2021高考生物人教版一轮教师用书第八单元素养提升课9　动物生理相关实验探究

素养提升课9　动物生理相关实验探究

突破点一　膜电位变化与电流表的指针偏转问题

如图是用甲、乙两个电流表研究神经纤维及突触上兴奋产生及传导的示意图。下列有关叙述错误的是(　　)

A.静息状态下,甲指针偏转,乙指针不偏转

B.刺激a处时,甲指针偏转一次,乙指针偏转两次

C.刺激b处时,甲指针维持原状,乙指针偏转一次

D.清除c处的神经递质,再刺激a处时,甲指针偏转一次,乙指针不偏转

[审题指导]

本题借助膜电位的变化考查电流表指针偏转问题,审题时应重点关注示意图中两个位置,即刺激点位置及电流表的连接位置。

(1)知识联系:①电位的产生与膜电位变化的关系?②兴奋的传导与传递的特点分别是什么?

(2)推理分析

①甲电流表的两极连接于膜内外→静息时和刺激a点均会偏转且方向相反。

②兴奋单向传递至右边神经元的一个重要条件是c处神经递质的存在,否则刺激a处,乙指针仅偏转一次。

解析:甲电流表的两极分别位于膜外和膜内,乙电流表的两极均置于膜外,静息状态下,甲电流表膜外为正电位,膜内为负电位,甲指针偏转,而乙电流表两极均为正电位,乙不发生偏转;刺激a处时,对于甲电流表,兴奋传到电极处,膜外为负电位,膜内为正电位,甲指针偏转一次。对于乙电流表,兴奋先传到乙电流表的左边电极,然后传到右边电极,乙指针偏转两次;刺激b处时,兴奋无法传到左边神经元,因此甲指针维持原状,对于乙电流表,兴奋无法传到电流表左边电极,因此乙指针偏转一次;清除c处的神经递质,再刺激a处时,兴奋无法传到右边神经元,甲指针偏转一次,乙指针偏转一次。

答案:D

1.指针偏转原理

如图中所示a点受刺激产生动作电位“”,后面为该动作电位沿神经纤维传导依次通过“a→b→c→c右侧”时灵敏电流表的指针变化细化图:

2.电流表指针偏转问题分析

(1)兴奋在神经纤维上传导时(双向传导)

①刺激a点,b点先兴奋,d点后兴奋,电流表指针发生两次方向相反的偏转;

②刺激c点(bc=cd),b点和d点同时兴奋,电流表指针不发生偏转。

(2)兴奋在神经元之间传递时(单向传递)

①刺激b点(ab=bd),由于兴奋在突触间的传递速率小于在神经纤维上的传导速率,所以a点先兴奋,d点后兴奋,电流表指针发生两次方向相反的偏转;

②刺激c点,兴奋不能传至a点,a点不兴奋,d点可兴奋,电流表指针只发生一次偏转。

1.如图表示一个反射弧的局部,电流计的两电极连接在神经纤维膜的外表面,刺激a点后,电流计指针先左偏再右偏,最后恢复原状,则下列图示不符合题意的是(　C　)

解析:选项A、B中的两个电极分别位于两个神经元上,而刺激点a在前一个神经元上,且刺激点距离左侧电极较近,因此左侧先兴奋,右侧电极处在刺激后兴奋,电流计指针先左偏再右偏;选项C中两个电极位于同一个神经元上,且刺激点距离右侧电极较近,因此右侧电极处先兴奋,左侧电极处后兴奋,电流计指针应先右偏再左偏;选项D中两个电极也位于同一个神经元上,但刺激点距离左侧电极较近,因此左侧电极先于右侧电极检测到电流,电流计指针先左偏再右偏。

2.如图为神经元结构模式图,电流计A1和A2的两极a、c、d、e分别接在神经纤维外膜上,在b、f两点给予适宜强度的刺激,则电流计的偏转情况为(　D　)

