高考(全国)生物大一轮复习讲义：第十单元实验原则与设计第41讲实验原则与设计(含解析)

2019-2020年高考（全国）生物大一轮复习讲义：第十单元实验原则与设计第41讲实验原则与设计(含解析)1.能独立完成“生物知识内容表”所列的生物实验，包括理解实验目的、原理、方法和操作步骤，掌握相关的操作技能，并能将这些实验涉及的方法和技能等进行运用。2.具备验证简单生物学事实的能力，能对实验现象和结果进行分析、解释并能对收集到的数据进行处理。3.具有对一些生物学问题进行初步探究的能力，包括运用观察、实验与调查、假说演绎、建立模型与系统分析等科学研究方法。4.能对一些简单的实验方案作出恰当的评价和修订。实验设计原则1．科学性原则包括实验原理、实验材料的选择、实验方法和实验结果的处理等方面要保证不出现科学性错误，要有科学的思想和方法作指导。2．对照原则对于对照实验，一个实验包括实验组和对照组。实验组是接受自变量处理的对象组，对照组(控制组)是不接受自变量处理的对象组。常用的对照类型有以下几种：(1)空白对照：对照组为不作任何处理的对象组。这里的不作处理，并非什么因素都不给予，而是针对实验所要研究的因素不给予，以体现实验因素的有无对实验结果的影响。如“探究影响酶活性的条件”实验中：eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(1号试管加1mL蒸馏水（空白对照组）,2号试管加1mL盐酸溶液（实验组）,3号试管加1mLNaOH溶液（实验组）))(2)自身对照：实验与对照在同一个对象上进行，不另设对照组。如“探究植物细胞的吸水和失水”实验，即是典型的自身对照——实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。(3)条件对照：给对照组施以某种实验处理，但不是所研究的实验因素，以突出实验实施的处理因素与实验所研究因素的差异，从一个侧面衬托实验因素对实验结果所造成的影响。如肺炎双球菌转化实验中以下两组实验：S型菌DNA＋R型活菌eq\o(→,\s\up7(混合培养))S型菌落＋R型菌落(实验组)；S型菌DNA＋DNA酶＋R型活菌eq\o(→,\s\up7(混合培养))R型菌落(条件对照组)。(4)相互对照：不单设对照组，而是几个实验组相互对照。如“探究影响酶活性的条件”实验中，探究温度对酶活性的影响时，要用热水、正常温度的水、冰水三个实验组来探究，进行相互对照，以得出相应的实验结论。3．单一变量原则所谓单一变量原则，就是要尽可能控制无关变量的作用，以确保实验变量的唯一性。(1)实验变量与反应变量①实验变量也称自变量，是研究者主动操纵的条件和因子，是作用于实验对象的刺激变量。②反应变量又称因变量或应变量，是随自变量变化而产生反应或发生变化的变量，应具有可测性和客观性。(2)无关变量：无关变量又称干扰变量、控制变量，是指与研究目标无关，但却影响研究结果的变量。4．平行重复原则为了使实验结果或实验数据更接近真实情况，避免偶然因素对实验的影响，一般在实验组中控制相同条件下多设几组，取平均值，以使得出的结论更准确、科学。【感知考题】(2016·高考江苏卷，8)过氧化物酶能分解H2O2，氧化焦性没食子酸呈橙红色。为探究白菜梗中是否存在过氧化物酶，设计实验如下表。下列相关叙述正确的是()管号1%焦性没食子酸/mL2%H2O2/mL缓冲液/mL过氧化物酶溶液/mL白菜梗提取液/mL煮沸冷却后的白菜梗提取液/mL1222－－－222－2－－322－－2－A项错误。验证酶具有催化作用，对照组应设置为用等量蒸馏水＋过氧化氢溶液。B项对应的设置是验证酶具有高效性，B项错误。验证酶的专一性应设置为：实验组为反应物＋相应酶液，对照组为另一反应物＋同一酶液或同一反应物＋另一种酶液，C项错误。验证某种酶是蛋白质的实验中，对照组设置成标准蛋白质溶液＋双缩脲试剂是为了排除无关变量的干扰，D项正确。实验原则实例分析5．下面是某研究性学习小组的同学为证明农田土壤中的微生物对某种农药具有分解作用而提出的实验方案(如何检测农药的含量不做要求)。