渗透作用实验装置的模块化设计

谢 建 丁天焰 廖兆强

渗透作用实验是中学生物学教学中的经典演示实验，由于其原理简单、趣味性强，亦可作为小学科学启蒙实验，在课堂演示或由学生在家中完成。人教版生物必修一教材《分子与细胞》中的做法是：在长颈漏斗的漏斗口外密封上一层玻璃纸，在漏斗内注入蔗糖溶液，将漏斗浸入盛有清水的烧杯中，使漏斗管内外液面等高，过一段时间漏斗管内的液面会上升。

一、存在问题

教材实验在实际操作时存在以下问题：(1)用橡皮筋或细线将玻璃纸蒙在漏斗口外时，很难保证气密性；(2)漏斗的长颈太细，往内注水费时费力；(3)实验时，玻璃纸容易变形，向下凸起，导致液面上升不明显[1]；(4)将漏斗浸入清水后需要长时间手持，既不方便又不精确；(5)玻璃纸较难获得，用其他材料自制半透膜(如鸡蛋膜)的大小、强度和柔韧性又不足以让其蒙在漏斗口(直径约32 mm)外。

多年来，许多教师都为本实验做过思考和改进，主要集中在改进实验装置和优化半透膜材料选择方面[2-6]。笔者认为，对半透膜材料的研究已经很完善，但对实验装置的改进仍有不足，或没有完全解决上述5个问题，或又产生了新的问题：有的装置外观和原理与教材差别较大，不便于学生理解；有的装置体积过大，需配合水槽使用，不便于教师携带；有的装置只能现做现用(例如用完整的鸡蛋膜或鱼鳔膜代替长颈漏斗)，不便于长期保存和重复使用。

二、改进目的

改进的目的是，不但要解决教材实验中所有的问题，而且力求外观相近、原理一致、体积小、成本低廉、保存容易、兼容性好(可以配合各种大小、各种韧度的自制半透膜使用)、拆装方便(可以变演示实验为探究实验)。

三、改进后的结构

图1是改进后的装置结构示意图，图中：1是长颈漏斗(未完整画出)；2是玻璃胶；3是夹子(共4个，4个角上各一个)；4是开孔塑料板(边长50 mm×50 mm，孔径约28 mm，厚度约2 mm)；5是半透膜夹(边长50 mm×50 mm，孔径根据半透膜大小和强度选择)；6是铁丝网(边长50 mm×50 mm，支撑半透膜，防止其下坠)。各部分具有模块化的特点，可以自由组装或拆开，组装实物图如图2所示。

图1 结构示意图

图2 组装实物图

四、制作材料和工具

材料和工具包括长颈漏斗、玻璃纸(或自制的半透膜)、薄塑料板、钱币纸夹、石棉网、玻璃胶、夹子、烧杯、剪刀、胶带等。

其中，薄塑料板可从塑料包装上获取，需要一定的厚度和硬度，但仍能被剪刀裁剪。钱币纸夹可对折为边长50 mm的正方形，透明附膜在内侧，白卡纸在外侧。白卡纸的中心开有圆孔，其直径有不同规格(18 mm，20.5 mm，23 mm，25 mm，26.5 mm，27.5 mm等)可供选择，以适应不同大小的半透膜。钱币纸夹每50个一盒，每盒约3元。

五、制作方法

(1)制作开孔塑料板。按照开孔塑料板的外形，用剪刀在薄塑料板上剪下2～4片(其中一条边可以剪断)后用双面胶粘合。亦可直接在2 mm厚的有机塑料板或玻璃板上打孔，再裁切成规定尺寸。

(2)制作半透膜夹。根据半透膜的大小选择合适规格的钱币纸夹(半透膜能覆盖纸夹圆孔，并留有一定余地)，将钱币纸夹对折后，用小刀裁去圆孔中的透明附膜。

(3)制作铁丝网。在流水中用刷子刷去石棉网表层的石棉，留下铁丝网。用剪刀将铁丝网剪成合适大小。

(4)粘合。用玻璃胶将开孔塑料板与长颈漏斗的漏斗口粘合。

六、使用方法

(1)夹住半透膜。将半透膜夹展平，放入玻璃纸或自制半透膜后重新对折、合上(边缘可用胶带进一步密封、固定)。

(2)注入蔗糖溶液。将长颈漏斗正放，塞住底部后注入蔗糖溶液。

(3)安装半透膜夹。在漏斗口上方的开孔塑料板上放置半透膜夹和铁丝网，并在正方形4个角上用夹子固定(夹牢后可拆去铁柄)。

(4)浸入水中实验。将装置倒置，浸没在盛有清水的烧杯中，使漏斗管内外液面等高，过一段时间可观察到漏斗管内的液面上升。亦可先把漏斗倒置后放入烧杯底部，再倒入清水至漏斗管内液面高度。

(5)可重复实验。一次实验完毕，可以马上更换半透膜夹，重复以上步骤，再次实验。