1 同安一中高三年实验设计专题
一、生物实验的变量、原则
生物实验设计应该注意以下几个方面的问题：
1.科学实验应先确定实验变量
在实验过程中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。据其在实验中的作用，可分为两类：
(1)自变量与因变量
自变量指实验中由实验者操纵的因素或条件。因变量，指实验中由于实验变量引起的变化和结果。通常自变量是原因，因变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。例如在“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中，所给定的低温、适温和高温是自变量，而由于低温、适温和高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是因变量，该实验即获得和解释温度变化(自变量)与酶的活性(因变量)的因果关系。
(2)无关变量
无关变量指实验中除自变量外的影响实验现象和实验结果的因素或条件。如：上述实验中除自变量以外，试管的洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度、实验操作程序、温度处理的时间长短等，都属于无关变量。如果无关变量的任何一个或几个因素或条件，对三个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会对实验结果造成干扰，产生误差。在实验设计和操作中，要尽量减少无关变量，而且不同的实验组中的无关变量应完全相同，这样就会避免实验结果的差异是由于无关变量引起的可能性，便于清晰地研究自变量与因变量的关系。
2.实验设计的原则
(1)科学性原则
所谓科学性原则，是指实验的原理要符合科学原理，实验结果的预期有科学依据，实验的各个环节不能偏离生物学基本知识和基本原理，以及其他学科领域的基本原则。
科学性原则具有两个方面的含义。首先，必须保证实验的设计不出现科学性错误；其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的因素。
(2)平行重复原则
任何实验必须有足够的实验次数，才能避免结果的偶然性，使得出的结论准确、科学。平行重复原则要求控制某种因素的变化强度，观察其对实验结果的影响程度。
我们把一些在选用实验方法、进行实验设计、安排实验或者在实验中进行调节、测量时具有普遍意义的思想称之为实验思想。实验设计是实验过程中的一个十分重要环节，实验设计思想就是设计实验时具有普遍意义的思想。常用的实验设计思想有转换思想、比较思想、补偿思想和放大思想。
1、 转换思想
一般地说，转换主要是在保证效果相同的前提下，将陌生、复杂的问题转换成熟悉、简单的问题。在物理实验中，常有一些物理现象或过程中的物理量难以直接测量，需要转换以间接测量来实现实验的目的。卡文迪许在1773年用两个同心金属壳作实验，他将这个实验重复了多次，确定电力服从平方反比定律，指数不超过0。02。卡文迪许这个实验设计得很巧妙，他用的是当年最原始的电测仪器，却获得了相当可靠而且精确的结果。关键因素之一是他掌握了牛顿万有引力定律这一理论武器，通过数学处理，将直接测量转换为间接测量，也就是说他没有直接测量电力与距离之间的关系，而是用木髓球验电器来检验内球是否带电。结果发现木髓球验电器没有指示，证明内球没有带电，电荷完全分布在外球上，由此确定电力服从平方反比定律。在发现欧姆定律的实验中，那时还没有安培计，无法直接测量电流强度。欧姆根据电流的磁效应，电流强度与电磁力有线性关系，因此采用磁力扭秤来测量电流所产生的磁场对磁针的作用力矩，以此确定电流的强度。也就是说，把电流强度的测量转换为扭秤中金属丝扭转角的测量。在研究原子核的β衰变现象时，曾经怀疑过能量守恒和动量守恒是否遭到了破坏。为了说明这个问题，必须假设一种中性的、静止质量极小（或为零）的中微子的存在。可是中微子不带电，和物质的相互作用又极为微弱，要想直接观察是困难的，必须采用转换的思想。开始采用两种常用的方法：一种是所谓的β能谱法，即用量能器测量β衰变时的能量谱，由于电子只带走了衰变前后原子核能量差的一部分，其余部分的能量，即由中微子带走。这是最早的中微子实验，可以定性地、间接地证实中微子的存在。另一种是原子核反冲法。原子核在β衰变发射电子的同时，原子核本身还要受到一个反作用力，使原子核本身获得一个反冲速度。只要测出了发射电子与反冲核的动量，从动量的守恒，就可以确认中微子的存在。然而，β衰变共有三个子体，一为电子，一为中微子，一为反冲核。三者的动量、能量关系取决于它们的出射方向，不易测定。后来又采用了K俘获法，它把三体问题变成了二体问题。在这种过程中，放射性原子核不是放射电子，而是从最靠近核的K层轨道上吸收一个电子，衰变后只有两个粒子，一为中微子，一为反冲核，二者的动量是完全确定的。如果选用比较轻的原子核，反冲动量可以比较大，更容易测量些。例如可挑选铍原子核的K电子俘获的过程，因为在铍的K电子俘获过程中，它的末态只包括铍原子核和中微子两个粒子。如果能量和动量是守恒的话，那么反冲铍原子核便具有确定的动量和能量；并且因为铍是一个质量较轻的原子核，它的反冲动量和能量还应该大些，这样一来就便于进行实验观察和测量了。
