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生物学实验初识
一、生物学实验中的变量
1．自变量：在实验中人为控制的变量。
2．因变量：随自变量的变化而变化的变量。
3．无关变量：除自变量外，实验过程中可能对实验结果造成影响的变量。无关变量的“无关”是指与实验研究目的无关，并不是指与因变量无关。
二、生物学实验设计应遵循的基本原则
1．科学性原则
实验设计必须有充分的科学依据，科学性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．对照性原则
对照实验是除所控因素(自变量)外其他条件与被对照实验完全相同的实验。科学地设置对照实验，能够有效地排除其他因素对实验结果的干扰，增强实验的可信度。设置对照组有4种方法：
类型 设置对照实验 举例
空白对照 对照组不作任何处理或加入适量蒸馏水(生理盐水) 如验证酶的催化功能，则对照组不作任何处理，让其自然反应
自身对照 实验组和对照组处理都在同一实验对象上进行 植物细胞质壁分离及质壁分离复原实验中对同一装片2次实验处理，3次观察
条件对照 给对象施以某种实验处理(不是实验假设所给定的实验变量)，但这种处理是作为对照的，通过得出两种相互对立或相同的结论，以验证实验结论的正确性 在“验证生命活动的直接供能物质是ATP而不是葡萄糖”实验中，甲组为实验组(加ATP)，乙组为条件对照组(加葡萄糖)，不添加任何物质的丙组是空白对照组
相互对照 不单独设置对照组，而是几个实验组相互对照 探究“pH(温度)对酶活性的影响”中系列pH(温度)实验装置
3.单一变量原则和等量原则
(1)不论一个实验有几个实验变量，实验组和对照组只有一个变量(自变量)不同。
(2)实验中要尽可能避免无关变量的干扰。例如，在“探究淀粉酶对淀粉和蔗糖水解作用”的实验中，加入的底物种类不同是单一变量，而加入的淀粉酶的量、底物的量、反应温度、pH则应控制在相同且适宜的条件，即等量原则，防止无关变量干扰实验结果。
4．平行重复性原则
同时处理多个实验材料或进行多次实验，可以避免实验结果的偶然性，使结论更准确。
5．实例分析
(1)酶相关实验探究中的变量分析
项目 变量分析
酶的高效性 自变量 不同的催化剂，即无机催化剂与酶等
因变量 底物的分解速率或产物的生成速率
无关变量 底物量、酶的数量、反应温度、pH等
酶的专一性 自变量 不同底物或不同酶液
因变量 底物是否被分解或有无产物生成
无关变量 底物量、酶的数量、反应温度、pH等
影 响 酶 催 化 功 能 的 因 素 温度 自变量 一系列温度梯度(至少三组)
因变量 底物的分解速率或剩余量(产物的生成速率或产生量)
无关变量 底物浓度、试剂量、酶浓度、pH等
pH 自变量 一系列pH梯度(至少三组)
因变量 底物的分解速率或剩余量(产物的生成速率或产生量)
无关变量 底物浓度、试剂量、酶浓度、温度等
(2)“观察植物细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验存在自身对照，分析如下：
①实验对象：同一成熟的植物细胞。
②观察对象：液泡大小和颜色的变化。
③在这一实验中有两次对照，具体如下：
例1　在“观察植物细胞的质壁分离及质壁分离复原现象”实验中，对紫色洋葱鳞片叶外表皮临时装片进行了三次观察(如图所示)。下列有关叙述正确的是(　　)
A．第一次观察时容易看到紫色大液泡和较大的无色细胞溶胶区域
B．第二次观察时可以发现细胞质壁分离首先发生在细胞的角隅处
C．吸水纸的主要作用是吸除滴管滴加的多余液体，以免污染镜头
D．通常可以省略第一次显微观察步骤节约实验时间
例2　(2024·金华高一期中)在淀粉－琼脂块上的5个圆点位置，分别用蘸有不同液体的棉签涂抹，然后将其放入37 ℃恒温箱中保温。2 h后取出淀粉－琼脂块，用碘－碘化钾溶液(红棕色)处理1 min，然后用清水冲洗掉碘－碘化钾溶液，观察圆点的颜色变化。五种处理的结果记录如表。下列叙述错误的是(　　)
位置 处理圆点的液体 碘－碘化钾溶液处理后的颜色反应
① 清水 蓝色
② 煮沸的新鲜唾液 蓝色
③ 与盐酸混合的新鲜唾液 蓝色
④ 新鲜唾液 红棕色
⑤ 2%的蔗糖酶溶液 ？
A.圆点①属于对照处理的圆点，因为处理的液体仅为清水，未添加试剂
B．圆点②和圆点③的颜色反应结果，是由于高温和盐酸改变了唾液中酶的活性
C．圆点④中唾液进行适当的稀释后得到相同的实验结果，是因为酶具有高效性
D．若圆点⑤呈现蓝色，很可能是使用的蔗糖酶溶液含有淀粉酶
三、生物实验设计的一般步骤
实验设计程序：明确实验目的→分析实验原理→设计实验→进行实验→实验结果→得出结论。
1．实验目的
(1)验证性实验：寻找题干信息，一般写有“验证……”，验证内容为一个确定的事实、道理或结论，即为该实验的实验目的。
(2)探究性实验：首先分析实验的自变量和因变量。此类实验的实验目的一般书写为“探究自变量对因变量的影响”“探究自变量与因变量的关系”“探究自变量的作用”等，或者即便带有“验证”二字，但不是确定的结论。
2．实验假设
实验假设就是依据你要研究的对象或者研究目的作出推测，假设通常有一种或几种答案或解释。但是需要注意的是，提出假说要有理论依据，因为此类题目一般伴随着开放性答案。比如“你提出此假设的依据是什么”。这类题型的答法：“如果……现象，则……结论”。
3．实验原理
实验基本原理是实验设计所依据的理论根据，是实验设计的依据和思路。所以，要掌握生物教材中涉及的各种试剂的选择依据及相应生理过程，进而确定实验原理。
4．实验思路
实验思路不需要写出具体的可操作的实验步骤，只需一个大致的实验设计过程。比如：用某种方法处理某种材料，观察其对某方面的影响效果。
5．实验步骤