A.在b点与f点刺激时,A1、A2各偏转两次,且方向相反

B.在b点刺激时,A1偏转两次,A2偏转一次;f点刺激时,A1不偏转,A2偏转一次

C.在b点刺激时,A1不偏转,A2偏转一次;f点刺激时,A1不偏转,A2偏转一次

D.在b点刺激时,A1不偏转,A2偏转两次;f点刺激时,A1不偏转,A2偏转一次

解析:在b点刺激时,兴奋同时到达a和c处,因此A1不偏转;当兴奋继续向右传递时,先到达d处,后到达e处,因此A2偏转两次,且方向相反(先向左偏转,后向右偏转);在f点刺激时,兴奋能传导到e处,但不能传递到a、c和d处,因此A1不偏转,A2偏转一次(向右偏转)。

3.(2019·四川成都月考)由于神经元特殊的连接方式,神经中枢引起的兴奋可能并不会立即消失,而会延续一段时间,这与神经元的连接方式有关。下图为一种中枢神经元之间的连接方式,图中神经元均为兴奋性神经元,M和N为连接在神经元表面上的电流计。请据图回答:

(1)神经元的轴突末端多次分支后,每个小枝末端膨大的部分叫　　　　　,其释放的神经递质除能作用于下一个神经元外,在特定情况下,也能使腺体分泌或　　　　　　。 

(2)A点受到刺激兴奋时,其电位变化主要是由　　　　　的跨膜运输引起的,B点兴奋时的膜电位表现为　　　　　;在A处给一个适宜的刺激,M和N的指针偏转次数分别是　　　　　(填“一次”“两次”或“多次”)。 

解析:(1)神经元由细胞体和突起两部分组成,突起又分为树突和轴突,树突短而多,轴突长而少;轴突末端的多次分支后,每个小枝末端膨大的部分称为突触小体。反射弧的效应器可以是肌肉或腺体,因此在特定情况下,突触释放的神经递质也能使肌肉收缩或某些腺体分泌。

(2)A点未受到刺激时,K+外流,膜电位表现为外正内负;A点受到刺激时,Na+跨膜运输至细胞内,引起A点的电位发生变化,B点兴奋时的膜电位表现为外负内正。在A处给一个适宜的刺激,兴奋先传导到M的右侧电极处,后传导到左侧电极处,所以M的指针发生两次方向相反的偏转。由于图1的中枢神经元之间的连接方式特殊,且均表示兴奋性神经元,所以兴奋能多次传递到B处,导致N的指针发生多次方向相反的偏转。

答案:(1)突触小体　肌肉收缩　

(2)Na+　外负内正　两次、多次

突破点二　兴奋传导、传递特点的实验探究

将蛙脑破坏,保留脊髓,做蛙心静脉灌注,以维持蛙的基本生命活动。暴露蛙左后肢屈反射的传入神经和传出神经,分别连接电位计ⓐ和ⓑ。将蛙左后肢趾尖浸入0.5%硫酸溶液后,电位计ⓐ和ⓑ有电位波动,出现屈反射。下图为该反射弧结构示意图。

(1)用简便的实验验证兴奋能在神经纤维上双向传导,而在反射弧中只能单向传递。

(2)若在灌注液中添加某种药物,将蛙左后肢趾尖浸入0.5%硫酸溶液后,电位计ⓐ有波动,电位计ⓑ未出现波动,左后肢未出现屈反射,其原因可能有:①　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;②　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

 [审题指导]

本题属于验证性实验设计题,在审题时应思考以下问题:

(1)本题的实验目的是什么?

(2)设计实验时采用正向思维还是逆向思维更利于问题的解决?

解析:(1)设计实验可以应用图中的已有信息进行逆向思考,即在神经纤维的哪个位置给予足够强度的刺激,该位置两侧都能够观察到相应的电位变化(或肌肉收缩),而另一神经纤维上没有电位变化。(2)某药物处理后,电位计ⓐ有波动,说明该药物不会阻止神经纤维上的兴奋传导,电位计ⓑ未出现波动,说明没有兴奋传递到电位计ⓑ处,那么问题应该出现在电位计ⓐ和ⓑ之间的环节,可能是突触前膜不能释放神经递质,也可能是突触前膜释放的神经递质不能与突触后膜上的特异性受体结合。

