資源簡介

實驗與探究
實驗設計與分析 學案
【考點梳理】
典例1
下列有關科學史中研究材料、方法及結論的敘述，錯誤的是( )
A.孟德爾以豌豆為研究材料發現了基因的分離和自由組合定律
B.摩爾根以果蠅為研究材料證明了基因位于染色體上
C.沃森和克里克以DNA大分子為研究材料破譯了全部密碼子
D.科學家以噬菌體為研究材料證明DNA是噬菌體的遺傳物質
答案：C
解析：A.孟德爾以豌豆為研究材料，采用雜交、自交等方法，發現了基因的分離和自由組合定律， A正確； B.摩爾根以果繩為研究材料，統計分析后代眼色分離比，證明了基因位于染色體上，B正確； C.沃森和克里克通過構建物理模型的方法構建了DNA雙螺旋結構模型，C錯誤； D.赫爾希與蔡斯以噬菌體為研究材料，利用同位素示蹤技術，證明DNA是噬菌體的遺傳物質，D正確。故選：C。
考點鏈接
教材中的科學史實驗
1.施萊登和施旺利用顯微鏡通過觀察動植物細胞從而建立了細胞學說。
2.歐文頓通過對植物細胞的通透性進行硏究，發現細胞膜對不同物質的通透性不同，凡是可以溶于脂質的物質，比不能溶于脂質的物質更容易通過細胞膜進入細胞，提出膜是由脂質組成的。
3.羅伯特森通過電鏡觀察提出了生物膜的模型，即生物膜都由蛋白質—脂質—蛋白質三層結構構成。
4.桑格和尼克森提出了細胞膜的流動鑲嵌模型。
5.普利斯特利通過實驗發現植物能更新由于蠟燭燃燒或動物呼吸而變得污濁的空氣。
6.英格豪斯通過實驗證明只有在光照條件下，植物體只有綠葉能更新污濁的空氣。
7.梅耶根據能量轉化與守恒定律，指出植物在進行光合作用時，把光能轉換成化學能儲存起來。
8.薩克斯通過半葉遮光實驗饑餓處理后一半遮光一半曝光證明光合作用的產物除氧氣外還有淀粉。
9.魯賓和卡門利用同位素標記法（用180標記H2O和CO2）行探究，證明光合作用產生的氧氣來自水。
10.卡爾文用同位素標記示蹤法（用14C標記CO2）探明了CO2中的碳在光合作用中轉化成有機物中碳的途徑，即卡爾文循環11.孟德爾通過豌豆雜交實驗，并利用假說—演繹法提出了遺傳學兩大定律。
12.薩頓用蝗蟲細胞作材料，研究精子和卵細胞的形成過程時，通過類比推理法得出基因位于染色體上的假說。
13.摩爾根運用假說—演繹法通過果蠅雜交實驗證明基因位于染色體上。
14.格里菲思通過肺炎雙球菌體內轉化實驗推測S型細菌中存在著轉化因子。
15.艾弗里利用肺炎雙球菌體外轉化實驗（對S型細菌中的物質進行分離提純分別進行實驗）
說明轉化因子是DNA，DNA才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質。
16.赫爾希和蔡斯利用放射性同位素標記法（用35S和32P分別標記噬菌體的蛋白質和DNA）
證明DNA是真正的遺傳物質。
17.克里克和沃森通過構建模型法提岀了DNA的雙螺旋結構。
18.貝利斯與斯他林提出假設并通過實驗發現了小腸黏膜分泌的促胰液素和激素調節。
19.達爾文以胚芽鞘為材料，發現單側光照射能使胚芽鞘的尖端產生某種刺激，當這種刺激傳遞到下部的伸長區時，會造成背光面比向光面生長快，因而出現向光性彎曲。
20.詹森通過實驗證明胚芽鞘尖端產生的刺激可以通過瓊脂片傳遞給下部。
21.拜爾在暗處進行的實驗證明胚芽鞘的曲生長，是尖端產生的影響在其下部分布不均勻造成的。
22.溫特將經過燕麥尖端處理過的瓊脂塊放在切去尖端的胚芽鞘一側，證明造成胚芽鞘彎曲生長的是一種化學物質，并把這種物質命名為生長素。
