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第15讲　实验分析与设计
考纲要求　1.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。2.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。3.能对一些简单的实验方案做出恰当的评价和修订。
■ 主干整合
1.理清实验设计的思路
图15-1[来源:学§科§网Z§X§X§K]
2.描述设计实验步骤的“三步曲”
图15-2
3.实验结果与结论的分析与归纳
实验结果是指通过观察或测量得到的实验现象,是实验实际出现的情况。实验结论是根据对实验因变量与自变量关系的分析得出的具有普遍意义的理论性结论。结论的得出必须依据实验结果。归纳实验结论的一般思路:
(1)通过实验目的或步骤(根据单一因素不同)找出实验变量, 将实验分为多个对照组。[来源:]
(2)由因找果,分析实验变量与结果间的逻辑关系,先得出正确结论(分结论)。
(3)再根据各对照组中得出的“分结论”,综合为“全面结论(总)”。
(4)在验证性实验中,如果实验目的已知,可直接作为正确结论,但全面性要因对照组而定。
4.“五看法”评价实验设计
图15-3
■ 考法提炼
考法一　 考查实验目的和实验假设
1.下列关于提出假说的叙述,错误的是 (　　)
A.孟德尔在对豌豆杂交实验结果的观察和统计分析基础上,提出有关遗传因子的假说
B.萨顿通过对基因与染色体行为的类比推理,提出基因在染色体上的假说
C.欧文顿在实验中发现脂溶性物质更易进入细胞,提出膜由脂质组成的假说
D.格里菲思发现S型死菌使R型活菌转化为S型活菌,提出DNA是遗传物质的假说
2.为了探究某物质(X)的作用,研究者提出了以下实验思路:
(1)实验分组
甲组:培养液+Y细胞+3H-TdR(3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸)+生理盐水。
乙组:培养液+Y细胞+3H-TdR+X(用生理盐水配制)。
每组设置若干重复样品。
(2)分别测定两组的CRD(细胞内的放射性强度),求每组的平均值。
(3)将各样品在相同且适宜的条件下培养合适时间后,测定其CRD,求每组平均值并进行统计分析。
(要求与说明:答题时用X、CRD、3H-TdR表示相关名词;Y细胞是能增殖的高等动物体细胞。)
请回答:
实验目的:　 。?
【技法提炼】 1.变量法寻找实验目的(1)根据题目信息,直接写出实验目的。此类题目中往往含有“验证×××”或“探究×××”的字眼,此即该实验的目的。(2)根据实验装置或实验现象,推断实验目的。此类试题首先确定实验的自变量和因变量,再寻找自变量和因变量之间的关系,此即实验的目的。2.实验假设的确定方法(1)假设的确定依据对探究性实验来说,假设是对所要研究的对象设想一种或几种可能的答案或解释,即提出可能的实验原理。
(2)假设的描述①句式一:“如果……(现象),则……(结论)”。②句式二:“当条件X存在时,事件P(实验现象)会发生”或“当条件X存在时,事件P(实验现象)不发生”或“当条件X存在时,对事件P(实验现象)没有影响”。
考法二　 考查变量的控制与实验设计思路
3.某课题组研究了激素类似物甲和乙对某种月季插条生根的影响,实验结果如图15-4所示,下列叙述正确的是(　　)
图15-4
A.激素类似物的浓度是该实验的唯一自变量
B.若探究10 μmol·L-1甲、乙对该种月季插条生根的复合影响,应设计4组实验
C.实验证明乙促进生根的最适浓度是10 μmol·L-1
D.该实验证明激素类似物甲的作用具有两重性
4.某研究小组为研究桑叶提取液对患糖尿病小鼠的降血糖效果,设计了一系列实验。下列有关实验的设计思路,说法错误的是 (　　)
A.随机选取三组生理状况相同、数量相等的健康小鼠,其中两组制成患糖尿病的小鼠
B.每组小鼠在实验开始前和实验结束后都需要测量其血糖浓度
C.患糖尿病小鼠既可以作为实验组又可以作为对照组
D.对照组除每天饲喂等量的食物外,也要注射等量的桑叶提取液
【技法提炼】 实验思路不同于实验步骤,实验步骤是详细的可操作性较强的实验过程(填写实验步骤要求学生对实验的选材、分组、处理等均要写出具体要求及详细内容),而实验思路不需要写出详细具体的可直接操作的步骤,只需要有一个大致的实验设计过程即可。实验思路一般用一句话表述为用某方法处理某材料,观察其对某方面的影响效果。描述实验思路的要点是答出自变量、因变量及实验对象,而不是具体可操作性的设计。在控制无关变量时,实验思路中只要提到“相同且适宜”即可,具体操作时不同的实验者可以采用不同的方法去控制。

考法三　考查实验方案和实验步骤设计
图15-5
5.为检测不同波长的光(光质)对水藻光合作用强度的影响,现提供如图15-5所示的装置和如下材料:红、绿、蓝三种颜色的40 W灯泡数个,试管,水藻,pH试纸,NaHCO3溶液。请完成相关实验设计并回答有关问题:
实验开始时按图示安装装置并放入20 ℃的环境中。
(1)请写出后续的实验设计的主要步骤:?
