2021高考生物人教版一轮教师用书第三单元科学探究系列2实验方案设计的基本原则

　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

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:

(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。

(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

ATPADP+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。

(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。

(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

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。

(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　)

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～Pγ)。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。

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。