版高考生物总复习非选择题必考专题四 实验探究 第12讲 实验设计学案.docx
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版高考生物总复习非选择题必考专题四实验探究第12讲实验设计学案
第12讲 实验设计
[考试要求] 1.具备验证简单生物学事实的能力，能设计实验，提出或完善实验思路，能对实验现象和结果进行处理、分析和解释。
2.具有对一些生物学问题进行初步探究的能力。
能提出问题、做出假设和预期、确认变量、设计实验方案、处理和解释数据、做出合理的判断，能对一些简单的实验方案做出恰当的评价和修订。
1.（2018·浙江11月选考）以实验动物蛙为材料，开展神经系统结构与功能的研究。
（要求与说明：
简要写出实验思路，具体实验操作过程不作要求，实验条件适宜）
回答下列问题：
（1）关于反射弧分析的实验及有关问题如下：
为验证脊蛙屈腿反射（属于屈反射）的反射弧是完整的，实验思路是用1%H2SO4溶液刺激蛙一侧后肢的趾尖，出现屈腿，说明反射弧完整。
验证刺激感受器与产生屈腿不是同时发生的实验思路是
___________________________________________________________________。
刺激感受器与产生屈腿不是同时发生的主要原因有
___________________________________________________________________、
____________________________________________________________________。
若某反射从刺激感受器到效应器出现反应的时间比屈腿反射的长，其主要原因是____________________________________________________________________。
若用5%H2SO4溶液刺激蛙一侧后肢的趾尖后，再用1%H2SO4溶液刺激该趾尖，没有观察到屈腿，其原因是________。
（2）神经细胞和肌肉细胞的细胞内Na＋浓度均低于细胞外，K＋浓度均高于细胞外，但这两种细胞内的Na＋浓度不同，K＋浓度也不同。
实验证明蛙下肢的一条肌肉直接与该肌肉相连的神经接触，引起该肌肉收缩，其主要原因是____________
___________________________________________________________________。
若取上述一段神经，用某种药物处理阻断了Na＋通道，然后刺激该神经，其动作电位将________。
（3）将蛙坐骨神经纤维置于生理溶液中，测得其静息膜电位为－70mV。
若在一定范围内增加溶液中的K＋浓度，并测量膜电位变化。
预测实验结果（以坐标曲线图形式表示实验结果）。
解析
（1）由题干信息可知，有效刺激是用1%H2SO4溶液剌激该蛙一侧后肢的趾尖。
因此验证刺激感受器与产生屈腿不是同时发生的实验思路是用1%H2SO4溶液剌激该蛙一侧后肢的趾尖，测定刺激感受器开始到出现屈腿的时间，有时间差，说明不是同时发生的。
兴奋通过突触的传递需要时间、兴奋在神经元上的传导也需要时间，故刺激感受器与产生屈腿不会同时发生。
兴奋在神经纤维上的传导速度远大于在神经元间的传递速度，因此若某反射从刺激感受器到效应器出现反应的时间比屈腿反射的长，其主要原因是组成该反射弧的神经元级数比屈腿反射的多，反射弧中的突触较多。
若用5%H2SO4溶液刺激蛙一侧后肢的趾尖后，再用1%H2SO4溶液刺激该趾尖，没有观察到屈腿，说明5%H2SO4溶液会损伤感受器。
（2）静息状态下，同一细胞表面各处的电位相等，但由于题干所述两种细胞内的Na＋浓度不同，K＋浓度也不同，因此上述两种细胞表面的电位并不相等，相互之间存在电位差。
故一条肌肉直接与该肌肉相连的神经接触，将引起该肌肉收缩。
动作电位产生的机理是Na＋通道开放，Na＋内流，若用某种药物处理阻断了Na＋通道，其动作电位将无法产生。
（3）静息电位产生的机理是K＋通道开放导致K＋外流，而K＋外流量与膜内外K＋的浓度差有关。
因此若在一定范围内增加溶液中的K＋浓度，静息电位绝对值将减小。
具体曲线图见答案。
答案
（1）用1%H2SO4溶液刺激该蛙一侧后肢的趾尖，测定刺激感受器开始到出现屈腿的时间，有时间差，说明不同时发生的 兴奋通过突触的传递需要时间 兴奋在神经元上的传导需要时间 组成该反射弧的神经元级数比屈腿反射的多 感受器受损
