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(共38張PPT)
素能提升課2　科學探究中的變量控制與對照實驗
第5章　細胞的能量供應和利用
實驗過程中可以變化的因素稱為變量。在生物實驗設計中對變量的確立、操控是實驗成功與否的關鍵。
提升點1　科學探究中的變量控制
(1)變量類型
自變量 又稱實驗變量，是研究者主動操控的，即實驗所探究的條件和因子，是作用于實驗對象的刺激變量，坐標中橫軸標識一般為自變量
因變量 又稱反應變量，是隨自變量變化而產生反應或發生變化的變量，應具有可測性和客觀性，坐標中縱軸標識一般為因變量
無關
變量 無關變量又稱干擾變量、控制變量，是指與研究目標無關，但卻影響研究結果的變量。實驗時一般需控制無關變量適宜且相同
(2)變量控制
①單一變量原則
即除自變量(實驗變量)以外，應使實驗組與對照組的無關變量保持相同且適宜，以確保實驗變量的唯一性。如生物材料相同(大小、生理狀況、年齡、性別等)、實驗器具相同(型號、潔凈程度等)、實驗試劑相同(用量、濃度、使用方法等)和條件相同(保溫或冷卻、光照或黑暗、攪拌、振蕩等)。
②等量原則
在實驗設計和操作中，要盡量減少無關變量對實驗的影響，而且不同的實驗組中無關變量應完全相同且適宜，這樣就可排除無關變量對實驗的干擾，排除實驗偶然性，提高實驗的準確率。
1．某同學為探究酶的特性，進行了一系列相關實驗，結果如下表所示，下列敘述正確的是(　　)
實驗步驟 試管
1 2 3 4 5 6
1 向試管內加入可溶性淀粉溶液 2 mL 2 mL 2 mL 1
2 向試管內加入植物淀粉酶 2滴 2滴 2滴
實驗步驟 試管
1 2 3 4 5 6
3 將試管分別放到不同溫度的水浴保溫5分鐘 0 0 50 50 100 100
4 將試管1和2，3和4，5和6中溶液混合，繼續在原溫度下保溫5分鐘
5 分別滴加碘液，并觀察顏色變化
A．本實驗的自變量是底物的有無、溫度、酶的有無
B．本實驗可以用斐林試劑檢測還原糖的生成量，比較各溫度下磚紅色顏色深淺
C．會對實驗結果產生重大影響的無關變量有淀粉的濃度、酶的濃度，如果淀粉用量過少，可以適當延長反應時間，以觀察到最佳實驗現象
D．沸水浴組滴加碘液后，顏色為藍色，將該反應體系的溫度降至適宜溫度繼續反應，顏色無變化
√
D　[本實驗的自變量為溫度，因變量為淀粉被分解的速率，A錯誤；由于用斐林試劑檢測還原糖的生成量時需要水浴加熱，會改變實驗初始的預設溫度，影響實驗結果的觀察，因此不能用斐林試劑檢測還原糖的生成量，B錯誤；酶具有高效性，如果淀粉用量過少，可以適當縮短反應時間，以觀察到最佳實驗現象，C錯誤；由于高溫會使酶的活性喪失，因此沸水浴組滴加碘液后，顏色為藍色，將該反應體系的溫度降至適宜溫度繼續反應，顏色無變化，D正確。]
2．消化酶的研究為鮑魚的快速健康養殖提供了參考。研究人員從鮑魚的腸道和肝胰臟中獲取淀粉酶進行相關實驗，結果如圖1、圖2所示。請回答下列問題：
(1)圖1中實驗的自變量是_________________，因變量是________________。在30 ℃至40 ℃范圍內，_________中淀粉酶活性較高。
(2)由圖2可知淀粉酶的最適pH在________左右，pH為2時，淀粉酶活性低的原因是_________________________。實驗中的“淀粉酶活性”可以用__________________________________________為指標進行測量。
　　
溫度和酶的來源
淀粉酶的
活性
腸道
單位時間內淀粉的分解量或分解產物的生成量
7.2
pH過低破壞酶的空間結構
(3)圖3為腸道中淀粉酶在35 ℃時催化的反應物濃度隨時間變化的曲線，請在圖3上畫出同等條件下肝胰臟中淀粉酶催化的反應曲線。
(4)圖2中實驗設計的pH梯度________(填“適合”或“不適合”)直接用于“pH對胃蛋白酶活性影響”的實驗研究。研究人員發現在相同條件下纖維素酶的活性較高，這可能與鮑魚喜食富含________的藻類有關。
