8．将紫色洋葱鳞片叶表皮浸润在0.3g/ml的蔗糖溶液中，1 分钟后进行显微观察，结果见右图。下列叙述错误的是（    ）

A.图中L 是细胞壁，M 是液泡，N 是细胞质

B.将视野中的细胞浸润在清水中，原生质体会逐渐复原

C.实验说明细胞膜与细胞壁在物质透过性存在显著差异

D.洋葱根尖分生区细胞不宜作为该实验的实验材料

9.用物质的量浓度为2 mol·L－1的乙二醇溶液和2 mol·L－1的蔗糖溶液分别浸泡某种植物细胞，观察质壁分离现象，得到其原生质体体积变化情况如图所示。下列表述中正确的是(　　)

A.该细胞可能是某种植物根尖分生区的细胞

B.AB段曲线表明细胞液浓度在逐渐增大

C.BC段表明该细胞开始因失水过多而逐渐死亡

D.用一定浓度的KNO3溶液，可得到类似蔗糖溶液的结果

10. 将某植物花冠切成大小和形状相同的细条，分为a、b、c、d、e 和f 组（每组的细条数相等），取上述6 组细条分别置于不同浓度的蔗糖溶液中，浸泡相同时间后测量各组花冠细条的长度，结果如图所示。假如蔗糖溶液和花冠细胞之间只有水分交换，则（    ）

A.实验后，a 组液泡中的溶质浓度比b 组的高

B.浸泡导致f 组细胞中液泡的失水量小于b组的

C.a 组细胞在蔗糖溶液中失水或吸水所耗ATP大于b 组

D.使细条在浸泡前后长度不变的蔗糖浓度介于0.4～0.5mol·L-1之间

11.如图表示处于不同生理状态的三个洋葱鳞片叶外表皮细胞(假设三个细胞的初始细胞液浓度相等)，请回答问题：

（1）如图所示A、B、C三个细胞处于不同浓度的溶液中，则A图与B图细胞所处的外界溶液的浓度是________>________。

（2）图中细胞的细胞液浓度依次是________>________>________。

（3）假设将洋葱鳞片叶外表皮细胞制成装片，并使之处于浓度较高的溶液中，用显微镜观察其过程，发现该细胞形态变化的顺序为：________→________→________。

（4）C图中标号①所指的物质是_____________________________________________________。

12.现有A、B、C三瓶外观一样但没有标签的溶液，已知它们分别属于质量浓度为0.1 g/mL的蔗糖溶液、0.3 g/mL的蔗糖溶液和0.1 g/mL的葡萄糖溶液。某同学利用如图所示装置设计了两组实验。(注：图中半透膜允许溶剂和葡萄糖通过，不允许蔗糖通过。)

实验Ⅰ：同时将等量的A液和B液分别放入U形管的左、右两侧，一段时间后，左侧的液面升高。

实验Ⅱ：同时将等量的B液和C液分别放入U形管的左、右两侧，一段时间后，右侧液面高于左侧，再过一段时间后，左侧液面高于右侧。

（1）本实验应用的原理是____________。

（2）根据实验现象得出结论：A是______________________________________；B是______________________________________。

（3）在用紫色洋葱鳞片叶探究植物细胞吸水和失水方式的实验中，常选用上述A、B、C中的______________________________________________溶液，观察指标主要有________________________、______________________及细胞大小。

题组C  培优拔尖练

13.（2020·课标Ⅱ）取某植物的成熟叶片，用打孔器获取叶圆片，等分成两份，分别放入浓度（单位为g/mL）相同的甲糖溶液和乙糖溶液中，得到甲、乙两个实验组（甲糖的相对分子质量约为乙糖的2倍）。水分交换达到平衡时，检测甲、乙两组的溶液浓度，发现甲组中甲糖溶液浓度升高。在此期间叶细胞和溶液之间没有溶质交换。据此判断下列说法错误的是（    ）

A. 甲组叶细胞吸收了甲糖溶液中的水使甲糖溶液浓度升高

B. 若测得乙糖溶液浓度不变，则乙组叶细胞的净吸水量为零

C. 若测得乙糖溶液浓度降低，则乙组叶肉细胞可能发生了质壁分离

D. 若测得乙糖溶液浓度升高，则叶细胞的净吸水量乙组大于甲组

14.（2016海南卷）下列关于植物细胞中液泡的叙述，错误的是

A.植物细胞中的液泡是一种细胞器

B.液泡大小会随细胞的吸水或失水而变化

C.液泡中含有糖和无机盐，不含有蛋白质

D.花瓣细胞液泡中色素种类和含量可影响花色

15.（2015年海南卷）取生理状态相同的某种植物新鲜叶片若干，去除主脉后剪成大小相同的小块，随机分成三等份，之后分别放入三种浓度的蔗糖溶液（甲、乙、丙）中，一定时间后测得甲的浓度变小，乙的浓度不变，丙的浓度变大。假设蔗搪分子不进出细胞，则关于这一实验结果。下列说法正确的是（   ）

A．实验前，丙的浓度＞乙的浓度＞甲的浓度

B．乙的浓度不变是因为细胞内蔗糖浓度与乙的浓度相等

C．实验中，细胞与蔗糖溶液间的水分移动属于协助扩散

D．甲、丙的浓度变化是由水分在细胞与蔗糖溶液间移动引起的

16.某课外小组的同学以黑藻的叶片作实验材料，进行观察质壁分离及其复原的实验。某同学观察到了图甲所示的细胞图像，该小组的同学还配制了系列梯度的蔗糖溶液探究不同浓度的蔗糖溶液对黑藻叶肉细胞失水的影响，结果如图乙所示。

（1）图甲细胞中结构4的功能特点是___________；其中原生质层包括___________（用数字表示），选用黑藻叶片作为质壁分离实验材料的优点除了其叶片小而薄外，还可见叶绿体主要分布在___________（用数字表示）中而使原生质层呈现绿色。与自然状态下的黑藻细胞相比，图甲所示细胞的吸水能力___________。

（2）图乙显示，在0.2moI/L蔗糖溶液中，大约只有20%的黑藻细胞发生了质壁分离，说明了不同的黑藻细胞___________存在差异。

（3）在“观察植物细胞质壁分离及其复原实验”中，一般认为用能使材料中50%左右的细胞发生质壁分离的溶液浓度为理想实验浓度，最好选择浓度范围为___________mol/L的蔗糖溶液进行实验，使用该浓度范围的蔗糖溶液进行实验既可以______________，又可以_____________。