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1、PAGE PAGE 9實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ?xùn)練期末實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案)課題:溫度對酶活性腐乳影響探究溫度對酶活性影響(一)背景資料高中生物實(shí)驗(yàn)分兩種類型,驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)(包括研究性課題),由于后者更能體現(xiàn)探究能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和運(yùn)用生物學(xué)知識和方法分析和解決實(shí)際問題能力;更能體現(xiàn)科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神和創(chuàng)新意識,是高考中為高校選拔人才的較好材料,近年來一直被沿用。由于缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的有關(guān)理論知識,平時(shí)的練習(xí)也偏少,因此,遇到這類題型,就會感到茫然。為解決這一問題,現(xiàn)將有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本理論、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路方法和常見的類型作一介紹,以期增加理論知識,提高分析問題和解決問題的能力之目的?!皽囟葘γ富钚缘挠绊?/p>
2、”是高中生物新教材人教版分子與細(xì)胞的第五章細(xì)胞的能量供應(yīng)與利用第一節(jié)降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶第三課時(shí)酶的特性中的探究實(shí)驗(yàn)影響酶活性的條件其中的一個(gè)。本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)探索性實(shí)驗(yàn),通過淀粉酶在不同的溫度條件下催化淀粉的水解情況.加深對控制實(shí)驗(yàn)變量的了解.探究性實(shí)驗(yàn)一般包括:課題、假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、預(yù)期、完成實(shí)驗(yàn)、觀察并記錄結(jié)果(有時(shí)需收集數(shù)據(jù))、分析結(jié)果(數(shù)據(jù))并推導(dǎo)結(jié)論七個(gè)基本內(nèi)容.一探究性實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容(一)提出課題人們對事物作縝密觀察以后,常常由于好奇心或想作進(jìn)一步的了解而提出問題,雖然任何人都能提出問題,但只有意義的問題才值得探討,課題即為實(shí)驗(yàn)的題目,是實(shí)驗(yàn)要達(dá)到的具體目標(biāo),例如“蚯蚓如何借肌肉的
3、收縮和舒張而移動身體?”(二)假設(shè)科學(xué)方法的第三步是假設(shè)。假設(shè),也稱假說或猜測,指用來說明某種現(xiàn)象但未經(jīng)證實(shí)的論題,也就是對所提出的問題所做出的參考答案。假設(shè)一般分為兩個(gè)步驟:第一步,提出假設(shè),即依據(jù)發(fā)現(xiàn)的事實(shí)材料或已知的科學(xué)原理,通過創(chuàng)造性思維,提出初步假定;第二步,做出預(yù)期(推斷),即依據(jù)提出的假設(shè),進(jìn)行推理,得出假定性的結(jié)論;例如,新編高中生物的“動物激素飼喂小動物的實(shí)驗(yàn)”,其假設(shè)是:“甲狀腺激素對動物的生長發(fā)育有影響”;其預(yù)期結(jié)果是:“用適量的甲狀腺激素飼喂蝌蚪,將促使蝌蚪的生長發(fā)育加速”。實(shí)驗(yàn)預(yù)期是較具體的推斷.一個(gè)問題常有多個(gè)可能的答案,但通常只有一個(gè)是正確的。因此,假設(shè)是對還是錯(cuò)
