实验素养提升2 实验设计的单一变量原则与三类变量分析.docx
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实验素养提升2实验设计的单一变量原则与三类变量分析
[技法必备]
1．实验设计的单一变量原则
即除自变量（实验变量）以外，应使实验组与对照组的无关变量保持相同且适宜，以确保实验变量的唯一性。
如生物材料相同（大小、生理状况、年龄、性别等）、实验器具相同（型号、洁净程度等）、实验试剂相同（用量、浓度、使用方法等）和条件相同（保温或冷却、光照或黑暗、搅拌、振荡等）。
点悟：
变量是实验过程中可以变化的因素——在设计实验时，要注意使自变量可控制、因变量比较好检测，并尽量避免无关变量对实验的干扰。
2．三类变量（自变量、因变量、无关变量）分析
3．教材中探究类实验的变量分析
实验名称
自变量
因变量
无关变量
探究温度对淀粉酶活性的影响
不同温度（至少三种）
酶的活性（加碘液后溶液颜色的变化）
pH、底物量、酶量、试管的洁净程度、反应时间、操作程序等
探究pH对过氧化氢酶活性的影响
不同pH（至少三种）
酶的活性（气泡的数量或带火星的卫生香燃烧的猛烈程度）
温度、底物量、酶量、试管的洁净程度、反应时间、操作程序等
探究酵母菌的呼吸方式
氧的有无
CO2生成量（澄清石灰水的混浊程度）；酒精是否产生（用重铬酸钾检测）
葡萄糖溶液、石灰水的量、温度、pH、锥形瓶的洁净程度等
模拟探究细胞表面积与体积的关系
琼脂块体积的大小
物质运输的效率
NaOH溶液的量、浸泡的时间、测量的准确性等
探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度
不同浓度的生长素类似物
扦插枝条的生根数量或长度
实验材料的一致性、生长素类似物浓度的准确性、处理时间的一致性等
探究培养液中酵母菌数量的动态变化
时间
酵母菌种群数量
培养液的成分、培养条件、空间等
探究水族箱中的群落演替
时间
群落的变化
水族箱的培养条件和环境等
[技能展示]
1．下列有关实验变量的叙述，正确的是（ ）
A．在探究O2浓度对酵母菌细胞呼吸速率影响的实验中，通常温度不属于变量
B．在探究NaCl浓度对人的红细胞形态变化影响的实验中，NaCl浓度是因变量
C．探究光照强度对植物光合速率影响的实验，CO2浓度、温度、植物种类是无关变量
D．在探究温度对酶活性影响的实验中，温度和pH是自变量
解析 探究O2浓度对酵母菌细胞呼吸速率影响的实验中，实验自变量是O2浓度，温度等是无关变量。
探究NaCl浓度对人的红细胞形态变化影响的实验中，NaCl浓度是实验自变量。
探究光照强度对植物光合速率影响的实验，光照强度是自变量，CO2浓度、温度、植物种类是无关变量。
在探究温度对酶活性影响的实验中，温度和pH分别是自变量和无关变量。
答案 C
2．在研究不同金属离子对某水解酶活性的影响时，得到如表结果。
下列分析错误的是（ ）
金属离子/（mmol·L－1）
相对活性/%
对照组
100
Mn2＋
123
Ca2＋
79
Mg2＋
74
A.Mn2＋降低了反应过程所需的活化能
B．Ca2＋或Mg2＋可能导致酶结构的改变使其活性降低
C．不同离子对酶的活性有提高或降低作用
D．该水解酶的用量是实验的无关变量
解析 从表格可看出，Mn2＋提高了某水解酶的活性，A错误；Ca2＋或Mg2＋可能通过改变酶的结构使其活性降低，B正确；由题表结果可知，不同离子对该水解酶影响效果不同，C正确；在该实验中，不同金属离子是自变量，该水解酶的活性是因变量，该水解酶的用量是无关变量，D正确。
答案 A
3．下列关于酶的相关实验叙述，正确的是（ ）
A．验证酶的高效性时，自变量是酶的种类
B．探究温度对酶活性的影响实验中，可选用过氧化氢酶作为研究对象
C．用淀粉酶、蔗糖和淀粉探究酶的专一性时，不可用碘液进行鉴定
D．在探究影响淀粉酶活性的因素时，温度、酸碱度、实验的次数等都是自变量
解析 A项错误：
验证酶的高效性时，通过酶和无机催化剂对比才可得出酶具有高效性这一结论，自变量是催化剂的种类。
B项错误：
