2023届高考生物二轮复习精研重难点(三)运用“变量”思维解答细胞代谢类实验设计学案

精研重难点(三)　运用“变量”思维解答细胞代谢类实验设计

命题点(一)　与酶有关的实验设计与分析

从“高度”上研究高考

[典例]　(2022·广东高考)某同学对蛋白酶TSS的最适催化条件开展初步研究，结果见表。下列分析错误的是(　 )

注：＋/－分别表示有/无添加，反应物为 Ⅰ 型胶原蛋白

A．该酶的催化活性依赖于CaCl2

B．结合①②组的相关变量分析，自变量为温度

C．该酶催化反应的最适温度为70 ℃，最适pH为9

D．尚需补充实验才能确定该酶是否能水解其他反应物

[解析]　对比②③组实验结果可知，该酶的催化活性依赖于CaCl2，A正确；分析①②组可知，除了温度以外，pH相同且都添加CaCl2，说明①②组的自变量为温度，B正确；②组酶活性最高，此时pH为9，温度为70 ℃，由于温度梯度和pH梯度都较大，不能说明该酶催化反应的最适温度为70 ℃，最适pH为9，C错误；该实验的反应物为Ⅰ型胶原蛋白，若要确定该酶能否水解其他反应物，还需补充实验，D正确。

[答案]　C

从“深度”上提升知能

(一)实验变量分析

1．变量类型

2．(单一)变量控制原则

(1)无论一个实验有几个自变量，都应确定一个自变量对应观测一个因变量，这就是单一变量原则，它是处理实验中复杂关系的准则之一。

(2)单因子变量原则要求在实验组和对照组的实验中都只能有一个变量，这样得出的实验结果与单一变量之间就能形成一一对应关系，便于观察实验结果，以及便于分析实验结果的成因。

3．无关变量要一致(等量原则)

在实验设计和操作中，要尽量减少无关变量，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。

4．实验设计策略

(二)探究酶特性相关实验设计

从“宽度”上拓展训练

1．科研人员探究了不同温度(25 ℃和0.5 ℃)条件下密闭容器内蓝莓果实的CO2生成速率的变化，结果发现，与25 ℃相比，0.5 ℃条件下果实的CO2生成速率较低。为验证上述实验结果，某同学设计如下方案：

①取两个成熟程度相似、大小相同的蓝莓果实，分别装入甲、乙两个容积相同的瓶内，然后密封。

②将甲、乙瓶分别置于25 ℃和0.5 ℃条件下储存，每隔一段时间测定各瓶中的CO2浓度。

③记录实验数据并计算CO2生成速率。

根据上述方案分析，对该方案的评价正确的是(　 )

A．设计完善，无不足

B．缺少对照实验

C．未能控制单一变量

D．样本数量过少且未重复实验

解析：选D　该同学取两个成熟程度相似、大小相同的蓝莓果实，样本数量过少且未重复实验，A错误，D正确；该同学的实验方案设置不同温度处理的甲和乙两组，为相互对照实验，B错误；该实验方案中，除自变量温度的差异以外，其他变量如果实成熟度、大小和甲、乙瓶容积等均为无关变量，都控制为相同，因此该实验方案是控制了单一变量的，C错误。

2．(2022·全国乙卷)某种酶P由RNA和蛋白质组成，可催化底物转化为相应的产物。为探究该酶不同组分催化反应所需的条件。某同学进行了下列5组实验(表中“＋”表示有，“－”表示无)。

根据实验结果可以得出的结论是(　 )

A．酶P必须在高浓度Mg2＋条件下才具有催化活性

B．蛋白质组分的催化活性随Mg2＋浓度升高而升高

C．在高浓度Mg2＋条件下RNA组分具有催化活性

D．在高浓度Mg2＋条件下蛋白质组分具有催化活性

解析：选C　第①组中，酶P在低浓度Mg2＋条件下有产物生成，说明酶P在低浓度Mg2＋条件下具有催化活性，A错误；第③组和第⑤组对照，无关变量是底物和蛋白质组分，自变量是Mg2＋浓度，无论是在高浓度Mg2＋条件下还是低浓度Mg2＋条件下，两组均没有产物生成，说明蛋白质组分无催化活性，B、D错误；第②组和第④组对照，无关变量是底物和RNA组分，自变量是Mg2＋浓度，第④组在高浓度Mg2＋条件下有产物生成，第②组在低浓度Mg2＋条件下，没有产物生成，说明在高浓度Mg2＋条件下RNA组分具有催化活性，C正确。

