第2講實驗設計與分析 隨機分組 對照 適宜 重復 觀察現象 對照性原則 單一變量原則 變量處理 對變量進行不同處理 1 如何理解實驗的原理 實驗原理是做實驗的依據 包括反應原理和檢測原理 2 探究性實驗與驗證性實驗的預期結果是否相同 不同 探究性實驗的結果不確定 有多種可能 驗證性實驗是與驗證結果相等 考點一實驗設計的思路及步驟 2013 高考大綱全國卷 用某種降血糖物質x做以下實驗 注 用生理鹽水配制x溶液 回答下列問題 1 某同學要驗證x的降血糖作用 進行如下實驗 選擇一批體重相同的正常小鼠 測定 并將小鼠隨機等量分成實驗組和對照組 實驗組注射適量的 對照組注射等量的 一段時間后測定兩組小鼠的 若 則表明x有降血糖作用 血糖濃度 x溶液 生理鹽水 血糖濃度 對照組血糖濃度不變 實驗組血糖濃度下降 2 若要驗證一定量的x能使患糖尿病小鼠的血糖濃度下降到正常范圍 進行如下實驗 用 小鼠作為實驗組 用患糖尿病小鼠作為對照組1 用 小鼠作為對照組2 實驗組注射 對照組1 2注射等量的生理鹽水 一定時間后若實驗組和對照組 的血糖濃度均在正常范圍內 而對照組 的血糖濃度高于正常范圍 則表明一定量的x能使患糖尿病小鼠的血糖濃度下降到正常范圍 患糖尿病 一定量的x溶液 或x溶液 2 1 正常 解析 1 實驗過程中可以變化的因素稱為變量 其中人為改變的變量稱為自變量 本題中實驗鼠是否注射x溶液為自變量 隨自變量的變化而變化的變量稱為因變量 本實驗中血糖濃度的變化是因變量 除了一個因素以外 其他因素都保持不變的實驗叫作對照實驗 本實驗過程中設置了對照實驗 即注射x溶液與生理鹽水形成對照 并且在實驗前后均要測定小鼠的血糖濃度 本實驗為驗證性實驗 故預測實驗結果是對照組血糖濃度不變 實驗組血糖濃度下降 2 要驗證一定量的x能使患糖尿病小鼠的血糖濃度下降到正常范圍 除需要用患糖尿病小鼠作空白對照外 還需要增設正常鼠作恢復到正常范圍的對照 預測結果是實驗組和增設的正常鼠的血糖濃度在正常范圍內 對照組1患糖尿病小鼠的血糖濃度高于正常范圍 鏈接提升 1 實驗設計的基本思路 1 實驗變量操縱 實驗變量 自變量 指實驗中由實驗者所操縱 給定的因素或條件 操縱實驗變量的重要方法是設置對照 2 無關變量控制 無關變量并不是與實驗結果無關 而是指除了自變量外影響實驗觀察或結果的因素或條件 只是這些變量并不是本實驗所要探究 關心的自變量 要考查自變量所產生的效果 就要對無關變量進行控制 3 實驗變量檢測 有些實驗結果可以直接觀察和測量 有些則不能 對不能直接觀察和測量的實驗 要通過一定的手段和方法 將實驗結果轉變成可以觀察和測量的變化 2 實驗步驟設計的一般規律第一步 取材 分組和編號 1 取材 探究實驗中一般提供實驗的材料 但在設計實驗步驟時需注意常用的關鍵詞 如 取相同的 或生理狀態相同的 若干只 或株 個等 如此設置是防止無關變量對實驗結果的影響 2 分組 要體現隨機性 均衡性或者合理的梯度性 常用的關鍵詞為 隨機 或平均 分為若干組 3 編號 根據實驗分組情況而編號 如分為甲組 乙組等 或 組 組 組 第二步 設置實驗組和對照組設置的基本原則是遵循單一變量原則 即除自變量外 其他因素都是相同的 常用的模式為 組施加實驗變量 組作為對照不施加實驗變量 常用的關鍵詞 組加入適量的 組加入等量的 如蒸餾水 生理鹽水等 將兩組放入相同的適宜環境中 如設置相同的溫度 相同的時間等 第三步 觀察 記錄實驗的因變量可能有多種具體的指標 因此觀察和記錄因變量時應選擇其中合適的一種 