例題練習
1.細胞學說是19世紀自然科學史上的一座豐碑，下列相關結論和推斷正確的是( )
A.解剖學家維薩里指出相似的細胞構成組織，進而構成器官等其他生命層次
B.細胞學說揭示了植物和動物兩大有機界最本質的聯系
C.魏爾肖總結的“新細胞是由老細胞分裂產生的”，至今仍未被推翻
D.施萊登和施旺都應用了完全歸納法提出細胞學說
答案：B
解析：維薩里通過解剖研究器官，并不知道更小的細胞結構，A錯誤；細胞學說揭示了植物和動物兩大有機界最本質的聯系，B正確；受精卵不是由老細胞分裂產生的，C錯誤；細胞學說的提出用了不完全歸納法，D錯誤。
2.下列有關科學史分析和教材實驗的敘述，錯誤的是( )
A.“觀察植物細胞的質壁分離及復原”實驗遵循對照原則，滴加蔗糖溶液組為實驗組，滴加清水組為對照組
B.在探究細胞核功能時，把蠑螈受精卵橫縊為有核、無核兩半進行對照實驗，有核部分為對照組
C.“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗中設置有氧組和無氧組進行對比實驗，根據溴麝香草酚藍水溶液變成黃色的時間長短，檢測CO2的產生情況
D.“模擬探究細胞大小與物質運輸的關系”實驗中設置邊長不同的瓊脂塊進行對比實驗，每組NaOH在瓊脂塊的擴散速率相同
答案：A
解析：“觀察植物細胞的質壁分離及復原”實驗遵循對照原則，設置了一組實驗進行自身前后對照，A錯誤；在探究細胞核功能時，把蠑螈受精卵橫縊為有核、無核兩半進行對照實驗，有核部分為對照組，無核部分為實驗組，B正確；“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗中設置有氧組和無氧組進行對比實驗，根據溴麝香草酚藍水溶液變成黃色的時間長短，檢測兩組酵母菌培養中CO2的產生情況，C正確；“模擬探究細胞大小與物質運輸的關系”實驗中設置邊長不同的瓊脂塊進行對比實驗，每組NaOH在瓊脂塊的擴散速率相同，擴散進瓊脂塊的深度相同，而擴散的效率（NaOH擴散體積/瓊脂塊總體積）不同，D正確。
典例2
將生理狀態相同、大小相似的多只家兔均分為甲、乙兩組，兩組家兔分別注射一定濃度的胰島素溶液和腎上腺素溶液，一段時間后檢測發現甲組家兔血糖濃度下降，乙組家兔血糖濃度升高。下列分析錯誤的是( )
A.因缺少對照，該實驗不能得出血糖濃度受激素影響的結論
B.實驗開始前，應分別測量甲、乙兩組家兔的初始血糖濃度
C.實驗過程中，甲組家兔可能會出現行動遲緩甚至昏迷等癥狀
D.腎上腺素可能具有促進肝糖原分解，升高血糖的功能
答案：A
解析：本題以實驗設計流程及實驗結果為情境，考查考生的識記和理解能力，考查的生物學科核心素養為科學探究。甲、乙兩組的實驗結果能得出血糖濃度受激素影響的結論，實驗開始前，應分別測量甲、乙兩組家兔的初始血糖濃度，A錯誤，B正確；甲組家兔注射一定濃度的胰島素溶液，可能會導致家兔血糖濃度過低，從而出現行動遲緩甚至昏迷等低血糖癥狀，C正確；腎上腺素具有升高血糖的功能，其作用機理可能是促進肝糖原分解，D正確。
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實驗原則
一、對照原則
對照實驗是指除所控制因素不同外，其他條件完全相同的實驗。科學地設置對照實驗，能夠有效地排除其他因素干擾實驗結果的可能性。設置對照組有4種方法：
類型 設置對照實驗 實例