根据实验目的和提出的假设，确定实验的基本思路，确定选材、装置及实验对照等。并且设计实验的具体方法和步骤，按照设计的方案进行操作。
(1)共性处理实验材料：取材、分组、编号。
比如：取若干生长状况相似的材料随机均分为若干组，并编号为A、B、C或者甲、乙、丙……
大家可根据具体实验灵活地进行语言描述。比如：植物“选择长势相同、大小相似的同种植物(或者同种植物的相同部位)随机等量分组，分别编号为A、B、C……”；动物“选择生理状况相似、性别相同、健康的某种动物随机等量分组，分别编号为A、B、C……”；溶液“取三支试管，分别编号为A、B、C……，各加入等量的某溶液”。
(2)单一变量原则，对照处理各组材料。
对照组：不施加实验变量；实验组：施加实验变量。除此之外，大家注意要控制无关变量，保证其他条件(如温度、pH、光强度、饲料种类和数量、喂养次数、时间等)相同且适宜，试剂等量且适量。
(3)相同条件培养相同时间。
(4)观察记录实验结果。
比如：将某某放在相同且适宜的环境中培养一段时间后，观察(颜色变化、沉淀反应、形态结构、生理特征变化等)或测定(生长发育速度、生化反应速度等)……，记录数据并进行相关处理。
6．实验结果和结论
实验结果是从实验中得出的数据或现象，可观察或可记录，而实验结论是对实验结果分析后得出的结论。
(1)验证性实验：验证性实验结论一般就在题目中，就是“验证……”“证明……”等后面的文字。
(2)探究性实验：探究性实验结果和结论不是唯一的，所以要求大家把各种可能的结果全部列出。一般描述为“若出现某实验结果，则说明某实验结论”。
例3　某同学在研究过氧化氢酶的相关特性和影响其活性的相关因素时，设计了如图甲、乙、丙3组实验。请补充完成实验思路，并完成其他相关问题：
(1)实验步骤：
①准备3个完全相同的大烧杯，各装入等量的清水(足够多)。
②在事先准备好的3个完全相同的小型圆底烧瓶中分别加入等量的________________。
③向各小型圆底烧瓶中迅速加入______________________________________________
的相应物质。
④烧瓶口紧包着一个小气球，使小型圆底烧瓶沉于烧杯底部的____________(瓶内产生气体达到一定量时烧瓶即可浮起)。
⑤________________________________，仔细观察各个装置中小型圆底烧瓶的位置变化。
(2)实验结果预测：______装置中的小型圆底烧瓶最先浮起。
(3)请写出至少3个实验结论：①_____________________________________________
____________；②_________________________________________________________；
③________________________。
(4)甲、乙、丙3组实验，其中__________为对照组。中学实验室常用植物性新鲜材料______________来代替新鲜肝脏匀浆。
1．如图为某同学进行的一项实验的基本操作步骤，下列叙述错误的是(　　)
A．b步骤是观察细胞质大小及细胞壁的位置
B．e步骤滴加的是清水
C．该实验是观察植物细胞的质壁分离与质壁分离复原
D．实验前后的处理形成了自身对照
2．(2024·金华高一期末)某同学进行了比较过氧化氢在不同条件下的分解实验，所设计的实验分组如图所示，各试管中均已加入等量、适量的过氧化氢溶液。下列叙述正确的是(　　)
A．本实验的自变量是催化剂种类
B．1号与2号试管对照可说明酶具有高效性
C．1号与4号试管对照可说明酶具有催化作用
D．3号与4号试管对照可说明酶具有专一性
3．(2024·温州高一期中)为探究种植番茄时施用锌肥的最佳浓度范围，科研人员将多株长势相同的番茄幼苗均分为8组，分别喷施不同浓度的硫酸锌溶液，结果如图所示(不考虑SO对实验结果的影响)。下列有关叙述错误的是(　　)
A．该实验的自变量是硫酸锌溶液的浓度，因变量是平均果实产量
B．每组幼苗培养的条件包括温度等应相同且适宜
C．由实验结果分析，施用硫酸锌溶液的最佳浓度范围是12～16 mg/L
D．高浓度的硫酸锌溶液处理后，番茄幼苗可能因为失水萎蔫
4．(2024·浙江9＋1高中联盟高一期中)“多酶片”是经特殊工艺制成的双层药片，可用于治疗消化不良、食欲缺乏，如图为多酶片内部结构示意图。请分析回答下列问题：
(1)为充分发挥多酶片的作用，使用时应__________(填“整片吞服”或“嚼碎服用”)，理由是_____________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________。
(2)某同学为了验证多酶片中的胃蛋白酶具有帮助人体消化的作用，设计了以下实验：
材料用具：多酶片一盒、大小相同的蛋白块若干、pH＝1.5的缓冲溶液、pH＝8.5的缓冲溶液、蒸馏水、恒温水浴箱等。
实验步骤：
①制备胃蛋白酶溶液：取适量多酶片放入盛有________________________的烧杯中，几分钟后待糖衣溶解，取上层溶液备用；
②取试管A加入适量上述制备的胃蛋白酶溶液，试管B加入___________________________作为对照；
③分别往试管A、B中加入一块大小相同的蛋白块，在________________中保温30分钟。
④观察两支试管中蛋白块的体积变化。
预期结果：____________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)结合所学的知识，你认为服用多酶片时还应注意________________________________(答出一点即可)。
