渗透装置及实验结果

Ⅰ 某兴趣小组设计了两套渗透装置来探究关于渗透作用的问题。

①探究溶液上升速率与半透膜面积和溶液体积的关系
②溶液上升速率与半透膜面积和溶液的体积有关，成正比例关系
（2）①②B﹥C ③大于

Ⅱ 如何用红细胞探究细胞膜的选择透过性

细胞膜选择透过性的一组实验

细胞膜的选择通过性是“细胞结构与功能”一节的难点内容之一，也是第2章“渗透作用原理”，“根对矿质离子选择吸收”的基础。在教学过程中如能把学生带进实验室，使用直观手段教学，不但有助于突破教学难点，提高教学质量，而且还能引起学生对科学实验的浓厚兴趣。

一、演示扩散、渗透作用装置

1．演示扩散装置：将1粒高锰酸钾轻轻放入1杯清水中，让学生观察高锰酸钾的溶解过程，了解扩散作用的原理。

2．演示渗透装置：如图1所示，让学生思考，推测实验结果，为理解细胞膜的选择透过性打下基础。

图1

二、演示红细胞的渗透反应装置

取3支试管，第1支试管加入2mL 0.9%的生理盐水、第2支试管加入2mL蒸馏水，第3支试管加入2mL10%的氯化钠溶液，然后各滴加2滴哺乳动物红细胞悬浮液，震荡混匀，放在试管架上。引导学生思考：一段时间后，3支试管中将分别出现何种结果，其原因是什么？在学生思维活动展开并形成一致性结论后即板画出红细胞的3种不同形态（图2），说明红细胞对水是自由渗透的，水能够借浓度梯度被动地透过细胞膜，从而引起红细胞吸水膨胀破裂（溶血）或失水皱缩。

图2

那么正常细胞在和环境进行物质交换时，能否也遵循高浓度低浓度的扩散原理，被动地吸收各种不同分子量的物质呢？

给学生分发实验材料、用具及实验报告，要求学生在观察演示实验2的基础上，设计实验方案来验证自己的设想。最后教师用启发诱导的方式归纳出一个正确的设想，提出合理的实验方案来加以验证。

三、学生实验——细胞膜被动吸收的验证

1．实验原理 红细胞对水是自由渗透的，但对大多数物质具有选择透过性，在等渗条件下，稀释的红细胞悬浮液呈浑浊状且透光性差。但当红细胞溶血后，其悬浮液就变得透明且光线容易透过。本实验用稀释的红细胞悬浮液在不同溶质中是否出现溶血现象，来验证细胞膜的选择透过性。

2．材料、用具 量筒、试管和试管架、秒表、红细胞悬浮液、蒸馏水、乙二醇、甘油、10%葡萄糖、1%淀粉液。

3．方法步骤 取5支试管编号，并在试管底部背面衬1张印有印刷字体的小纸片，按下表加入下列各种物质，振动混匀后，置于试管架上。当通过试管看到其背面清晰的印刷字体时，此时间即是该溶剂或溶质分子透过红细胞膜所需的时间，用秒表记录，结果记录在下表中。

细胞膜对不同物质的透性

试管
编号
试剂（mL） 细胞悬浮液（滴） 结果及原因
1 蒸馏水2mL 2
2 乙二醇2mL 2
3 甘油2mL 2
4 10%葡萄糖2mL 2
5 1%淀粉液2mL 2

注：①取新鲜哺乳动物血液适量，按4：1加入5%的柠檬酸钠溶液，震荡混匀，静置数小时，待血液分层后，倒去血浆及部分血细胞，再按1：5的比例加入0.9%的生理盐水静置，分层后，倒去上清液即成。

②1g淀粉加0.9%的生理盐水至100mL，煮开后冷却。

4．实验结论 实验表明小分子物质（如、、甘油、乙二醇、葡萄糖）能够借助简单的扩散作用，透过细胞膜，而大分子物质（如淀粉、蛋白质）则不能通过。然后教师依据实验结论讲述自由扩散和协助扩散原理。

四、细胞膜生动吸收是生活细胞的特征

细胞膜具有一种非常重要的特性，就是能选择性地透过一些物质，一些离子、小分子可以以自由扩散、协助扩散的方式顺利通过，另一些“禁止通行”。如果细胞死亡，则细胞膜将失去选择透性，也就失去了主动吸收的功能。