空白對照 對照組不做任何處理 驗證甲狀腺激素的作用，對照組動物不做任何處理，讓其自然生長
自身對照 實驗組和對照組都在同一個實驗對象上進行 植物細胞質壁分離和復原實驗，在同一個裝片中先后進行，對照組（正常的紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞）和實驗組（發生質壁分離和復原的細胞）是同一組細胞
條件對照 給實驗對象施以某種處理，但這種處理不是實驗假設所給定的實驗變量，這種對照方法，通過得出兩種相對立的結論，以驗證實驗結論的正確性 在驗證激素作用的實驗中，甲組為實驗組（飼喂甲狀腺激素），乙組為條件對照組（飼喂甲狀腺激素抑制劑），不飼喂藥劑的是空白對照組
相互對照 不單獨設置對照組，而是幾個實驗組相互對照 在探究細胞的遺傳物質時，分別用35S和32P標記噬菌體
二、單一變量原則和等量原則
即除自變量以外，應使實驗組和對照組的無關變量保持相同且適宜。如探究光照強度對光合速率影響，唯一變量是光照強度，無關變量CO2、溫度等要保持適宜且一致。
三、平行重復原則
在實驗設計中為了避免實驗結果的偶然性，減小實驗誤差，必須對所做實驗進行足夠次數的重復，以獲得多次實驗結果的平均值，保證實驗結果的準確性。如探究培養液中酵母菌數量動態變化的實驗中，每次計數都要重復至少3次。
四、科學性原則
在設計實驗時必須有充分的科學依據，即實驗目的要明確，實驗原理要正確，實驗研究的材料和實驗方法的選擇要恰當，整個實驗設計的思路和實驗方法的確定都不能偏離實驗原理、有關的生物學知識及其他學科領域的基本知識。
（1）選材科學性：如鑒定還原糖的實驗中不能以西瓜汁為實驗材料，因為西瓜汁的紅色會干擾顏色反應。
（2）實驗方法科學性：如使用雙縮脲試劑時應先加入A液，再加入B液。
注：實驗設計時還有其他原則，如可行性原則，即從實驗目的、實驗原理到實驗材料用品的選擇、實驗操作等，都要符合實驗者的一般認知水平，滿足現有的條件，具有進行實驗和完成實驗的可能性；簡便性原則，即實驗材料容易獲得，實驗裝置簡化，操作簡便，效果明顯并能在較短時間內完成等。
例題練習
1.生物實驗小組的同學將某動物的提取液注射到正常小鼠體內，下列關于該小鼠的分析不正確的是( )
A.若小鼠出現糖尿，則是注射的提取液中可能含抗利尿激素所致
B.若小鼠排卵增多，則注射的提取液可能來自垂體
C.若小鼠出現呼吸加快、心率加快、反應靈敏等癥狀，則注射的提取液中可能含腎上腺素
D.若小鼠出現活動減少、嗜睡，甚至昏迷等癥狀，則注射的提取液中可能含胰島素
答案：A
解析：若小鼠出現糖尿，即出現了高血糖癥狀，則注射的提取液中含有升高血糖的激素，可能是胰高血糖素，抗利尿激素的作用是促進腎小管和集合管對水的重吸收，A錯誤；垂體分泌的促性腺激素能促進排卵，所以若小鼠排卵增多，則注射的提取液可能來自垂體，B正確；腎上腺素能使小鼠呼吸加快、心跳與血液流動加速等，所以若小鼠出現呼吸加快、心率加速、反應靈敏等癥狀，則注射的提取液中可能含腎上腺素，C正確；胰島素能降低血糖濃度，所以若小鼠出現活動減少、嗜睡，甚至昏迷等低血糖癥狀，則注射的提取液中可能含胰島素，D正確。
2.丙酮酸進入線粒體被徹底氧化分解需要經過系列脫氫過程，其中間產物琥珀酸在琥珀酸脫氫酶催化下脫下的氫可將藍色的甲烯藍（一種指示劑）還原成無色的甲烯白。丙二酸和琥珀酸分子結構相似，可以競爭性與琥珀酸脫氫酶結合，但不會脫氫，試設計實驗方案，探究丙二酸對琥珀酸脫氫反應是否有抑制作用。下列敘述不合理的是( )
