第5章 素能提升课2 科学探究中的变量控制与对照实验 人教版2019生物必修1 课件(共38张PPT)

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素能提升课2　科学探究中的变量控制与对照实验
第5章　细胞的能量供应和利用
实验过程中可以变化的因素称为变量。在生物实验设计中对变量的确立、操控是实验成功与否的关键。
提升点1　科学探究中的变量控制
(1)变量类型
自变量 又称实验变量，是研究者主动操控的，即实验所探究的条件和因子，是作用于实验对象的刺激变量，坐标中横轴标识一般为自变量
因变量 又称反应变量，是随自变量变化而产生反应或发生变化的变量，应具有可测性和客观性，坐标中纵轴标识一般为因变量
无关
变量 无关变量又称干扰变量、控制变量，是指与研究目标无关，但却影响研究结果的变量。实验时一般需控制无关变量适宜且相同
(2)变量控制
①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)。
②等量原则
在实验设计和操作中，要尽量减少无关变量对实验的影响，而且不同的实验组中无关变量应完全相同且适宜，这样就可排除无关变量对实验的干扰，排除实验偶然性，提高实验的准确率。
1．某同学为探究酶的特性，进行了一系列相关实验，结果如下表所示，下列叙述正确的是(　　)
实验步骤 试管
1 2 3 4 5 6
1 向试管内加入可溶性淀粉溶液 2 mL 2 mL 2 mL 1
2 向试管内加入植物淀粉酶 2滴 2滴 2滴
实验步骤 试管
1 2 3 4 5 6
3 将试管分别放到不同温度的水浴保温5分钟 0 0 50 50 100 100
4 将试管1和2，3和4，5和6中溶液混合，继续在原温度下保温5分钟
5 分别滴加碘液，并观察颜色变化
A．本实验的自变量是底物的有无、温度、酶的有无
B．本实验可以用斐林试剂检测还原糖的生成量，比较各温度下砖红色颜色深浅
C．会对实验结果产生重大影响的无关变量有淀粉的浓度、酶的浓度，如果淀粉用量过少，可以适当延长反应时间，以观察到最佳实验现象
D．沸水浴组滴加碘液后，颜色为蓝色，将该反应体系的温度降至适宜温度继续反应，颜色无变化
√
D　[本实验的自变量为温度，因变量为淀粉被分解的速率，A错误；由于用斐林试剂检测还原糖的生成量时需要水浴加热，会改变实验初始的预设温度，影响实验结果的观察，因此不能用斐林试剂检测还原糖的生成量，B错误；酶具有高效性，如果淀粉用量过少，可以适当缩短反应时间，以观察到最佳实验现象，C错误；由于高温会使酶的活性丧失，因此沸水浴组滴加碘液后，颜色为蓝色，将该反应体系的温度降至适宜温度继续反应，颜色无变化，D正确。]
2．消化酶的研究为鲍鱼的快速健康养殖提供了参考。研究人员从鲍鱼的肠道和肝胰脏中获取淀粉酶进行相关实验，结果如图1、图2所示。请回答下列问题：
(1)图1中实验的自变量是_________________，因变量是________________。在30 ℃至40 ℃范围内，_________中淀粉酶活性较高。
(2)由图2可知淀粉酶的最适pH在________左右，pH为2时，淀粉酶活性低的原因是_________________________。实验中的“淀粉酶活性”可以用__________________________________________为指标进行测量。
　　
温度和酶的来源
淀粉酶的
活性
肠道
单位时间内淀粉的分解量或分解产物的生成量
7.2
pH过低破坏酶的空间结构
(3)图3为肠道中淀粉酶在35 ℃时催化的反应物浓度随时间变化的曲线，请在图3上画出同等条件下肝胰脏中淀粉酶催化的反应曲线。
(4)图2中实验设计的pH梯度________(填“适合”或“不适合”)直接用于“pH对胃蛋白酶活性影响”的实验研究。研究人员发现在相同条件下纤维素酶的活性较高，这可能与鲍鱼喜食富含________的藻类有关。
纤维素
不适合