5．(2024·宁波高一期中)科学家在研究Na＋通过细胞膜的运输方式时做了如下实验：向枪乌贼的神经细胞内注入微量的放射性同位素24Na＋，在不同条件下分别检测神经细胞周围溶液中的24Na＋，实验方法和现象如表。如图表示物质通过细胞膜进出神经细胞的示意图，甲、乙表示物质，①②③④表示跨膜运输方式。回答下列问题：
分组 实验处理步骤 观察到的现象
① ② ③
1 向枪乌贼的神经细胞内注入微量的放射性同位素24Na＋ 无 无 神经细胞周围溶液中出现24Na＋
2 向枪乌贼的神经细胞内注入微量的放射性同位素24Na＋ 加入某种药物 无 神经细胞周围溶液中没有出现24Na＋
3 向枪乌贼的神经细胞内注入微量的放射性同位素24Na＋ 加入某种药物 加入ATP(能量物质) 神经细胞周围溶液中出现24Na＋
(1)第1组实验的作用是____________，神经细胞周围溶液中出现的24Na＋来源于____________。
(2)“某种药物”的作用机理是________(填“促进”或“抑制”)细胞呼吸，与此过程相关的细胞器是____________。
(3)通过____________组对比，说明神经细胞排出24Na＋需要消耗____________。
(4)该研究结果说明Na＋通过细胞膜的方式如图中的________(填序号)。
(5)神经细胞吸收水溶性分子或离子往往不能通过方式①，这与甲的某种分子特性有关，即________________；乙表示____________，乙的结构具有多样性，原因是________________。图中能体现神经细胞膜的功能特性的运输方式是_________________________(填序号)。
6．(2024·浙江浙南名校联盟高一期中)某科研小组对某种水产鱼消化道中的蛋白酶的活性进行研究，其中图甲是在17 ℃的室温中进行的，图乙是在各种酶的最适pH条件下进行的。具体结果如图：
回答下列问题：
(1)由图甲可知，将肠蛋白酶置于胃蛋白酶的最适pH中，酶活性为零的原因是____________________________________________________________________________；胃蛋白酶随食物一起进入肠道，最终被肠道中消化酶水解成________。
(2)若将图甲的实验温度调到16 ℃，请在图甲中画出幽门盲囊蛋白酶在不同pH条件下的酶活性。
(3)仅通过图乙能判断出各种酶的最适温度吗？________。若已知胃蛋白酶的最适温度在研究小组的研究范围之内，请判断该酶的最适温度范围____________。请设计实验探究胃蛋白酶的最适温度(写出实验思路)：_______________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________。
答案精析
例1　B　[第一次观察时由于未滴加蔗糖溶液，细胞还没有发生质壁分离，较易观察到的是紫色的大液泡，由于此时液泡占整个细胞体积的比例较大，因此观察到的无色的细胞溶胶区域应较小，A错误；第二次观察时已经通过引流法使紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞浸润在蔗糖溶液中，可以发现首先从细胞的角隅处开始发生质壁分离，B正确；吸水纸的主要作用是吸引蔗糖溶液或清水，使溶液浸润整个标本，C错误；第一次显微观察是为了获得实验前的现象，便于和实验中的现象变化进行前后对照，因此不能省略，D错误。]
例2　D　[圆点①处理的液体仅为清水，未添加试剂，属于空白对照处理的圆点，A正确；圆点②加入的是煮沸的新鲜唾液，其中淀粉酶的空间结构被高温破坏而失活，使淀粉未被分解，所以遇碘－碘化钾溶液呈现蓝色，圆点③加入的是与盐酸混合的新鲜唾液，其中淀粉酶的空间结构被盐酸破坏而失活，使淀粉未被分解，所以遇碘－碘化钾溶液呈现蓝色，故圆点②和圆点③的颜色反应结果相同，是由于高温和盐酸改变了唾液中酶的活性，B正确；蔗糖酶具有专一性，不能水解淀粉，故圆点⑤呈现蓝色。若使用的蔗糖酶溶液含有淀粉酶，淀粉被分解，圆点⑤将呈现红棕色，D错误。]
例3　(1)②过氧化氢溶液　③(适量且)等量　④同一位置(高度)　⑤相同且适宜的条件下放置一段时间　(2)乙　(3)①酶具有催化作用　②酶具有高效性　③久置会导致酶失活(环境因素会影响酶的活性，甚至失活等)　(4)甲、丙　马铃薯匀浆
解析　(2)据题图可知，乙装置中为新鲜的肝脏匀浆，故其中的过氧化氢酶含量最多，单位时间的氧气产生量最大，预期乙装置中小型圆底烧瓶最先浮起。(3)与常温相比，加入酶后反应变快，故可推测酶具有催化作用；甲和乙的不同在于催化剂种类不同，与无机催化剂甲相比，乙催化效率高，故说明酶具有高效性；乙和丙的结果可以说明久置会导致酶失活(环境因素会影响酶的活性，甚至失活等)。(4)本实验目的是探究过氧化氢酶的相关特性和影响其活性的因素，则实验的对照组为甲、丙，实验组为乙；由于马铃薯匀浆中也含有过氧化氢酶，故中学实验室常用植物性新鲜材料马铃薯匀浆来代替新鲜肝脏匀浆。
跟踪训练
1．A　[b步骤是在显微镜下观察液泡的大小和细胞膜及其以内部分与细胞壁的位置，而不是细胞质的大小，A错误；c步骤是进行质壁分离处理的实验操作，e步骤是进行质壁分离复原处理的实验操作，所以e步骤滴加的是清水，B正确；d、f步骤分别是观察质壁分离和质壁分离复原的现象，C正确；本实验对照设计十分巧妙，前后形成自身对照，D正确。]
2．C
3．C　[幼苗培养的条件包括温度等在实验中属于无关变量，要保持相同且适宜，B正确；由实验结果分析，施用硫酸锌溶液的最佳浓度范围是12～20 mg/L，C错误；植物细胞的原生质层相当于半透膜，当外界溶液浓度高于细胞液浓度时，植物细胞会失水，高浓度的硫酸锌溶液处理后，番茄幼苗可能因为失水萎蔫，D正确。]
