实验设计与分析三道例题

实验设计与分析三道例题第一页，共十一页，2022年，8月28日

[例1]（2000年生物高考上海卷）根据下述条件设计一实验，鉴别两种不同浓度的蔗糖溶液，写出实验操作步骤并分析结果。

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

（1）实验步骤：

（2）结果分析：

[解析]

(1)了解题目要求。

首先要明确题意，只有明确题意才能方向明确，少走弯路。本题的要求有二个：一是设计实验步骤，二是分析实验结果。

(2)明确实验目的。

明确实验到底要解决什么问题。本实验的目的题目中已告知，即鉴别两种不同浓度的蔗糖溶液，实验只要求定性区别两瓶蔗糖溶液的浓度，不要求作具体的浓度测定。

(3)分析实验原理。

鉴别蔗糖溶液浓度的方法很多，如用化学方法直接测定蔗糖溶液的浓度，用物理方法通过测定不同蔗糖溶液的比重，用生物方法通过不同蔗糖溶液的渗透性差异来确定等。原理不同设计方法显然不同。在分析实验原理时要充分利用实验所给的条件，并结合所学知识来解决。本题实验条件中给出的半透膜制成的透析袋告诉我们，所运用的原理是根据不同溶液的蔗糖溶液其渗透性不同，即：通过半透膜，水分总是从溶液浓度较低的一侧向溶液浓度较高的一侧渗透。第二页，共十一页，2022年，8月28日

(4)确定实验思路。

这一步尤如做作文的构思，是建立实验设计的基本框架。运用半透膜来测定两组蔗糖溶液的浓度方法也可以是多样的，如可以设计两组或三组实验进行对照操作，但本题提供的器材只有一组，显然不可能设计成两组或三组实验，只能设计一组实验。这样，将两种蔗糖溶液分别置于半透膜两侧，就成了最佳选择。基本思路就是，将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侧，通过观察渗透作用的进行情况来判断溶液的浓度。

(5)设计实验步骤。

有了思路，具体怎样操作？这就需要在确定思路的基础上进行精心的设计。这一设计一定要充分利用题目中所给的实验条件，要思考题目中所给出的实验材料和试剂分别是起什么作用的？怎样运用？要注意：一是题目给出的实验试剂和材料都必须充分运用；二是除非题目条件允许，否则不能自己随意增加实验试剂和材料。本题的具体设计应为：（有下划线的为题中所给的实验试验和材料）①将一瓶中的蔗糖溶液倒入烧杯中。②将另一瓶中的蔗糖溶液装满透析袋，将刻度玻璃管插入袋内溶液中，用细线将袋口和玻璃管扎紧。③将插有玻璃管的透析袋放入装有蔗糖溶液的烧杯中，垂直固定于支架上，记录玻璃管的液面刻度。④一段时间后，观察玻璃管液面刻度，确定液面是升还是降第三页，共十一页，2022年，8月28日注意：在设计中常见的问题有以下几种：一是将实验设计成对照实验，分成二组进行实验，这样题目中给定的实验器材就不够用，因而不符合题目的要求；二是将两瓶蔗糖溶液先后置于透析袋内，分别置于放有清水的烧杯中进行实验，然后记录液面上升的刻度。这样操作的问题在于一方面在同一透析袋中进行操作，影响实验的精确性；另一方面题目所给的实验条件中没有给出清水。因此这种设计也不符合题目要求。三是不少同学忽略一些细节的处理，如细线、支架没有起到作用等。此外，还有的同学叙述成“将10%的蔗糖溶液…”，把未知的需要鉴别的蔗糖溶液当成是已知条件，然后再去分析实验结果。这样实验的目的就改变了，由原来的要求鉴别蔗糖溶液浓度，变成了验证已知的不同浓度的蔗糖(5)结果与分析。一般的实验设计题都会有实验结果的预测与分析或对实验过程中的某些操作或原理的分析。本题要求对结果作出分析，既应该包括结果，也应该包括对结果的分析。答案应为：如液面上升，则透析袋中的是30%的蔗糖溶液，烧杯中的溶液是10%的蔗糖溶液；反之，可推测透析袋中的是10%的蔗糖溶液，烧杯中的是30%的蔗糖溶液。第四页，共十一页，2022年，8月28日一、实验材料和用具（1）家兔（2）生理盐水（3）酒精棉（4）适宜浓度的草酸钾溶液（5）适宜浓度的氯化钙溶液（6）试管、注射器（针管、针头）二、实验步骤和实验结果第一步：在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水（见下图）第二步：