4、,還需要加以驗(yàn)證,即依據(jù)假設(shè)或預(yù)期,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。(三)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證假設(shè)和解決問題的最終途徑,指在人為控制的條件下研究事物的變化的一種方法.這是科學(xué)方法的最大特色,也是科學(xué)方法中最困難的一步。如何求證假設(shè)可充分展現(xiàn)研究者的才華。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,要掌握或貫徹以下幾點(diǎn):1、單一變量原則變量,或稱因子,是指實(shí)驗(yàn)過程中所被操作的特定因素或條件。按性質(zhì)不同,通常可分為三類:實(shí)驗(yàn)變量、反應(yīng)變量和無關(guān)變量。實(shí)驗(yàn)變量,也稱為自變量,指實(shí)驗(yàn)中由實(shí)驗(yàn)者所操縱的因素或條件。反應(yīng)變量,亦稱因變量,指實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)變量而引起的變化和結(jié)果。通常,實(shí)驗(yàn)變量是原因,反應(yīng)變量是結(jié)果,二者具有因果關(guān)系。實(shí)驗(yàn)的目
5、的在于獲得和解釋這種前因后果。例如,在“溫度對酶活性”的實(shí)驗(yàn)中,所給定的低溫(冰塊)、適溫(37)、高溫(沸水?。┚褪菍?shí)驗(yàn)變量。而由于低溫、適溫、高溫條件變化,唾液淀粉酶水解淀粉的活性也隨之變化,這就是反應(yīng)變量,該實(shí)驗(yàn)即在于獲得和解釋溫度變化(實(shí)驗(yàn)變量)與酶的活性(反應(yīng)變量)的因果關(guān)系.無關(guān)變量,也稱控制變量,指實(shí)驗(yàn)中除實(shí)驗(yàn)變量以外的影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果的因素或條件。顯然,無關(guān)變量會對反應(yīng)變量有干擾作用,例如,上述實(shí)驗(yàn)中除實(shí)驗(yàn)變量(低溫、適溫、高溫)以外,PH、試管潔凈程度、唾液新鮮程度、可溶性淀粉濃度和純度、試劑溶液的劑量、濃度和純度,實(shí)驗(yàn)操作程度,溫度處理的時(shí)間長短等等,都屬于無關(guān)變量,要求
6、對低溫、適溫、高溫3組實(shí)驗(yàn)是等同、均衡、穩(wěn)定的;如果無關(guān)變量中的任何一個(gè)或幾個(gè)因素或條件,對3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的給定不等同、不均衡、不穩(wěn)定,則會在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中產(chǎn)生干擾,造成誤差。實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵之一在于控制無關(guān)變量,以減少誤差。2、對照性原則對照是實(shí)驗(yàn)控制的手段之一,目的還是在于消除無關(guān)變量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)對照原則是設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)則之一。通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)對照對比。既可排除無關(guān)變量的影響,又可增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度和說服力。通常,一個(gè)實(shí)驗(yàn)總分為實(shí)驗(yàn)組和對照組。實(shí)驗(yàn)組,是接受實(shí)驗(yàn)變量處理的對象組:對照組,也稱控制組,對實(shí)驗(yàn)假設(shè)而言,是不接受實(shí)驗(yàn)變量處理的對象組,至于哪個(gè)作為實(shí)驗(yàn)組,哪個(gè)作為對照組,一般是隨機(jī)決
7、定的,這樣,從理論上說,由于實(shí)驗(yàn)組與對照組的無關(guān)變量的影響是相等的,被平衡了的,故實(shí)驗(yàn)組與對照組兩者之差異,則可認(rèn)定為是來自實(shí)驗(yàn)變量的效果,這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可信的.按對照的內(nèi)容和形式上的不同,通常有以下對照類型:(1)空白對照 指不做任何實(shí)驗(yàn)處理的對象組。例如,在“生物組織中可溶性還原糖的鑒定”的實(shí)驗(yàn)中,向甲試管溶液加入試劑,而乙試管溶液不加試劑,一起進(jìn)行沸水浴,比較它們的變化。這樣,甲為實(shí)驗(yàn)組,乙為對照組,且乙為典型的空白對照.空白對照能明白地對比和襯托出實(shí)驗(yàn)組的變化和結(jié)果,增強(qiáng)了說服力。(2)自身對照 指實(shí)驗(yàn)與對照在同一對象上進(jìn)行,即不另設(shè)對照組。單組法和輪組法,一般都包含有自身對照。如“