4．(1)整片吞服　整片吞服使肠溶衣包裹的酶在肠液中发挥作用(或嚼碎服用，肠溶衣包裹的酶释放后会在酸性的胃液中失活而无法发挥作用)　(2)①适量pH＝1.5 的缓冲溶液　②等量 pH＝1.5 的缓冲溶液　③37 ℃恒温水浴箱　④试管A的蛋白块体积变小(或消失)，试管B的蛋白块基本不变　(3)用温水送服(或不可用过烫的开水送服)
解析　(1)“多酶片”是被双层包裹的药物，为使药物充分发挥作用，使用时建议整片吞服，这是因为整片吞服使肠溶衣在胃液中不被破坏，确保肠溶衣包裹的酶在肠液中发挥作用，若嚼碎服用，肠溶衣包裹的酶释放后会在酸性的胃液中失活，从而导致无法发挥作用。(2)本实验的目的是验证多酶片中的胃蛋白酶具有帮助人体消化的作用，该实验的自变量为是否使用多酶片，因变量为酶促反应速率，因此实验步骤如下：①制备胃蛋白酶溶液：取适量多酶片放入盛有适量pH＝1.5 的缓冲溶液的烧杯中，这样可以保证胃蛋白酶的活性，几分钟后待糖衣溶解，取上层溶液备用；②取试管A(实验组)加入适量上述制备的胃蛋白酶溶液，试管B(对照组)加入等量 pH＝1.5的缓冲溶液作为对照；③分别往试管A、B中加入一块大小相同的蛋白块，在37 ℃恒温水浴箱中保温30分钟，其目的是保证酶促反应的适宜温度条件；④观察两支试管中蛋白块的体积变化。若实验结果为试管A的蛋白块体积变小(或消失)，试管B的蛋白块基本不变，则该结果支持上述结论。(3)多酶片中含有多种酶类，且不同种类的酶发挥催化作用所需要的外界环境条件不同，但都需要适宜的温度，因此在服用多酶片时应用温水送服(或不可用过烫的开水送服)，否则会导致酶的空间结构受到破坏，无法发挥应有的作用。
5．(1)作为对照　神经细胞内　(2)抑制　线粒体　(3)1、2、3(或2、3)　ATP(或能量)　(4)④　(5)尾部疏水　蛋白质　氨基酸的种类、数目和排列顺序不同，蛋白质的空间结构不同　①②③④
解析　(1)第1组实验没有加入药物，作为对照组，在神经细胞内注入少量放射性同位素24Na＋，周围溶液中出现24Na＋，说明24Na＋来源于神经细胞内。(2)实验组2和实验组3比较发现，加入某种药物后，神经细胞周围溶液中没有出现24Na＋，加入某种药物，且加入ATP(能量物质)，神经细胞周围溶液中出现24Na＋，则说明该药物能抑制细胞呼吸，减少能量供应，神经细胞不能排出24Na＋，说明该药物最可能作用于神经细胞内的线粒体。(3)通过1、2、3(或2、3)组对比发现，加入某种药物后，溶液中24Na＋的量不增加，而加入ATP后，溶液中24Na＋的量增加，由此可见，神经细胞排出24Na＋需要消耗ATP(能量)。(4)Na＋排出细胞膜需要消耗能量，故24Na＋排出细胞膜的方式是主动转运，图中④为主动转运(需要消耗ATP)。(5)图中的①表示扩散，图中甲表示磷脂双分子层，磷脂分子具有疏水的尾部，故神经细胞吸收水溶性分子或离子往往不能通过方式①(扩散)。图中乙表示蛋白质，由于组成蛋白质的氨基酸的种类、数目和排列顺序不同，蛋白质的空间结构不同，故蛋白质的结构具有多样性。图中的所有运输方式即①(扩散)、②(易化扩散)、③(易化扩散)、④(主动转运)都体现了神经细胞膜的功能特性(选择透过性)。
6．(1)胃蛋白酶的最适pH为2左右，肠蛋白酶的最适pH为7.5左右，将肠蛋白酶置于胃蛋白酶的最适pH中，由于pH过低，肠蛋白酶变性失活，活性为零　氨基酸　(2)如图所示
(3)不能　17～19 ℃　将胃蛋白酶均分为若干组，分别放置在不同的试管中；同时取相同大小质量的蛋白块若干，均分为若干组，置于不同试管中，取一组蛋白酶和一组蛋白块试管置于17～19 ℃系列梯度的温水浴中一段时间后，将每组蛋白块与蛋白酶混合，观察蛋白块的分解速率，并记录
解析　(1)胃蛋白酶的最适pH为2左右，肠蛋白酶的最适pH为7.5左右，将肠蛋白酶置于胃蛋白酶的最适pH中，由于pH过低，肠蛋白酶变性失活，活性为零。胃蛋白酶的化学本质为蛋白质，随食物一起进入肠道，最终被肠道中的消化酶水解成氨基酸。(2)温度调到16 ℃，酶活性降低，但最适pH不变，具体图示见答案。(3)分析图乙的实验结果可知，胃蛋白酶、肠蛋白酶和幽门盲囊蛋白酶的活性随温度的升高而升高，在此温度范围内并没有出现峰值，所以实验不能判断三种酶的最适温度。若已知胃蛋白酶的最适温度在研究小组的研究范围之内，判断该酶的最适温度范围为17～19 ℃，实验思路见答案。(共54张PPT)
微专题三
生物学实验初识
第三章 细胞的代谢
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一、生物学实验中的变量
1.自变量：在实验中人为控制的变量。
2.因变量：随自变量的变化而变化的变量。
3.无关变量：除自变量外，实验过程中可能对实验结果造成影响的变量。无关变量的“无关”是指与实验研究目的无关，并不是指与因变量无关。
二、生物学实验设计应遵循的基本原则
1.科学性原则
实验设计必须有充分的科学依据，科学性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.对照性原则
对照实验是除所控因素(自变量)外其他条件与被对照实验完全相同的实验。科学地设置对照实验，能够有效地排除其他因素对实验结果的干扰，增强实验的可信度。设置对照组有4种方法：
类型 设置对照实验 举例
空白对照 对照组不作任何处理或加入适量蒸馏水(生理盐水) 如验证酶的催化功能，则对照组不作任何处理，让其自然反应
自身对照 实验组和对照组处理都在同一实验对象上进行 植物细胞质壁分离及质壁分离复原实验中对同一装片2次实验处理，
3次观察
类型 设置对照实验 举例