要求指標能較好地反映與實驗的自變量之間的關系 并易于實驗人員觀察和測定 常用的關鍵詞 一段時間后觀察 測定 做好記錄等 跟蹤訓練植物的頂芽生長占優勢 而側芽生長受抑制的現象 稱為 頂端優勢 某校生物小組的同學欲探究頂端優勢是否與植物激素有關 做了如下實驗 請完成有關實驗內容 1 實驗目的 2 實驗假設 頂芽產生生長素抑制側芽生長 3 實驗材料 發育狀況相近的楊樹幼苗若干 瓊脂塊 生長素 iaa 等 探究楊樹幼苗的頂芽抑制側芽生長是否與生長素有關 4 實驗步驟 第一步 選取發育狀況相近的楊樹幼苗若干 均分為四組 并編號a b c d 第二步 a組楊樹幼苗切除頂芽 b組楊樹幼苗 c組楊樹幼苗切除頂芽 并在頂芽處放置含生長素的瓊脂塊 d組楊樹幼苗 作空白對照 切除頂芽 并在頂芽處放置不含生長素的瓊脂塊 不做任何處理 第三步 四組幼苗均在 的條件下培養一段時間 觀察記錄每組幼苗 5 實驗結果及結論 若 則說明頂芽抑制側芽生長與生長素無關 若 則說明頂芽抑制側芽生長與生長素有關 側芽的生長情況 其他答案合理也可 相同且適宜 a b c組楊樹幼苗的側芽正常生長 d組楊樹幼苗的側芽生長受抑制 a b組楊樹幼苗的側芽正常生長 c d組楊樹幼苗的側芽生長受抑制 解析 1 根據題干信息可知 本實驗要探究的問題是頂端優勢是否與頂芽產生的生長素有關 即實驗目的是探究楊樹幼苗的頂芽抑制側芽生長是否與生長素有關 4 本實驗涉及頂芽 生長素兩個自變量 所以 聯系其他兩組的實驗處理可知 對b組楊樹幼苗應進行去頂芽并放置不含生長素的瓊脂塊 而對d組楊樹幼苗不做任何處理 作為空白對照 四組幼苗處理后均在相同且適宜的條件下進行培養 并觀察因變量側芽的生長情況 5 由于本實驗為探究性實驗 實驗結果和結論未知 需要進行討論 實驗中已經明確 頂端優勢 的存在 即a b組的側芽正常生長 d組的側芽生長受到抑制 只需要討論c組幼苗側芽的生長情況即可 若c組幼苗側芽正常生長 則頂芽抑制側芽生長與生長素無關 若c組幼苗側芽生長受抑制 則頂芽抑制側芽生長與生長素有關 考點二實驗分析 2013 高考重慶卷 研究發現豚鼠血清對人淋巴瘤細胞有抑制作用 而對正常細胞無影響 進一步研究發現 發揮作用的物質是l 天冬酰胺酶 它能將l 天冬酰胺分解 而淋巴瘤細胞自身不能合成該氨基酸 增殖被抑制 1 為驗證該酶對兩種細胞的影響 某興趣小組進行了以下實驗 實驗材料 正常細胞 淋巴瘤細胞 培養基 含細胞生長所需的物質 l 天冬酰胺酶 實驗步驟 a 分組實驗組 培養基 l 天冬酰胺酶 淋巴瘤細胞對照組 培養基 b 適宜條件下培養后 觀察細胞生長狀態 檢測l 天冬酰胺含量 實驗結果 如下表 l 天冬酰胺酶 正常細胞 正常 缺乏 缺乏 缺乏 正常 結果分析 該實驗利用了酶的 的特性 表中 應為 對照組細胞內l 天冬酰胺含量正常的原因是 2 患者多次靜脈注射該外源性酶后療效降低 是因為發生了 反應 該酶口服無效 原因是 3 根據實驗結果 你認為理想的抗腫瘤藥物應該具有的特性是 專一性 抑制 能合成l 天冬酰胺 有合成l 天冬酰胺的酶 免疫 拮抗 酶被分解失活 對腫瘤細胞有專一性殺傷作用 對正常細胞無影響 解析 1 該實驗的目的是驗證酶對兩種細胞的影響 所以自變量是細胞的種類 則對照組是培養基 l 天冬酰胺酶 正常細胞 實驗組的實驗結果是細胞生長受到抑制 天冬酰胺酶只能分解天冬酰胺 利用了酶的專一性 對照組細胞內天冬酰胺含量正常 是因為自身能合成天冬酰胺 2 多次注射該外源性酶后 機體會對其產生免疫反應使其療效降低 酶口服后會被消化酶水解而失活 