3．(2022·天水一模)下表是关于酶专一性的实验设计。下列叙述错误的是(　 )

A.该实验的自变量是底物的种类，步骤3可选用新鲜的淀粉酶，也可选用蔗糖酶

B．该实验的无关变量有底物的量、酶的用量、温度、pH等

C．该实验的因变量也可用底物剩余量表示，可用碘液作为检测试剂

D．若“某酶溶液”是新鲜的淀粉酶，则①为产生砖红色沉淀

解析：选C　本实验用同种酶催化两种不同的物质来研究酶的专一性，自变量是底物的种类，步骤3可选用新鲜的淀粉酶或蔗糖酶，A正确；本实验中的无关变量有底物的量、酶的用量、温度、pH等，B正确；该实验不可用碘液作为检测试剂，因为蔗糖及蔗糖水解产物都不能与碘液发生颜色反应，故用碘液无法判断蔗糖是否被催化水解，C错误；若选择新鲜的淀粉酶，试管Ⅰ中的淀粉被水解生成还原性糖，所以现象①是产生砖红色沉淀，D正确。

命题点(二)　光合作用与细胞呼吸的实验设计

从“高度”上研究高考

 [典例]　(2019·全国卷Ⅱ，节选)通常，对于一个水生生态系统来说，可根据水体中含氧量的变化计算出生态系统中浮游植物的总初级生产量(生产者所制造的有机物总量)。若要测定某一水生生态系统中浮游植物的总初级生产量，可在该水生生态系统中的某一水深处取水样，将水样分成三等份，一份直接测定O2含量(A)；另两份分别装入不透光(甲)和透光(乙)的两个玻璃瓶中，密闭后放回取样处，若干小时后测定甲瓶中的O2含量(B)和乙瓶中的O2含量(C)。据此回答下列问题。

在甲、乙瓶中生产者呼吸作用相同且瓶中只有生产者的条件下，本实验中C与A的差值表示这段时间内__________________；C与B的差值表示这段时间内___________________；A与B的差值表示这段时间内________________________。

[解析]　单位时间生产者制造有机物的量等于生产者积累有机物的量和呼吸量的总和。题述测量的三份水样中A为对照，B为生产者进行呼吸作用后剩余的氧气量，C为生产者进行光合作用和呼吸作用后玻璃瓶中的氧气量；C与A的差值表示该段时间内生产者净光合作用的放氧量(或积累有机物的量)，A与B的差值表示该段时间内生产者进行呼吸作用消耗氧气的量(或消耗有机物的量)，所以，C与B的差值[(C－A)＋(A－B)]表示该段时间内生产者光合作用的总放氧量(或制造有机物的量)。

[答案]　生产者净光合作用的放氧量　生产者光合作用的总放氧量　生产者呼吸作用的耗氧量

从“深度”上提升知能

(一)控制影响光合作用实验变量的方法

(二)呼吸速率和净光合速率测定的常用方法

1．液滴移动法(气体体积变化法)

[微点拨]

①在测定了净光合速率和呼吸速率的基础上可计算得出二者之和，此即“总光合速率”。

②物理误差的校正：为使实验结果精确，除减少无关变量的干扰外，还应设置对照装置。对照装置与两装置相比，不同点是用“死亡的绿色植物”代替“绿色植物”，其余均相同。

2.黑白瓶法

“黑瓶”不透光，测定的是有氧呼吸量；“白瓶”给予光照，测定的是净光合作用量，可分为有初始值与没有初始值两种情况，规律如下：

从“宽度”上拓展训练

1．(2022·咸阳一模)呼吸熵(呼吸熵＝释放二氧化碳体积/消耗的氧气体积)可表示生物用于有氧呼吸的能源物质的不同。测定发芽种子呼吸熵的装置如图。实验开始前，着色液滴均停留在初始位置，然后关闭活塞，在25 ℃下经20 min读出刻度管中着色液滴移动距离，设装置1和装置2的着色液滴分别向左移动x mm和y mm。下列说法错误的是(　 )

