實驗設計與分析三道例題

實驗設計與分析三道例題第一頁，共十一頁，2022年，8月28日

[例1]（2000年生物高考上海卷）根據(jù)下述條件設計一實驗，鑒別兩種不同濃度的蔗糖溶液，寫出實驗操作步驟并分析結果。

一瓶10%的蔗糖溶液，一瓶30%的蔗糖溶液，250ml燒杯1只、半透膜制成的透析袋1只、刻度玻璃管1支、細線1根、支架1個。

（1）實驗步驟：

（2）結果分析：

[解析]

(1)了解題目要求。

首先要明確題意，只有明確題意才能方向明確，少走彎路。本題的要求有二個：一是設計實驗步驟，二是分析實驗結果。

(2)明確實驗目的。

明確實驗到底要解決什么問題。本實驗的目的題目中已告知，即鑒別兩種不同濃度的蔗糖溶液，實驗只要求定性區(qū)別兩瓶蔗糖溶液的濃度，不要求作具體的濃度測定。

(3)分析實驗原理。

鑒別蔗糖溶液濃度的方法很多，如用化學方法直接測定蔗糖溶液的濃度，用物理方法通過測定不同蔗糖溶液的比重，用生物方法通過不同蔗糖溶液的滲透性差異來確定等。原理不同設計方法顯然不同。在分析實驗原理時要充分利用實驗所給的條件，并結合所學知識來解決。本題實驗條件中給出的半透膜制成的透析袋告訴我們，所運用的原理是根據(jù)不同溶液的蔗糖溶液其滲透性不同，即：通過半透膜，水分總是從溶液濃度較低的一側向溶液濃度較高的一側滲透。第二頁，共十一頁，2022年，8月28日

(4)確定實驗思路。

這一步尤如做作文的構思，是建立實驗設計的基本框架。運用半透膜來測定兩組蔗糖溶液的濃度方法也可以是多樣的，如可以設計兩組或三組實驗進行對照操作，但本題提供的器材只有一組，顯然不可能設計成兩組或三組實驗，只能設計一組實驗。這樣，將兩種蔗糖溶液分別置于半透膜兩側，就成了最佳選擇。基本思路就是，將蔗糖溶液之一置于透析袋中，另一蔗糖溶液置于透析袋的外側，通過觀察滲透作用的進行情況來判斷溶液的濃度。

(5)設計實驗步驟。

有了思路，具體怎樣操作？這就需要在確定思路的基礎上進行精心的設計。這一設計一定要充分利用題目中所給的實驗條件，要思考題目中所給出的實驗材料和試劑分別是起什么作用的？怎樣運用？要注意：一是題目給出的實驗試劑和材料都必須充分運用；二是除非題目條件允許，否則不能自己隨意增加實驗試劑和材料。本題的具體設計應為：（有下劃線的為題中所給的實驗試驗和材料）①將一瓶中的蔗糖溶液倒入燒杯中。②將另一瓶中的蔗糖溶液裝滿透析袋，將刻度玻璃管插入袋內(nèi)溶液中，用細線將袋口和玻璃管扎緊。③將插有玻璃管的透析袋放入裝有蔗糖溶液的燒杯中，垂直固定于支架上，記錄玻璃管的液面刻度。④一段時間后，觀察玻璃管液面刻度，確定液面是升還是降第三頁，共十一頁，2022年，8月28日注意：在設計中常見的問題有以下幾種：一是將實驗設計成對照實驗，分成二組進行實驗，這樣題目中給定的實驗器材就不夠用，因而不符合題目的要求；二是將兩瓶蔗糖溶液先后置于透析袋內(nèi)，分別置于放有清水的燒杯中進行實驗，然后記錄液面上升的刻度。這樣操作的問題在于一方面在同一透析袋中進行操作，影響實驗的精確性；另一方面題目所給的實驗條件中沒有給出清水。因此這種設計也不符合題目要求。三是不少同學忽略一些細節(jié)的處理，如細線、支架沒有起到作用等。此外，還有的同學敘述成“將10%的蔗糖溶液…”，把未知的需要鑒別的蔗糖溶液當成是已知條件，然后再去分析實驗結果。這樣實驗的目的就改變了，由原來的要求鑒別蔗糖溶液濃度，變成了驗證已知的不同濃度的蔗糖(5)結果與分析。一般的實驗設計題都會有實驗結果的預測與分析或對實驗過程中的某些操作或原理的分析。本題要求對結果作出分析，既應該包括結果，也應該包括對結果的分析。答案應為：如液面上升，則透析袋中的是30%的蔗糖溶液，燒杯中的溶液是10%的蔗糖溶液；反之，可推測透析袋中的是10%的蔗糖溶液，燒杯中的是30%的蔗糖溶液。第四頁，共十一頁，2022年，8月28日一、實驗材料和用具（1）家兔（2）生理鹽水（3）酒精棉（4）適宜濃度的草酸鉀溶液（5）適宜濃度的氯化鈣溶液（6）試管、注射器（針管、針頭）二、實驗步驟和實驗結果第一步：在A、B試管中分別加入等量的草酸鉀溶液和生理鹽水（見下圖）第二步：