1．教师演示实验 取2支试管，分别放入1朵蒲公英（或其他有色花瓣）并注入适量清水，将其中1支试管放在酒精灯上加热至沸，引导学生观察并分析实验结果。

2．学生实验——小麦种子发芽率的快速测定：提供浸泡5h的小麦种子，10%的红墨水（染色剂）、刀片、培养皿、载玻片。由学生自己设计实验步骤，分析实验结果。教师巡视，个别指导。实验结束后，教师对比前一个煮花瓣的实验，进一步讲清主动吸收的原理。

Ⅲ 实验二 达西渗透实验

1.实验目的

1)通过稳定流条件下的渗透实验，进一步加深理解线性渗透定律———达西定律。

2)加深理解渗透流速(v)、水力坡度(I)、渗透系数(K)之间的关系，并熟悉实验室测定渗透系数(K)的方法。

2.实验内容

1)了解达西渗透实验装置(图B-2、图B-3)。

2)验证达西渗透定律。

3)测定不同试样的渗透系数。

3.实验原理

在岩石空隙中，由于水头差的作用，水将沿着岩石的空隙运动。由于空隙的大小不同，水在其中运动的规律也不相同。实践证明，在自然界绝大多数情况下，地下水在岩石空隙中的运动服从线性渗透定律:

图B-2 达西仪装置图(底部进水)

水文地质学概论

式中:Q为渗透流量，m³/d或cm³/s;K为渗透系数，m/d或cm/s;ω为过水断面面积，m²或cm²;Δh为上、下游过水断面的水头差，m或cm;L为渗透途径的长度，m或cm;I为水力坡度(或称水力梯度)， ;v为渗透流速，m/d或cm/s。

利用该实验可验证达西线性渗透定律:Q=KωI或v=KI。其主要内容为:流量(Q)(或v)与水力坡度(I)的一次方成正比。在实验时多次调整水力坡度(改变水头)，看其流量(Q)(或v)的变化是否与水力坡度一次方成正比关系。

实验时，可直接测定流量(Q)、过水断面面积(ω)和水力坡度(I)，从而可求出渗透系数(K)值

室内测定渗透系数，主要采用达西仪。其实验方法有两种:①达西仪由底部供水，出水口在上部(图B-2)。实验过程中，低水头固定，调节高水头;②达西仪是由顶部供水，水流经砂柱，由下端流出(图B-3)。实验过程中，高水头固定，调节低水头，即调节排水口的高低位置。由底部供水的优点是容易排出试样中的气泡，缺点是试样易被冲动。由顶部供水的优缺点与前一种正好相反。本实训以顶部供水的达西仪为例进行介绍。

4.实验仪器及用品

1)达西仪(图B-3)。

2)量筒(500mL)1个。

3)秒表。

图B-3 达西仪装置图(顶部进水)(编号说明见图B-2)

4)捣棒。

5)试样:①砾石(粒径5～10mm);②砂(粒径0.6～0.9mm);③砂砾混合(①与②混合)样。

5.实验步骤

(1)实验前的准备工作

1)测量:分别测量金属圆筒的内径(d)，根据 计算出过水断面面积(ω)和各测压管的间距或渗透途径(L)，将所得ω、L数据填入表B-2中。

2)装样:先在金属圆筒底部金属网上装2～3cm厚的小砂石(防止细粒试样被水冲走)，再将欲实验的试样分层装入金属圆筒中，每层3～6cm厚，捣实，使其尽量接近天然状态的结构，然后自上而下进行注水(排水管2和水源5连接)，使砂逐渐饱和，但水不能超出试样层面，待饱和后，停止注水。如此继续分层装入试样并饱和，直至试样高出上测压管孔3～4cm为止，在试样上再装厚3～4cm小砾石作缓冲层，防止冲动试样。

3)调试仪器:在每次试验前，先给试样注水，使试样全部饱水(此时溢水管7有水流出)待渗流稳定后，停止注水。然后检查3个测压管中水面与金属圆筒溢水面是否保持水平，如水平，说明管内无气泡，可做实验。如不水平，说明管内有气泡，需排出。排气泡的方法是用吸耳球对准水头偏高的测压管缓慢吸水，使管内气泡和水流一起排出。用该方法使3个测压管中水面水平，此时仪器方可进行实验。

以上工作也可由实验室教师在实验课前完成。

(2)正式进行实验

1)测定水头:把水源5与排水管2分开，将排水管2放在一定高度上，打开水源5使金属圆管内产生水头差，水在试验中从上往下渗透，并经排水口流出，此时溢水管7要有水溢出(保持常水头)。当3个测压管水头稳定后，测得各测压管的水头，并计算出相邻两测压管水头差，填入表B-2中。

