實驗設(shè)計與分析三道例題

實驗設(shè)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(shè)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(jié)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(xì)線1根、支架1個。

（1）實驗步驟：

（2）結(jié)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(shè)計實驗步驟，二是分析實驗結(jié)果。

(2)明確實驗?zāi)康摹?/p>

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(xué)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(shè)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(jié)合所學(xué)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(yùn)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(cè)向溶液濃度較高的一側(cè)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(gòu)思，是建立實驗設(shè)計的基本框架。運(yùn)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(shè)計兩組或三組實驗進(jìn)行對照操作，但本題提供的器材只有一組，顯然不可能設(shè)計成兩組或三組實驗，只能設(shè)計一組實驗。這樣，將兩種蔗糖溶液分別置于半透膜兩側(cè)，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(cè)，通過觀察滲透作用的進(jìn)行情況來判斷溶液的濃度。

(5)設(shè)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(chǔ)上進(jìn)行精心的設(shè)計。這一設(shè)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(yùn)用？要注意：一是題目給出的實驗試劑和材料都必須充分運(yùn)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(shè)計應(yīng)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(xì)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(shè)計中常見的問題有以下幾種：一是將實驗設(shè)計成對照實驗，分成二組進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shè)計也不符合題目要求。三是不少同學(xué)忽略一些細(xì)節(jié)的處理，如細(xì)線、支架沒有起到作用等。此外，還有的同學(xué)敘述成“將10%的蔗糖溶液…”，把未知的需要鑒別的蔗糖溶液當(dāng)成是已知條件，然后再去分析實驗結(jié)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(jié)果與分析。一般的實驗設(shè)計題都會有實驗結(jié)果的預(yù)測與分析或?qū)嶒炦^程中的某些操作或原理的分析。本題要求對結(jié)果作出分析，既應(yīng)該包括結(jié)果，也應(yīng)該包括對結(jié)果的分析。答案應(yīng)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(jié)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(shè)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(yīng)，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(jié)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(shè)計和給出實驗結(jié)果，二是回答實驗設(shè)計中的相關(guān)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(yīng)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(shè)計的第一步，從第一步可以可出是要設(shè)計對照實驗，因此實驗的思路及預(yù)期的結(jié)果應(yīng)是：設(shè)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(jié)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(shè)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(jié)合生成了草酸鈣，血液中沒有了鈣離子，預(yù)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(yù)期血液將發(fā)生凝固。所以實驗結(jié)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(jié)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(jìn)一步采用前后對照實驗，從而較嚴(yán)密地證明了鈣對血液凝固的作用。很顯然，題目所問設(shè)置B管的目的應(yīng)是作為A管的對照。在本題的解答中還應(yīng)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(shè)計和結(jié)果似乎已出來了，但我們仔細(xì)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(xué)容易忽略的。推敲一下上述三步設(shè)計可發(fā)現(xiàn)，實驗還是不夠嚴(yán)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(shè)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(qiáng)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(chǔ)上，繼續(xù)完成探究實驗，預(yù)測可能的實驗結(jié)果和結(jié)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(guān)閉夾子（B），用注射器抽取10毫升氧氣備用。關(guān)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(jié)果預(yù)測和結(jié)論：①

②

③

該實驗最可能的結(jié)果和結(jié)論應(yīng)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(guān)知識，還涉及了物理、化學(xué)等學(xué)科知識?？疾榱藢嶒炘O(shè)計中完善實驗方案、預(yù)測實驗結(jié)果、分析、推理等科學(xué)思維和能力。這是一道有關(guān)探究性實驗的試題，題目已確定實驗?zāi)康?，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(shè)計，并預(yù)測實驗結(jié)果和推導(dǎo)結(jié)論，對最可能的實驗結(jié)論進(jìn)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。考生首先要耐心、仔細(xì)地閱讀和理解。特別是實驗裝置部分，涉及物理、化學(xué)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(xué)會使用并運(yùn)用于步驟2、3的設(shè)計中。解題突破口是：明確和理解實驗?zāi)康?。因為運(yùn)用實驗原理、設(shè)計實驗步驟、預(yù)測結(jié)果和推導(dǎo)結(jié)論等均以實驗?zāi)康臑槌霭l(fā)點，為實驗?zāi)康亩?wù)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(qiáng)弱變化。本實驗設(shè)計要解決實驗?zāi)康闹械?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(qiáng)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(fù)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(shè)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(yùn)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(shè)計時還需要注意使用重復(fù)性原則。本題后半部分考查對實驗結(jié)果的預(yù)測和結(jié)論推導(dǎo)能力和分析結(jié)論的能力。在這里應(yīng)注意兩點：一是必須以預(yù)測的實驗結(jié)果（即單位時間的耗氧量）為依據(jù)，分析能量代謝強(qiáng)弱變化的結(jié)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(jié)果和結(jié)論作出預(yù)測和原因分析。步驟2：待小鼠安靜后，關(guān)閉夾子（A），記下時間，將注射器向前推進(jìn)5毫升（推進(jìn)數(shù)量合理即可），水檢壓計液面左側(cè)升高，關(guān)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(jié)果預(yù)測和結(jié)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(fù)步驟1、2中的有關(guān)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