①他们在同一块农田的不同地点取等量的土壤，将其标记为甲、乙两组；将甲组土壤进行灭菌，待用。②实验开始时向两组分别加入等量的用无菌水配制的某种农药，并与土壤混匀，放在自然条件下(暴露在空气中)。③一段时间后，多次取样检测甲、乙两组土壤中农药的浓度并求平均值，比较两组农药含量的差异。(1)请指出并改正实验中两处明显的错误，并说明原因。错误一：________________________________________________________________________，改正：________________________________________________________________________，原因是________________________________________________________________________。错误二：________________________________________________________________________，改正：________________________________________________________________________，目的是________________________________________________________________________。(2)上述改正遵循的主要是实验设计的什么原则？________________________________________________________________________。解析：选择不同地点的土壤，由于湿度、有机物含量的差异等可能导致土壤中含有的微生物含量和种类有差异；空气中含有大量的微生物，为了使实验结果准确，必须在无菌条件下进行实验。上述两点改正遵循的主要原则都是单一变量原则。答案：(1)不同地点同一地点不同地点的土壤微生物含量和种类可能有差异，可能对结果造成干扰放在自然条件下放在无菌条件下防止空气中的微生物对结果造成干扰(2)单一变量原则探究性实验的设计方案1．实验设计方案准确把握实验目的：明确实验要解决的“生物学事实”是什么，要解决该“生物学事实”的哪一方面。↓明确实验原理：分析实验所依据的科学原理是什么，涉及的生物学及相关中的方法和原理有哪些。↓确定实验变量、设置对照实验：找出自变量和因变量，确定实验研究的因素，以及影响本实验的无关变量；构思实验变量的控制方法和实验结果的获得手段。↓确定实验方法：根据实验目的和所提供的材料来确定。↓设计合理的实验装置和实验步骤：严格遵循实验设计原则，在充分考虑实验原理以及提供的实验材料、用具的基础上，根据设计要求，设计实验装置和步骤。↓得出预期实验结果和结论2．实验步骤设计的一般步骤第一步：取材、分组和编号(1)取材探究性实验中一般提供实验的材料，但在设计实验步骤时需注意常用的关键词，如“取相同的(或生理状态相同的)……若干只(或株、个等)……”。如此设置是防止无关变量对实验结果的影响。(2)分组要体现随机性、均衡性或者合理的梯度性。常用的关键词为“……随机(或平均)分为若干组”。(3)编号根据实验分组情况而编号，如“甲组、乙组”等，或“①组、②组、③组……”。第二步：实验处理实验处理遵循单一变量原则。即除自变量外，其他因素都是相同的。常用的模式为“①组施加实验变量，②组作为对照不施加实验变量”。第三步：观察、记录实验的因变量尽可能选择能较好地反映与实验自变量之间的关系，并易于实验人员观察和测定的指标。常用的关键词为“……一段时间后观察(测定)……做好记录”等。3．探究性实验的假设与结论(1)假设与结论假设是根据现有的科学理论、事实，对所研究的对象设想出的一种或几种可能性的答案或解释。实验结果预测一般与假设相对应：若实验结果与预期结果一致，则得出与先前的假设一致的结论，即假设成立；反之，假设不成立。(2)探究性实验的结果和结论不唯一，需分情况讨论实验结果实验结论若实验组和对照组无显著差异实验变量对结果无影响若实验组效果和对照组效果有明显差异实验变量对实验结果具有影响【感知考题】(2017·莆田调研)已知物质X对菠菜种子的萌发有抑制作用，物质Y可解除物质X的抑制作用。