2)测定流量:在进行上述步骤的同时，利用秒表和量筒测量时间(t)内排水管流出的水体积，及时计算流量(Q)。连续两次，使流量的相对误差小于5%(相对误差(δ)= ，Q₁、Q₂分别为两次实验流量值，取平均值填入表B-2中。

表B-2 达西渗流实验报告表

3)按由高到低或由低到高的顺序，依次调节排水管口的高度位置，改变Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个测压管的水头管读数。重复步骤1和2，做2～4次，即完成3～5次实验，取得3～5组实验数据。

实验过程中注意:①实验过程中要及时排除气泡，并保持常水头;②为准确绘制v-I曲线，要求测点分布均匀，即流量(水头差)的变化要控制适度。

(3)资料整理

依据以上实验数据，按达西公式计算出渗透系数值，并求出其平均值，填入表B-2中。

6.实验成果

1)提交实验报告(表B-2)。

2)抄录其他小组另外两种不同试样的实验数据(有时间时，可自己动手做)。在同一坐标系内，以v(渗透流速)为纵坐标，I(水力坡度)为横坐标，绘出3种试样的v-I曲线，验证达西定律。

复习思考题

1.当试样中水未流动时，3个测压管的水头与溢水口水面保持在同一高度，为什么?

2.为什么要在测压管水头稳定后再测定流量?

3.三种试样的v-I曲线是否符合达西定律?试分析其原因。

4.比较不同试样的渗透系数(K)值，分析影响K值的因素?

5.在实验过程中为什么要保持常水头?

6.将达西仪平放或斜放进行实验时，其实验结果是否相同?为什么?

Ⅳ 渗透作用的实验说明

把蚕豆种皮（或动物膀胱膜）紧缚在漏斗上，注入蔗糖溶液，然后把整个装置浸入盛有清水的回烧杯中答，漏斗内外液面相等。由于蚕豆种皮是接近半透膜(semipermeable membrane)(即让水分子通过而蔗糖分子不能透过的一种薄膜)，所以整个装置就成为一个渗透系统。在一个渗透系统中，水的移动方向决定于半透膜两边溶液的水势高低。水势高的溶液的水，流向水势低的溶液。实质上，半透膜两边的水分子是可以自由通过的，可是清水的水势高，蔗糖溶液的水势低，从清水到蔗糖溶液的水分子比从蔗糖溶液到清水的水分子多，所以在外观上，烧杯中清水的水流入漏斗内，漏斗内的玻璃管内液面上升，静水压也开始增高。随着水分逐渐进入玻璃管内，液面越上升，静水压也越大，压迫水分从玻璃管内向烧杯移动速度就越快，膜内外水分进出速度越来越接近。最后，液面不再上升，停留不动，实质上是水分进出的速度相等，呈动态平衡。

Ⅳ 渗透作用渗透实验

渗透作用是一个现象，其基础是半透膜（一种允许水分子通过而阻止蔗糖分子的薄膜）的存在。在这个现象中，蚕豆种皮被紧缚在漏斗上，注入蔗糖溶液，并将整个装置浸入盛有清水的烧杯中。此时，漏斗内外液面相等，形成了一个渗透系统。

在渗透系统中，水的移动方向由半透膜两边溶液的水势高低决定。水势高的溶液的水流向水势低的溶液。事实上，半透膜两边的水分子是可以自由通过的。清水的水势高，而蔗糖溶液的水势低。因此，从清水到蔗糖溶液的水分子比从蔗糖溶液到清水的水分子多。外观上，烧杯中的清水逐渐流入漏斗内，导致漏斗内的玻璃管内液面上升，并形成静水压。

随着水分逐渐进入玻璃管内，液面越上升，静水压也越大。这促使水分从玻璃管内向烧杯移动的速度加快。随着时间的推移，膜内外水分进出速度逐渐接近，直至液面不再上升，达到动态平衡。此时，水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动的现象被称为渗透作用。

渗透作用的原理在于，水分子总是从水势高的区域移动到水势低的区域，以达到能量的最低状态。在渗透系统中，这种移动促使水分在半透膜两侧之间流动，直到达到动态平衡。这一过程揭示了水分在不同浓度溶液之间的移动机制，是生物学、化学和物理学等领域中一个基本而重要的概念。

渗透作用（osmosis）两种不同浓度的溶液隔以半透膜（允许溶剂分子通过，不允许溶质分子通过的膜），水分子或其它溶剂分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度溶液中的现象。或水分子从水势高的一方通过半透膜向水势低的一方移动的现象。