条件对照 给对象施以某种实验处理(不是实验假设所给定的实验变量)，但这种处理是作为对照的，通过得出两种相互对立或相同的结论，以验证实验结论的正确性 在“验证生命活动的直接供能物质是ATP而不是葡萄糖”实验中，甲组为实验组(加ATP)，乙组为条件对照组(加葡萄糖)，不添加任何物质的丙组是空白对照组
相互对照 不单独设置对照组，而是几个实验组相互对照 探究“pH(温度)对酶活性的影响”中系列pH(温度)实验装置
3.单一变量原则和等量原则
(1)不论一个实验有几个实验变量，实验组和对照组只有一个变量(自变量)不同。
(2)实验中要尽可能避免无关变量的干扰。例如，在“探究淀粉酶对淀粉和蔗糖水解作用”的实验中，加入的底物种类不同是单一变量，而加入的淀粉酶的量、底物的量、反应温度、pH则应控制在相同且适宜的条件，即等量原则，防止无关变量干扰实验结果。
4.平行重复性原则
同时处理多个实验材料或进行多次实验，可以避免实验结果的偶然性，使结论更准确。
5.实例分析
(1)酶相关实验探究中的变量分析
项目 变量分析 酶的高效性 自变量 不同的催化剂，即无机催化剂与酶等
因变量 底物的分解速率或产物的生成速率
无关变量 底物量、酶的数量、反应温度、pH等
酶的专一性 自变量 不同底物或不同酶液
因变量 底物是否被分解或有无产物生成
无关变量 底物量、酶的数量、反应温度、pH等
项目 变量分析 影响酶催化功 能的 因素 温度 自变量 一系列温度梯度(至少三组)
因变量 底物的分解速率或剩余量(产物的生成速率或产生量)
无关变量 底物浓度、试剂量、酶浓度、pH等
pH 自变量 一系列pH梯度(至少三组)
因变量 底物的分解速率或剩余量(产物的生成速率或产生量)
无关变量 底物浓度、试剂量、酶浓度、温度等
(2)“观察植物细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验存在自身对照，分析如下：
①实验对象：同一成熟的植物细胞。
②观察对象：液泡大小和颜色的变化。
③在这一实验中有两次对照，具体如下：
例1　在“观察植物细胞的质壁分离及质壁分离复原现象”实验中，对紫色洋葱鳞片叶外表皮临时装片进行了三次观察(如图所示)。下列有关叙述正确的是
A.第一次观察时容易看到紫色大液泡和较大的无色细胞溶胶区域
B.第二次观察时可以发现细胞质壁分离首先发生在细胞的角隅处
C.吸水纸的主要作用是吸除滴管滴加的多余液体，以免污染镜头
D.通常可以省略第一次显微观察步骤节约实验时间
√
第一次观察时由于未滴加蔗糖溶液，细胞还没有发生质壁分离，较易观察到的是紫色的大液泡，由于此时液泡占整个细胞体积的比例较大，因此观察到的无色的细胞溶胶区域应较小，A错误；
第二次观察时已经通过引流法使紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞浸润在蔗糖溶液中，可以发现首先从细胞的角隅处开始发生质壁分离，B正确；
吸水纸的主要作用是吸引蔗糖溶液或清水，使溶液浸润整个标本，C错误；
第一次显微观察是为了获得实验前的现象，便于和实验中的现象变化进行前后对照，因此不能省略，D错误。
例2　(2024·金华高一期中)在淀粉－琼脂块上的5个圆点位置，分别用蘸有不同液体的棉签涂抹，然后将其放入37 ℃恒温箱中保温。2 h后取出淀粉－琼脂块，用碘－碘化钾溶液(红棕色)处理1 min，然后用清水冲洗掉碘－碘化钾溶液，观察圆点的颜色变化。五种处理的结果记录如表。下列叙述错误的是
位置 处理圆点的液体 碘－碘化钾溶液处理后的颜色反应
① 清水 蓝色
② 煮沸的新鲜唾液 蓝色
③ 与盐酸混合的新鲜唾液 蓝色
④ 新鲜唾液 红棕色
⑤ 2%的蔗糖酶溶液 ？
A.圆点①属于对照处理的圆点，因为处理的液体仅为清水，未添加试剂
B.圆点②和圆点③的颜色反应结果，是由于高温和盐酸改变了唾液中酶
的活性
C.圆点④中唾液进行适当的稀释后得到相同的实验结果，是因为酶具有
高效性
D.若圆点⑤呈现蓝色，很可能是使用的蔗糖酶溶液含有淀粉酶
√
圆点①处理的液体仅为清水，未添加试剂，属于空白对照处理的圆点，A正确；
圆点②加入的是煮沸的新鲜唾液，其中淀粉酶的空间结构被高温破坏而失活，使淀粉未被分解，所以遇碘－碘化钾溶液呈现蓝色，圆点③加入的是与盐酸混合的新鲜唾液，其中淀粉酶的空间结构被盐酸破坏而失活，使淀粉未被分解，所以遇碘－碘化钾溶液呈现蓝色，故圆点②和圆点③的颜色反应结果相同，是由于高温和盐酸改变了唾液中酶的活性，B正确；
蔗糖酶具有专一性，不能水解淀粉，故圆点⑤呈现蓝色。若使用的蔗糖酶溶液含有淀粉酶，淀粉被分解，圆点⑤将呈现红棕色，D错误。
三、生物实验设计的一般步骤
实验设计程序：明确实验目的→分析实验原理→设计实验→进行实验→实验结果→得出结论。
1.实验目的
(1)验证性实验：寻找题干信息，一般写有“验证……”，验证内容为一个确定的事实、道理或结论，即为该实验的实验目的。
(2)探究性实验：首先分析实验的自变量和因变量。此类实验的实验目的一般书写为“探究自变量对因变量的影响”“探究自变量与因变量的关系”“探究自变量的作用”等，或者即便带有“验证”二字，但不是确定的结论。
2.实验假设
实验假设就是依据你要研究的对象或者研究目的作出推测，假设通常有一种或几种答案或解释。但是需要注意的是，提出假说要有理论依据，因为此类题目一般伴随着开放性答案。比如“你提出此假设的依据是什么”。这类题型的答法：“如果……现象，则……结论”。
3.实验原理
实验基本原理是实验设计所依据的理论根据，是实验设计的依据和思路。所以，要掌握生物教材中涉及的各种试剂的选择依据及相应生理过程，进而确定实验原理。
4.实验思路
实验思路不需要写出具体的可操作的实验步骤，只需一个大致的实验设计过程。比如：用某种方法处理某种材料，观察其对某方面的影响效果。
5.实验步骤