[解析]　(1)分析图1的实验结果可知，实验目的是探究温度对肠道和肝胰脏中淀粉酶活性的影响，自变量是温度和酶的来源，因变量是淀粉酶的活性。在30 ℃至40 ℃范围内，肠道中淀粉酶的活性高于肝胰脏中淀粉酶活性。(2)据图2可知，曲线最高点淀粉酶活性最大，故淀粉酶的最适pH是7.2左右；淀粉酶是蛋白质，pH为2时，pH过低，破坏酶的空间结构使酶的活性降低。酶活性是指酶催化一定化学反应的能力，曲线中的“淀粉酶活性”可以用单位时间内淀粉的分解量或分解产物的生成量为指标进行测量。
(3)35 ℃时，肠道淀粉酶活性高于肝胰脏淀粉酶活性，与肠道相比，肝胰脏中淀粉酶催化等量反应物完全分解所需时间更长。反应曲线见答案(略)。(4)胃蛋白酶的最适pH大约是2左右，实验设计的pH梯度下胃蛋白酶几乎无活性，不适合直接用于“pH对胃蛋白酶活性影响”的实验研究。纤维素酶的活性高，说明鲍鱼喜食富含纤维素的藻类，需要大量分解纤维素。
3．为探究某耐高温淀粉酶的性质，某兴趣小组做了如表所示实验，测得的酶活性如图所示。回答有关问题：
组别处理 1 2 3 4 5 6 7 8
可溶性淀粉溶液(3%) 10 mL 10 mL 10 mL A 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL
耐高温淀粉酶溶液(2%) 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL
温度 30 ℃ 40 ℃ 50 ℃ 60 ℃ 70 ℃ 80 ℃ 90 ℃ 100 ℃
各组在相应温度下保温5 min
测定酶的活性
(1)组成酶的基本单位是_______________________，与无机催化剂相比，酶降低化学反应所需的________的作用更加显著，使化学反应在较低能量水平进行，因此催化效率更高。
(2)表中A处应填__________，该实验的自变量是________，酶活性属于该实验中的________变量。
活化能
氨基酸或核糖核苷酸
10 mL
温度
因
(3)根据表格和图的实验数据，________(填“能”或“不能”)确定该酶的最适温度为80 ℃，原因是_______________，3号试管和8号试管中酶活性都较低，但两者的原理不同，其差异是3号试管中酶的活性受到相对低温抑制，其空间结构未发生不可逆变化，活性可恢复，8号试管中酶的_________________________，活性不能恢复。
不能
温度梯度较大
空间结构发生不可逆变化
(4)兴趣小组欲验证该耐高温淀粉酶具有专一性，请你用以上实验材料及蔗糖溶液、斐林试剂、碘液等设计一个实验方案(写出实验思路，预期实验结果和结论)。
实验思路： _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
预期实验结果和结论： _______________________________________________________________________________________________。
取等量的可溶性淀粉溶液和蔗糖溶液分别与等量的该耐
高温淀粉酶在相同且适宜的温度和pH等条件下反应，一段时间后用斐林试剂检测并观察溶液中有无砖红色沉淀出现
可溶性淀粉溶液中有砖红色沉淀出现，蔗糖
溶液中没有砖红色沉淀出现，证明该耐高温淀粉酶具有专一性
[解析]　(1)酶是由活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大多数酶是蛋白质，极少数酶是RNA，故酶的基本单位是氨基酸或核糖核苷酸，与无机催化剂相比，酶降低化学反应所需的活化能的作用更加显著。(2)可溶性淀粉溶液的量为无关变量，应保持相同且适宜，故A为10 mL。通过分析可知，探究某耐高温淀粉酶的性质的实验中，不同温度属于实验的自变量，酶活性属于实验的因变量。