?[]
　。?
(2)若利用该装置,采用排水集气法测定单位时间内气体的产生量,可表示水藻的　　　　速率。?
(3)若实验中采用白光,并将试管向右移,随着距离的增大,气泡产生速率下降,产生这一结果的主要原因是?
　。　　　　　　?
(4)为了减小实验数据的偶然误差,实验设计过程中,除要控制无关变量、设置对照实验外,还应进行　。?
(5)在不改变实验材料和装置的情况下,如何使实验效果显著?　。　　　　　　　　?
6. 氢气是一种清洁能源。低氧时莱茵衣藻叶绿体中的产氢酶活性提高,使[H]转变为氢气。已知CCCP(一种化学物质)能抑制莱茵衣藻的光合作用,诱导其产生氢气,而缺硫也能抑制莱茵衣藻的光合作用。请分析回答下列问题:
(1)为探究CCCP、缺硫两种因素对莱茵衣藻产生氢气的影响及其相互关系。现提供生长状况相同的莱茵衣藻、CCCP、完全培养液、缺硫培养液等实验材料。请完善如下实验步骤(提示:CCCP的使用量不作要求,其可溶解在培养液中):
第一步:将生长状况相同的莱茵衣藻随机均分为　　　　组,并进行编号;?
第二步:对照组中加入适量的完全培养液,实验组分别加入　;?
第三步:?
　。?
(2)莱茵衣藻在产生氢气时,会表现出生长不良的现象,请从光合作用物质转化的角度分析其原因:?
　。?
在自然条件下,莱茵衣藻几乎不产生氢气的原因可能是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。?
【技法提炼】 探究性实验的解题技法(1)找到实验目的:从题干中可以找到实验目的是什么。(2)提出一种可能的实验原理:换用陈述句表述实验原理。(3)平行分组、实施变量操作、给予适宜条件培养、设计实验步骤。(4)先假设出可能的实验结论再得出实验结果,最后反过来写,即反推正写法。
考法四　 考查预测实验结果,得出实验结论
7.某生物兴趣小组探究了植物激素对叶片衰老的影响(以叶绿素相对含量作为衡量叶片衰老程度的指标),实验后分析整理数据如图15-6所示。用到的植物激素有细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)。假如你是该小组的成员,请将实验步骤补充完整,并写出相应的结论。
图15-6
(1)实验步骤:
①取某植物生长部位及大小相同的叶片若干,随机用部分叶片来测定叶片的叶绿素含量,再将其余叶片随机均分成4组,?
　。?
②在相同且适宜的条件下培养,?
　。?
③　,?
描点并连成曲线。
(2)据图分析,得出实验结论:
①CTK能　　　　该植物离体叶片的衰老;?
②ABA能　　　　该植物离体叶片的衰老;?
③　。?
