第二部分 生物实验目的、原理归纳

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  【知识建构】
  一、高中阶段常见实验类型
  1. 观察类实验
  (1)在此类实验中常综合考察运用显微观察技术、染色技术、玻片标本制作技术等,现将课本上这类实验归类如下:
  [实验名称\&观察
  方式\&实验原理\&观察对象\&生物材料、试剂及用具\&实验步骤\&观察叶绿体\&
  察\&高等绿色植物的叶绿体存在于细胞质基质中。叶绿体一般是绿色的、扁平的椭球形或球形,可以用高倍显微镜观察它的形态和分布\&叶绿体\&菠菜叶、临时装片、高倍镜\&滴清水→放材料→盖盖玻片
  \&观察细胞质流动\&活细胞中的细胞质处于不断流动的状态。观察细胞质的流动,可用细胞质基质中的叶绿体的运动作为标志\&细胞质(以叶绿体作参照)\&黑藻嫩叶、临时装片、高倍镜\&滴清水→放材料→盖盖玻片
  \&观察质壁分离与复原
  \&当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度时,细胞液中的水分就透过原生质层进入外界溶液中,使细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩。由于原生质层比细胞壁的伸缩性大,当细胞不断失水时,原生质层就会与细胞壁逐渐分离开来,也就是逐渐发生了质壁分离
  当细胞液的浓度大于外界溶液的浓度时,外界溶液中的水分就透过原生质层进入细胞液中,整个原生质层就会慢慢地恢复成原来的状态,使植物细胞逐渐发生质壁分离复原\&紫色
  大液泡\&洋葱表皮、临时装片、高倍镜\&制成装片→在盖玻片一侧滴蔗糖溶液(清水),在另一侧用吸水纸吸引
  