某研究小组现设计实验验证物质Y可解除物质X对菠菜种子萌发的抑制作用，请完善该实验(要求与说明：答题时用物质X、物质Y表示相关名词；物质X、物质Y的剂量均符合实验要求；物质X、物质Y的相应处理措施不作具体要求)。(1)该实验的自变量为____________，因变量为____________。(2)实验步骤：①用物质X处理菠菜种子一段时间；②将用物质X处理过的菠菜种子均分为两组，编号为甲、乙，甲组不做处理，乙组____________，将两组菠菜种子分别置于______________________的环境下培养。③一段时间后，________________________________________________________________________。(3)预测实验结果及结论：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析]该实验的自变量是物质Y的有无，因变量是菠菜种子的萌发率。实验步骤中，应先用物质X处理菠菜种子一段时间，然后进行不同的处理，最后统计分析菠菜种子的萌发率。不做处理组的萌发率低于物质Y处理组的萌发率，证明物质Y可解除物质X对菠菜种子萌发的抑制作用。答案](1)物质Y的有无菠菜种子的萌发率(2)用物质Y处理相同且适宜统计分析两组菠菜种子的萌发率(3)甲组菠菜种子的萌发率低于乙组，说明物质Y可解除物质X对菠菜种子萌发的抑制作用高分点拨——类题通法探究性实验与验证性实验比较比较项目探究性实验验证性实验概念指实验者在不知实验结果的前提下，通过自己进行实验探索、分析、研究得出结论，从而形成科学概念的一种认知活动指实验者针对已知的实验结果而进行的以验证实验结果、巩固和加强有关知识内容、培养实验操作能力为目的的重复性实验实验目的探索研究对象的未知属性、特征以及与其他因素的关系验证已知对象的已知属性、特征以及与其他因素的关系实验假设假设一般采用“如果A，则B”的形式表达，是根据现有的科学理论、事实，对所要研究的对象设想出一种或几种可能的答案、解释因结论是已知的，故不存在假设问题【跟进题组】命题1考查实验步骤设计1．用某种降血糖物质X做以下实验(注：用生理盐水配制X溶液)。回答下列问题：(1)某同学要验证物质X的降血糖作用，进行如下实验：选择一批体重相同的正常小鼠，测定________，并将小鼠随机等量分成实验组和对照组，实验组注射适量的________，对照组注射等量的________，一段时间后测定两组小鼠的________，若__________________________________________________________________________________，则表明X有降血糖作用。(2)若要验证一定量的X能使患糖尿病小鼠的血糖浓度下降到正常范围，进行如下实验：用________________小鼠作为实验组，用患糖尿病小鼠作为对照组1，用________小鼠作为对照组2；实验组注射________________，对照组1、2注射等量的生理盐水，一定时间后若实验组和对照组____的血糖浓度均在正常范围内，而对照组____的血糖浓度高于正常范围，则表明一定量的X能使患糖尿病小鼠的血糖浓度下降到正常范围。解析：(1)实验过程中可以变化的因素称为变量，其中人为改变的变量称为自变量，本题中实验鼠是否注射X溶液为自变量；随自变量的变化而变化的变量称为因变量，本实验中血糖浓度的变化是因变量。除了一个因素以外，其他因素都保持不变的实验叫做对照实验。本实验过程中设置了对照实验，即注射X溶液与生理盐水形成对照，并且在实验前后均要测定小鼠的血糖浓度。本实验为验证性实验，故预测实验结果是对照组血糖浓度不变，实验组血糖浓度下降。(2)要验证一定量的X能使患糖尿病小鼠的血糖浓度下降到正常范围，除需要用患糖尿病小鼠作空白对照外，还需要增设正常鼠作恢复到正常范围的对照，预测结果是实验组和增设的正常鼠的血糖浓度在正常范围内，对照组1患糖尿病小鼠的血糖浓度高于正常范围。