(3)根据表格和图，不能确定该酶的最适温度为80 ℃，因为该实验设置的温度梯度太大。3号试管中酶的活性受到相对低温抑制，但其空间结构未被破坏；8号试管中高温破坏了酶的空间结构，故3号和8号试管中酶活性都较低的原因不同。(4)酶具有专一性，淀粉酶催化淀粉水解为麦芽糖，不能催化蔗糖的水解，可利用该原理设计实验，证明耐高温淀粉酶的专一性。实验思路：取等量的可溶性淀粉溶液和蔗糖溶液分别与等量的该耐高温淀粉酶在相同且适宜的温度和pH等条件下反应，一段时间后用斐林试剂检测并观察溶液中有无砖红色沉淀出现。预期实验结果和结论：可溶性淀粉溶液中有砖红色沉淀出现，蔗糖溶液中没有砖红色沉淀出现，证明该耐高温淀粉酶具有专一性。
1．含义
除作为自变量的因素外，其余因素(无关变量)都保持一致，并将结果进行比较的实验。
提升点2　对照实验
2．对照实验的类型
(1)空白对照：自然状态下，即不做任何处理，或除实验变量外，其他处理与实验组完全相同(如生理盐水、酒精溶剂、假手术等)。
(2)自身对照：对照组和实验组都在同一研究对象上进行，观察实验处理前后现象的变化。实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。
(3)相互对照：几个实验组相互对比，其中每一组既是实验组也是其他实验组的对照组。一般是在探究某种实验因素对实验结果的影响未知的情况下使用，通过相互对比，确立实验变量和反应变量的关系。
(4)条件对照：给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，给定的处理因素正是为了保证实验中，对照组和实验组相比，只是少了实验变量的影响，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。
1．关于酶及其特性的实验设计，下列叙述不正确的是(　　)
A．验证酶的专一性，可利用淀粉酶、淀粉、蔗糖和斐林试剂等设计对照实验进行验证
B．验证酶的高效性，可通过设置自身对照，比较盛有H2O2的试管中加入过氧化氢酶前后，H2O2分解速率的变化来进行验证
C．探究pH对酶活性影响的实验中，简要流程可以是将酶加入各组试管→调节各试管酶液的pH→向各试管加入底物→混匀并进行保温→观察结果
D．探究温度对酶活性的影响时，自变量是温度，pH为无关变量
√
B　[淀粉酶可以将淀粉水解为还原糖，而不能将蔗糖水解，斐林试剂和还原糖在水浴条件下生成砖红色沉淀，所以可以用淀粉酶、淀粉、蔗糖和斐林试剂等设计对照实验进行验证酶的专一性，A正确；酶的高效性是和无机催化剂相对而言的，故在验证酶的高效性的实验中，应该使用无机催化剂作为对照，B错误；探究pH对酶活性影响的实验中，简要流程可以是将酶加入各组试管→调节各试管酶液的pH→向各试管加入底物→混匀并进行保温→观察结果，C正确；探究温度对酶活性的影响时，自变量是温度，pH为无关变量，要保证pH相同且适宜，D正确。]
2．在动植物细胞质内广泛存在的过氧化氢酶体(由一层生物膜结构包被)中含有过氧化氢酶，在动物体内该酶主要集中于肝脏，它的作用是使H2O2转变成H2O和O2。下表是验证酶的催化特性的几组对比实验，1～5号试管内装有等量的体积分数为3%的H2O2溶液。1～5号试管加入物质与控制温度如表所示：
试管编号 加入物质 条件 现象
气泡 火焰
1 2 mL H2O2溶液＋2滴蒸馏水 30 ℃
2 2 mL H2O2溶液＋2滴FeCl3溶液 30 ℃
试管编号 加入物质 条件 现象
气泡 火焰
3 2 mL H2O2溶液＋2滴肝脏研磨液 30 ℃
4 2 mL H2O2溶液＋2滴煮过的肝脏研磨液 冷却至0 ℃
5 2 mL H2O2溶液＋2滴新鲜的唾液 30 ℃
6 2 mL H2O2溶液＋？
7 2 mL H2O2溶液＋？
(1)若加入物质后，立即将带有余烬的卫生香放在1～3号试管口，其中________号试管口卫生香迅速复燃。