草酸钾溶液生理盐水

问题：设置B管的目的是­­­————。（2000年高考理科综合能力测试）

[例2]血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用，缺乏则血液不能凝固，草酸钾溶液能与血液中的钙离子发生反应，形成草酸钙沉淀，起抗凝固作用。请根据提供的实验材料和用具，简要写出第二步及以后的实验步骤和实验结果，验证钙离子在血液凝固中的作用，并回答问题。

第五页，共十一页，2022年，8月28日

[解析]本题要求有二个，一是完成实验设计和给出实验结果，二是回答实验设计中的相关问题。实验的目的是验证钙离子在血液凝固中的作用，钙离子是实验因子。实验的原理题目中以信息的形式给出，包括二方面：一是钙有凝血作用，二是草酸钾溶液能与血液中的钙离子反应生成草酸钙沉淀。尽管题目提供的实验材料和用具没有指明数量，但题目已给出了实验设计的第一步，从第一步可以可出是要设计对照实验，因此实验的思路及预期的结果应是：设计两组实验，有钙→血液凝固，无钙→血液不凝固。题目给出的实验第一步是：在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水。很明显，这里的草酸钾是用于与钙结合的，因此A试管是实验组，B试管用的是生理盐水，起的是对照作用，因此B试管是对照实验组。分析实验材料和用具的作用：家兔提供血液，酒精棉用于消毒，注射器用于抽取血液，试管、生理盐水和草酸钾已在第一步实验中用到。这样就可以有以下的实验设计：第二步：用酒精棉消毒，用注射器取家兔血液。第三步：立即将等量的新鲜血分别加入到A、B两试管中。根据题目所给的信息，由于甲试管中有草酸钾，与血液中的钙离子结合生成了草酸钙，血液中没有了钙离子，预期血液将是不凝固；乙试管中加的是生理盐水，不影响血液中的钙离子，因此预期血液将发生凝固。所以实验结果是：A管凝固，B管不凝固。第六页，共十一页，2022年，8月28日

第四步：将等量的CaCl2溶液分别加入到A、B两试管中。（B管因血液已凝固，在此也可以不加）结果：一段时间后，A管凝固，B管仍然凝固。这样第一到第三步采用的是并列对照实验，第四步则进一步采用前后对照实验，从而较严密地证明了钙对血液凝固的作用。很显然，题目所问设置B管的目的应是作为A管的对照。在本题的解答中还应该注意，本实验总体上采用的是并列对照实验的方法，因此在A、B两试管的处理上除了实验因子外，其余的各项操作都必须是相同或尽量相同的，如加入的血液、氯化钙溶液都必须等量。实验设计和结果似乎已出来了，但我们仔细观察可以发现，题目中还有一个条件没有用到，即适宜浓度的氯化钙溶液。这是很多同学容易忽略的。推敲一下上述三步设计可发现，实验还是不够严密的，A管内血液不凝固的因素并不唯一，是否可能是草酸钾的直接作用？要排除这一因素，一个可行的办法是在A管内继续加入钙，看是否会凝固。因此可继续设计一步操作：第七页，共十一页，2022年，8月28日42．（14分）某实验小鼠适宜生活在25℃左右的环境中，为探究低于适宜温度的环境（如10℃）对小鼠能量代谢的影响（能量代谢的强弱用单位时间的耗氧量表示），请依据所给的实验装置（如图）、实验材料和用品，在给出的实验方法和步骤的基础上，继续完成探究实验，预测可能的实验结果和结论，并回答问题。实验室温度：25℃左右材料和用品：小鼠、冰袋、秒表等方法和步骤：步骤1：将小鼠放入广口瓶的笼子内，加塞密闭。打开夹子（A）、（B）、（C），片刻后关闭夹子（B），用注射器抽取10毫升氧气备用。关闭夹子（C），打开夹子（B），使水检压计液面左右平齐。步骤2：步骤3：结果预测和结论：①