纖維素
不適合
[解析]　(1)分析圖1的實驗結果可知，實驗目的是探究溫度對腸道和肝胰臟中淀粉酶活性的影響，自變量是溫度和酶的來源，因變量是淀粉酶的活性。在30 ℃至40 ℃范圍內，腸道中淀粉酶的活性高于肝胰臟中淀粉酶活性。(2)據圖2可知，曲線最高點淀粉酶活性最大，故淀粉酶的最適pH是7.2左右；淀粉酶是蛋白質，pH為2時，pH過低，破壞酶的空間結構使酶的活性降低。酶活性是指酶催化一定化學反應的能力，曲線中的“淀粉酶活性”可以用單位時間內淀粉的分解量或分解產物的生成量為指標進行測量。
(3)35 ℃時，腸道淀粉酶活性高于肝胰臟淀粉酶活性，與腸道相比，肝胰臟中淀粉酶催化等量反應物完全分解所需時間更長。反應曲線見答案(略)。(4)胃蛋白酶的最適pH大約是2左右，實驗設計的pH梯度下胃蛋白酶幾乎無活性，不適合直接用于“pH對胃蛋白酶活性影響”的實驗研究。纖維素酶的活性高，說明鮑魚喜食富含纖維素的藻類，需要大量分解纖維素。
3．為探究某耐高溫淀粉酶的性質，某興趣小組做了如表所示實驗，測得的酶活性如圖所示。回答有關問題：
組別處理 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
耐高溫淀粉酶溶液(2%) 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL
溫度 30 ℃ 40 ℃ 50 ℃ 60 ℃ 70 ℃ 80 ℃ 90 ℃ 100 ℃
各組在相應溫度下保溫5 min
測定酶的活性
(1)組成酶的基本單位是_______________________，與無機催化劑相比，酶降低化學反應所需的________的作用更加顯著，使化學反應在較低能量水平進行，因此催化效率更高。
(2)表中A處應填__________，該實驗的自變量是________，酶活性屬于該實驗中的________變量。
活化能
氨基酸或核糖核苷酸
10 mL
溫度
因
(3)根據表格和圖的實驗數據，________(填“能”或“不能”)確定該酶的最適溫度為80 ℃，原因是_______________，3號試管和8號試管中酶活性都較低，但兩者的原理不同，其差異是3號試管中酶的活性受到相對低溫抑制，其空間結構未發生不可逆變化，活性可恢復，8號試管中酶的_________________________，活性不能恢復。
不能
溫度梯度較大
空間結構發生不可逆變化
(4)興趣小組欲驗證該耐高溫淀粉酶具有專一性，請你用以上實驗材料及蔗糖溶液、斐林試劑、碘液等設計一個實驗方案(寫出實驗思路，預期實驗結果和結論)。
實驗思路： _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
預期實驗結果和結論： _______________________________________________________________________________________________。
取等量的可溶性淀粉溶液和蔗糖溶液分別與等量的該耐
高溫淀粉酶在相同且適宜的溫度和pH等條件下反應，一段時間后用斐林試劑檢測并觀察溶液中有無磚紅色沉淀出現
可溶性淀粉溶液中有磚紅色沉淀出現，蔗糖
溶液中沒有磚紅色沉淀出現，證明該耐高溫淀粉酶具有專一性
[解析]　(1)酶是由活細胞產生的具有催化作用的有機物，絕大多數酶是蛋白質，極少數酶是RNA，故酶的基本單位是氨基酸或核糖核苷酸，與無機催化劑相比，酶降低化學反應所需的活化能的作用更加顯著。(2)可溶性淀粉溶液的量為無關變量，應保持相同且適宜，故A為10 mL。通過分析可知，探究某耐高溫淀粉酶的性質的實驗中，不同溫度屬于實驗的自變量，酶活性屬于實驗的因變量。
