2021高考生物一轮复习第三单元科学探究系列2实验方案设计的基本原则教案新人教版

2021高考生物一轮复习第三单元科学探究系列2实验方案设计的基本原则教案新人教版

- 1 - 实验方案设计的基本原则 1.科学性原则 所谓科学性原则,是指实验的原理要符合科学原理,实验结果的预期有科学依据,实验的各个 环节不能偏离生物学基本知识和基本原则,以及其他科学领域的基本原则。科学性原则具有两 个方面的含义:首先,必须保证实验的设计不出现科学性错误;其次,实验设计要具有科学思想 和科学方法的因素。具体地说,科学性原则体现在以下几个方面:实验原理的科学性、实验方 法的科学性、实验材料选择的科学性、实验结果处理的科学性及实验结果分析的科学性等。 2.平行重复原则 任何实验都必须能够重复,在同样条件下重复,实验结果应该一致或相近。实验设计时,可以通 过在一组实验中同时处理多个材料体现重复性原则。 3.单一变量原则 单一变量原则可使实验中的复杂关系简单化,使结果更准确。其含义包括:①不论一个实验有 几个实验变量,都应做到一个变量对应一个需要观测的反应变量;②实验中要尽可能避免无关 变量的干扰。这一原则强调实验组和对照组只有一个量是不同的,实验组和对照组的结果差异 只能是由这个单一变量导致的,从而证明实验组变量的作用。因此,在进行实验设计时,要首先 确定实验变量并正确设置。 4.对照原则 对照原则是中学实验中最常用的原则。通过设置对照实验,既可排除无关变量的干扰,又可增 加实验结果的可信度和说服力。在一个对照实验中,可包括实验组和对照组。实验组是接受自 变量处理的对象组,对照组是不接受自变量处理的对象组,一般是随机决定的。常用的对照组 类型有空白对照、自身对照、条件对照、相互对照几种。 5.随机性原则 实验设计中的随机性原则是指被研究的样本是从总体或群体中随机抽取的。这样做可以:①消 除或减少系统误差;②平衡各种条件,避免实验结果出现误差。 1.(2019·名校考前仿真)为研究 Cu2+和 Cl-对唾液淀粉酶活性的影响,某小组设计了如下操作 顺序的实验方案: 甲组:CuSO4 溶液—缓冲液—淀粉酶溶液—淀粉溶液—保温—检测 - 2 - 乙组:NaCl 溶液—缓冲液—淀粉酶溶液—淀粉溶液—保温—检测 丙组:蒸馏水—缓冲液—淀粉酶溶液—淀粉溶液—保温—检测 各组试剂量均适宜,下列对该实验方案的评价,不合理的是( D ) A.缓冲液的 pH 应控制为最适 pH B.保温的温度应控制在 37 ℃左右 C.宜选用碘液来检测淀粉的剩余量 D.设置的对照实验能达成实验目的 解析:缓冲液的作用是调节 pH,维持 pH 稳定,本实验 pH 以及温度都是无关变量,为了避免温度 和 pH 对实验的干扰,因此温度和 pH 都应该设置为最适;本实验的因变量是淀粉的剩余量,根据 淀粉遇碘变蓝可以检测实验中淀粉是否有剩余,与对照组相比较说明 Cu2+和 Cl-对唾液淀粉酶 活性的影响;甲、乙两组实验中除了有 Cu2+和 Cl-,还有硫酸根离子和钠离子,需要排除二者对实 验的干扰,因此对照组还需要再设置一组排除硫酸根离子和钠离子干扰的对照实验,因此设置 的对照实验只有一组不能达成实验目的。 2.(2019·河北衡水金卷)为探究“影响胶原蛋白酶活性的因素”,某生物兴趣小组设计了一个 实验方案,如表所示。