根据实验目的和提出的假设，确定实验的基本思路，确定选材、装置及实验对照等。并且设计实验的具体方法和步骤，按照设计的方案进行操作。
(1)共性处理实验材料：取材、分组、编号。
比如：取若干生长状况相似的材料随机均分为若干组，并编号为A、B、C或者甲、乙、丙……
大家可根据具体实验灵活地进行语言描述。比如：植物“选择长势相同、大小相似的同种植物(或者同种植物的相同部位)随机等量分组，分别编号为A、B、C……”；动物“选择生理状况相似、性别相同、健康的某种动物随机等量分组，分别编号为A、B、C……”；溶液“取三支试管，分别编号为A、B、C……，各加入等量的某溶液”。
(2)单一变量原则，对照处理各组材料。
对照组：不施加实验变量；实验组：施加实验变量。除此之外，大家注意要控制无关变量，保证其他条件(如温度、pH、光强度、饲料种类和数量、喂养次数、时间等)相同且适宜，试剂等量且适量。
(3)相同条件培养相同时间。
(4)观察记录实验结果。
比如：将某某放在相同且适宜的环境中培养一段时间后，观察(颜色变化、沉淀反应、形态结构、生理特征变化等)或测定(生长发育速度、生化反应速度等)……，记录数据并进行相关处理。
6.实验结果和结论
实验结果是从实验中得出的数据或现象，可观察或可记录，而实验结论是对实验结果分析后得出的结论。
(1)验证性实验：验证性实验结论一般就在题目中，就是“验证……”
“证明……”等后面的文字。
(2)探究性实验：探究性实验结果和结论不是唯一的，所以要求大家把各种可能的结果全部列出。一般描述为“若出现某实验结果，则说明某实验结论”。
例3　某同学在研究过氧化氢酶的相关特性和影响其活性的相关因素时，设计了如图甲、乙、丙3组实验。请补充完成实验思路，并完成其他相关问题：
(1)实验步骤：
①准备3个完全相同的大烧杯，
各装入等量的清水(足够多)。
②在事先准备好的3个完全相同的小型圆底烧瓶中分别加入等量的______________。
③向各小型圆底烧瓶中迅速加入____________的相应物质。
过氧化氢溶液
(适量且)等量
④烧瓶口紧包着一个小气球，使小型圆底烧瓶沉于烧杯底部的_________
_______(瓶内产生气体达到一定量时烧瓶即可浮起)。
⑤________________________________，仔细观察各个装置中小型圆底烧瓶的位置变化。
同一位置
(高度)
相同且适宜的条件下放置一段时间
(2)实验结果预测：______装置中的小型圆底烧瓶最先浮起。
乙
据题图可知，乙装置中为新鲜的肝脏匀浆，故其中的过氧化氢酶含量最多，单位时间的氧气产生量最大，预期乙装置中小型圆底烧瓶最先浮起。
(3)请写出至少3个实验结论：①_______________；②______________；
③_____________________________________________________。
酶具有催化作用
与常温相比，加入酶后反应变快，故可推测酶具有催化作用；甲和乙的不同在于催化剂种类不同，与无机催化剂甲相比，乙催化效率高，故说明酶具有高效性；乙和丙的结果可以说明久置会导致酶失活(环境因素会影响酶的活性，甚至失活等)。
酶具有高效性
久置会导致酶失活(环境因素会影响酶的活性，甚至失活等)
(4)甲、乙、丙3组实验，其中_______为对照组。中学实验室常用植物性新鲜材料___________来代替新鲜肝脏匀浆。
甲、丙
本实验目的是探究过氧化氢酶的相关特性和影响其活性的因素，则实验的对照组为甲、丙，实验组为乙；由于马铃薯匀浆中也含有过氧化氢酶，故中学实验室常用植物性新鲜材料马铃薯匀浆来代替新鲜肝脏匀浆。
马铃薯匀浆
1.如图为某同学进行的一项实验的基本操作步骤，下列叙述错误的是
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A.b步骤是观察细胞质大小及细胞壁的位置
B.e步骤滴加的是清水
C.该实验是观察植物细胞的质壁分离与质壁分离复原
D.实验前后的处理形成了自身对照
√
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5
6
b步骤是在显微镜下观察液泡
的大小和细胞膜及其以内部分
与细胞壁的位置，而不是细胞
质的大小，A错误；
c步骤是进行质壁分离处理的实验操作，e步骤是进行质壁分离复原处理的实验操作，所以e步骤滴加的是清水，B正确；
d、f步骤分别是观察质壁分离和质壁分离复原的现象，C正确；
本实验对照设计十分巧妙，前后形成自身对照，D正确。
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2.(2024·金华高一期末)某同学进行了比较过氧化氢在不同条件下的分解实验，所设计的实验分组如图所示，各试管中均已加入等量、适量的过氧化氢溶液。下列叙述正确的是
A.本实验的自变量是催化剂种类
B.1号与2号试管对照可说明酶具
有高效性
C.1号与4号试管对照可说明酶具有催化作用
D.3号与4号试管对照可说明酶具有专一性
√
3.(2024·温州高一期中)为探究种植番茄时施用锌肥的最佳浓度范围，科研人员将多株长势相同的番茄幼苗均分为8组，分别喷施不同浓度的硫酸锌溶液，结果如图所示(不考虑SO对实验结果的影响)。
下列有关叙述错误的是
A.该实验的自变量是硫酸锌溶液的浓度，
因变量是平均果实产量
B.每组幼苗培养的条件包括温度等应相
同且适宜
C.由实验结果分析，施用硫酸锌溶液的最佳浓度范围是12～16 mg/L
D.高浓度的硫酸锌溶液处理后，番茄幼苗可能因为失水萎蔫
√
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幼苗培养的条件包括温度等在实验中
属于无关变量，要保持相同且适宜，
B正确；
