用極端思想解析滲透作用裝置的液面變化問題

封志勤

人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《生物必修1分子與細(xì)胞》在第4章第1節(jié)“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”中，一開始就以用玻璃紙封口的長(zhǎng)頸漏斗為例引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題探討，從而展開物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式的學(xué)習(xí)。水分子通過玻璃紙（半透膜）發(fā)生的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)就是滲透作用，教材中介紹的裝置也是一個(gè)非常典型的滲透作用模擬演示裝置。滲透作用是植物細(xì)胞吸收水分的主要方式，其原理和應(yīng)用一直是考查的重點(diǎn)，而滲透作用裝置中的液面變化分析是學(xué)生常常感到頭疼的部分，尤其是涉及溶劑和溶質(zhì)同時(shí)能透過半透膜時(shí)，更是分析的難點(diǎn)。教師在教學(xué)實(shí)踐中也常常受困于如何更有效地指導(dǎo)學(xué)生理解滲透作用的原理，并更快更好地對(duì)滲透作用裝置液面變化進(jìn)行分析。本文謹(jǐn)以一道常見的題目為例，嘗試引入“極端情況”幫助學(xué)生進(jìn)行分析，以期對(duì)教學(xué)有所促進(jìn)。

典型例題

如右圖，把體積與質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的葡萄糖溶液和蔗糖溶液用半透膜隔開（允許水和葡萄糖透過，不允許蔗糖透過），開始和一段時(shí)間后液面的情況是（ ）

A.甲高于乙

B.乙高于甲

C.先甲高于乙，后乙高于甲

D.先乙高于甲，后甲高于乙

學(xué)情分析

學(xué)生在解此類問題時(shí)，由于同時(shí)考慮水分子和葡萄糖分子的擴(kuò)散，很難理清頭緒，尤其是最終為什么蔗糖溶液一邊的液面會(huì)高于葡萄糖，學(xué)生往往無法理解而只能死記答案。筆者在教學(xué)實(shí)踐中嘗試引入了“極端法”的思想，以幫助學(xué)生避開紛繁復(fù)雜的中間過程，使結(jié)論更直接地呈現(xiàn)，更容易被學(xué)生理解和接受。所謂“極端法”也就是一種“極限思維”，就是根據(jù)變化發(fā)展的事物，在特定的條件下，具有一定的發(fā)展限度而產(chǎn)生的一種思維模式。即借助對(duì)事物發(fā)展的極限這一特定情形加以考查分析，從而實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)事物發(fā)展的一般規(guī)律。

解析過程

一、開始階段的分析

①葡萄糖與蔗糖溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，由于葡萄糖是單糖，蔗糖是二糖，蔗糖的分子量較大，因此蔗糖溶液的物質(zhì)的量濃度較低，水分開始時(shí)從蔗糖溶液一側(cè)向葡萄糖溶液一側(cè)擴(kuò)散。（注：質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的溶液其溶質(zhì)物質(zhì)的量濃度不一定相同，此為本題解答中隱藏的另一難點(diǎn)，但該難點(diǎn)與學(xué)生的理化基礎(chǔ)知識(shí)掌握程度有關(guān)，本文不再贅述。）

②由于葡萄糖也能透過半透膜，從葡萄糖的擴(kuò)散方向來看，乙側(cè)起初沒有葡萄糖分子存在，因此葡萄糖分子在開始時(shí)從葡萄糖溶液一側(cè)向蔗糖溶液一側(cè)擴(kuò)散。但由于葡萄糖并非溶劑，其對(duì)溶液體積的影響較小。

綜合①②的分析，可知開始階段甲側(cè)液面先升高，甲高于乙。

二、最終狀態(tài)的分析

③由于葡萄糖分子向蔗糖溶液一側(cè)擴(kuò)散，同時(shí)蔗糖溶液中的水分子又向葡萄糖溶液一側(cè)擴(kuò)散，造成甲側(cè)的溶液濃度降低，而乙側(cè)的溶液濃度升高，為避開在溶液濃度不斷變化的過程中反復(fù)繁雜的分析，可直接考慮極端情況，即最終兩側(cè)溶液擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)的溶液濃度。此時(shí)乙側(cè)溶液中的溶質(zhì)為原有的蔗糖加上甲側(cè)擴(kuò)散而來的部分葡萄糖，而甲側(cè)溶液中的溶質(zhì)僅為葡萄糖。