第六章 听觉实验
• 第一节 听觉实验中的变量
• 第二节 听觉的基本属性
• 第三节 听觉的基本实验
第一节 听觉实验中的变量
• 一、听觉的物理刺激和音感
• （一）声波及其特征
• 听觉现象的产生离不开声源，只有当声源获得一定能量后，通过自身的振动，才能把能量通过各种物质媒介(如空气、水等)，以纵波的形式传给人耳，才产生听觉。这种纵波即为声波，也就是听觉刺激。
• 听觉刺激声波有三个主要特征，即频率、振幅和波形。
• 与此相应，听觉有音高、响度和音色的区别。
• （二）频率和音高
• 频率是物理量，指每秒振动的次数，单位为Hz。声波的频率高，听到的声音就高；频率低，听到的声音就低，但它们之间并非线性关系。
• 音高是人对声波频率的主观属性。
• 人耳接受的声音频率范围为20～20000Hz，40岁以上的成人听力上限会下降到12000Hz左右，而人耳最敏感的声音频率范围为1000—3000Hz。频率是一种物理量，而人对它的感知则是音高。音高主要与声音频率大小有关，但并不完全由频率决定，也取决于声音强度。
• 在心理学中，音高的单位为美，确定1000美的音高为1000Hz40dB的声音刺激的主观感觉。 • 这样，在声音强度不变的情况下，便可以对不同频率的声音刺激进行音高判断，并可求出音高和频率间的关系。
• （三）振幅和响度
• 响度是声音振幅的一种主观属性，是由振幅引起，振幅越大，则响度越大。
• 一般地，频率主要决定于声音自身的属性，而振幅则决定于外界施加的力。
• 对于振幅，公认的测量方法是对声波的压力测量。
• 声波造成的压力变化用分贝（dB）量来测量。
• 对于分贝量，规定以人能听到的平均绝对阈限值，即1000Hz附近的压力变化为0分贝参考点，此时压力为0．002达因／平方厘米。这样，20dB的声音，人的主观感觉约为相当于3米远处柔和低语声的声响。
• 人讲话声音约为60dB的水平，人耳能对高达125～130dB的声压作出反应，如从身旁经过的火车、响雷或机枪射击时所发出的声压，但130dB的声压会使耳产生痛感，若长时间保持这样高的声压水平，人耳的听力机制就会受到损伤，这就是纺织女工退休后听力敏度下降的一个主要原因。
实验设计练习题
1.用一种复合饲料饲养动物，每天增重的kg数及其相应的概率如下：
每天增重Xi/kg 概率
问：(1)每天增重的数学期望是多少(2)方差是多少
2.在容量分析中，计算组分含量的公式为W=Vc,其中V是滴定时消耗滴定液的体积，c是滴定液的浓度。今用浓度为（±）mg/mL的标准溶液滴定某试液，滴定时消耗滴定液的体积为（±）mL，试求滴定结果的绝对误差和相对误差。
3.甲、乙两发酵法生产青霉素的工厂，其产品收率的方差分别为S12==.现甲工厂测得25个数据，X=3.71g/L,乙工厂测得30个数据，Y=3.46 g/L,问它们的收率是否相同
4.为检验某种血清预防感冒的作用，将用了血清的500人与未用血清的另500人在一年中的医疗记录进行比较，统计它们是否曾患感冒，得下表中的数据。问这种血清对预防感冒是否有效
未感冒人数 曾感冒人数 合计
用血清的人数 254 246 500
未用血清的人数 219 281 500
合计 473 527 1000
5.某城市从4个排污口取水，经两种不同方法处理后，检测大肠杆菌数量，单位面积内菌落数列于下表。请检验它们是否有差别。
排污口 A B C D
处理方法1 9,12,7,5 20,14,18,12 12,7,6,10 23,13,16,21
处理方法2 13,7,10,8 17,10,9,15 11,5,7,6 18,14,19,11
6.用两种不同的实验方法，测定同一种材料，得到以下两组数据，试进行回归分析。
X1 91 93 94 96 98 102 105 108 Y1 66 68 69 71 73 78 82 85
X2 80 82 85 87 89 91 95
Y2 55 57 60 62 64 67 71
7.茵陈蒿是由茵陈、栀子和大黄3味药组成。为研究这3味药对利胆作用的最佳配方，取成年大白鼠做正交试验。以引流胆汁的充盈长度（cm）为指标（给药前与给药后毎10分钟的均数之差作为统计分析的实验指标值）。考察的因素与水平如下：