②

③

该实验最可能的结果和结论应是

。原因是

。第八页，共十一页，2022年，8月28日[分析]本题考查了温度对恒温动物能量代谢的影响相关知识，还涉及了物理、化学等学科知识。考查了实验设计中完善实验方案、预测实验结果、分析、推理等科学思维和能力。这是一道有关探究性实验的试题，题目已确定实验目的，提供了实验材料、用品、实验装置、实验室温度条件和部分实验步骤，要求考生完成该实验步骤的设计，并预测实验结果和推导结论，对最可能的实验结论进行解释。本题的信息量非常大，既有文字信息，也有图解信息和实验用具的使用信息等。考生首先要耐心、仔细地阅读和理解。特别是实验装置部分，涉及物理、化学的一些实验用具和原理，考生可能较少使用或没用使用过，因此，该部分是新情景。步骤1示范了图示装置的各种用具的使用方法，要求考生通过提取图文信息理解各种实验用具的作用，学会使用并运用于步骤2、3的设计中。解题突破口是：明确和理解实验目的。因为运用实验原理、设计实验步骤、预测结果和推导结论等均以实验目的为出发点，为实验目的而服务的。

由题干可知本实验的目的是：探究低于适宜温度的环境（如10℃）对小鼠能量代谢的影响。

本实验的单一变量（自变量）是温度（适宜温度即25℃和低于适宜温度即10℃），因变量是小鼠能量代谢的强弱变化。本实验设计要解决实验目的中的2个主题问题。问题1：怎样控制自变量---温度的变化？已知实验室的温度为25℃左右，适宜温度条件已具备，那么怎样营造10℃左右的温度环境呢？题目提供了冰袋和温度计。问题2：怎样测量因变量---小鼠能量代谢强弱的变化？题干要求用单位时间的耗氧量表示。既然需要计算单位时间，所以题干提供了秒表。如何测定耗氧量？题干提供了一个较复杂的装置。首先需要有氧气，所以装置中有氧气袋。氧气的使用量是多少？题干提供了两个用具，其一是注入小鼠生活环境中的氧气量，用20mL注射器测量；其二是消耗了的氧气量，用无刻度的水检压计测量。由于水检压计是没有刻度的，显然需要秒表来计算单位时间内水检压计液柱的变化。为了排除非实验变量---小鼠呼吸作用呼出的CO2对该实验的影响该实验设计用氢氧化钠吸收CO2，排除了干扰，保证了实验变量的唯一性。第九页，共十一页，2022年，8月28日第十页，共十一页，2022年，8月28日本实验运用了自身对照实验的方法来控制实验变量。首先是在25℃条件下测定小鼠的代谢变化，然后其它条件不变，只降低温度，再测定小鼠的代谢变化。设计时还需要注意使用重复性原则。本题后半部分考查对实验结果的预测和结论推导能力和分析结论的能力。在这里应注意两点：一是必须以预测的实验结果（即单位时间的耗氧量）为依据，分析能量代谢强弱变化的结论，不能主观臆测。二是根据恒温动物需要调节产热和散热来恒定体温的知识对最可能出现的实验结果和结论作出预测和原因分析。步骤2：待小鼠安静后，关闭夹子（A），记下时间，将注射器向前推进5毫升（推进数量合理即可），水检压计液面左侧升高，关闭夹子（B），待水检压计的液面左右平齐时，记录时间。得到在25℃环境中小鼠消耗5毫升氧气所用时间。结果预测和结论：步骤3：将冰袋放在广口瓶周围，调节距离，使瓶内的温度稳定在10℃，待小鼠安静后，重复步骤1、2中的有关操作。得到在10℃环境中小鼠消耗5毫升氧气所用时间。①消耗5毫升氧气所用的时间10℃少于25℃，说明小鼠的生活环境从2