（2）神经和肌肉是两种不同的组织，存在电位差 无法产生
（3）
膜电位与溶液钾离子浓度的关系示意图
2.（2017·浙江11月选考）为了研究海拉细胞的细胞增殖，以总细胞数和细胞分裂指数（细胞群体中分裂细胞所占的百分比）为测定指标，完善实验思路，预测实验结果并进行分析与讨论。
（要求：
细胞培养至培养液中营养物质不足。
实验思路涉及的主要用具须写出，但具体操作过程不作要求。
实验条件适宜。
）
回答下列问题：
（1）完善实验思路：
①将已知细胞密度的海拉细胞悬液，用移液管加入到各个含细胞培养液的培养瓶中，然后置于CO2培养箱中培养。
②___________________________________________________________________
__________________________________________________________________。
③对所得数据进行统计与处理。
（2）预测实验结果（以坐标曲线图形表示实验结果）：
（3）分析与讨论：
①细胞计数时，见到压在方格线上的细胞如何计数？
_________________________________________________________________。
②若要得到大量的G1期细胞，可采用的方法是____________________________，原因是______________________________________________________________
___________________________________________________________________。
③若为了检测某种药物对该细胞的增殖有促进作用，可在培养液中加入同位素标记的物质是_________________________________________________________，原因是______________________________________________________________
____________________________________________________________________。
解析
（1）本实验难度不大，题目已经指出实验目的是为了研究海拉细胞的细胞增殖，测定指标以总细胞数和细胞分裂指数（细胞群体中分裂细胞所占的百分比）来表示，因此只需要在实验思路中实现以下内容即可：
将细胞培养至培养液中营养物质不足，每隔一段时间，用血细胞计数板在显微镜下计数并记录总细胞数，同时制作临时装片，在显微镜下观察与计数分裂细胞并记录。
（2）实验过程中要将细胞培养至培养液中营养物质不足，由于营养物质的消耗和有害代谢产物的积累，肿瘤细胞也会出现绝大部分细胞停止分裂的现象，预期实验结果要考虑到这种情况。
由于题目要求用坐标曲线图形呈现可能的实验结果，所以需要先建立坐标系，横坐标标注培养时间，纵坐标标注总细胞数和细胞分裂指数（具体参见答案）。
（3）①细胞计数时，当遇到压在方格线上的细胞，一般只计数左线和上线上的细胞。
②若要得到大量的G1期细胞，可减少培养液中的营养物质成分，由于原料缺少使细胞合成有关物质如RNA和蛋白质等受阻而停滞于G1期。
③若为了检测某种药物对该细胞的增殖有促进作用，可在培养液中加入同位素标记的胸腺嘧啶脱氧核苷，由于胸腺嘧啶脱氧核苷是DNA合成的原料，其进入细胞的量可反映细胞的增殖情况。
答案
（1）②每隔一段时间，用血细胞计数板在显微镜下计数并记录，同时制作临时装片，在显微镜下观察与计数分裂相细胞并记录。
（2）
（3）①只计左线和上线上的细胞
②减少培养液中的营养物质成分 由于原料缺少使细胞合成有关物质如RNA和蛋白质等受阻，而停滞于G1期
③胸腺嘧啶脱氧核苷 胸腺嘧啶脱氧核苷是DNA合成的原料，其进入细胞的量可反映细胞的增殖情况
读图析图—实验设计的程序
→
→
→
（1）分析实验目的和实验原理可推断该实验类型：
________、________，实验变量：
________、________、________和可能的实验结论。
（2）设计实施实验需要遵循________、________、科学性原则、平行重复原则等。
（3）设计实施实验的关键是如何操纵________、控制________和观察检测________。
（4）对比________________和________________，结合实验目的即可归纳概括出实验结论。
提示