答案:(1)方法和现象:刺激电位计ⓑ与骨骼肌之间的传出神经。观察到电位计ⓑ有电位波动和左后肢屈腿,电位计ⓐ未出现电位波动。　(2)突触前膜释放的神经递质不能与突触后膜上的特异性受体结合　突触前膜不能释放神经递质

1.“药物阻断”实验

探究某药物(如麻醉药)是阻断兴奋在神经纤维上传导,还是阻断在突触处传递,可分别将药物置于神经纤维上或置于突触处,依据其能否产生“阻断”效果作出合理推断。

2.电刺激法探究反射弧中兴奋传导、传递的特点

(1)探究兴奋在神经纤维上的传导

方法设计:电刺激图①处,观察A的变化,同时测量②处的电位有无变化。

结果分析:若A有反应且②处电位改变,则说明兴奋在神经纤维上的传导是双向的;若A有反应而②处无电位变化,则说明兴奋在神经纤维上的传导是单向的。

(2)探究兴奋在神经元之间的传递

方法设计:先电刺激图①处,测量③处的电位变化;再电刺激③处,测量①处的电位变化。

结果分析:若两次实验的检测部位均发生电位变化,说明兴奋在神经元之间的传递是双向的;若只有一处电位改变,则说明兴奋在神经元之间的传递是单向的。

1.取新鲜的神经—肌肉标本(实验期间用生理盐水湿润标本)如图,a、d分别是放置在传出神经和骨骼肌上的电极,用于刺激神经和骨骼肌;b是放置在传出神经上的电流计,用于记录神经兴奋电位;c为神经与肌细胞形成的突触。正常时,用a刺激神经会引起骨骼肌收缩,下列判断分析不正确的是(　C　)

A.如果刺激c、a点中间任何一点,都可检测到电位变化,表明传出神经完好

B.如果用a刺激神经,在b处不能记录到电位,表明传出神经受损

C.如果用a刺激神经,在b处记录到电位,骨骼肌不收缩,表明部位c受损

D.如果用d刺激骨骼肌,骨骼肌不收缩,表明骨骼肌受损

解析:如果刺激c、a点中间任何一点,都可检测到电位变化,表明传出神经完好;如果用a刺激神经,在b处不能记录到电位,表明传出神经受损;如果用a刺激神经,在b处记录到电位,骨骼肌不收缩,表明部位c受损或骨骼肌受损;如果用d刺激骨骼肌,骨骼肌不收缩,表明骨骼肌受损。

2.如图为一个蟾蜍屈肌反射实验装置的结构模式图,据图回答以下问题:

(1)图中,刺激A点,该处的膜电位变化为　　　　　　　　　　　　　　　,动作电位沿着神经纤维传导时,神经纤维细胞膜内侧局部电流的方向与动作电位传导方向　　　　　(填“相同”或“相反”)。 

(2)已知药物X能阻断蟾蜍的屈肌反射活动,使肌肉不能发生收缩,但不知是阻断神经纤维上的兴奋传导,还是阻断神经元之间的兴奋传递,或是两者都能阻断。现有一个如上图所示的屈肌反射实验装置,请利用该实验装置从A、B、C、D、E中选择四个位点作为实验位点进行探究。(在实验位点可以进行药物处理或电刺激。假设药物X在实验位点起作用后,其作用效果在实验过程中都不能消除)

实验步骤:

①将药物X放于D点,再刺激　　　　点;观察记录肌肉收缩情况; 

②将药物X放于　　　　　点,再刺激C点;观察记录肌肉收缩情况。 

实验结果预测及相应结论:

若　　　　　　　　　　　　　　　　　,说明药物X是阻断神经元之间的兴奋传递; 

若　　　　　　　　　　　　　　　　　,说明药物X是阻断神经纤维上的兴奋传导; 

