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5.2 密闭容器中气体变化

细胞的物质输入输出与能量代谢 · 高三
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 研究在体积固定、温度恒定的密闭系统中,气体分压随时间或反应进程发生变化的规律。

从哪来 基于 1.2 组成细胞的化合物 中关于气体(如 $O_2$、$CO_2$)作为细胞代谢底物和产物的性质,以及 1.3 蛋白质的结构与功能 中呼吸酶催化气体转化的生化基础。

为什么 根据理想气体状态方程 $PV=nRT$,在密闭容器($V$ 恒定)且温度不变($T$ 恒定)的条件下,气体的压强 $P$ 与物质的量 $n$ 成正比。生物体内的气体交换(如呼吸作用消耗 $O_2$ 产生 $CO_2$)直接改变了容器内气体分子的总数或种类,从而导致总压或分压发生可测量的变化。这种变化是细胞代谢速率的宏观物理表征。

物理模型法
将细胞视为一个“黑箱”,只关注输入($O_2$)和输出($CO_2$)。利用 $P \propto n$ 原理,推导若消耗 1 mol $O_2$ 产生 1 mol $CO_2$,则总压不变;若消耗 1 mol $O_2$ 不产生 $CO_2$(如脂肪氧化),则总压下降。
适合:理科思维强、擅长逻辑推导和数学建模的学生。
实验现象法
展示 U 型管液面变化实验。左侧连接装有活细胞的密闭瓶,右侧开口。解释液面移动是因为瓶内气压改变。引导学生观察:若液面左移,说明瓶内气体减少(耗氧多于产碳,或产碳被吸收);若液面右移,说明气体增加。
适合:形象思维强、依赖直观实验现象理解抽象概念的学生。
生活类比法
将密闭容器比作一个“气球”,细胞代谢是“吹气”或“吸气”的过程。如果细胞“吸”进去的气比“呼”出来的多,气球就会瘪(压强降低);反之则鼓(压强升高)。重点强调“净气体变化量”决定最终状态。
适合:基础薄弱、对抽象物理量感到恐惧、需要建立感性认知的学生。
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练一道
基础题
某密闭容器中装有酵母菌和葡萄糖溶液,初始压强为 $P_0$。若酵母菌只进行无氧呼吸,且产生的 $CO_2$ 不被溶液吸收,一段时间后容器内压强如何变化?
变式
某密闭容器中装有某植物叶片,初始压强为 $P_0$。在光照下,若测得容器内压强随时间线性下降,且已知该植物呼吸底物为葡萄糖,光合作用产物为葡萄糖。请分析此时光合速率与呼吸速率的大小关系,并说明理由。(提示:$CO_2$ 溶解度忽略不计,$O_2$ 不溶于水)
试试手自己判
检测题
将等量的酵母菌分别置于 A、B 两个密闭容器中。A 容器通入 $O_2$,B 容器隔绝 $O_2$。初始压强均为 $P_0$。经过相同时间后,A 容器压强变为 $1.2P_0$,B 容器压强变为 $1.5P_0$。假设温度恒定,且酵母菌在 A 中只进行有氧呼吸,在 B 中只进行无氧呼吸。请判断 A、B 容器中酵母菌的呼吸底物是否相同?并说明理由。
看答案和判分标准
答案:不同**。
判对标准:
1. 指出 A 容器压强增大,说明有氧呼吸产气量大于耗气量(或仅产气)。但酵母菌有氧呼吸 $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O$,$\Delta n=0$,压强应不变。若压强增大,说明底物不是葡萄糖,或者有其他产气反应(如酒精发酵混入,但题目说只进行有氧)。*此处题目设计需修正以符合生物学事实*。
*修正题目逻辑以符合常规考点*:
修正检测题:
将等量酵母菌置于 A、B 密闭容器。A 通 $O_2$,B 隔绝 $O_2$。
A 中压强不变,B 中压强增大。
问:A、B 中酵母菌的呼吸底物是否相同?
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