草酸鉀溶液生理鹽水

問題：設置B管的目的是---————。（2000年高考理科綜合能力測試）

[例2]血液中的鈣離子在血液凝固過程中起重要作用，缺乏則血液不能凝固，草酸鉀溶液能與血液中的鈣離子發(fā)生反應，形成草酸鈣沉淀，起抗凝固作用。請根據(jù)提供的實驗材料和用具，簡要寫出第二步及以后的實驗步驟和實驗結果，驗證鈣離子在血液凝固中的作用，并回答問題。

第五頁，共十一頁，2022年，8月28日

[解析]本題要求有二個，一是完成實驗設計和給出實驗結果，二是回答實驗設計中的相關問題。實驗的目的是驗證鈣離子在血液凝固中的作用，鈣離子是實驗因子。實驗的原理題目中以信息的形式給出，包括二方面：一是鈣有凝血作用，二是草酸鉀溶液能與血液中的鈣離子反應生成草酸鈣沉淀。盡管題目提供的實驗材料和用具沒有指明數(shù)量，但題目已給出了實驗設計的第一步，從第一步可以可出是要設計對照實驗，因此實驗的思路及預期的結果應是：設計兩組實驗，有鈣→血液凝固，無鈣→血液不凝固。題目給出的實驗第一步是：在A、B試管中分別加入等量的草酸鉀溶液和生理鹽水。很明顯，這里的草酸鉀是用于與鈣結合的，因此A試管是實驗組，B試管用的是生理鹽水，起的是對照作用，因此B試管是對照實驗組。分析實驗材料和用具的作用：家兔提供血液，酒精棉用于消毒，注射器用于抽取血液，試管、生理鹽水和草酸鉀已在第一步實驗中用到。這樣就可以有以下的實驗設計：第二步：用酒精棉消毒，用注射器取家兔血液。第三步：立即將等量的新鮮血分別加入到A、B兩試管中。根據(jù)題目所給的信息，由于甲試管中有草酸鉀，與血液中的鈣離子結合生成了草酸鈣，血液中沒有了鈣離子，預期血液將是不凝固；乙試管中加的是生理鹽水，不影響血液中的鈣離子，因此預期血液將發(fā)生凝固。所以實驗結果是：A管凝固，B管不凝固。第六頁，共十一頁，2022年，8月28日

第四步：將等量的CaCl2溶液分別加入到A、B兩試管中。（B管因血液已凝固，在此也可以不加）結果：一段時間后，A管凝固，B管仍然凝固。這樣第一到第三步采用的是并列對照實驗，第四步則進一步采用前后對照實驗，從而較嚴密地證明了鈣對血液凝固的作用。很顯然，題目所問設置B管的目的應是作為A管的對照。在本題的解答中還應該注意，本實驗總體上采用的是并列對照實驗的方法，因此在A、B兩試管的處理上除了實驗因子外，其余的各項操作都必須是相同或盡量相同的，如加入的血液、氯化鈣溶液都必須等量。實驗設計和結果似乎已出來了，但我們仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，題目中還有一個條件沒有用到，即適宜濃度的氯化鈣溶液。這是很多同學容易忽略的。推敲一下上述三步設計可發(fā)現(xiàn)，實驗還是不夠嚴密的，A管內(nèi)血液不凝固的因素并不唯一，是否可能是草酸鉀的直接作用？要排除這一因素，一個可行的辦法是在A管內(nèi)繼續(xù)加入鈣，看是否會凝固。因此可繼續(xù)設計一步操作：第七頁，共十一頁，2022年，8月28日42．（14分）某實驗小鼠適宜生活在25℃左右的環(huán)境中，為探究低于適宜溫度的環(huán)境（如10℃）對小鼠能量代謝的影響（能量代謝的強弱用單位時間的耗氧量表示），請依據(jù)所給的實驗裝置（如圖）、實驗材料和用品，在給出的實驗方法和步驟的基礎上，繼續(xù)完成探究實驗，預測可能的實驗結果和結論，并回答問題。實驗室溫度：25℃左右材料和用品：小鼠、冰袋、秒表等方法和步驟：步驟1：將小鼠放入廣口瓶的籠子內(nèi)，加塞密閉。打開夾子（A）、（B）、（C），片刻后關閉夾子（B），用注射器抽取10毫升氧氣備用。關閉夾子（C），打開夾子（B），使水檢壓計液面左右平齊。步驟2：步驟3：結果預測和結論：①