若①处理后肌肉不收缩,②处理后肌肉也不收缩,说明药物X两者都能阻断。

解析:(1)图中,刺激A点,该处的膜电位变化为由外正内负变为外负内正;动作电位沿着神经纤维传导时,神经纤维细胞膜内侧局部电流的方向与动作电位传导方向相同。

(2)根据题意,药物X能阻断蟾蜍的屈肌反射活动,肌肉不能发生收缩,且药物X在实验位点起作用后,其作用效果在实验过程中都不能消除,因此要判断药物X是阻断神经纤维上的兴奋传导,还是阻断神经元之间的兴奋传递,或是两者都能阻断,可将①药物X放于D点,再刺激E点,观察记录肌肉收缩情况;然后再将②药物X放于B点,再刺激C点;观察记录肌肉收缩情况。若①处理后肌肉收缩,②处理后肌肉不收缩,说明药物X是阻断神经元之间的兴奋传递;若①处理后肌肉不收缩,②处理后肌肉收缩,说明药物X是阻断神经纤维上的兴奋传导;若①处理后肌肉不收缩,②处理后肌肉也不收缩,说明药物X是两者都能阻断。

答案:(1)由外正内负变为外负内正　相同

(2)①E　②B　①处理后肌肉收缩,②处理后肌肉不收缩

①处理后肌肉不收缩,②处理后肌肉收缩

突破点三　动物激素功能的研究方法与实验探究

欲验证胰岛素的生理作用,根据以下提供的实验材料与用具,提出实验思路,预测实验结果并进行分析。

材料与用具:小鼠若干只,胰岛素溶液,葡萄糖溶液,生理盐水,注射器等。

(要求与说明:血糖浓度的具体测定方法及过程不作要求,实验条件适宜)

(1)实验思路:

                                                。 

(2)预测实验结果(设计一个坐标,用柱形图表示至少3次的检测结果)。

(3)分析与讨论

①正常人尿液中检测不到葡萄糖,其原因是 　      。 

②当机体血糖水平升高时,胰岛中的内分泌细胞及其分泌的激素变化是　            。 

此时,机体细胞一方面增加对葡萄糖的摄取、储存和利用,另一方面　         。 

[审题指导]

本题可采取“去除添加法”,以“验证胰岛素的生理作用”为情境,考查考生的分析能力以及实验设计与探究能力。在审题的过程中应思考以下问题:

(1)明确胰岛素的生理作用。

(2)分析出本实验的自变量以及因变量的检测指标。

(3)实验设计思路不同于详细的实验步骤,描述时可不出现用量或浓度等。

解析:(1)本实验的目的是验证胰岛素的生理作用,所以实验的自变量是有无胰岛素,实验材料中有提供葡萄糖溶液,可将实验分为两组,实验组用胰岛素处理,对照组用生理盐水处理,实验组出现低血糖症状后还需给实验组注射葡萄糖溶液,对照组注射等量生理盐水,反向验证胰岛素的作用。具体实验思路见参考答案。

(2)注射胰岛素组的实验结果是血糖浓度下降,接着注射葡萄糖,血糖浓度又会上升;注射生理盐水组血糖浓度变化不大。注意本题要求画柱形图,图中需有图注,横坐标需标注两次注射。

(3)①正常人体内的胰岛素可以促进肾小管对原尿中葡萄糖的吸收,故在尿液中检测不到葡萄糖。

②当机体血糖水平升高时会引起胰岛B细胞分泌胰岛素增加,胰岛A细胞分泌胰高血糖素减少。胰岛素具有促进对葡萄糖的摄取、储存和利用以及抑制氨基酸等非糖物质转化为葡萄糖的作用。

答案:(1)①分别测定每只小鼠的血糖浓度,并记录。

②将小鼠平均且随机分为A、B两组,A组注射胰岛素,B组注射等量生理盐水。每隔一段时间,分别测定两组小鼠的血糖浓度,并记录。

③当岀现低血糖症状后,A组注射葡萄糖溶液,B组注射等量生理盐水。每隔一段时间,分别测定两组小鼠的血糖浓度,并记录。

④对每组所得数据进行统计分析

(2)

(3)①胰岛素促进肾小管对原尿中葡萄糖的吸收

②胰岛B细胞分泌胰岛素增加,胰岛A细胞分泌胰高血糖素减少　抑制氨基酸等非糖物质转化为葡萄糖

1.常见动物激素生理功能的研究方法

2.实验设计注意事项

(1)动物分组的基本要求:选择性别、年龄、体重、生理状况相似的动物进行平均分组,且每组不能只有一只。

(2)在研究动物激素生理功能的实验设计中,要注意设计对照实验,排除干扰因素的影响,使实验结论更加科学。对照组中,生理盐水不能用蒸馏水代替。

(3)若研究物质的化学本质是蛋白质,则必须是注射法,而不能用饲喂法,因为该物质会被消化分解,如研究胰岛素有降血糖的生理作用时,必须选用注射法,对成年个体注射胰岛素后观察、记录血糖浓度的变化情况;如果是脂质或氨基酸类等小分子物质可以注射,也可饲喂。