(3)根據表格和圖，不能確定該酶的最適溫度為80 ℃，因為該實驗設置的溫度梯度太大。3號試管中酶的活性受到相對低溫抑制，但其空間結構未被破壞；8號試管中高溫破壞了酶的空間結構，故3號和8號試管中酶活性都較低的原因不同。(4)酶具有專一性，淀粉酶催化淀粉水解為麥芽糖，不能催化蔗糖的水解，可利用該原理設計實驗，證明耐高溫淀粉酶的專一性。實驗思路：取等量的可溶性淀粉溶液和蔗糖溶液分別與等量的該耐高溫淀粉酶在相同且適宜的溫度和pH等條件下反應，一段時間后用斐林試劑檢測并觀察溶液中有無磚紅色沉淀出現。預期實驗結果和結論：可溶性淀粉溶液中有磚紅色沉淀出現，蔗糖溶液中沒有磚紅色沉淀出現，證明該耐高溫淀粉酶具有專一性。
1．含義
除作為自變量的因素外，其余因素(無關變量)都保持一致，并將結果進行比較的實驗。
提升點2　對照實驗
2．對照實驗的類型
(1)空白對照：自然狀態下，即不做任何處理，或除實驗變量外，其他處理與實驗組完全相同(如生理鹽水、酒精溶劑、假手術等)。
(2)自身對照：對照組和實驗組都在同一研究對象上進行，觀察實驗處理前后現象的變化。實驗處理前的對象狀況為對照組，實驗處理后的對象變化為實驗組。
(3)相互對照：幾個實驗組相互對比，其中每一組既是實驗組也是其他實驗組的對照組。一般是在探究某種實驗因素對實驗結果的影響未知的情況下使用，通過相互對比，確立實驗變量和反應變量的關系。
(4)條件對照：給對象施以某種實驗處理，但這種處理是作為對照意義的，給定的處理因素正是為了保證實驗中，對照組和實驗組相比，只是少了實驗變量的影響，或者說這種處理不是實驗假設所給定的實驗變量意義的。
1．關于酶及其特性的實驗設計，下列敘述不正確的是(　　)
A．驗證酶的專一性，可利用淀粉酶、淀粉、蔗糖和斐林試劑等設計對照實驗進行驗證
B．驗證酶的高效性，可通過設置自身對照，比較盛有H2O2的試管中加入過氧化氫酶前后，H2O2分解速率的變化來進行驗證
C．探究pH對酶活性影響的實驗中，簡要流程可以是將酶加入各組試管→調節各試管酶液的pH→向各試管加入底物→混勻并進行保溫→觀察結果
D．探究溫度對酶活性的影響時，自變量是溫度，pH為無關變量
√
B　[淀粉酶可以將淀粉水解為還原糖，而不能將蔗糖水解，斐林試劑和還原糖在水浴條件下生成磚紅色沉淀，所以可以用淀粉酶、淀粉、蔗糖和斐林試劑等設計對照實驗進行驗證酶的專一性，A正確；酶的高效性是和無機催化劑相對而言的，故在驗證酶的高效性的實驗中，應該使用無機催化劑作為對照，B錯誤；探究pH對酶活性影響的實驗中，簡要流程可以是將酶加入各組試管→調節各試管酶液的pH→向各試管加入底物→混勻并進行保溫→觀察結果，C正確；探究溫度對酶活性的影響時，自變量是溫度，pH為無關變量，要保證pH相同且適宜，D正確。]
2．在動植物細胞質內廣泛存在的過氧化氫酶體(由一層生物膜結構包被)中含有過氧化氫酶，在動物體內該酶主要集中于肝臟，它的作用是使H2O2轉變成H2O和O2。下表是驗證酶的催化特性的幾組對比實驗，1～5號試管內裝有等量的體積分數為3%的H2O2溶液。1～5號試管加入物質與控制溫度如表所示：
試管編號 加入物質 條件 現象
氣泡 火焰
1 2 mL H2O2溶液＋2滴蒸餾水 30 ℃
2 2 mL H2O2溶液＋2滴FeCl3溶液 30 ℃
試管編號 加入物質 條件 現象
氣泡 火焰
3 2 mL H2O2溶液＋2滴肝臟研磨液 30 ℃
4 2 mL H2O2溶液＋2滴煮過的肝臟研磨液 冷卻至0 ℃
5 2 mL H2O2溶液＋2滴新鮮的唾液 30 ℃
6 2 mL H2O2溶液＋？
7 2 mL H2O2溶液＋？
(1)若加入物質后，立即將帶有余燼的衛生香放在1～3號試管口，其中________號試管口衛生香迅速復燃。
(2)若1～5號都是為了驗證酶的某項特性而設置的對照，則________號設置不科學，改進的方法是______________________________或________________________________________。