A.實驗假設：丙二酸對琥珀酸脫氫反應有抑制作用
B.實驗取材：大白鼠心肌細胞含有較多的線粒體，可從其研磨液中提取琥珀酸脫氫酶
C.實驗分組：對照組加琥珀酸、實驗組加丙二酸，兩組都加入甲烯藍和琥珀酸脫氫酶
D.觀察指標：藍色的甲烯藍還原成無色的甲烯白時間的長短
答案：C
解析：A、根據試題分析，本實驗假設可以是：丙二酸對琥珀酸脫氫反應有抑制作用，A正確；B、實驗取材：線粒體中的琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸脫氫，要獲取琥珀酸脫氫酶，可以從大白鼠心肌細胞研磨液中提取琥珀酸脫氫酶，B正確；C、實驗分組：實驗的自變量是有無丙二酸，對照組加琥珀酸、甲烯藍和琥珀酸脫氫酶；實驗組加琥珀酸、丙二酸，甲烯藍和琥珀酸脫氫酶，C錯誤；D、本實驗的觀測指標可以是：藍色的甲烯藍還原成無色的甲烯白時間的長短，D正確。
典例3
某同學欲制作DNA雙螺旋結構模型，已準備了足夠的相關材料，下列敘述正確的是( )
A.在制作脫氧核苷酸時，需在磷酸上連接脫氧核糖和堿基
B.制作模型時，鳥嘌呤與胞嘧啶之間用2個氫鍵連接物相連
C.制成的模型中，腺嘌呤與胞嘧啶之和等于鳥嘌呤和胸腺嘧啶之和
D.制成的模型中，磷酸和脫氧核糖交替連接位于主鏈的內側
答案：C
解析：本題考查DNA分子結構的有關知識。脫氧核糖上連接磷酸和堿基，堿基不與磷酸相連，A項錯誤；鳥嘌呤與胞嘧啶之間靠3個氫鍵連接，B項錯誤；在雙鏈DNA分子中，腺嘌呤和胸腺嘧啶數量相等，胞嘧啶和鳥嘌呤數量相等，因此腺嘌呤與胞嘧啶之和等于鳥嘌呤和胸腺嘧啶之和，C項正確；磷酸和脫氧核糖交替連接位于主鏈的外側，作為主鏈的基本骨架，D項錯誤。
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科學研究方法
一、假說—演繹法
（1）孟德爾遺傳定律的發現過程。
（2）基因與染色體的關系的探究歷程
從薩頓提出“基因在染色體上的假說”到摩爾根通過實驗驗證這個假說，整個過程體現了“假說—演繹”的應用。同時，從摩爾根發現果蠅中出現一只白眼雄蠅到提出“控制白眼性狀的基因位于X染色體上”到最后通過實驗證明，也是“假說—演繹”的經典應用。
（3）DNA復制方式的提出與證實。
二、建立模型法
（1）由于種種原因，直接用研究對象進行研究非常困難或者不可能，可以用建立模型的方法進行研究。
建立模型時，人們常對認識對象進行簡化的概括性描述。經過分析，從復雜的生物學問題中提取主要因素，忽略次要因素，用形象化的手段描述主要因素間的關系。
模型包括物理模型、概念模型、數學模型等。模型一方面需要被檢驗，另一方面可以對未來做出預測。
（2）通過建立模型的方法進行研究的實例
①細胞膜結構和功能的研究——流動鑲嵌模型
②研究細胞大小與細胞物質交換效率的關系模型
③沃森、克里克建立DNA雙螺旋結構模型
④種群J型增長和S型增長數學模型
三、同位素標記法
常用的示蹤元素：如3H、14C、15N、18O、32P、35S（蛋白質的特征元素）等。同位素可用于追蹤物質的運行和變化規律。用同位素標記的化合物，化學性質不會改變。科學家通過追蹤同位素標記的化合物，可用弄清化學反應的詳細過程。這種方法叫做同位素標記法。
此方法用于：（1）探究分泌蛋白的合成和運輸途徑：核糖體、內質網、高爾基體、細胞膜。（2）證明光合作用釋放的氧氣來自水。（3）噬菌體侵染細菌的實驗。（4）DNA半保留復制實驗。