A．若测得x＝50 mm，y＝－50 mm，则该发芽种子的呼吸熵是2

B．若发芽种子仅进行有氧呼吸，且呼吸熵小于1，则分解的有机物中可能有脂肪

C．若呼吸底物为葡萄糖，装置1液滴右移、装置2液滴左移

D．为保证数据的科学性，可增加放入灭活发芽种子的装置，其他条件不变

解析：选C　若测得x＝50 mm，y＝－50 mm，则细胞呼吸产生的二氧化碳是50＋50＝100 mm，呼吸熵是100÷50＝2，A正确；由于脂肪中的碳氢比例高，若发芽种子仅进行有氧呼吸，且呼吸熵小于1，则分解的有机物可能为脂肪，B正确；若呼吸底物为葡萄糖，装置1液滴不会右移，C错误；为使测得的x和y值更精确，增加放入灭活发芽种子的对照装置，排除物理因素对实验结果的影响，D正确。

2．(2022·郑州三模)为测定光合速率的变化，某科研小组将某植物放入密闭的透明玻璃小室中，如图甲所示。将该装置放于自然环境中，测定夏季一昼夜小室内植物氧气释放速率的变化，结果如图乙。请据图分析并回答下列问题：

(1)图乙曲线中，a～b段上升的原因是_________________________________________

________________________________________________________________________；

e～f段下降是因为_________________________________________________________

________________________________________________________________________，

从而导致光合速率下降；h点时番茄叶肉细胞内产生ATP的场所有_________________。

(2)图乙曲线中d点时刻，图甲装置中有色液滴的位置位于起始位置(0点)的________(“左侧”“右侧”或“起始位置”)。有色液滴移到最右侧对应图乙曲线中的______点。小组成员在上午某段时间内，记录有色液滴移动位置时，获得了以下数据：

则该组实验数据是在图乙曲线的________段获得的。

(3)如果要测定该植物的真正光合作用速率，还需增加一组实验，其设计思路是：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)在凌晨外界温度比较低，酶活性降低，植物的呼吸作用减弱，释放的二氧化碳的量减慢，吸收的氧气也减慢，所以在图乙曲线中，ab段表现为上升趋势；中午外界温度较高，蒸腾作用强，为了减少植物体内水分的散失，植物叶片气孔关闭，二氧化碳供应减少，暗反应减慢，导致植物此时释放氧气的速率明显降低；由图乙可知，h点时该植物的氧气释放速率为零即净光合速率为0，此时，该植物同时进行光合作用和呼吸作用，因此此时产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体。(2)甲图中二氧化碳缓冲液的作用保证容器内二氧化碳浓度的恒定，所以气体体积的增加或减少的原因是氧气的释放或氧气的消耗，从而导致液滴的移动。d点时刻之前植物仅进行呼吸作用，由于a～d点的呼吸作用导致容器内的氧气浓度降低，从而导致液滴左移；甲装置刻度管中的有色液滴右移到最大值的时刻是光合积累量最大的时刻，对应乙图的h点；根据表格中的数据可以看出，氧气释放速率一直增加，说明该段光合作用强度大于呼吸作用强度，而且增加的速率加快，所以只能是图中的de段。(3)本实验测得数据为植物的净光合速率，如计算植物的真正光合速率需测植物的呼吸速率，即植物真正光合速率＝植物净光合速率＋植物的呼吸速率，故可得实验思路为设置一组实验遮光处理，没有光照，植物不能进行光合作用，其他条件与甲装置相同，此时测定的是植物的呼吸速率，最后将测得呼吸速率和净光合速率相加即可得真正光合速率。

答案：(1)温度下降，酶活性降低，呼吸作用减弱　温度过高，导致气孔大量关闭，CO2供应减少，暗反应减慢　细胞质基质、叶绿体、线粒体　(2)左侧　h　de　(3)设置如图甲相同的装置，并将该装置遮光放在与图甲装置相同的环境条件下