  \&叶绿体中色素的提取和分离\&叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂丙酮中,所以可以用丙酮提取叶绿体中的色素
  层析液是一种脂溶性很强的有机溶剂。叶绿体中的色素在层析液中的溶解度不同:溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快,溶解度低的随层析液在滤纸上扩散得慢,这样,几分之后,叶绿体中的色素就在扩散过程中分离开来\&滤纸条上色素带的颜色及种类\&CaCO3、SiO2、
  丙酮、层析液\&提取色素(萃取法)→分离色素(纸层析法)\&观察有丝分裂\&
  察\&在植物体中,有丝分裂常见于根尖、茎尖等分生区细胞。高等植物细胞有丝分裂的过程,分为分裂间期和有丝分裂期的前期、中期、后期、末期。可以用高倍显微镜观察植物细胞有丝分裂的过程,根据各个时期细胞内染色体(或染色质)的变化情况,识别该细胞处于有丝分裂的哪个时期。细胞核内的染色体容易被碱性染料(如龙胆紫溶液)着色\&染色体\&洋葱根尖、龙胆紫(醋酸洋红)、临时装片、高倍镜\&解离→清水漂洗→染色→制片(放材料→滴清水→弄碎材料→盖盖玻片→压片)\&脂肪的鉴定
  \&脂肪可以被苏丹Ⅲ染液染成橘黄色(或被苏丹Ⅳ染液染成红色)\&脂肪\&花生种子、苏丹Ⅲ或苏丹Ⅳ、临时装片、高倍镜\&滴染液染色→滴酒精洗浮色→吸水纸吸去酒精→滴蒸馏水→盖盖玻片\&]
  (2)观察类实验应注意的问题
  ①注意取材:根据观察对象采用合适的材料,如观察有丝分裂应选取根尖分生区细胞;观察质壁分离与复原应选取成熟的植物细胞等。
  ②注意材料处理:根据不同材料,不同的观察对象,做不同的材料处理,如浸泡、染色、解离、保持生活状态等。
  ③注意制片方法:显微观察实验要用装片,不同材料用不同的制片方法。装片法(把整个实验材料制成装片,如用葫芦藓观察叶绿体)、切片法(把材料切成薄片,以便观察,如脂肪鉴定)、压片法(把材料压碎成一薄层,以便观察,如观察根尖有丝分裂)。
  ④注意光学显微镜的使用方法。
  2. 鉴别类实验
  (1)在此类实验中,常利用某种试剂对生物体或细胞中成分进行鉴别,针对不同的鉴别对象,采用不同的试剂。归类如下(见表2):
  (2)鉴别类实验应注意的问题
  ①实验结论常根据特定的颜色反应来确定。
  ②有些可不设立对照实验,若需设立,应增设一组,加入已知的待检测物质。如验证唾液淀粉酶是蛋白质,对照组可加入稀释的鸡蛋清。
  ③注意选择合适的试剂,并注意试剂使用的特殊要求,如加热等。
  ④要注意实验有颜色的材料要注意脱色处理,如:绿色叶片可用洒精脱色处理,血浆要加柠檬酸钠分层过滤取上清液等。
  3. 探究性实验类
  探究性实验指实验者在不知晓实验结果的前提下,通过自己实验、探索、分析、研究得出结论,从而形成科学概念的一种认知活动。
  此类实验需要对某些生物学现象作出合理化的假设并通过设计实验进行验证。如教材中“比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率”、“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用”、“温度对酶活性的影响”、“植物向性运动的实验设计和观察”等。
  探究性生物学实验应当要求学生在明确实验要求、目的的前提下,遵循实验设计“操作方便、程序合理、药品节约、依据现象推测结论”的原则进行设计,一般可分以下几个环节:
  (1)理论假设的提出
  根据题目要求,确定实验的条件即实验变量X,即唯一一个对实验结果可能产生影响的变量。在此基础上提出理论假设,它常常可以描述为:“当条件X存在时,事件P(实验现象)可能发生;当条件X改变时,若事件P发生,能得出何结论?当事件P不发,能得出何结论?”
  (2)设计探究性实验分五个实验步骤进行:
  ①实验准备,包括实验器材及实验药品的准备;
  ②满足条件X,设计实验,观察事件P能否发生;
  ③改变条件X,设计实验,观察事件P能否发生,发生的程度如何;
  ④设计对照实验;
  ⑤梳理,实验是否遵循“单一变量”、“平行重复”原则。
  (3)观察、记录和结论
  仔细观察并准确记录实验现象,并根据实验现象做出相应的结论,一般规律是:
  ①若条件X存在,事件P能发生;条件X改变,事件P不能发生(或发生程度改变)。结论是……
  ②若条件X存在,事件P能发生;条件X改变,事件P能发生。结论是……
  ③若条件X存在,事件P不能发生;条件X改变,事件P能发生。结论是……
  下面对课本中的几组学生实验中的探究实验的原理、材料、自变量、因变量进行比较以期对同学们解决相应的问题有所帮助(见表3):
  4. 实习和研究性课题
  此类实验常通过调查法,调查法中常使用统计技术和测量技术(见表4)。
  二、教材中的部分经典实验
  近年来的高考中对经典实验的考查主要是从中提取原理或方法解决新情景中的问题,下表是几组经典实验的有关内容列表比较:(见表5)
  三、小实验类
  此类实验在课本上没有介绍实验的实践者,我们将其称为小实验类,高考常考查从小实验中提取的原理方法及实验结果(见表6)。
  四、高中生物学常见的经典实验方法小结
  1. 实验条件的控制方法
  (1)增加水中氧气——泵入空气或吹气或放入绿色植物
  (2)减少水中氧气——容器密封或油膜覆盖或用凉开水
  (3)除去容器中的CO2——NaOH溶液;补充容器中的CO2——NaHCO3溶液
  (4)除去叶片中原有淀粉——置于黑暗环境中
  (5)除去叶片中叶绿素——酒精水浴加热
  (6)除去光合作用对细胞呼吸的干扰——给植物遮光
  (7)血液抗凝——加入柠檬酸钠
  2. 实验中控制温度的方法
  (1)还原糖、DNA鉴定:沸水浴加热
  (2)酶促反应:水浴保温
  (3)用酒精溶解叶中的叶绿素:酒精要隔水加热
  (4)动物细胞和植物组织培养及微生物培养:恒温培养
  3. 实验结果的显示方法
  (1)光合速率——O2释放量或CO2吸收量或沉入水中的叶片重新浮出液面的速率或植物干重变化
  (2)呼吸速率——O2吸收量或CO2释放量或植物干重变化
  (3)物质代谢途径——放射性同位素示踪法
  (4)细胞液浓度大小——质壁分离
  (5)细胞是否死亡——质壁分离、细胞质流动
  (6)甲状腺激素的作用——动物耗氧量、发育速度等
  (7)生长激素的作用——生长速度(体重变化,身高变化)
  (8)胰岛素的作用——动物活动状态
  (9)菌量——菌落数
  (10)大肠杆菌——伊红-美蓝琼脂培养基
  (11)酶的高效性——底物分解速度或产物生成速度
  4. 化学物质的常用检测试剂或方法
  (1)淀粉——碘液
  (2)还原糖——斐林试剂或班氏试剂
  (3)CO2——Ca(OH)2溶液或酸碱指示剂
  (4)乳酸——pH试纸
  (5)蛋白质——双缩脲试剂
  (6)染色体——龙胆紫溶液、醋酸洋红溶液
  (7)DNA——二苯胺试剂
  (8)脂肪——苏丹Ⅲ或苏丹Ⅳ染液
  