回答下列问题: 试管 底物和试剂 实验条件 1 蛋白质 X+4 mL 蒸馏水 37 ℃水浴;pH=7 2 蛋白质 X+4 mL 胶原蛋白酶 37 ℃水浴;pH=7 3 蛋白质 X+4 mL 胶原蛋白酶 ①;pH=3 4 蛋白质 X+4 mL 胶原蛋白酶 0 ℃水浴;pH=② (1)实验方案中①②处分别为 、 。 (2)本实验的自变量是 ,无关变量有 (至少 答出两点)。 (3)用双缩脲试剂检测上述 4 组实验后的溶液,溶液呈现紫色的试管有 。 (4)为便于观察、记录实验现象,需对蛋白质 X 进行特殊处理,使其 ,本实 验就可以通过观察 推断酶活性的大小。 解析:(1)表格中提供了温度和 pH 两种实验条件,因此实验目的是探究温度、pH 对胶原蛋白酶 活性的影响,故方案中①②处分别保证只含一个自变量即可。 - 3 - (2)由上述分析可知,本实验的自变量是温度、pH,无关变量有胶原蛋白酶的用量或浓度、蛋白 质 X 的用量、保温时间等。 (3)由于胶原蛋白酶本身为蛋白质,反应前后质和量均不变,所以用双缩脲试剂检测 4 个试管溶 液均呈紫色。 (4)由于不能用双缩脲试剂检测蛋白质 X 的含量变化,我们可以通过肉眼观察的方法,使蛋白质 凝结成为块状即可。以相同时间内蛋白块大小的变化(或记录蛋白块消失所需的时间)作为因 变量,确定酶活性大小。 答案:(1)37 ℃水浴 7 (2)温度和 pH 胶原蛋白酶的用量或浓度、蛋白质 X 的用量、保温时间(答出任意两点即可) (3)1、2、3、4 (4)凝固成块状(答出“呈现块状”即可) 单位时间或相同时间内蛋白块大小的变化情况(或 “记录蛋白块消失所需的时间”,必须有“时间”这一关键词) 考点三 ATP 在能量代谢中的作用 1.ATP 的结构与功能 2.ATP 与 ADP 的相互转化及利用 ATP ADP+Pi+能量 (1)①②过程用到的酶分别为 ATP 水解酶、ATP 合成酶。 (2)②过程能量来源为 (3)①过程进行的场所是生物体的需能部位,②过程进行的场所是细胞质基质、线粒体、叶绿 体。 (4)①过程产生的能量用于各项生命活动,如细胞的主动运输、肌肉收缩、大脑思考等。 - 4 - (5)吸能反应一般与①(填“①”或“②”)过程相联系,放能反应一般与②(填“①”或“②”) 过程相联系。 3.ATP 的功能与动、植物细胞代谢 (1)植物细胞可以通过光合作用和细胞呼吸形成 ATP,而动物细胞只能通过细胞呼吸形成 ATP。 (2)ATP 水解释放的能量可用于主动运输、发光发电、肌肉收缩、物质合成、大脑思考等。 [纠误诊断] (1)1 分子 ATP 中只含有 1 分子腺嘌呤和 3 分子磷酸基团。( × ) 提示:1 分子 ATP 中含有 1 分子腺嘌呤、1 分子核糖和 3 分子磷酸基团。 (2)ATP 水解释放的能量可用于细胞内的放能反应。( × ) 提示:ATP 水解释放的能量用于吸能反应。 (3)淀粉水解成葡萄糖时伴随有 ATP 的生成。( × ) 提示:淀粉水解成葡萄糖时不合成 ATP。 (4)人在饥饿时,细胞中 ATP 与 ADP 的含量难以达到动态平衡。( × ) 提示:人在饥饿时,细胞中的 ATP 与 ADP 的含量也处于动态平衡状态。 (5)无氧条件下,光合作用是叶肉细胞产生 ATP 的唯一来源。( × ) 提示:无氧呼吸也能产生 ATP。 (6)代谢旺盛的细胞内 ATP 的含量很高。( × ) 提示:代谢旺盛的细胞 ATP 与 ADP 转化的速率很快,ATP 的含量并不高。 (7)线粒体内膜、内质网膜和叶绿体中进行光反应的膜结构中都能合成 ATP。