(2)若1～5号都是为了验证酶的某项特性而设置的对照，则________号设置不科学，改进的方法是______________________________或________________________________________。
(3)若要证明酶的活性受酸碱度的影响，需要增设6号和7号试管，则6号和7号试管内应分别加入_________________________________________，温度均应控制在_______。
3
4
“冷却至0 ℃”改成“30 ℃”
“煮过的肝脏研磨液”改成“肝脏研磨液”
2滴酸溶液和2滴碱溶液处理过的肝脏研
磨液
30 ℃
[解析]　(1)分析表格可知，3号试管中加入肝脏研磨液，其中含有酶，且条件适宜，根据酶的特性可知，3号试管释放O2的速率最快，卫生香迅速复燃。(2)对照实验需遵循单一变量原则，4号试管的设置不符合该原则，据此需要做改进，即4号试管只能滴加2滴肝脏研磨液或低温处理，即将“冷却至0 ℃”改成“30 ℃”或将“煮过的肝脏研磨液”改成“肝脏研磨液”。(3)证明酶的活性受酸碱度的影响，自变量是酸或碱处理。需再增设6号和7号试管，则6号和7号试管内应分别加入2滴经酸溶液、碱溶液处理过的肝脏研磨液，温度均应控制在30 ℃(无关变量应一致)。
3．为了检测淀粉酶对糖甲、糖乙、糖丙的作用，设计了如下图所示的实验，5 min后检测每支试管中的原料和产物，结果如下表：
试管1 试管2 试管3
产物 无 无 有
原料 有 有 无
(1)酶起催化作用的原理是________(填“降低”或“提供”)化学反应活化能。
(2)该实验需将三支试管均置于相同温度中的目的是______________________________________。
(3)本实验的结论是_______________。
降低
排除无关变量
(温度)对实验结果的干扰
酶具有专一性
(4)请从下面所给的实验材料中选择合适的材料并利用实验室中的相关设备，设计实验探究温度对淀粉酶活性的影响。
实验材料：糖甲溶液；糖乙溶液；糖丙溶液；淀粉酶；冰水；常温水；沸水；碘液；斐林试剂等。
实验步骤：①取6支洁净的试管，向三支试管中均加入1 mL淀粉酶溶液，编号为A、B、C。另三支试管均加入2 mL________溶液，编号为E、F、G；
糖丙
②将A、E号试管放入冰水中，B、F号试管放入常温水中，C、G号试管放入沸水中，保温一段时间；
③将编号A、B、C的试管内的溶液分别注入E、F、G三支试管中，摇匀；
④向E、F、G三支试管中分别加入等量且适量________，摇匀，观察颜色变化。
碘液
(5)若上述实验用H2O2做底物，淀粉酶改成新鲜肝脏研磨液，请分析能否达成实验目的并说明理由： __________________________________________________________________。
不能，H2O2的分解本身受到温度的
影响，温度升高时其分解速度加快
[解析]　(1)酶具有催化作用，其催化作用的原理是降低化学反应活化能，即酶是通过降低化学反应的活化能来加快反应速率的。(2)温度在本实验属于无关变量，该实验需将三支试管均置于相同温度中的目的是保证实验设计中的单一变量原则，排除无关变量(温度)对实验结果的干扰，对于无关变量的处理原则是保证无关变量相同且适宜。(3)本实验的设计思路是同一种酶对不同的底物的催化情况，结果是淀粉酶能催化糖丙的分解，但不能催化糖甲和乙的分解，因而实验结果说明淀粉酶具有专一性，或者酶具有专一性。
(4)因为淀粉酶能催化糖丙的水解，另三支试管均加入2 mL糖丙溶液。本实验的目的是探究温度对淀粉酶活性的影响，反应速率的测量指标应该是蓝色褪去的快慢，因此向E、F、G三支试管中分别加入等量且适量碘液，摇匀，观察颜色变化。(5)若上述实验用H2O2做底物，淀粉酶改成新鲜肝脏研磨液，则不能达到验证温度对酶催化作用影响的目的，因为H2O2本身的分解就受到温度的影响，因而无法说清楚是温度对H2O2本身的影响，还是温度通过影响酶实现的对酶促反应速率的影响。