  五、各知识点之间的联系
  [鉴定类
  观察类
  探究类
  实习类][学
  生
  实
  验][经典实验][小实验类][提炼][指导][基本实验原理、方法、步骤等][①验证相关生物学事实
  ②解释、分析和处理实验现象和结果
  ③初步的探究性研究一些生物学问题]
  【考情分析】
  近年来,由于全国大部分地区纷纷进行新课改,所以对实验的考查的比重越来越大,主要表现以下几种形式:
  1. 直接考查课本实验中选材原理和操作及结论:如2008高考广东T5、江苏卷T4、广东理基T43、2008理综北京卷30、2009全国卷Ⅰ32、全国卷Ⅱ32、2010全国卷Ⅱ31、均是对课本实验的选材原理和操作的直接考查。
  2. 运用课本实验的原理方法分析解释一些生物或实验现象和结果。如:2007年全国卷Ⅰ5、宁夏卷28、江苏卷33、山东卷1、广东卷37、宁夏卷37、2010全国卷Ⅰ31、2010全国新课标卷30。
  3. 运用课本实验或经典实验中提取的原理方法等初步探性地研究一些生物学问题。如2005年全国卷Ⅱ27、2006年全国卷Ⅰ30、2007年全国卷II30、重庆卷30。
  从总的方向看,考查课本实验的内容显著加大,考查难度减少,分值加大;运用课本实验的原理分析生物现象的题主要为填空式表述题,夹在其它大题中只涉及一二问;运用课本实验或经典实验中提取的原理方法等初步探究性地研究一些生物学问题的题目在05、06年的考题中出现的频率高,难度大分值高,近年来,此类题目时有出现但难度明显下降。
  
  【考点例析】
  例1 (10全国)请回答下列问题:氮、磷、镁3种元素中,构成生命活动所需直接能源物质的元素是 ,构成细胞膜的元素是 。缺镁时植物叶片发黄,其原因是 在提取叶绿体色素的过程中,研磨叶片通常需加少量二氧化硅、碳酸钙及适量丙酮。
  二氧化硅的作用是 ;
  碳酸钙的作用是 ;
  丙酮的作用是 。
  考向分析 本题重点原考查了课本实验《叶绿体色素的提取和分离》中的操作过程及原理﹑及其相关色素组成元素及其作用等知识。
  解析 (1)生命活动所需要的直接能源物质是ATP,ATP中含有氮元素和磷元素;细胞膜的主要成分是蛋白质和磷膜,氮是构成蛋白质和磷脂的元素,磷是构成磷脂的元素。(2)镁是叶绿素的组成成分,如果缺少镁元素,叶绿素的合成就会受阻,从而使植物叶片发黄。(3)在提取叶绿体中色素的过程中,需要加入少量的二氧化硅,其作用是使研磨更加充分,有助于磨碎植物细胞}加入碳酸钙的作用是防止研磨过程中叶绿体色素被破坏;加入适量丙嗣的作用是作为色素的提取溶剂。(4)在光合作用的光反应过程中,叶绿体中的色素能够吸收、传递和转化光能,只有少数处于特殊状态的叶绿素a能够将光能转换成电能。
  答案 (1)氮、磷 氮、磷
   (2)镁是叶绿素的组成成分,缺镁导致叶绿索合成受阻(其他合理答案也给分)
  (3)有助于磨碎植物细胞防止研磨过程中叶绿体色素被破坏色素的提取溶剂(其他合理答案也给分)
  (4)叶绿素a
  
  例2 据下列相关实验操作,预期结果合理的是( )
  [编号\&实验操作\&预期结果\&①\&将洋葱表皮分别置于0.2g/mL和0.3g/mL蔗糖溶液中,观察并比较细胞质壁分离的情况\&0.2g/mL蔗糖溶液中洋葱表皮细胞质
  壁分离现象更明显\&②\&将豆腐分别置于10℃、20℃、30℃的环境中,观察并比较毛霉生长的情况\&在l0℃环境中毛霉生长最好\&③\&调查并比较同一地段甲区(腐殖质较丰富)和乙区(腐殖质不丰富)土壤中小动物丰富度\&甲区土壤中小动物丰富度更高\&④\&用两种不同浓度2,4-D溶液分别处理月季插条形态学下端,观察并比较扦插后的生根数\&低浓度2,4-D处理的插条生根数总是更多\&]
  A. 实验① B. 实验②
  C. 实验③ D. 实验④
  考向分析 本题考查了同学们对教材实验的理解能力和分析能力。
  解析 实验①中,外界溶液的浓度越大,细胞失水的程度会越大,质壁分离现象会更明显,实验①错;实验②中毛霉生长时一般将温度控制在15℃~l8℃,实验②镨;实验③中腐殖质指已死的生物体在土壤中经微生物分解而形成的有机物质。因此,甲区土壤中分解者的种类和数量较多,其中小动物的丰富度也就更高;实验④中2,4-D溶液对植物的生长具有两重性,但若两种浓度均在低浓度范围内,则浓度越低,生根数越少。
  答案 C
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