(3)若要證明酶的活性受酸堿度的影響，需要增設6號和7號試管，則6號和7號試管內應分別加入_________________________________________，溫度均應控制在_______。
3
4
“冷卻至0 ℃”改成“30 ℃”
“煮過的肝臟研磨液”改成“肝臟研磨液”
2滴酸溶液和2滴堿溶液處理過的肝臟研
磨液
30 ℃
[解析]　(1)分析表格可知，3號試管中加入肝臟研磨液，其中含有酶，且條件適宜，根據酶的特性可知，3號試管釋放O2的速率最快，衛生香迅速復燃。(2)對照實驗需遵循單一變量原則，4號試管的設置不符合該原則，據此需要做改進，即4號試管只能滴加2滴肝臟研磨液或低溫處理，即將“冷卻至0 ℃”改成“30 ℃”或將“煮過的肝臟研磨液”改成“肝臟研磨液”。(3)證明酶的活性受酸堿度的影響，自變量是酸或堿處理。需再增設6號和7號試管，則6號和7號試管內應分別加入2滴經酸溶液、堿溶液處理過的肝臟研磨液，溫度均應控制在30 ℃(無關變量應一致)。
3．為了檢測淀粉酶對糖甲、糖乙、糖丙的作用，設計了如下圖所示的實驗，5 min后檢測每支試管中的原料和產物，結果如下表：
試管1 試管2 試管3
產物 無 無 有
原料 有 有 無
(1)酶起催化作用的原理是________(填“降低”或“提供”)化學反應活化能。
(2)該實驗需將三支試管均置于相同溫度中的目的是______________________________________。
(3)本實驗的結論是_______________。
降低
排除無關變量
(溫度)對實驗結果的干擾
酶具有專一性
(4)請從下面所給的實驗材料中選擇合適的材料并利用實驗室中的相關設備，設計實驗探究溫度對淀粉酶活性的影響。
實驗材料：糖甲溶液；糖乙溶液；糖丙溶液；淀粉酶；冰水；常溫水；沸水；碘液；斐林試劑等。
實驗步驟：①取6支潔凈的試管，向三支試管中均加入1 mL淀粉酶溶液，編號為A、B、C。另三支試管均加入2 mL________溶液，編號為E、F、G；
糖丙
②將A、E號試管放入冰水中，B、F號試管放入常溫水中，C、G號試管放入沸水中，保溫一段時間；
③將編號A、B、C的試管內的溶液分別注入E、F、G三支試管中，搖勻；
④向E、F、G三支試管中分別加入等量且適量________，搖勻，觀察顏色變化。
碘液
(5)若上述實驗用H2O2做底物，淀粉酶改成新鮮肝臟研磨液，請分析能否達成實驗目的并說明理由： __________________________________________________________________。
不能，H2O2的分解本身受到溫度的
影響，溫度升高時其分解速度加快
[解析]　(1)酶具有催化作用，其催化作用的原理是降低化學反應活化能，即酶是通過降低化學反應的活化能來加快反應速率的。(2)溫度在本實驗屬于無關變量，該實驗需將三支試管均置于相同溫度中的目的是保證實驗設計中的單一變量原則，排除無關變量(溫度)對實驗結果的干擾，對于無關變量的處理原則是保證無關變量相同且適宜。(3)本實驗的設計思路是同一種酶對不同的底物的催化情況，結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，因而實驗結果說明淀粉酶具有專一性，或者酶具有專一性。
(4)因為淀粉酶能催化糖丙的水解，另三支試管均加入2 mL糖丙溶液。本實驗的目的是探究溫度對淀粉酶活性的影響，反應速率的測量指標應該是藍色褪去的快慢，因此向E、F、G三支試管中分別加入等量且適量碘液，搖勻，觀察顏色變化。(5)若上述實驗用H2O2做底物，淀粉酶改成新鮮肝臟研磨液，則不能達到驗證溫度對酶催化作用影響的目的，因為H2O2本身的分解就受到溫度的影響，因而無法說清楚是溫度對H2O2本身的影響，還是溫度通過影響酶實現的對酶促反應速率的影響。

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