（1）验证性实验 探究性实验 自变量 因变量 无关变量
（2）对照原则 单一变量原则 （3）自变量 无关变量 因变量 （4）预期的实验结果 实际的实验结果
考点1 实验变量的分析和控制
1.（2017·浙江4月选考）为探究不同环境因素对某植物叶片中叶绿素含量的影响，进行了相关实验，结果如图。
回答下列问题：
本实验的自变量是__________，因变量是________。
解析 根据题干信息和曲线图知，该实验的自变量是光照和温度，因变量是叶绿素相对含量。
答案 光照和温度 叶绿素含量
2.夏季涨水，河边被水淹没的马铃薯田中马铃薯块茎进行厌氧呼吸会产生大量乳酸，乳酸能刺激鳙鱼前来觅食。
利用豆渣接种乳酸菌生产鳙鱼饵料并进行效果测试的相关实验见下表（a～d表示实验步骤）。
请回答：
实验一 饵料制备
发酵罐组别
1
2
3
4
5
6
a加入培养液
煮沸后冷却的豆渣培养液各10L
b接种菌液
10mL
20mL
30mL
40mL
50mL
XmL
c发酵培养
43℃及Y环境下培养4天
d成品处理
倒出发酵罐中的溶液，烘干成粉末并装袋，编号为1～6号
实验二 效果测试
a
将同期发育的相同大小的鳙鱼苗等量放养在6个实验池中
b
每天同时向6个实验池中对应投喂等量且适量的成品1～6号饵料
c
5天后测定相关指标：
________
（1）实验一中自变量为________。
X可以设为________或________，作用分别是________和________。
（2）豆渣需要经过煮沸处理，目的是_______________________________________
____________________________________________________________________。
Y为_____________________________________________________________。
（3）实验二中c的指标可以为_________________________________________。
解析
（1）实验一中自变量为一定梯度体积的乳酸菌液。
X可以设为0或60，作用分别是空白对照和梯度间相互对照。
（2）豆渣需要经过煮沸处理，目的是防止杂菌产生其他物质干扰实验结果。
Y为无氧，这样才能保证乳酸菌的生命活动。
（3）实验二中c的指标可以为各组实验池中鳙鱼的平均体重（体长）、饵料的残余量（消耗量）。
答案
（1）一定梯度体积的乳酸菌液 0 60 空白对照 梯度间相互对照
（2）防止杂菌产生其他物质干扰实验结果 无氧
（3）各组实验池中鳙鱼的平均体重（体长）[或饵料的残余量（消耗量）]
（1）变量：
或称因子，是指实验过程中被操作的特定因素或条件。
按性质不同，通常可分为两类：
因
定义
果
定义
实验
变量
亦称自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件
反应
变量
亦称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果
无关
变量
亦称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件
额外
变量
亦称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果
（2）变量的控制
控制变量是指控制其他因素不变，集中研究其中一个因素的变化，保证实验不受干扰或将干扰因素降到最低程度。
通过实验控制，尽量减小实验误差，以取得较为精确的实验结果。
①操纵实验变量的方法：
设法给研究对象施加干扰，造成研究对象的变化，从而使研究对象在被干扰状态中反映出某种现象和属性。
②检测反应变量的方法：
根据实验原理和实验条件确定观察、测量的指标和方法。
具体包括：
观察特异性的颜色变化、沉淀反应；观察形态结构、生理变化；测量生长发育速度；测量生化反应速度。
特别要注意，因变量和观测指标的区别，因变量是由于自变量的改变而引起的变化，这种变化有时不是直接能观察到的，因此要有一定的观测数据。
如“探究pH对过氧化氢酶活性的影响”实验中，自变量是不同pH，因变量是酶的活性，但是酶的活性不是直接能观察到的，要通过气泡释放量来衡量。
这时的气泡释放量是观察指标而不是因变量。
③控制无关变量的方法（平衡控制）：