【技法提炼】 倒推法预测实验结果(1)探究性实验结果的预测对应假设,常需分类讨论。可以先分析可能的结论,再假定某一结论成立,结合实验过程推测出应有的结果;最后正向表述为“若出现某结果,则假定的某结论成立”。(2)验证性实验的结果与相应结论只需考虑一种情况。一般只有一个结果和一个相应的结论,且结论就在题目中,如“验证……”“证明……”等。因此,只要依据此结论,结合实验过程推测出应有的结果,最后正向表述为“出现某结果,则某结论成立”即可。
考法五　实验设计方案的检查和评价
8.某同学查资料得知细胞分裂素可解除顶端优势。为研究细胞分裂素的作用部位(如图15-7所示),该同学做了相关实验:将多株生长状况相同的良好幼苗均分为两组,用未经处理的幼苗作对照组,用在①②处同时涂抹等量适宜浓度的细胞分裂素溶液的幼苗作实验组,观察其生长状况。下列对实验组的设计评价合理的是 (　　)
图15-7
A.实验组设计正确,能研究细胞分裂素解除顶端优势的作用部位
B.实验组设计错误,应选两组完整幼苗分别在①②处涂抹细胞分裂素
C.实验组设计错误,应切除②处后在①处涂抹细胞分裂素
D.实验组设计错误,应选两组切除②处的幼苗并分别在①②处涂抹细胞分裂素
9.科研人员探究了不同温度(25 ℃和0.5 ℃)条件下密闭容器内蓝莓果实的CO2生成速率的变化,结果如图15-8所示。请回答:
图15-8
(1)由图可知,与25 ℃相比,0.5 ℃条件下果实的CO2生成速率较低,主要原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　;随着果实储存时间的增加,密闭容器内的　　　　浓度越来越高,抑制了蓝莓果实的细胞呼吸。?
(2)某同学拟验证上述实验结果,设计如下方案:
①称取两等份同一品种的蓝莓果实,分别装入甲、乙两个相同的瓶内,然后密封;
②将甲、乙瓶分别置于25 ℃和0.5 ℃的条件下储存,每隔一段时间测定各瓶中的CO2浓度;
③记录实验数据并计算CO2的生成速率。
为使实验结果更可靠,请给出两条建议,以完善上述实验方案(不考虑温度因素)。
a.　;?
b.　。?

1.[2018·江苏卷] 图15-9为一种植物扦插枝条经不同浓度IAA浸泡30 min后的生根结果(新生根粗细相近),对照组为不加IAA的清水。下列叙述正确的是 (　　)
图15-9
A.对照组生根数量少是因为枝条中没有IAA
B.四组实验中,300 mg/L IAA诱导茎细胞分化出根原基最有效
C.100与300 mg/L IAA处理获得的根生物量相近
D.本实验结果体现了IAA对根生长作用的两重性
2.[2018·全国卷Ⅱ] 为研究垂体对机体生长发育的作用,某同学用垂体切除法进行实验。在实验过程中,用幼龄大鼠为材料,以体重变化作为生长发育的检测指标。回答下列问题:
(1)请完善下面的实验步骤
①将若干只大鼠随机分为A、B两组后进行处理,A组(对照组)的处理是　　　　　　　　　;B组的处理是　　　　　　。?
②将上述两组大鼠置于相同的适宜条件下饲养。
③　。?
④对所得数据进行统计处理与分析。
(2)实验结果与分析
B组大鼠生长发育的状况不如A组,出现这种差异的原因是B组的处理使大鼠缺失了来源于垂体的　　　　　激素和　　　　　激素。?
[来源:]
第15讲　实验分析与设计
考点互动探究
1.D　[解析] 孟德尔以豌豆为实验材料,在对杂交实验结果的观察和统计分析基础上,提出有关遗传因子的假说,发现了遗传的基本规律,A正确;萨顿运用类比推理的方法提出基因在染色体上的假说,摩尔根运用假说—演绎法证明基因在染色体上,B正确;欧文顿在实验中发现脂溶性物质更易进入细胞,提出膜由脂质组成的假说,C正确;格里菲思的体内转化实验证明S型细菌中存在某种“转化因子”,但是并不知道转化因子是什么,D错误。
2.探究X对Y细胞增殖(或DNA合成)的影响
[解析] 该实验的自变量为某物质(X)的有无,因变量为细胞内的放射性强度。3H-TdR是合成DNA的原料,若细胞分裂旺盛,则细胞内的放射性强度的平均值(CRD)比较高。所以该实验的目的是探究X对Y细胞增殖(或DNA合成)的影响。