④先假設(shè)不考慮蔗糖分子的影響（此即一種極端情況，先僅考慮一種溶質(zhì)的擴(kuò)散），從水分子和葡萄糖分子的擴(kuò)散來看，達(dá)到平衡時(shí)甲乙兩側(cè)的水分子和葡萄糖分子數(shù)都應(yīng)幾乎相等，即此時(shí)甲乙液面高度相等。但需注意：此結(jié)果僅僅是對(duì)“極端情況”的一種推理，最終狀態(tài)分析的關(guān)鍵在于分析“極端情況”下的狀態(tài)能否維持！

綜合③④分析，從③可知乙側(cè)還存在蔗糖分子，可見實(shí)際上此時(shí)乙側(cè)溶液中的總?cè)苜|(zhì)多于甲側(cè)，因此根據(jù)滲透作用的原理易推知此時(shí)甲乙兩側(cè)液面不可能保持平衡，水分應(yīng)繼續(xù)從甲側(cè)向乙側(cè)擴(kuò)散。因此最終達(dá)到平衡時(shí)的液面應(yīng)為乙高于甲，答案為C。

教學(xué)反思

滲透作用裝置的題目靈活多變，本文限于篇幅僅舉一例分析。本文所選例題屬于較難的題型，但這類難題往往也是進(jìn)行方法教學(xué)的機(jī)會(huì)，如能通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ箤W(xué)生理解難題的分析過程，不但能提高學(xué)生的思維能力，也能讓學(xué)生體會(huì)到正確方法的重要性，使學(xué)生將注意力更多地從答案轉(zhuǎn)移到解析過程中來，從而達(dá)到“授人以漁”的目的。從學(xué)生的反饋情況來看，通過“極端情況”的假設(shè)分析，多數(shù)學(xué)生都能較好地理解答案，特別是最終的液面情況，也避免了只針對(duì)水分子的擴(kuò)散進(jìn)行分析時(shí)容易出現(xiàn)的反復(fù)情況，掌握“極端法”這種避繁就簡(jiǎn)的方法，從而提高分析解決問題的能力。

在幫助學(xué)生總結(jié)分析滲透作用的易錯(cuò)題過程中，筆者感覺還有以下幾點(diǎn)應(yīng)該加以注意：（1）水分子滲透的方向僅取決于溶液中溶質(zhì)的總濃度，而與溶質(zhì)的種類無關(guān)；（2）某種物質(zhì)穿過膜的擴(kuò)散僅與該物質(zhì)的濃度有關(guān)，而與其他任何溶質(zhì)的濃度無關(guān)；（3）滲透作用的分析中所講的“濃度”都是指“溶質(zhì)顆粒的物質(zhì)的量濃度”，而不是“質(zhì)量分?jǐn)?shù)”；（4）“溶質(zhì)顆粒的物質(zhì)的量濃度”提示我們要注意溶質(zhì)在溶液中的存在形式，例如等體積的1mol/L NaCl溶液和1mol/L葡萄糖溶液中，由于NaCl以Na+和Cl-形式存在而葡萄糖以分子形式存在，因此NaCl溶液中的溶質(zhì)顆粒濃度是大于葡萄糖溶液的。這部分理論知識(shí)有人認(rèn)為已經(jīng)超出了高中的能力要求，但是筆者認(rèn)為作為教師應(yīng)該主動(dòng)學(xué)習(xí)，加強(qiáng)自身的知識(shí)儲(chǔ)備，而不是只滿足于應(yīng)付考試的要求，只有這樣才能不斷提高自己，帶動(dòng)學(xué)生，從而在教學(xué)中更游刃有余。