由实验结果分析，施用硫酸锌溶液的
最佳浓度范围是12～20 mg/L，C错误；
植物细胞的原生质层相当于半透膜，当外界溶液浓度高于细胞液浓度时，植物细胞会失水，高浓度的硫酸锌溶液处理后，番茄幼苗可能因为失水萎蔫，D正确。
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4.(2024·浙江9＋1高中联盟高一期中)“多酶片”是经特殊工艺制成的双层药片，可用于治疗消化不良、食欲缺乏，如图为多酶片内部结构示意图。请分析回答下列问题：
(1)为充分发挥多酶片的作用，
使用时应__________(填“整
片吞服”或“嚼碎服用”)，理由是_________________________________
_______________________________________________________________
______________。
整片吞服
整片吞服使肠溶衣包裹的酶在肠液中发挥作用(或嚼碎服用，肠溶衣包裹的酶释放后会在酸性的胃液中失活而无法发挥作用)
“多酶片”是被双层包裹的药物，为使药物充分发挥作用，使用时建议整片吞服，这是因为整片吞服使肠溶衣在胃液中不被破坏，确保肠溶衣包裹的酶在肠液中发挥作用，若嚼碎服用，肠溶衣包裹的酶释放后会在酸性的胃液中失活，从而导致无法发挥作用。
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(2)某同学为了验证多酶片中的胃蛋白酶具有帮助人体消化的作用，设计了以下实验：
材料用具：多酶片一盒、大小相同的蛋白块若干、pH＝1.5的缓冲溶液、pH＝8.5的缓冲溶液、蒸馏水、恒温水浴箱等。
实验步骤：
①制备胃蛋白酶溶液：取适量多酶片放入盛有_______________________
的烧杯中，几分钟后待糖衣溶解，取上层溶液备用；
适量pH＝1.5 的缓冲溶液
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本实验的目的是验证多酶片中的胃蛋白酶具有帮助人体消化的作用，该实验的自变量为是否使用多酶片，因变量为酶促反应速率，因此实验步骤如下：
制备胃蛋白酶溶液：取适量多酶片放入盛有适量pH＝1.5 的缓冲溶液的烧杯中，这样可以保证胃蛋白酶的活性，几分钟后待糖衣溶解，取上层溶液备用；
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②取试管A加入适量上述制备的胃蛋白酶溶液，试管B加入_____________
_________作为对照；
等量pH＝1.5的
缓冲溶液
取试管A(实验组)加入适量上述制备的胃蛋白酶溶液，试管B(对照组)加入等量 pH＝1.5的缓冲溶液作为对照；
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③分别往试管A、B中加入一块大小相同的蛋白块，在________________中保温30分钟。
37 ℃恒温水浴箱
分别往试管A、B中加入一块大小相同的蛋白块，在37 ℃恒温水浴箱中保温30分钟，其目的是保证酶促反应的适宜温度条件；
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④观察两支试管中蛋白块的体积变化。
预期结果：_____________________________________________________。
试管A的蛋白块体积变小(或消失)，试管B的蛋白块基本不变
观察两支试管中蛋白块的体积变化。若实验结果为试管A的蛋白块体积变小(或消失)，试管B的蛋白块基本不变，则该结果支持上述结论。
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(3)结合所学的知识，你认为服用多酶片时还应注意___________________
__________________(答出一点即可)。
用温水送服(或不可
多酶片中含有多种酶类，且不同种类的酶发挥催化作用所需要的外界环境条件不同，但都需要适宜的温度，因此在服用多酶片时应用温水送服(或不可用过烫的开水送服)，否则会导致酶的空间结构受到破坏，无法发挥应有的作用。
用过烫的开水送服)
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5.(2024·宁波高一期中)科学家在研究Na＋通过细胞膜的运输方式时做了如下实验：向枪乌贼的神经细胞内注入微量的放射性同位素24Na＋，在不同条件下分别检测神经细胞周围溶液中的24Na＋，实验方法和现象如表。
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分组 实验处理步骤 观察到的现象
① ② ③ 1 向枪乌贼的神经细胞内注入微量的放射性同位素24Na＋ 无 无 神经细胞周围溶液中出现24Na＋
2 向枪乌贼的神经细胞内注入微量的放射性同位素24Na＋ 加入某种药物 无 神经细胞周围溶液中没有出现24Na＋
3 向枪乌贼的神经细胞内注入微量的放射性同位素24Na＋ 加入某种药物 加入ATP(能量物质) 神经细胞周围溶液中出现24Na＋
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如图表示物质通过细胞膜进出神经细胞的示意图，甲、乙表示物质，①②③④表示跨膜运输方式。回答
下列问题：
(1)第1组实验的作用是_________，
神经细胞周围溶液中出现的24Na＋
来源于____________。
作为对照
神经细胞内
第1组实验没有加入药物，作为对照组，在神经细胞内注入少量放射性同位素24Na＋，周围溶液中出现24Na＋，说明24Na＋来源于神经细胞内。