过氧化氢自身的分解受温度影响，因此探究温度对酶活性的影响实验中，不可选用过氧化氢酶作为研究对象。
C项正确：
用淀粉酶来探究酶的专一性时，若底物选择淀粉和蔗糖，检测底物是否被分解的试剂宜选用斐林试剂，不宜选用碘液，因为碘液无法检测蔗糖是否被分解。
D项错误：
在探究影响淀粉酶活性的因素时，温度、酸碱度等都是自变量，而实验的次数是无关变量。
答案 C
4．为探究影响胃蛋白酶活性的因素，某生物兴趣小组设计了一个实验方案，如表所示：
试管编号
底物和试剂
实验条件
1
1cm3的正方体凝固蛋白质＋4mL蒸馏水
37℃水浴、pH＝1.5
2
1cm3的正方体凝固蛋白质＋4mL胃蛋白酶
37℃水浴、pH＝8
3
1cm3的正方体凝固蛋白质＋4mL胃蛋白酶
①
4
1cm3的正方体凝固蛋白质＋4mL胃蛋白酶
0℃水浴、pH＝1.5
（1）请完成实验方案：
①应为__________________________________________。
（2）若2号、3号试管为一组对照实验，本实验要探究的自变量是 ，请为该组实验拟定一个课题名称________________________________________。
（3）本实验的因变量可以通过观察__________________________确定。
（4）在3号、4号试管探究的影响因素中，pH属于_____________________________________
（5）若4号试管内反应完全结束，用双缩脲试剂检测4号试管的实验结果，其溶液呈______________________________________________________________。
原因是_____________________________________________________。
解析
（1）根据不同试管处理条件的不同确定实验的自变量、因变量和无关变量。
根据表格中1～4号试管的底物和试剂分析，1号试管未添加胃蛋白酶，2号、3号、4号试管均添加等量的胃蛋白酶可知，1号试管为空白对照；实验条件中有温度和pH的变化，即实验的自变量有温度和pH，故本实验的目的是探究温度、pH对胃蛋白酶活性的影响，根据实验的单一变量原则可知，①应为37℃水浴、pH＝1.5。
（2）对比2号、3号试管，不同的处理是pH，即实验的自变量是pH，该组实验课题名称可拟为探究pH对胃蛋白酶活性的影响。
（3）本实验的底物是1cm3的正方体凝固蛋白质，可把相同时间内蛋白块大小的变化（或蛋白块消失所需的时间）作为因变量来确定胃蛋白酶活性的大小。
（4）对比3号、4号试管，不同的处理是温度，即实验的自变量为温度，pH属于无关变量。
（5）由于胃蛋白酶的化学本质为蛋白质，反应前后胃蛋白酶的化学性质和数量均不变，所以用双缩脲试剂检测4号试管的实验结果，溶液应呈紫色。
答案
（1）37℃水浴、pH＝1.5
（2）pH 探究pH对胃蛋白酶活性的影响 （3）相同时间内蛋白块大小的变化（或蛋白块消失所需的时间） （4）无关变量 （5）紫色 胃蛋白酶的化学本质为蛋白质，且反应前后胃蛋白酶的化学性质和数量均不变，所以会与双缩脲试剂发生紫色反应
亮剑高考3 有关酶的实验探究
（时间：
15分钟）
[规律方法]
依据实验目的准确选取实验材料和检测指标
实验目的
实验材料
检测指标（试剂）
备注
高效性
过氧化氢与过氧化氢酶、Fe3＋
O2产生的快慢或多少
与无机催化剂对比
专一性
淀粉、蔗糖与淀粉酶
斐林试剂
不能用碘液
温度对酶活性的影响
淀粉和淀粉酶
碘液
不能用斐林试剂
pH对酶活性的影响
过氧化氢与过氧化氢酶
O2产生的快慢或多少
不选用淀粉和淀粉酶
[方法体验]
1．下列有关实验操作的叙述，正确的是（ ）
A．不可利用淀粉、淀粉酶和斐林试剂探究温度对淀粉酶活性的影响
B．验证酶的高效性时，可选多种酶进行相互对照
C．探究温度对淀粉酶活性的影响时分别在0℃、60℃、80℃、100℃条件下进行
D．探究pH对酶活性的影响时，应设置过酸、过碱和中性三组实验