排除因实验对象的个体差异带来的影响；设法创造稳定的相同的条件进行对照，以抵消或排除这些因素对实验对象的干扰；设法提供适宜条件，以排除不利环境条件对实验对象的影响；重复实验，排除偶然因素的干扰，减小实验误差。
不论一个实验有几个变量，都应确定一个实验变量，观测一个反应变量，这就是单一变量原则，它是处理实验中复杂关系的准则之一。
考点2 实验目的的识别和书写
3.欲研究支配胰岛的某神经的作用，选取健康大鼠，持续电刺激此神经，测定血液中胰岛素和胰高血糖素的浓度，结果如图所示。
请回答：
实验目的是_________________________________________________________
_________________________________________________________________。
解析 从题干可知，自变量为支配胰岛的某神经刺激持续时间。
从题干或曲线图中可获得两个观察指标即血液中胰岛素和胰高血糖素的浓度，其可转换成两个因变量即胰岛素和胰高血糖素的分泌情况。
因此实验目的是研究支配胰岛的某神经对大鼠胰岛素和胰高血糖素分泌的影响。
答案 研究支配胰岛的某神经对大鼠胰岛素和胰高血糖素分泌的影响
4.某生物兴趣小组做了一系列的实验后，得到的结果如图所示。
请回答：
实验目的是_____________________________________________________。
解析 据图分析，组1和组2的自变量是赤霉素，组2和组3的自变量是赤霉素合成抑制剂，组1和组4、组2和组5、组3和组6的自变量都是光照时间。
该实验的自变量是光照时间、赤霉素和赤霉素合成抑制剂，而因变量是茎的生长情况，所以实验目的是探究光照时间、赤霉素和赤霉素合成抑制剂对某种植物茎生长的影响。
答案 探究光照时间、赤霉素和赤霉素合成抑制剂对某种植物茎生长的影响
（1）识别实验目的：
认真读题，弄清该题要验证或探究的是什么样的生物学事实。
一般在题干中有“验证……”“证明……”即为实验目的。
有些实验需要对其去粗取精，提炼要点。
（2）实验目的书写
①模式：
探究（或验证）自变量（1或2）对研究对象＋因变量（1或2）的影响（作用）。
②关键：
准确识别自变量和因变量。
有些实验题的自变量或因变量，从实验目的的角度分析，初看不止一个，较难以确定。
可以用“分解目的法”来确定实验的自变量和因变量。
如“请根据以下提供的实验材料，完善生物制剂W对动物不同细胞的分裂具有促进作用的实验思路”可以将实验目的进行分解，将其分解为两个小目的：
①验证生物制剂W对动物正常体细胞的分裂具有促进作用；②验证生物制剂W对动物的癌细胞的分裂具有促进作用。
得出该实验的自变量为生物制剂W的有无，因变量有两个，分别为正常细胞的分裂情况和癌细胞的分裂情况。
考点3 实验原理的书写
5.根据提供的实验材料及用具，食品卫生质量检验人员设计了一个检测稻米新鲜程度的简易实验：
实验目的：
根据过氧化氢酶活性的强弱来鉴别稻米是新稻米还是陈稻米。
材料、用具：
新稻米、待测稻米、质量分数为1%愈创木酚（氧气存在时被氧化成红褐色物质，与氧浓度呈正相关）等。
实验步骤：
第一步：
取两支具塞试管，分别编号为A和B；A管内放入适量的新稻米，B管内放入等量的待测稻米。
第二步：
用移液管分别往两支试管内加入等量且适量的质量分数为1%的愈创木酚溶液，浸没稻米，盖上试管塞，充分摇匀，静置一段时间后，弃掉多余液体。
第三步：
将两支试管中浸有1%愈创木酚的稻米分别倒入两个对应编号的培养皿中，用镊子摊开，然后，用移液管吸取体积分数为1%的过氧化氢分别滴入培养皿内的稻米中，使所有稻米都浸有过氧化氢。
第四步：
一段时间后，用放大镜观察两培养皿中稻米的颜色变化。
预期结果及结论：
A培养皿中的新稻米呈红褐色。
B培养皿中的待测稻米若颜色很浅或几乎无色，则是陈稻米；若待测稻米颜色也呈红褐色，则是新稻米。
请依据实验目的和实验流程，正确分析预期结果及结论，准确书写相应的实验原理：
_________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
解析 实验原理可以依据已知的实验目的和材料书写，也可以在实验完成后，根据实验的过程和步骤等来书写。
其内容一方面侧重于写出为什么这样操作，另一方面侧重于写出为什么出现这样的现象。
这里面涵盖了：
自变量作用的科学依据，操作自变量的原理和因变量获得的原理等。
依据实验目的可知，本实验的自变量为“过氧化氢酶活性的强弱”，再结合实验材料用具可知，因变量为“质量分数为1%的愈创木酚氧化后的颜色变化”。