四、類比推理法
這是科學研究中常用的方法之一。類比推理是根據兩個或兩類對象有部分屬性相同從而推出它們的其他屬性也相同的推理。簡稱類推、類比。它是以關于兩個事物某些屬性相同的判斷為前提，推出兩個事物的其他屬性相同的結論的推理。例如：薩頓的推理是類比推理。他將看見的基因與看不見的染色體的行為進行類比，根據其驚人的一致性，提出基因位于染色體上的假說。應當注意的是，類比推理得出的結論并不具有邏輯的必然性，其正確與否，還需要觀察和實驗的檢驗。
五、熒光標記法
（1）在生物學中，和同位素標記法類似的另一種方法。
（2）教材應用
①細胞融合實驗：這一實驗很有力地證明了細胞膜的結構特點是具有一定流動性。
②基因在染色體上的實驗證據：運用熒光標記的手段，可以很直觀地觀察到某一基因在染色體上的位置。
六、離心法
（1）常用離心法：差速離心法、密度梯度離心。
（2）實例：分離細胞器、探究DNA復制方式、噬菌體侵染細菌的實驗等。
七、紙層析法：分離色素。
八、控制變量
實驗過程中可以變化的因素稱為變量。其中認為改變的變量稱為自變量：隨著自變量的變化而變化的變量稱做因變量。除自變量外，實驗過程中可能還會存在一些可變因素，對實驗結果造成影響，這些變量稱為無關變量。
除了一個因素以外，其余因素都保持不變的實驗叫做對照實驗。上述實驗中只有反應條件是改變的，其余因素（如反應物的性質和濃度）都沒有變化。對照實驗一般要設置對照組和實驗組。在對照實驗中，出來要觀察的變量外，其他變量都應當始終保持相同。
例題練習
1.假說一演繹法是現代科學研究中常用的方法，利用該方法孟德爾發現了兩個遺傳規律。下列有關分析正確的是( )
A.孟德爾所作假設的核心內容是“性狀是由位于染色體上的基因控制的”
B.孟德爾發現的遺傳規律可以解釋所有有性生殖生物的核遺傳現象
C.孟德爾在發現基因分離定律時的“演繹”過程：若F1產生配子時成對的遺傳因子分離，則F2中三種基因型個體的數量比接近1:2:1
D.提出問題是建立在豌豆純合親本雜交和F1自交遺傳實驗基礎上的
答案：D
解析：孟德爾未提出“基因”這一概念，A錯；孟德爾的遺傳規律不能解釋連鎖互換定律，B錯；孟德爾在發現基因分離定律時的“演繹”過程是:若F1產生配子時成對遺傳因子分離，則測交后代會出現兩種性狀，分離比接近1:1，C錯。故選D。
2.進行“噬菌體侵染細菌”實驗時，分別用放射性同位素32P和35S標記的T2噬菌體去侵染未經標記的細菌。若親代噬菌體的遺傳物質在細菌體內復制了3次，并全部組裝形成子代噬菌體。下列有關該實驗的敘述中，正確的是( )
A.分別用含32P和35S的牛肉膏蛋白胨培養基培養噬菌體以標記噬菌體
B.含有32P、35S的子代噬菌體分別占子代噬菌體總數的1/4和0
C.T2噬菌體遺傳信息傳遞的方向是RNA→DNA→RNA→蛋白質
D.該實驗證明了DNA是主要的遺傳物質
答案：B
解析：本題考查噬菌體侵染細菌實驗、DNA的復制、遺傳信息的傳遞方向等知識。噬菌體屬于病毒，沒有細胞結構，噬菌體必須寄生在活細胞內才能進行生命活動，不能用牛肉膏蛋白胨培養基去培養噬菌體，A錯誤；T2噬菌體侵染未經標記的細菌時，噬菌體的DNA進入細菌體內，而蛋白質留在外面，子代噬菌體是以親代噬菌體的DNA為模板，以細菌的脫氧核苷酸和氨基酸為原料合成的，均不含有35S，親代噬菌體的遺傳物質進行半保留復制，復制3次，共得到23=8個子代DNA，其中2個DNA分子含有32P，故含有32P的子代噬菌體占子代噬菌體總數的2/8=1/4，B正確；T2噬菌體的遺傳物質為DNA，其遺傳信息傳遞的方向是DNA→RNA→蛋白質， C錯誤；該實驗證明了DNA是遺傳物質，D錯誤。