解析 用斐林试剂鉴定还原糖时需要水浴加热，会对探究温度对酶活性的影响实验的结果产生影响，因此在探究温度对淀粉酶活性的影响实验中，一般用碘液而不用斐林试剂，A正确；验证酶的高效性时，应选择酶与无机催化剂进行对照，B错误；探究温度对淀粉酶活性的影响时，温度为自变量，应分别在不同温度条件下进行，且具有一定的温度梯度，C错误；探究pH对酶活性影响时，过酸、过碱会使酶变性失活，使实验结果不精确，应设置包括酸性、中性、碱性在内的一系列pH梯度进行实验，使实验结果尽可能精确，D错误。
答案 A
2．（2019·广东佛山质检）某同学进行了下列有关酶的实验：
甲组：
淀粉溶液＋新鲜唾液＋斐林试剂→有砖红色沉淀
乙组：
蔗糖溶液＋新鲜唾液＋斐林试剂→无砖红色沉淀
丙组：
蔗糖溶液＋蔗糖酶溶液＋斐林试剂→？
下列叙述正确的是（ ）
A．丙组的实验结果是“无砖红色沉淀”
B．加入斐林试剂后通常还应沸水浴加热
C．该同学的实验目的是验证酶的专一性
D．为省去水浴加热步骤，可用碘液代替斐林试剂
解析 丙组中，蔗糖酶可以把蔗糖水解为葡萄糖与果糖，二者均为还原糖，其在水浴加热条件下与斐林试剂反应会产生砖红色沉淀，A错误；加入斐林试剂后通常还应水浴加热，水浴加热的温度在50～65℃之间，B错误；实验中淀粉酶能分解淀粉，不能分解蔗糖，而蔗糖只能被蔗糖酶分解，证明酶具有专一性，C正确；碘液只能检测淀粉是否水解，而不能检测蔗糖是否水解，D错误。
答案 C
3．（2018·河南安阳市二模）某学习小组在学习了用过氧化氢酶探究pH对酶活性影响的实验后，进行了以下实验：
取3支洁净的试管，依次编号为1～3，分别向各试管中加入2mL的过氧化氢溶液，再分别向1～3号试管加入1mL的HCl溶液、蒸馏水和NaOH溶液，使其pH分别为2、7、12，最后向各试管中均加入2滴新鲜的肝脏研磨液。
结果发现2号和3号试管都有大量气泡产生，而1号试管几乎无气泡产生。
3号试管的实验现象与预期不符，该小组同学查阅资料后认为，pH也可能影响过氧化氢自身的分解，为验证此假设他们又进行了下表所示实验。
请回答下列问题：
酸性（pH＝2）
中性（pH＝7）
碱性（pH＝12）
试管编号
a
b
c
d
e
f
步骤一
向1mLHCl溶液中滴加2滴新鲜肝脏研磨液
向1mLHCl溶液中滴加2滴蒸馏水
向1mL蒸馏水中滴加2滴新鲜肝脏研磨液
B
向1mLNaOH溶液中滴加2滴新鲜肝脏研磨液
C
步骤二
向各试管中加入2mL过氧化氢溶液
单位时间气泡量
无
A
大量
少量
大量
大量
（1）上表所示实验的自变量除pH外，还有 。
表中的A、B、C分别表示 、 、 。
（2）从表中实验方案可推测该小组认为3号试管中实验现象出现的原因是___________________________________________________________。
解析
（1）从题意分析可知，表中所示实验的自变量是pH、（过氧化氢）酶的有无（或是否添加新鲜肝脏研磨液）。
从表中b号试管加入的试剂推测可知，d和f试管的操作步骤分别是向1mL蒸馏水中滴加2滴蒸馏水、向1mLNaOH溶液中滴加2滴蒸馏水，a试管无气泡产生，因此推测现象A也是无气泡产生。
答案
（1）（过氧化氢）酶的有无（或是否添加新鲜肝脏研磨液） 无 向1mL蒸馏水中滴加2滴蒸馏水 向1mLNaOH溶液中滴加2滴蒸馏水
（2）碱性环境下，NaOH会促进过氧化氢分解（答案合理即可）
4．（2019·福州市期末）为验证酶的专一性，某同学拟进行如下一组实验，回答下列问题：
（1）依据下表加入试剂：
试管号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
1%淀粉溶液/mL
2
－
2
－
2%蔗糖溶液/mL
－
2
－
2
α－淀粉酶/mL
－
－
1
1
蒸馏水/mL
1
1
－
－
（2）各试管置于适宜温度水浴处理一定时间后，加入斐林试剂1mL，此时各试管应 处理2～3分钟后，观察是否有 的产生。
（3）为相互印证，还应增加一组实验，应选择的酶试剂为 ，其他试剂和操作方法都不作改变。
（4）本实验选择淀粉、蔗糖为底物，只用一种试剂就能检测是否发生了酶促反应，原因是_________________________________________________。
解析
（2）使用斐林试剂检测还原糖需要进行水浴加热，在水浴加热条件下，二者反应显砖红色。