因此，实验原理可概括为：
①植物体内的过氧化氢酶在有过氧化氢存在时，能使愈创木酚氧化成红褐色物质；②愈创木酚氧化后颜色的深浅与酶活性呈正相关。
答案 植物体内的过氧化氢酶在有过氧化氢存在时，能使某些酚类物质（如愈创木酚）氧化成红褐色物质，其颜色的深浅与酶活性呈正相关
6.为了验证胰岛素具有降低血糖浓度的作用，以小鼠活动状况为观察指标设计实验。
某学生的实验方案如下：
①将20只生理状况相同的正常小鼠随机分成A、B两组，观察并记录其活动状况。
②给A组小鼠注射适量胰岛素溶液，给B组小鼠注射等量生理盐水。
一段时间后，A组小鼠会出现四肢无力、活动减少甚至昏迷等低血糖症状，B组小鼠活动状况无变化。
③A组小鼠出现低血糖症状后，分别给A、B两组小鼠注射等量葡萄糖溶液。
一段时间后，A组小鼠低血糖症状缓解，B组小鼠活动状况无变化。
该实验方案可以说明胰岛素具有降低血糖浓度的作用。
请回答：
该实验的原理是_______________________________________________________
__________________________________________________________________。
解析 从实验目的看，自变量为胰岛素，所以书写原理时，胰岛素的作用就是原理的核心内容。
先写结论：
胰岛素具有降低血糖浓度的作用。
再定结果（现象）：
机体出现活动减少、甚至昏迷等低血糖症状；缓解（题干中给出）。
最后写两者的联系：
生物体内胰岛素含量过高时，引起血糖浓度下降；可以通过补充葡萄糖溶液使低血糖症状得到缓解。
最后按书写格式整理成连贯的、条理清晰的答案。
答案 胰岛素具有降低血糖浓度的作用。
生物体内胰岛素含量过高时，引起血糖浓度下降，机体出现活动减少、甚至昏迷等低血糖症状，此症状可以通过补充葡萄糖溶液得到缓解
三段法析实验原理
（1）实验原理一般由三段组成。
自变量和因变量的关系＋因变量的观测指标＋实验具体过程描述。
（2）自变量的作用（反应）原理，即“为什么这么做”。
要密切关注实验目的及题干信息，注意充分利用题干的提示或联系教材基础知识进行准确描述。
（3）因变量的检测原理（或操作原理、现象原理），即“为什么出现这样的现象”。
考点4 实验设计的原则
7.呼吸熵（RQ）指单位时间内进行呼吸作用的生物释放CO2量与吸收O2量的比值，下列有关分析错误的是（ ）
A.在某温度下10min内，若甲、乙装置中墨滴分别左移30mm、200mm，则萌发的小麦种子的呼吸熵是1.15
B.若要测某幼苗的呼吸熵，需黑暗处理，避免光合作用干扰
C.若运用乙装置测量小麦种子的有氧呼吸速率，则需要设置对照组
D.若要排除外界物理因素的干扰，应设置对照组，即另加两组分别与甲、乙相同的装置，只是将等量的萌发的小麦种子替换为等量的煮沸灭菌的小麦种子
解析 分析题意和题图可知，乙装置中墨滴移动的距离可代表O2的吸收量，甲装置中墨滴移动的距离可代表CO2的释放量与O2的吸收量的差值。
乙装置中墨滴左移200mm可反映消耗的O2量，与甲装置对照分析可知，释放的CO2量引起墨滴移动的距离为170mm，所以呼吸熵为170/200＝0.85，A错误；若要测某幼苗的呼吸熵，需避免幼苗进行光合作用，因其会干扰呼吸作用中相关气体量的变化，B正确；温度等外界物理因素（如热胀冷缩）也会引起气体体积的变化，设置相应的对照实验以排除外界因素对测量生物呼吸作用的影响，C正确；因是与装置甲、乙作对照，故对照装置中的大试管内应放等量的煮沸灭菌的小麦种子，小烧杯中的液体则和原装置中的相同，D正确。
答案 A
8.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作要求）
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
实验设计的原则
（1）科学性原则
指整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。
包括实验原理的科学性、实验材料选择的科学性、实验方法的科学性、实验结果处理的科学性。
（2）平行重复原则
实验设计中必须设计多组相同的实验或足够的实验次数，保证实验的可重复性，在定量实验中需对多组实验的结果取平均值。
（3）对照性原则
一个实验通常分为实验组和对照组。
实验组是施加实验变量处理的
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