8、植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn),就是典型的自身對照。自身對照,方法簡便,關(guān)鍵是要看清楚實(shí)驗(yàn)處理前后現(xiàn)象變化的差異,實(shí)驗(yàn)處理前的對象狀況為對照組,實(shí)驗(yàn)處理后的對象變化則為實(shí)驗(yàn)組.(3)條件對照 指雖給對象施以某種實(shí)驗(yàn)處理,但這種處理是作為對照意義的,或者說這種處理不是實(shí)驗(yàn)假設(shè)所給定的實(shí)驗(yàn)變量意義的。例如,“動物激素飼喂小動物”的實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn),采用等組實(shí)驗(yàn)法,其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是:甲組:飼喂甲狀腺激素(實(shí)驗(yàn)組);乙組:飼喂甲狀腺抑制劑(條件對照組);丙組:不飼喂藥劑(空白對照組);顯然,乙組為條件對照。該實(shí)驗(yàn)即設(shè)置了條件對照,又設(shè)置了空白對照,通過比較、對照、更能充分說明實(shí)驗(yàn)變量甲狀腺激素能促進(jìn)動物的生長發(fā)育
9、。(4)相互對照 指不另設(shè)對照組,而是幾個(gè)實(shí)驗(yàn)組相互對比對照,在等組實(shí)驗(yàn)法中,大都是運(yùn)用對照,如“植物的向性的等組實(shí)驗(yàn)中,5個(gè)實(shí)驗(yàn)組所采用的都是相互對照,較好的平衡和抵消了無關(guān)變量的影響,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說服力。3、科學(xué)性原則所謂科學(xué)性,是指實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊鞔_,實(shí)驗(yàn)原理要正確,實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)手段的選擇要恰當(dāng),整個(gè)設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)方法的確定都不能偏離生物學(xué)基本知識和基本原理以及其他學(xué)科領(lǐng)域的基本原則,都要具有可行性。如:淀粉酶水解淀粉的順序問題.要有明確的觀測指標(biāo)(a。 有無特異顏色、沉淀反應(yīng) b。 有無氣泡、氣味產(chǎn)生 c。 在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生長發(fā)育等方面具有明顯的特征)4、重復(fù)性原則在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中也必須注
10、意實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。任何實(shí)驗(yàn)部必須要有足夠的實(shí)驗(yàn)次數(shù),才能判斷結(jié)果的可靠性,尤其是有數(shù)據(jù)計(jì)算的實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)不能只能進(jìn)行一次,在無法重復(fù)的情況下,作為正式結(jié)論,這樣的結(jié)論易被推翻。(四)預(yù)期(五)完成實(shí)驗(yàn)(六)觀察并記錄結(jié)果(七)分析結(jié)果(數(shù)據(jù))并推導(dǎo)結(jié)論二酶的特性酶是一種生物催化劑。生物體內(nèi)含有千百種酶,它們支配著生物的新陳代謝、營養(yǎng)和能量轉(zhuǎn)換等許多催化過程,與生命過程關(guān)系密切的反應(yīng)大多是酶催化反應(yīng)。 酶 HYPERLINK http:/view/105920。htm” t _blank” 催化作用實(shí)質(zhì):降低 HYPERLINK /view/50843。htm t _blank 化學(xué)反應(yīng) H
11、YPERLINK /view/81974.htm” t _blank” 活化能。酶的特性1高效性:酶的催化效率比無機(jī)催化劑更高,使得反應(yīng)速率更快; 2 HYPERLINK ”http:/view/1276349.htm t ”_blank 專一性:一種酶只能催化一種或一類 HYPERLINK /view/63162。htm t ”_blank” 底物,如蛋白酶只能催化 HYPERLINK http:/view/1023471.htm t _blank” 蛋白質(zhì)水解成 HYPERLINK http:/view/83652.htm t ”_blank” 多肽; 3多樣性:酶的種類很多,大約有400