( × ) 提示:内质网膜上不能合成 ATP。 1.据图分析 ATP 的结构和特点: (1)图示 a 处应为“—H”还是“—OH”? 提示:图示 a 处应为“—OH”,因为该五碳糖为核糖。 - 5 - (2)图示 b、c、d 所示化学键是否相同?其中最易断裂和重建的是哪一个? 提示:图示 b 为普通磷酸键,c、d 则为高能磷酸键,其中 d 处的化学键最易断裂和重建。 (3)图示框 e 中结构的名称是什么?它与 RNA 有何关系? 提示:图示框 e 中结构为腺嘌呤核糖核苷酸,它是构成 RNA 的基本单位之一。 [深度思考] 在某细胞培养液中加入 32P 标记的磷酸分子,短时间后分离出细胞的 ATP,发现其含量变化不 大,但部分 ATP 的末端 P 已带上放射性标记,分析该现象得到哪些结论? 提示:(1)ATP 中远离 A 的磷酸基团容易脱离;(2)该过程中 ATP 既有合成又有水解;(3)部分 32P 标记的 ATP 是重新合成的。 2.细胞内常见产生与消耗 ATP 生理过程的归纳 转化场所 常见的生理过程 细胞膜 消耗 ATP:主动运输、胞吞、胞吐 细胞质基质 产生 ATP:细胞呼吸第一阶段 消耗 ATP:一些吸能反应 叶绿体 产生 ATP:光反应 消耗 ATP:暗反应和自身 DNA 复制、转录,蛋白质合成等 线粒体 产生 ATP:有氧呼吸第二、三阶段 消耗 ATP:自身 DNA 复制、转录,蛋白质合成等 核糖体 消耗 ATP:蛋白质的合成 细胞核 消耗 ATP:DNA 复制、转录等 名师点拨:ATP 理解的四点提醒 (1)ATP 不等同于能量:ATP 是与能量有关的一种高能磷酸化合物,水解时大量的能量会释放出 来。 (2)ATP 在细胞内含量较少:剧烈运动时,含量不会明显增加,但可以通过 ATP 与 ADP 的快速转化 为生命活动提供能量。 (3)ATP 与 RNA 的关系:ATP 分子脱去 2 分子磷酸基团,称为腺嘌呤核糖核苷酸,它是 RNA 分子的 基本组成单位之一。 - 6 - (4)ATP 与 ADP 的相互转化不可逆:从物质方面来看是可逆的,但从酶、进行的场所、能量方面 来看是不可逆的。 题型一 ATP 的结构及其合成和利用 1.(2019·天津卷)下列过程需 ATP 水解提供能量的是( B ) A.唾液淀粉酶水解淀粉 B.生长素的极性运输 C.光反应阶段中水在光下分解 D.乳酸菌无氧呼吸的第二阶段 解析:唾液淀粉酶水解淀粉,形成麦芽糖,不消耗能量;生长素的极性运输是以主动运输的方式 进行,在幼嫩组织中从形态学上端运到形态学下端,需要 ATP 提供能量;光反应阶段中水在光下 分解,需要光能,不需要 ATP 供能;乳酸菌无氧呼吸的第二阶段是丙酮酸变成乳酸,不需要 ATP 供能。 2.(2019·河北衡水中学二调)下图表示生物体内发生的两个化学反应,请判断下列相关说法 中正确的是( B ) A.ATP 分子水解时,图中所示的化学键③④最易断裂 B.图中酶 1 和酶 2 的化学本质相同,但是二者的种类不同 C.细胞中的吸能反应一般与 ATP 的合成反应相联系 D.ATP 与 ADP 间相互转化的能量供应机制只发生在真核细胞内 解析:ATP 分子水解时,图中所示的化学键④最易断裂,并释放出大量的能量;图中酶 1 和酶 2 的 化学本质相同,都是蛋白质,但是二者的种类不同;细胞中的放能反应一般与 ATP 的合成反应相 联系,吸能反应一般与 ATP 的水解反应相联系;ATP 与 ADP 间相互转化的能量供应机制发生在一 切细胞内。 