典例4
用質量分數為2%的秋水仙素處理植物分生組織5~6h，能夠誘導細胞內染色體加倍。某生物小組為了探究用一定時間的低溫（如4℃）處理水培的洋蔥根尖是否也能誘導細胞內染色體加倍進行了相關實驗設計。下列關于該實驗的敘述，錯誤的是( )
A.本實驗的假設是用一定時間的低溫處理水培的洋蔥根尖能夠誘導細胞內染色體加倍
B.本實驗可以在顯微鏡下觀察和比較經過不同處理后根尖細胞內的染色體數目
C.本實驗需要制作根尖細胞的臨時裝片，制作步驟是解離→漂洗→染色→制片
D.本實驗可以看到一個細胞完整的染色體數目加倍的過程
答案：D
解析：結合教材中的相關知識(秋水仙素和低溫均可誘導染色體數目加倍)可以提出本實驗的假設。本實驗與觀察根尖細胞有絲分裂的實驗有類似之處，即都需要制作臨時裝片且方法相同。從題干中可以看出，本實驗屬于探究性實驗，實驗假設可以是A項中的敘述，也可以是低溫處理不能誘導細胞中染色體數目加倍，A項正確。本實驗的因變量是細胞內染色體的數目，染色體的數目變化屬于染色體變異，染色體變異是可以在顯微鏡下觀察到的，B項正確。本實驗中制作臨時裝片的步驟是：解離→漂洗→染色→制片，C項正確。由于在解離過程中已經將細胞殺死，所以用顯微鏡觀察時看不到一個細胞完整的染色體數目加倍的過程，只能看到染色體的數目，D項錯誤。
考點鏈接
實驗設計與分析
一、理清實驗設計的思路
二、準確描述實驗操作步驟的“四步曲”
三、“五看法”評價實驗設計
例題練習
1.下列實驗中，生物材料選擇及裝片制作步驟均合理的是( )
序號 實驗內容 生物材料 裝片制作步驟
① 脂肪的鑒定 花生子葉 切片→染色→去浮色→蓋蓋玻片
② 觀察植物細胞質壁分離 洋蔥根尖 滴清水→加根尖→蓋蓋玻片→壓片
③ 觀察細胞有絲分裂 黑藻葉片 解離→漂洗→染色→壓片
④ 培養液中種群數量變化 酵母菌 滴培養液于計數室→蓋蓋玻片
A.實驗① B.實驗② C.實驗③ D.實驗④
答案：A
解析：脂肪的鑒定實驗中，裝片制作步驟為切片、染色、去浮色、蓋蓋玻片；觀察植物細胞質壁分離實驗應該選擇紫色洋蔥鱗片葉作為實驗材料，不能選擇根尖；觀察細胞有絲分裂實驗中不能選擇黑藻葉片，因為黑藻葉片細胞已經高度分化，不再分裂；探究培養液中酵母菌種群數量變化實驗中，應該先蓋蓋玻片，再滴培養液。
2.實驗流程的正確與否，關系到實驗目的是否能夠達成，下列有關實驗流程的描述，正確的是( )
A.在鑒定待測樣液中的蛋白質時，需將NaOH和CuSO4溶液等量混合再加入組織樣液中
B.探究溫度對酶活性的影響時，應將酶與底物混合后在不同溫度下分別保溫
C.低溫誘導染色體加倍實驗中，將大蒜根尖制成裝片后再進行低溫處理
D.洋蔥根尖解離后需經漂洗步驟，洗去解離液后才能用龍膽紫溶液染色
答案：D
解析：在鑒定待測樣液中的蛋白質時，需先加NaOH溶液形成堿性環境，后加CuSO4溶液，A錯誤；探究溫度對酶活性的影響時，應將酶與底物在不同溫度下分別保溫后再混合，B錯誤；低溫誘導染色體加倍實驗中，將大蒜根尖低溫處理后再制成裝片，C錯誤；洋蔥根尖解離后需經漂洗步驟，洗去解離液后才能用龍膽紫溶液染色，D正確。

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