1.为了验证甲状腺激素的生理作用,研究者以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标,根据给出的实验材料和用具,设计实验步骤,预测实验结果,并作出分析。

(1)材料和用具:日龄相同、体重相近的雄性成年大白鼠两组,甲状腺激素溶液,蒸馏水,灌胃器,耗氧量测定装置,小动物活动测定仪等。

(实验提示:给药途径为每日灌胃,给药剂量和仪器操作不作考试要求,室温恒定)

(2)方法与步骤:

第一步:  　                      。 

第二步: 　                        。 

第三步:　                         。 

(3)结果预测与分析:

①　                    。 

②　                  。 

(4)结论:  　                         。 

解析:验证甲状腺激素的生理作用可以通过测定大白鼠的耗氧量和活动量来进行,耗氧量和活动量越大,代谢越旺盛;实验中设置对照组(添加蒸馏水)和实验组(灌胃甲状腺激素溶液),自变量是是否灌胃甲状腺激素溶液,控制无关变量时要注意的是各组的大白鼠数量、生理状况及性别均要相同且投喂的食物也要相同。

答案:(2)第一步:将两组雄性成年大白鼠分别标号为甲组和乙组,并分别用给出的仪器,测定与记录两组大白鼠的耗氧量和活动量

第二步:每天用灌胃器给予甲组鼠灌胃甲状腺激素溶液,给予乙组鼠灌胃等量的蒸馏水,饲养一定时间

第三步:测定与记录甲、乙鼠耗氧量和活动量

(3)①未给甲状腺激素时,甲、乙组鼠耗氧量和活动量相近

②给甲组鼠灌胃甲状腺激素溶液后,其耗氧量和活动量均大于乙组鼠

(4)甲状腺激素能够促进新陈代谢,加速体内物质的氧化分解,提高神经系统的兴奋性,从而使动物的耗氧量和活动量增加

2.胰岛细胞的内分泌活动的协调有利于维持血糖平衡。

(1)支配胰岛细胞的交感神经兴奋时,其末梢释放的去甲肾上腺素促进胰岛A细胞的分泌,却抑制胰岛B细胞的分泌,原因是　                   。 

(2)胰岛素可通过作用于下丘脑神经元抑制胰高血糖素的分泌,验证此实验的实验思路是:将大鼠随机分成两组:一组在其下丘脑神经元周围施加适量的胰岛素溶液,另一组施加　　　　　　　,测定并比较施加试剂前后血液中胰高血糖素的浓度。为使实验结果更明显,实验过程中应将血糖维持在比正常浓度　　　(填“稍高”或“稍低”)的水平。 

(3)用高浓度的糖溶液饲喂一只动物后,每隔30 min检测其血糖浓度,结果见下表。请绘制血糖浓度的变化趋势的曲线图,并根据血糖浓度的变化在同一坐标图上画出胰岛素浓度变化趋势的曲线图。

解析:(1)同种神经递质与不同种的细胞上的不同受体结合,引起的效应不同。

(2)作为空白对照组,另一组应施加等量的生理盐水。低血糖是诱导胰高血糖素分泌的重要因素,故血糖应维持在稍低的水平,实验结果才会更明显。

(3)根据表格中的数据,直接把时间对应的血糖浓度点标出,连接成线,即可得血糖浓度变化曲线图;胰岛素是降低血糖的一种激素,其浓度比血糖浓度低,随血糖浓度的升高而升高,血糖浓度下降是由胰岛素浓度升高所致,所以胰岛素浓度的峰值应落后于血糖浓度的峰值,随血糖浓度的降低而降低,然后再维持不变。

答案:(1)胰岛A、B细胞与去甲肾上腺素结合的受体不同

(2)等量的生理盐水　稍低

(3)如图所示