3.B　[解析] 研究激素类似物甲和乙对某种月季插条生根的影响时,实验的自变量包括激素类似物种类和激素类似物的浓度,A项错误;探究10 μmol·L-1甲、乙对该种月季插条生根的复合影响时,应设计不加激素类似物、只加甲、只加乙、加入甲和乙4组实验,B项正确;据图可知,与空白对照组相比,随着激素类似物乙浓度的增加,插条生根数减少,说明激素类似物乙抑制插条生根,C项错误;题图中激素类似物甲各浓度下生根数目均大于空白对照组,不能证明甲的作用具有两重性,D项错误。
4.D　[解析] 根据题干信息分析,该实验的目的是探究桑叶提取液对患糖尿病小鼠的降血糖效果,自变量是是否注射桑叶提取液,无关变量应该保持相同且适宜,因此应该随机选取三组生理状况相同、数量相等的健康小鼠,其中一组小鼠正常,另外两组制成患糖尿病的小鼠,A正确;该实验的因变量是小鼠的血糖浓度,因此每组小鼠在实验开始前和实验结束后都需要测量其血糖浓度,B正确;患糖尿病小鼠与正常小鼠相比为实验组,同时其实验前后可以形成自身对照,即其也可以作为对照组,C正确;根据实验的单一变量原则和对照性原则,实验组注射一定量桑叶提取液,而对照组应该注射等量的生理盐水,D错误。
5.(1)设置与题图相同的三套装置,用红、绿、蓝三种颜色的40 W灯泡在距试管相等的距离照射相同的时间,用pH试纸检测溶液pH的变化
(2)净光合
(3)光照强度减弱,光合作用产生的O2减少
(4)重复实验
(5)适当提高温度
[解析] (1)由题意分析可知,实验的自变量是不同波长的光(光质),因变量是光合作用强度,结合实验设计的一般原则和提供的材料设计实验:设置与题图相同的三套装置,用红、绿、蓝三种颜色的40 W灯泡在距试管相等的距离照射相同的时间,用pH试纸检测溶液pH的变化。(2)植物的净光合速率=实际光合速率-呼吸速率。图示装置中的植物既可以进行光合作用,也可以进行呼吸作用,因此采用排水集气法测定单位时间内气体的产生量,可表示水藻的净光合速率。(3)根据题意分析,若实验中采用白光,并将试管向右移,则随着距离的增大,光照强度减弱,导致光合作用光反应产生的氧气减少。(4)在科学实验中,为了减小实验数据的偶然误差,常常需要设置重复实验。(5)根据题干信息可知,该实验是在20 ℃的环境中进行的,因此适当提高温度可以提高相关酶的活性,进而使实验效果更显著。
6.(1)四　等量的缺硫培养液、添加CCCP的完全培养液、添加CCCP的缺硫培养液　在相同且适宜条件下培养莱茵衣藻,一定时间后检测各组产生氢气的总量
(2)光反应产生的[H]转变为H2,参与暗反应中C3还原的[H]不足,有机物的生成量减少　氧气浓度较高,抑制了产氢酶的活性
[解析] (1)由题干信息可知,本实验的目的是探究CCCP、缺硫两种因素对莱茵衣藻产生氢气的影响及其相互关系。根据单一变量原则,探究CCCP对莱茵衣藻产生氢气的影响时,可将自变量设置为是否添加CCCP;探究缺硫对莱茵衣藻产生氢气的影响时,可设置完全培养液和缺硫培养液进行对照;而既要研究CCCP和缺硫对莱茵衣藻产生氢气的影响,又要研究两者的相互关系时,需要设置四组实验。因此,实验步骤为第一步:将生长状况相同的莱茵衣藻随机均分为四组,并进行编号;第二步:对照组中加入适量的完全培养液,实验组分别加入等量的缺硫培养液、添加CCCP的完全培养液、添加CCCP的缺硫培养液;第三步:在相同且适宜条件下培养莱茵衣藻,一定时间后检测各组产生氢气的总量。(2)光反应产生的[H]转变为H2,会导致参与暗反应中C3还原的[H]不足,有机物的生成量减少,因此,莱茵衣藻在产生氢气时,会表现出生长不良的现象。已知低氧时莱茵衣藻叶绿体中的产氢酶活性提高,使[H]转变为氢气,由此可推知,在自然条件下,莱茵衣藻几乎不产生氢气的原因可能是氧气浓度较高,抑制了产氢酶的活性。
7.(1)①分别放入盛有等量的蒸馏水、(适宜浓度的)细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)、CTK+ABA溶液的装置内　②每隔24小时分别取等量的叶片测定叶绿素的含量并记录,计算出叶绿素的相对含量　③建立坐标系,以时间为横坐标,叶绿素的相对含量为纵坐标