（3）根据酶的专一性，淀粉酶可以引起淀粉水解，但不能引起蔗糖水解，而蔗糖酶可以引起蔗糖水解，不能引起淀粉水解，因此，为相互印证，还应设置一组添加有蔗糖酶的实验，其他试剂和操作方法都不改变。
（4）淀粉和蔗糖都是非还原糖，但它们的水解产物都是还原糖，因此，通过斐林试剂可以检测是否发生了酶促反应。
答案
（2）水浴加热 砖红色沉淀
（3）蔗糖酶 （4）淀粉和蔗糖都不是还原糖，但淀粉和蔗糖的酶促水解产物都是还原糖
5．（2019·湖北黄冈调研）为探究温度对过氧化氢酶活性的影响，科研人员以质量分数为2%的酵母菌液作为酶源，进行如下探究实验：
①设计如图所示的实验装置。
实验组注射器A内吸入体积分数为1%的过氧化氢溶液5mL，注射器B内吸入质量分数为2%的酵母菌液2mL。
对照组注射器A内吸入体积分数为1%的过氧化氢溶液5mL，注射器B内吸入蒸馏水2mL。
用乳胶管连接注射器A和B，在乳胶管上夹上止水夹。
②设置温度梯度：
0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，将实验组和对照组装置分别在相应温度下保温10min。
③打开止水夹，将注射器A中的过氧化氢溶液匀速推至注射器B中，立即关闭止水夹，记录注射器B中活塞所处的刻度。
5min后再次记录刻度，计算刻度变化量，重复3次。
④将对照组和实验组在各温度条件下获得的3次实验数据作相应处理，绘制如图所示曲线。
请回答下列问题：
（1）步骤①中设置对照组的目的是_____________________________。
步骤②中将实验组装置分别在相应温度下先保温10min的目的是___________________________________________________。
步骤④中的“相应处理”是指____________________________。
（2）有人认为，本实验不宜采用过氧化氢溶液作为“探究温度对酶活性的影响”的实验材料。
你 （填“同意”或“不同意”）他的观点，请简要说明理由：
____________________________________________________。
（3）经反复尝试，该实验选择体积分数为1%的过氧化氢溶液较合理。
若过氧化氢溶液浓度过高，可能带来的影响是_________________________________。
（4）有人认为，以酵母菌液作为过氧化氢酶源不是很严谨，原因是____________________________________。
解析
（1）由题意“探究温度对过氧化氢酶活性的影响”可知，该实验的自变量是温度，因变量是酶的活性。
分析实验步骤可知因变量可用注射器的刻度变化量表示。
步骤①中设置对照组的目的是排除无关变量对过氧化氢分解的影响。
为了控制单一变量且保证酵母菌液和过氧化氢溶液在混合前达到需控制的温度，步骤②中实验组装置应该分别在相应温度下先保温10min。
多次实验的数据应以其平均值作为最终的实验结果参考。
（2）据图分析，实验组：
在实验所设温度范围内，随着温度的升高，酶的活性逐渐升高，30℃时酶的活性最高，而超过30℃后酶的活性又逐渐降低，直至完全失活。
同时，对照组实验结果表明过氧化氢在0～60℃之间未发生明显的分解，因此可以采用过氧化氢溶液作为“探究温度对酶活性的影响”的实验材料。
（3）步骤③中选择体积分数为1%的过氧化氢溶液较合理，若过氧化氢溶液浓度过高可能会导致气体产生速率过快（或量过多），不利于实验结果的观察和记录。
（4）由于酵母菌体内的其他物质也可能催化过氧化氢分解，因此该实验以酵母菌液作为过氧化氢酶源不是很严谨。
答案
（1）排除无关变量对过氧化氢分解的影响 保证酵母菌液和过氧化氢溶液在混合前达到需控制的温度 求3次数据的平均值
（2）不同意 实验结果表明过氧化氢在0～60℃之间未发生明显的分解 （3）产生气体速率过快（或量过多），不利于实验结果的观察和记录 （4）酵母菌体内的其他物质也可能催化过氧化氢分解
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