答案：(1)血糖浓度X溶液生理盐水血糖浓度对照组血糖浓度不变，实验组血糖浓度下降(2)患糖尿病正常一定量的X溶液(或X溶液)21命题2实验结果实例分析2．(表格分析类)(2015·高考广东卷，5)用秋水仙素处理某二倍体植物的愈伤组织，从获得的再生植株中筛选四倍体植株。预实验结果如下表，正式实验时秋水仙素浓度设计最合理的是()秋水仙素浓度(g/L)再生植株(棵)四倍体植株(棵)0480244443786281181851092A.0、2、3、4、5、6 B．0、4、5、6、7、8C．0、6、7、8、9、10 D．0、3、6、9、12、15解析：选B。预实验主要是为正式实验摸索条件，本题中正式实验的目的是“从获得的再生植株中筛选四倍体植株”，则预实验后所确定的秋水仙素浓度应符合“再生植株数量多，四倍体植株的数量也多”两个条件。从表中数据可以看出，最适秋水仙素浓度在6g/L左右，故选择的秋水仙素浓度范围为4～8g/L，在这一浓度范围内设置更小梯度进行正式实验，同时加上浓度为0的空白对照组。3．(曲线分析类)(2017·宁波二模)研究人员探究蔗糖(Suc)、一定浓度的吲哚乙酸(IAA)对某植物幼茎细胞伸长的影响，与空白对照组相比，得到如图所示的实验结果。据此可判断()A．Suc抑制幼茎细胞伸长B．Suc和IAA还能促进根细胞的伸长C．IAA是影响幼茎细胞伸长的主要因素之一D．高浓度的IAA对细胞伸长具有抑制作用解析：选C。据图可知用Suc处理后幼茎长度增加，所以Suc具有促进幼茎细胞伸长的作用；无法根据实验结果判断Suc和IAA对根细胞的作用；据图可知IAA促进细胞伸长的作用比Suc的促进作用强，所以可推出IAA是影响幼茎细胞伸长的主要因素之一；高浓度的IAA对细胞伸长具有抑制作用，但在本实验中没有体现。4．(柱形图分析类)(2017·南昌九校联考)为探究物质X增强学习记忆能力的分子机制，将初断乳大鼠随机分成4组，饲养8周后，测定大鼠脑组织中乙酰胆碱酯酶与一氧化氮合酶的活性，实验结果如图所示。下列叙述正确的是()A．乙组中，乙酰胆碱酯酶活性大于一氧化氮合酶活性B．棕榈油能提高大鼠脑组织中乙酰胆碱酯酶与一氧化氮合酶的活性C．小剂量X能明显提高大鼠脑组织中乙酰胆碱酯酶与一氧化氮合酶的活性D．大剂量X能降低大鼠脑组织中乙酰胆碱酯酶与一氧化氮合酶的活性解析：选C。曲线图和柱形图对应的纵坐标数值不同，乙组中乙酰胆碱酯酶活性小于一氧化氮合酶活性，A错误；乙组中一氧化氮合酶的活性小于甲组，说明棕榈油能降低大鼠脑组织中一氧化氮合酶的活性，B错误；比较图中的甲组、丙组和丁组可以看出，小剂量X和大剂量X都能提高大鼠脑组织中乙酰胆碱酯酶和一氧化氮合酶的活性，C正确、D错误。易错点1验证与探究的混淆点拨]一般来说，验证性实验与探究性实验的实质性区别在于实验结果是已知的还是未知的。如果是已知的，大多可以作为验证性实验来考虑，例如教材中“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”的实验；如果是未知的，就可以作为探究性实验来考虑，例如教材中“影响酶活性的条件”的实验。易错点2实验开始前检测与实验结果处理点拨]有些实验开始前需对实验状态进行检测，有些实验结果不能直接观察到实验现象，需要对实验结果进行处理，即再进行一个小的实验。易错点3对实验原理与实验结果解释的混淆点拨](1)实验原理要求写出实验设计的依据，实验设计的主要思路及对实验结果的观测方法。(2)实验结果解释要求用实验原理把实验结果和实验结论联系起来，叙述好前因后果。课时作业1．(2017·重庆八中高三模拟)酒精会导致蛋白质变性，长期饮酒对消化道中的消化酶会有影响吗？兴趣小组的同学利用体积分数为50%的酒精、唾液淀粉酶，探究酒精对消化酶的影响，实验步骤如下。请回答下列问题：(一)实验步骤实验步骤试管甲试管乙步骤1加入体积分数为50%的酒精溶液和pH为6.8的缓冲液各1mL加入蒸馏水和pH为6.8的缓冲液各1mL步骤2各加入质量分数为1%的淀粉酶溶液1mL，混匀后放置一段时间步骤3各加入质量分数为1%的可溶性淀粉溶液1mL，__A__步骤4取出试管，各加入质量分数为1%的碘溶液3滴，观察颜色变化(二)讨论与分析(1)实验中设置试管乙的目的是________，“实验步骤”中A处应为______________________。