12、0多種; 4溫和性:是指酶所催化的化學(xué)反應(yīng)一般是在較溫和的條件下進(jìn)行的。 5活性可調(diào)節(jié)性:包括抑制劑和激活劑調(diào)節(jié)、 HYPERLINK ”http:/view/711803.htm t ”_blank” 反饋抑制調(diào)節(jié)、 HYPERLINK /view/1365768.htm t ”_blank” 共價(jià)修飾調(diào)節(jié)和 HYPERLINK ”http:/view/1235773.htm t ”_blank 變構(gòu)調(diào)節(jié)等。6。有些酶的催化性與 HYPERLINK /view/1276940。htm t ”_blank 輔因子有關(guān)。 7.易變性,由于大多數(shù)酶是蛋白質(zhì),因而會被高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等破壞。 一般來
13、說,動物體內(nèi)的酶最適溫度在35到40之間,植物體內(nèi)的酶最適溫度在4050之間; HYPERLINK ”http:/view/19168.htm” t _blank” 細(xì)菌和 HYPERLINK /view/38703.htm” t _blank 真菌體內(nèi)的酶最適溫度差別較大,有的酶最適溫度可高達(dá)70。動物體內(nèi)的酶最適PH大多在6。5-8。0之間,但也有例外,如 HYPERLINK ”/view/245533.htm” t ”_blank” 胃蛋白酶的最適PH為1.8,植物體內(nèi)的酶最適PH大多在4。5-6.5之間。 酶的這些性質(zhì)使細(xì)胞內(nèi)錯(cuò)綜復(fù)雜的 HYPERLINK http:/view/764
14、550。htm t ”_blank 物質(zhì)代謝過程能有條不紊地進(jìn)行,使物質(zhì)代謝與正常的 HYPERLINK ”/view/2118620。htm” t _blank 生理機(jī)能互相適應(yīng)若因 HYPERLINK http:/view/1893800.htm t _blank 遺傳缺陷造成某個(gè)酶缺損,或其它原因造成酶的活性減弱,均可導(dǎo)致該酶催化的反應(yīng)異常,使物質(zhì)代謝紊亂,甚至發(fā)生疾病因此酶與醫(yī)學(xué)的關(guān)系十分密切。每個(gè)細(xì)胞由于酶的存在才表現(xiàn)出種種生命活動,體內(nèi)的新陳代謝才能進(jìn)行。酶是人體內(nèi)新陳代謝的催化劑,只有酶存在,人體內(nèi)才能進(jìn)行各項(xiàng)生化反應(yīng)。三溫度影響酶活性的機(jī)理酶的催化作用受溫度的影響很大,一方面與
15、一般化學(xué)反應(yīng)一樣,提高溫度可以增加酶促反應(yīng)的速度.通常溫度每升高10,反應(yīng)速度加快一倍左右,最后反應(yīng)速度達(dá)到最大值。另一方面酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì),溫度過高可引起蛋白質(zhì)變性,導(dǎo)致酶的失活.因此,反應(yīng)速度達(dá)到最大值以后,隨著溫度的升高,反應(yīng)速度反而逐漸下降,以至完全停止反應(yīng).反應(yīng)速度達(dá)到最大值時(shí)的溫度稱為某種酶作用的最適溫度。高于或低于最適溫度時(shí),反應(yīng)速度逐漸降低.大多數(shù)動物酶的最通溫度為37一40,植物酶的最適溫度50一60。但是,一種酶的最適溫度不是完全固定的,它與作用的時(shí)間長短有關(guān),反應(yīng)時(shí)間增長時(shí),最適溫度向數(shù)值較低的方向移動。通常測定酶的活性時(shí),在酶反應(yīng)的最適溫度下進(jìn)行。為了維持反應(yīng)過程中
16、溫度的恒定,一般利用恒溫水浴等恒溫裝置。酶對溫度的穩(wěn)定性與其存在形式有關(guān).已經(jīng)證明大多數(shù)酶在干燥的固體狀態(tài)下比較穩(wěn)定,能在室溫下保存數(shù)月以至一年.溶液中的酶,一般不如固體的酶穩(wěn)定,而且容易為微生物污染,通常很難長期保存而不夾失其活性,在高溫的情況下,更不穩(wěn)定.四淀粉遇碘變藍(lán)得原理淀粉具有遇碘變藍(lán)的特性,這是由淀粉本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。淀粉是白色無定形的粉末,由1030的直鏈淀粉和70%90的支鏈淀粉組成。溶于水的直鏈淀粉借助分子內(nèi)的氫鍵卷曲成螺旋狀。如果加入碘液,碘液中的碘分子便嵌入到螺旋結(jié)構(gòu)的空隙處,并且借助范德華力與直鏈淀粉聯(lián)系在一起,形成了一種絡(luò)合物。這種絡(luò)合物能夠比較均勻地吸收除了藍(lán)光
17、以外的其他可見光(波長范圍為400750 nm),從而使淀粉溶液呈現(xiàn)出藍(lán)色來。 淀粉和碘的顯色機(jī)理直鏈淀粉遇碘呈藍(lán)色,支鏈淀粉遇碘呈紫紅色,糊精遇碘呈藍(lán)紫、紫、橙等顏色。這些顯色反應(yīng)的靈敏度很高,可以用作鑒別淀粉的定量和定性的方法,也可以用它來分析碘的含量。紡織工業(yè)上用它來衡量布匹退漿的完全度。為什么碘遇淀粉或糊精會出現(xiàn)不同的顏色呢? 以前認(rèn)為,淀粉能吸附碘,使碘吸收的可見光的波長向短的波長方向移動,棕色的碘液就變成藍(lán)色。同理,支鏈淀粉和糊精也能吸附碘,不過吸附的程度不同,因此呈現(xiàn)的顏色不同.這種解釋的有力根據(jù)是碘的淀粉液在加熱時(shí)藍(lán)色消失.這就被認(rèn)為是加熱后分子動能增大,引起解吸的緣故。 近年