②

③

該實驗最可能的結果和結論應是

。原因是

。第八頁，共十一頁，2022年，8月28日[分析]本題考查了溫度對恒溫動物能量代謝的影響相關知識，還涉及了物理、化學等學科知識?？疾榱藢嶒炘O計中完善實驗方案、預測實驗結果、分析、推理等科學思維和能力。這是一道有關探究性實驗的試題，題目已確定實驗目的，提供了實驗材料、用品、實驗裝置、實驗室溫度條件和部分實驗步驟，要求考生完成該實驗步驟的設計，并預測實驗結果和推導結論，對最可能的實驗結論進行解釋。本題的信息量非常大，既有文字信息，也有圖解信息和實驗用具的使用信息等?？忌紫纫托摹⒆屑毜亻喿x和理解。特別是實驗裝置部分，涉及物理、化學的一些實驗用具和原理，考生可能較少使用或沒用使用過，因此，該部分是新情景。步驟1示范了圖示裝置的各種用具的使用方法，要求考生通過提取圖文信息理解各種實驗用具的作用，學會使用并運用于步驟2、3的設計中。解題突破口是：明確和理解實驗目的。因為運用實驗原理、設計實驗步驟、預測結果和推導結論等均以實驗目的為出發(fā)點，為實驗目的而服務的。

由題干可知本實驗的目的是：探究低于適宜溫度的環(huán)境（如10℃）對小鼠能量代謝的影響。

本實驗的單一變量（自變量）是溫度（適宜溫度即25℃和低于適宜溫度即10℃），因變量是小鼠能量代謝的強弱變化。本實驗設計要解決實驗目的中的2個主題問題。問題1：怎樣控制自變量---溫度的變化？已知實驗室的溫度為25℃左右，適宜溫度條件已具備，那么怎樣營造10℃左右的溫度環(huán)境呢？題目提供了冰袋和溫度計。問題2：怎樣測量因變量---小鼠能量代謝強弱的變化？題干要求用單位時間的耗氧量表示。既然需要計算單位時間，所以題干提供了秒表。如何測定耗氧量？題干提供了一個較復雜的裝置。首先需要有氧氣，所以裝置中有氧氣袋。氧氣的使用量是多少？題干提供了兩個用具，其一是注入小鼠生活環(huán)境中的氧氣量，用20mL注射器測量；其二是消耗了的氧氣量，用無刻度的水檢壓計測量。由于水檢壓計是沒有刻度的，顯然需要秒表來計算單位時間內(nèi)水檢壓計液柱的變化。為了排除非實驗變量---小鼠呼吸作用呼出的CO2對該實驗的影響該實驗設計用氫氧化鈉吸收CO2，排除了干擾，保證了實驗變量的唯一性。第九頁，共十一頁，2022年，8月28日第十頁，共十一頁，2022年，8月28日本實驗運用了自身對照實驗的方法來控制實驗變量。首先是在25℃條件下測定小鼠的代謝變化，然后其它條件不變，只降低溫度，再測定小鼠的代謝變化。設計時還需要注意使用重復性原則。本題后半部分考查對實驗結果的預測和結論推導能力和分析結論的能力。在這里應注意兩點：一是必須以預測的實驗結果（即單位時間的耗氧量）為依據(jù)，分析能量代謝強弱變化的結論，不能主觀臆測。二是根據(jù)恒溫動物需要調(diào)節(jié)產(chǎn)熱和散熱來恒定體溫的知識對最可能出現(xiàn)的實驗結果和結論作出預測和原因分析。步驟2：待小鼠安靜后，關閉夾子（A），記下時間，將注射器向前推進5毫升（推進數(shù)量合理即可），水檢壓計液面左側升高，關閉夾子（B），待水檢壓計的液面左右平齊時，記錄時間。得到在25℃環(huán)境中小鼠消耗5毫升氧氣所用時間。結果預測和結論：步驟3：將冰袋放在廣口瓶周圍，調(diào)節(jié)距離，使瓶內(nèi)的溫度穩(wěn)定在10℃，待小鼠安靜后，重復步驟1、2中的有關操作。得到在10℃環(huán)境中小鼠消耗5毫升氧氣所用時間。①消耗5毫升氧氣所用的時間10℃少于25℃，說明小鼠的生活環(huán)境從2