(2)两支试管最可能的实验结果是甲试管________色，乙试管________色。(3)实验中加入缓冲液的作用是________________________________________________________________________。(4)为什么实验中兴趣小组同学不选用市面上供应的白酒？________________________________________________________________________。解析：(1)设置试管乙的目的是作为对照。实验中底物与反应物混合后应在适宜且相同的条件下反应，所以A应是37℃恒温水浴(适宜温度下)保温一段时间。(2)两支试管最可能的实验结果是甲试管呈蓝色，因为淀粉没有水解，乙试管不变蓝。(3)实验中加入缓冲液是维持反应液中pH值相对稳定。(4)白酒中除了酒精外还含有其他成分，违反了单一变量原则。答案：(1)对照37℃恒温水浴(适宜温度下)保温一段时间(2)(深)蓝浅黄(棕)(不变蓝)(3)维持反应液中pH值适宜且稳定(4)白酒中除酒精外还含有其他成分，不符合单一变量原则2．(2017·昆明质检)某兴趣小组通过实验探究了影响菠菜光合作用强度的某些因素，实验步骤如下：第一步：制备若干大小相同的圆形叶片；第二步：将圆形叶片置于盛有清水的注射器内，堵住注射器前端的小孔，拉动活塞，重复几次；第三步：将处理后的等量圆形叶片分别置于不同浓度的CO2缓冲液(维持实验过程中CO2浓度相对稳定)中；第四步：用一定功率的冷光源在相同距离处照射相同时间；第五步：观察并记录实验结果，如图。请回答下列问题：(1)本实验探究了________________对菠菜光合作用强度的影响，实验结果的观察指标是________________________。(2)实验中进行第二步的目的是____________________；第四步中使用冷光源是为了防止________对实验结果的影响。(3)若要利用该实验中的药品、材料和用具研究光照强度对菠菜光合作用强度的影响，则所用CO2缓冲液的浓度应为________，最好选用________叶片，控制光照强弱的具体措施是________________________________________________________________________。解析：(1)分析图形及题干，自变量有CO2浓度和植物叶片的叶龄，因此实验目的是探究CO2浓度和叶龄对光合作用强度的影响。根据实验过程分析，被抽出气体的圆形叶片在光照前沉在缓冲液最下部，在实验中叶片进行光合作用产生气体，因此上浮，故实验的观察指标是相同时间后各组圆形叶片上浮的数量，据此可判断光合作用强度的大小。(2)实验步骤二的目的是抽去叶片中的气体，从而使圆形叶片能够沉到缓冲液最下部。使用冷光源是为了防止照射过程中温度升高，对实验结果造成影响。(3)要探究光照强度对光合作用的影响，则自变量是光照强度，CO2浓度和叶龄是无关变量，应相同且适宜，因此所用CO2缓冲液的浓度为3%，叶片应选择成熟叶片。可以通过控制光源和实验装置的距离来控制光照强度的大小。答案：(1)CO2浓度和叶龄相同时间后各组实验中圆形叶片上浮的数量(2)使圆形叶片内的气体逸出温度(3)3%成熟调节光源与实验装置间的距离3．(2015·高考四川卷，8)进食可刺激胃腺细胞分泌胃液，胃液中含有胃酸及胃蛋白酶，有利于消化。(1)胃酸可以杀灭进入胃内的细菌，这属于机体的________免疫；胃蛋白酶仅对食物中的蛋白质成分有消化作用，这体现了酶的________性。(2)哺乳动物进食时，食物尚未进入胃内就可引起胃液分泌，称为头期胃液分泌。该过程受神经调节和神经—体液调节的共同调控，如下图所示。①胃泌素通过________运输到达胃腺细胞，促进胃液分泌。若胃酸分泌过多，又可抑制胃泌素的分泌，这种调节方式叫做________。②促进胃腺细胞分泌胃液的信号物质，除胃泌素外还有__________