18、來用先進(jìn)的分析技術(shù)(如X射線、紅外光譜等)研究碘跟淀粉生成的藍(lán)色物,證明碘和淀粉的顯色除吸附原因外,主要是由于生成包合物的緣故。什么是包合物呢?直鏈淀粉是由-葡萄糖分子縮合而成螺旋狀的長長的螺旋體,每個(gè)葡萄糖單元都仍有羥基暴露在螺旋外。碘分子跟這些羥基作用,使碘分子嵌入淀粉螺旋體的軸心部位。碘跟淀粉的這種作用叫做包合作用,生成物叫做包合物。 在淀粉跟碘生成的包合物中,每個(gè)碘分子跟6個(gè)葡萄糖單元配合,淀粉鏈以直徑0.13 pm繞成螺旋狀,碘分子處在螺旋的軸心部位. 淀粉跟碘生成的包合物的顏色,跟淀粉的聚合度或相對分子質(zhì)量有關(guān)。在一定的聚合度或相對分子質(zhì)量范圍內(nèi),隨聚合度或相對分子質(zhì)量的增加,包合
19、物的顏色的變化由無色、橙色、淡紅、紫色到藍(lán)色。例如,直鏈淀粉的聚合度是200980或相對分子質(zhì)量范圍是32 000160 000時(shí),包合物的顏色是藍(lán)色。分支很多的支鏈淀粉,在支鏈上的直鏈平均聚合度2028,這樣形成的包合物是紫色的。糊精的聚合度更低,顯棕紅色、紅色、淡紅色等.下表就是淀粉的聚合度和生成碘包合物的顏色。表71淀粉的聚合度和生成碘包合物的顏色葡萄糖單位的聚合度 3.8 7.4 12.9 18。3 20.2 29。3 34。7以上 包合物的顏色 無色 淡紅 紅 棕紅 紫色 藍(lán)紫色 藍(lán)色淀粉跟碘生成的包合物在pH4時(shí)最穩(wěn)定,所以它的顯色反應(yīng)在微酸性溶液里最明顯.三教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)識記:
20、酶的作用原理及影響酶活性的因素。應(yīng)用:探索淀粉酶在不同溫度下催化淀粉水解的情況。能力目標(biāo)1。初步學(xué)會探索影響酶活性條件的方法.2。掌握科學(xué)探究的基本規(guī)律。情感目標(biāo)1。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.2.培養(yǎng)學(xué)生的合作精神。(二)、實(shí)驗(yàn)材料:(1)新鮮的唾液淀粉酶唾液制備方法:要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)前用蒸餾水漱口徹底清除食物殘?jiān)?在制備唾液前先給學(xué)生講吃酸杏子或望梅止渴的故事, 35min后取自然分泌的唾液。目的是縮小他們在制備唾液淀粉酶時(shí)分泌量的差異;然后混合45人的唾液,目的是減小酶的個(gè)體差異及得到相對一致的酶濃度。(2)10gL淀粉溶液。配制方法:取可溶性淀粉1克,加5毫升蒸餾水,調(diào)成糊狀,再加蒸餾水8
21、0毫升,加熱,使其溶解,最后用蒸餾水稀釋至100毫升。(3)0.1mol/L的碘溶液配置方法 1.稱取碘12.7g和碘化鉀25g。 2.用去離子水溶解并定容至1L.(三)、實(shí)驗(yàn)器具試管、試管架、燒杯、電爐、冰塊恒溫水浴鍋水浴鍋結(jié)構(gòu):箱外殼用冷軋鋼板,表面烘漆,內(nèi)膽采用不銹鋼制成,中層用聚胺脂隔熱,并裝有恒溫控制器,電熱器. 主要零部件:1熱恒溫控制器,采用因鋼和黃銅管為感熱元件,裝置于箱內(nèi)室之隔板下,直接浸在水里傳熱快、靈敏度高。 2電熱管用U型鋼管,燒結(jié)氧化鎂和電熱絲制成,直接浸在水里熱能損耗少。水浴鍋工作原理:恒溫水浴鍋內(nèi)水平放置不銹鋼管狀加熱器,水槽的內(nèi)部放有帶孔的鋁制擱板。上蓋上配有不
22、同口徑的組合套圈,可適應(yīng)不同口徑的燒瓶。水浴鍋?zhàn)髠?cè)有放水管,恒溫水浴鍋右側(cè)是電氣箱,電氣箱前面板上裝有溫度控制儀表、電源開關(guān)。電氣箱內(nèi)有電熱管和傳感器。該溫度控制系統(tǒng)采用了優(yōu)質(zhì)電子元件,控溫靈敏、性能可靠、使用方便。其工作原理:Cu50傳感器將水槽內(nèi)水的溫度轉(zhuǎn)換為電阻值,經(jīng)過集成放大器的放大、比較后,輸出控制 HYPERLINK ”http:/view/54338。htm t ”_blank 信號,有效地控制電加熱管的平均加熱功率,使水槽內(nèi)的水保持恒溫??販胤秶篟T1001(四)實(shí)驗(yàn)原理對溫度敏感是酶的一個(gè)重要特性,酶作為生物催化劑,和一般催化劑一樣呈現(xiàn)出溫度效應(yīng),提高溫度可以提高酶促反應(yīng)速度,但另一方面又會加速酶蛋白的變性速度,所以在較低的溫度范圍內(nèi),酶反應(yīng)速度隨溫度升高而增大,但是超過一定溫度后,反應(yīng)速度反而下降。酶反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)的溫度稱
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