3 根據實驗結果可以得出以下結論 天冬酰胺酶能抑制腫瘤細胞的生長 但對正常細胞無影響 這正是理想的抗腫瘤藥物的研制方向 鏈接提升 1 實驗對照分析 1 對于不同對照類型中實驗組和對照組的判定方法 空白對照實驗中的判定 被實驗研究因素所處理的對象組稱為實驗組 未被實驗研究因素處理的對象組為對照組 有時 依據是否處于正常狀態下進行判斷 通常將處于正常情況下的對象組稱為對照組 2 自身對照實驗中的判定 自身對照實驗是指對照組和實驗組在同一研究對象上進行 是實驗前后之間的對照 自身對照的關鍵是看實驗處理前后現象變化的差異 其中實驗處理前的對象狀況為對照組 實驗處理后的對象變化為實驗組 3 相互對照實驗中的判定 相互對照實驗是指不單設對照組 而是幾個對象組之間的相互對照 一般表現出實驗因素在量上的多少對實驗結果的影響 其中每一組既是實驗組又是其他組的對照組 4 條件對照實驗中的判定 條件對照實驗是指雖給對照組施以某種實驗處理 但不是所研究的實驗因素 以突出實施的非實驗研究因素與實驗所研究因素的差異 從一個側面襯托實驗因素對實驗結果所造成的影響 其中非實驗研究因素所處理的對象組為對照組 2 實驗變量分析根據實驗目的確定實驗變量 要遵循單一變量原則 對于單一變量原則要做到兩個確保 一是確保 因變量 的實驗觀測 即不論一個實驗有幾個實驗變量 都應做到一個自變量對應觀測一個因變量 二是確保 單一變量 的操作規范 即實驗中要盡可能避免無關變量的干擾 3 實驗結果分析根據實驗的結果 分析產生該結果的原因是常見的實驗題型之一 對于實驗現象的解釋 其知識的落腳點一般是基本知識 在復習時 一要掌握基本知識 為實驗的設計和實驗分析提供理論支撐 二要掌握對照性原則 單一變量原則 等量性原則在實驗分析和實驗設計中的運用 跟蹤訓練研究發現 某植物根尖成熟區表皮細胞對某種營養物質的吸收與該營養物質濃度的關系如圖所示 某同學為探究該植物根系對該營養物質的吸收方式進行了實驗設計 1 實驗原理 被動運輸不需要消耗能量 主動運輸需要消耗能量 能量來自 細胞呼吸 2 變量分析 確保單一變量自變量 控制無關變量 在選取實驗材料時 應選擇 的植株 且培養液的濃度應適合植株生長 3 實驗步驟 分別放入含有適宜濃度的該營養物質的完全培養液中 對甲組根系給予正常的呼吸條件 其他條件相同且適宜 根系是否進行細胞呼吸 生長發育狀況相同 取生長發育狀況相同的植株各10株分成甲 乙兩組 對乙組根系完全抑制呼吸 或在乙組的培養液中加入呼吸抑制劑 一段時間后 檢測甲 乙兩組植株的 4 預測實驗結果并進行分析 說明該植物的根系對該營養物質的吸收方式為被動運輸 說明該植物的根系對該營養物質的吸收方式為主動運輸 根系對該營養物質的吸收速率 若甲 乙兩組植株的根系對該營養物質的吸收速率相同 若乙組植株的根系對該營養物質的吸收速率明顯小于甲組的 或者完全不吸收 5 假設上述吸收方式為主動運輸 請在坐標系內畫出根尖成熟區表皮細胞對該營養物質的吸收速率與其呼吸作用強度關系的曲線 并標明橫縱坐標的含義 解析 1 分析曲線圖可知 該營養物質的吸收需要載體的協助 因此該植物根系對該營養物質的吸收方式可能是主動運輸或協助擴散 被動運輸 這兩種運輸方式的區別就在于是否消耗能量 而能量的來源就是細胞呼吸 2 由實驗原理可知 如果根系吸收這種營養物質的方式是主動運輸 抑制根系的細胞呼吸就會抑制其對這種物質的吸收 若吸收方式是被動運輸 則呼吸是否被抑制將不影響實驗結果 因此該實驗的自變量是根系是否進行細胞呼吸 依據實驗設計的單一變量原則 實驗中只有一