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(2)“某种药物”的作用机理是________(填“促进”或“抑制”)细胞呼吸，与此过程相关的细胞器是________。
抑制
线粒体
实验组2和实验组3比较发现，加入某种药物后，神经细胞周围溶液中没有出现24Na＋，加入某种药物，且加入ATP(能量物质)，神经细胞周围溶液中出现24Na＋，则说明该药物能抑制细胞呼吸，减少能量供应，神经细胞不能排出24Na＋，说明该药物最可能作用于神经细胞内的线粒体。
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(3)通过________________组对比，说明神经细胞排出24Na＋需要消耗____________。
1、2、3(或2、3)
ATP(或能量)
通过1、2、3(或2、3)组对比发现，加入某种药物后，溶液中24Na＋的量不增加，而加入ATP后，溶液中24Na＋的量增加，由此可见，神经细胞排出24Na＋需要消耗ATP(能量)。
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(4)该研究结果说明Na＋通过细胞膜的方式如图中的_____(填序号)。
④
Na＋排出细胞膜需要消耗能量，故24Na＋排出细胞膜的方式是主动转运，图中④为主动转运(需要消耗ATP)。
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(5)神经细胞吸收水溶性分子或离子往往不能通过方式①，这与甲的某种分子特性有关，即______
______；乙表示________，乙的
尾部
疏水
蛋白质
结构具有多样性，原因是________________________________________
_______________。图中能体现神经细胞膜的功能特性的运输方式是__________(填序号)。
氨基酸的种类、数目和排列顺序不同，蛋白质
的空间结构不同
①②③④
图中的①表示扩散，图中甲表示磷脂双分子层，磷脂分子具有疏水的尾部，故神经细胞吸收水溶性分子或离子往往不能通过方式
①(扩散)。图中乙表示蛋白质，由于组成蛋白质的氨基酸的种类、数目和排列顺序不同，蛋白质的空间结构不同，故蛋白质的结构具有多样性。图中的所有运输方式即①(扩散)、②(易化扩散)、③(易化扩散)、④(主动转运)都体现了神经细胞膜的功能特性(选择透过性)。
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6.(2024·浙江浙南名校联盟高一期中)某科研小组对某种水产鱼消化道中的蛋白酶的活性进行研究，其中图甲是在17 ℃的室温中进行的，图乙是在各种酶的最适pH条件下进行的。具体结果如图：
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回答下列问题：
(1)由图甲可知，将肠蛋白酶置于胃蛋白酶的最适
pH中，酶活性为零的原因是__________________
___________________________________________
___________________________________________
___________________________；胃蛋白酶随食物一起进入肠道，最终被肠道中消化酶水解成________。
胃蛋白酶的最适pH
为2左右，肠蛋白酶的最适pH为7.5左右，将肠蛋
白酶置于胃蛋白酶的最适pH中，由于pH过低，
肠蛋白酶变性失活，活性为零
氨基酸
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胃蛋白酶的最适pH为2左右，肠蛋白酶的最适pH为7.5左右，将肠蛋白酶置于胃蛋白酶的最适pH中，由于pH过低，肠蛋白酶变性失活，活性为零。胃蛋白酶的化学本质为蛋白质，随食物一起进入肠道，最终被肠道中的消化酶水解成氨基酸。
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(2)若将图甲的实验温度调到16 ℃，请在图甲中画出幽门盲囊蛋白酶在不同pH条件下的酶活性。
答案　如图所示
温度调到16 ℃，酶活性降低，但最适pH不变，具体图示见答案。
(3)仅通过图乙能判断出各种酶的最适温度吗？
______。若已知胃蛋白酶的最适温度在研究
小组的研究范围之内，请判断该酶的最适温
度范围__________。请设计实验探究胃蛋白
酶的最适温度(写出实验思路)：___________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
将胃蛋白酶
均分为若干组，分别放置在不同的试管中；同时取相同大小质量的蛋白块若干，均分为若干组，置于不同试管中，取一组蛋白酶和一组蛋白块试管置于17～19 ℃系列梯度的温水浴中一段时间后，将每组蛋白块与蛋白酶混合，观察蛋白块的分解速率，并记录
不能
17～19 ℃
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分析图乙的实验结果可知，胃蛋白酶、肠蛋白酶和幽门盲囊蛋白酶的活性随温度的升高而升高，在此温度范围内并没有出现峰值，所以实验不能判断三种酶的最适温度。若已知胃蛋白酶的最适温度在研究小组的研究范围之内，判断该酶的最适温度范围为17～19 ℃，实验思路见答案。

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