(2)①延缓(或抑制)　②促进(或加速)　③CTK对该植物离体叶片的作用可被ABA削弱(或ABA对该植物离体叶片的作用可被CTK缓解)
[解析] (1)①根据题意,用到的植物激素有细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)。需要用这两种激素及其混合物处理叶片,再加上用蒸馏水处理的对照组,因此①中应是“分别放入盛有等量的蒸馏水、(适宜浓度的)细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)、CTK+ABA溶液的装置内”。②在相同且适宜的条件下培养,一段时间后,观察实验现象、记录实验结果,本实验的实验结果即因变量为叶绿素的含量。因此②中应是“每隔24小时分别取等量的叶片测定叶绿素的含量并记录,计算出叶绿素的相对含量”。③把实验数据以数学模型的形式表示出来,因此③中应是“建立坐标系,以时间为横坐标,叶绿素的相对含量为纵坐标”。(2)①与用蒸馏水处理的对照组相比,用一定浓度的细胞分裂素(CTK)溶液处理叶片,一段时间内叶片中叶绿素相对含量较高,故CTK能延缓叶片衰老。②据图ABA组叶绿素相对含量较蒸馏水处理组低可推测,ABA能加速该植物离体叶片的衰老。③用一定浓度的细胞分裂素(CTK)溶液处理叶片,一段时间内叶片中叶绿素相对含量较高,而用一定浓度的脱落酸(ABA)溶液处理叶片时叶绿素相对含量较低,两者同时使用时叶绿素相对含量介于两者单独处理之间,说明本实验中CTK对该植物离体叶片的作用可被ABA削弱。
8.B　[解析] 在①②处同时涂抹等量适宜浓度的细胞分裂素溶液,没有反映出自变量,自变量应该是细胞分裂素作用的部位,即①部位或②部位,该实验组设计错误,不能研究细胞分裂素解除顶端优势的作用部位,A错误;设计两个实验组,一组在①处涂抹一定量适宜浓度的细胞分裂素溶液,另一组在②处涂抹等量适宜浓度的细胞分裂素溶液,B正确;实验组切除②处后在①处涂抹等量适宜浓度的细胞分裂素溶液,与对照组相比,有2个自变量,C错误;选用切除②处的幼苗并分别在①②处涂抹细胞分裂素,与对照组相比,有2个自变量,D错误。
9.(1)低温使细胞呼吸相关酶的活性降低　CO2
(2)选取的蓝莓果实的成熟度应一致　每个温度条件下至少有3个平行重复实验
[解析] (1)温度是影响酶活性的重要因素之一,与25 ℃相比,0.5 ℃条件下果实的CO2生成速率较低主要是因为低温下细胞呼吸相关酶活性降低。储存的果实不断进行细胞呼吸,产生CO2,消耗O2,因此随着果实储存时间的增加,密闭容器内的CO2浓度越来越高,抑制了果实的细胞呼吸。(2)分析实验方案,结合实验设计的五大原则,为了使实验结果更可靠,一方面选取的蓝莓果实的成熟度应一致;另一方面每个温度条件下至少有3个平行重复实验。
真题回顾拓展
1.B　[解析] 枝条中含有少量内源IAA,A项错误。由图可知,300 mg/L IAA诱导枝条平均生根数最多,诱导茎细胞分化出根原基最有效,B项正确。100与300 mg/L IAA 处理获得的根的平均长度相近,但平均生根数有明显差异,所以二者处理获得的根生物量不同,C项错误。由图可知,实验结果只能说明IAA对根的生长有促进作用,不能体现两重性,D项错误。
2.(1)①手术但不切除垂体　切除垂体　③每隔一定时间,测定并记录两组大鼠的体重
(2)生长　促甲状腺
[解析] (1)①本实验的目的是研究垂体对机体生长发育的作用,所以B组(实验组)需要切除垂体,A组(对照组)不需要切除垂体,但要排除手术所带来的影响,遵循单一变量原则。
③本实验的因变量是幼龄大鼠的生长发育状况,由题意可知,以幼龄大鼠的体重变化为检测指标。
(2)垂体可分泌促甲状腺激素作用于甲状腺,使其产生甲状腺激素,甲状腺激素和垂体分泌的生长激素对促进幼龄大鼠的生长发育有协同作用。

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