题型二 ATP 的拓展考查 3.(2019·河南九校联考)核苷三磷酸(NTP)包括 ATP、GTP、UTP、CTP 等;脱氧核苷三磷酸(dNTP,d 表示脱氧)包括 dATP、dGTP、dTTP、dCTP。研究发现 dNTP 可作为 DNA 合成的原料。下列叙述 正确的是( B ) - 7 - A.dNTP 和 NTP 的区别体现在五碳糖的种类不同 B.dNTP 含有 2 个高能磷酸键,可为 DNA 复制提供能量 C.DNA 复制时需 dATP、dTTP 含量越多,则 DNA 结构越稳定 D.真核细胞分裂时,胞内 dNTP 都进入细胞核内参与 DNA 的复制 解析:dNTP 和 NTP 的区别在于五碳糖种类不同和碱基种类不同;DNA 复制时,dNTP 需要脱去 2 个 高能磷酸键释放能量,该能量可用于 DNA 复制;DNA 复制时需 dCTP、dGTP 含量越多,则 DNA 结构 越稳定;真核细胞进行分裂时,除核 DNA 进行复制外,细胞质 DNA 也有复制,胞内 dNTP 不可能全 部进入细胞核中。 4.在下列几种化合物的化学组成中,圆圈中所对应的含义最接近的是( D ) A.①和② B.①和③ C.③和④ D.⑤和⑥ 解析:根据题意可知,圆圈中所对应的含义分别为:①表示一磷酸腺苷 AMP,即腺嘌呤核糖核苷 酸,②表示腺嘌呤,③表示 DNA 分子中的腺嘌呤脱氧核苷酸,④表示 RNA 分子中的腺嘌呤核糖核 苷酸,⑤表示腺苷,⑥表示腺苷。 5.(2016·全国Ⅰ卷,节选)在有关 DNA 分子的研究中,常用 32P 来标记 DNA 分子。用α、β和γ 表示 ATP 或 dATP(d 表示脱氧)上三个磷酸基团所处的位置(A—Pα～Pβ～Pγ 或 dA—Pα～Pβ～P γ)。回答下列问题: (1)某种酶可以催化 ATP 的一个磷酸基团转移到 DNA 末端上,同时产生 ADP。若要用该酶把 32P 标记到 DNA 末端上,那么带有 32P 的磷酸基团应在 ATP 的 (填“α”“β”或“γ”) 位上。 (2)若用带有 32P 的 dATP 作为 DNA 生物合成的原料,将 32P 标记到新合成的 DNA 分子上,则带有 32P 的磷酸基团应在 dATP 的 (填“α”“β”或“γ”)位上。 解析:(1)ATP 水解形成 ADP 时远离腺苷的高能磷酸键断裂,因此,ATP 转移到 DNA 末端上的磷酸 基团位于 ATP 的γ位上。 (2)dATP 断裂两个高能磷酸键后形成的 dA—Pα为组成 DNA 分子的成分之一,因此,若将 32P 标记 到新合成的 DNA 分子上,则带有 32P 的磷酸基团应在 dATP 的α位上。 - 8 - 答案:(1)γ (2)α [构建知识网络] [强化思维表达] 1.同无机催化剂相比,酶降低活化能的作用更显著,因而催化效率更高。 2.酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物,其中绝大多数酶是蛋白质,少数是 RNA。 3.酶具有专一性和高效性,作用条件较温和。 4.低温抑制酶的活性,但不破坏酶的空间结构。 5.高温、过酸、过碱都会导致酶分子空间结构破坏而永久失去活性。 6.ATP 是为细胞生命活动提供能量的直接能源物质。 7.细胞内 ATP 与 ADP 相互转化的能量供应机制,是生物界的共性。