高中生物苏教版 (2019)必修1《分子与细胞》第四节 影响光合作用和细胞呼吸的环境因素学案设计

　细胞呼吸方式的探究实验

[素能建构]

根据液滴移动的方向判断细胞呼吸方式的实验装置

(1)装置分析：酵母菌在进行细胞呼吸时既有气体的产生又有气体的消耗，而气体量的变化会引起广口瓶中的压强变化，根据红色液滴的移动方向可判断细胞呼吸方式。

①装置甲中小烧杯加入NaOH溶液，目的是吸收细胞呼吸产生的CO2，所以装置甲液滴移动的距离代表O2的消耗量。

②装置乙中清水不能吸收O2也不能吸收CO2，则装置乙中液滴移动的距离代表CO2产生量与O2消耗量的差值。

实验过程分析：呼吸底物以葡萄糖为例，①根据反应式C6H12O6＋6O2＋6H2O6CO2＋12H2O，可知进行有氧呼吸时气体体积不变；②根据反应式C6H12O62C2H5OH＋2CO2可知，进行无氧呼吸时气体体积增加。

(2)实验现象及结果分析

[对点训练]

1．下图是探究酵母菌呼吸方式的装置，下列相关叙述错误的是(　　)

A．假设装置1中的液滴左移，装置2中的液滴不移动，说明酵母菌只进行有氧呼吸

B．假设装置1中的液滴不移动，装置2中的液滴右移，说明酵母菌只进行无氧呼吸

C．假设装置1中的液滴左移，装置2中的液滴右移，说明酵母菌既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸

D．假设装置1和装置2的液滴均不移动，说明酵母菌只进行有氧呼吸或只进行无氧呼吸

D　[装置1液滴向左移动，说明消耗了O2，装置2液滴不移动，说明消耗的O2与产生的CO2相等，没有进行无氧呼吸，则酵母菌只进行有氧呼吸，A正确；装置1液滴不移动，说明没有消耗O2，装置2液滴向右移动，说明产生了CO2，则酵母菌只进行无氧呼吸，B正确；装置1液滴向左移动，说明消耗了O2，酵母菌进行有氧呼吸，装置2液滴向右移动，说明产生的CO2多于消耗的O2，说明酵母菌进行了无氧呼吸，则酵母菌同时进行有氧呼吸和无氧呼吸，C正确；装置1和装置2液滴均不移动，说明酵母菌已死亡，D错误。]

2．为了探究酵母菌的细胞呼吸类型，按装置1图示装配实验材料和用具，若想得到科学的实验结论，还必须设计装置2。下列相关叙述不正确的是(　　)

A．装置2中甲是等量的酵母菌培养液，乙是等量的蒸馏水

B．若装置1和2中红色液滴的移动方向相反，则酵母菌同时进行有氧呼吸和无氧呼吸

C．若装置1中红色液滴左移，则细胞质基质和线粒体基质都能产生[H]和ATP

D．降低实验温度，装置中红色液滴移动变慢是由于酵母菌内相关化学反应的活化能降低

D　[若装置1中红色液滴向左移动，则表示酵母菌进行了有氧呼吸，若不动，则说明酵母菌只进行无氧呼吸，所以为了探究酵母菌是否同时进行有氧呼吸和无氧呼吸，那么装置2中甲可代表等量的酵母菌培养液，乙可代表等量的蒸馏水，A选项正确；分析装置2，若红色液滴向右移动，则表示酵母菌进行了无氧呼吸，若不动，则说明酵母菌只进行有氧呼吸，可见，装置1和装置2中红色液滴的移动方向相反，则酵母菌同时进行有氧呼吸和无氧呼吸，B选项正确；若装置1中红色液滴左移，则说明酵母菌进行了有氧呼吸，而有氧呼吸的第一阶段和第二阶段均有[H]和ATP产生，其中第一阶段和第二阶段的对应场所分别为细胞质基质和线粒体基质，C选项正确；低温会导致酵母菌呼吸速率变慢的原理是低温导致呼吸酶活性降低，反应速率减慢，D选项错误。]

　细胞呼吸速率和光合速率的测定实验

[素能建构]

1．“装置图法”测定光合速率与呼吸速率

(1)测定装置

(2)测定方法及解读

①测定呼吸速率(装置甲)

a．装置甲烧杯中放入适宜浓度NaOH溶液用于吸收CO2。

b．玻璃钟罩遮光处理，以排除光合作用的干扰。

c．置于适宜温度环境中。

d．红色液滴向左移动(用装置甲单位时间内向左移动的距离代表呼吸速率)。

②测定净光合速率(装置乙)

a．装置乙烧杯中放入适宜浓度的CO2缓冲液，用于保证容器内CO2浓度恒定，满足光合作用需求。

b．必须给予较强光照处理，且温度适宜。

c．红色液滴向右移动(用装置乙单位时间内向右移动的距离代表净光合速率)。

③根据“总(真正)光合速率＝呼吸速率＋净光合速率”可计算得到总(真正)光合速率。

物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。

2．红外线CO2传感器

由于CO2对红外线有较强的吸收能力，CO2的多少与红外线的降低量之间有一定的线性关系，因此CO2含量的变化即可灵敏地反映在检测仪上，常用红外线CO2传感器来测量CO2浓度的变化。

3．“黑白瓶法”测定光合速率与呼吸速率

将装有水和水生植物的黑、白瓶置于不同水层中，测定单位时间内瓶中溶解氧含量的变化，借此测定水生植物的光合速率。黑瓶不透光，瓶中生物仅能进行细胞呼吸；白瓶透光，瓶中生物可进行光合作用和细胞呼吸。因此，真正光合作用量(光合作用总量)＝白瓶中氧气增加量＋黑瓶中氧气减少量。

4．“半叶法”测定光合作用有机物的产生量

“半叶法”的原理是将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做处理，并采用适当的方法(可先在叶柄基部用热水或热石蜡液烫伤或用呼吸抑制剂处理)阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6小时后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，即可计算出该叶片的光合作用强度，其单位是mg/(dm2·h)，则M＝MB－MA，M表示B叶片被截取部分在6小时内光合作用合成的有机物总量。

[对点训练]

3．如图为某研究小组测定光照强度对植物叶片光合作用影响的实验装置。将该装置先放在黑暗条件下一段时间，然后给予不同强度的光照。关于该实验的叙述，正确的是(　　)

A．温度、CO2浓度和有色液滴的移动距离都是无关变量

B．CO2缓冲液的作用是维持容器中CO2浓度的稳定

C．如果有色液滴向右移动，说明该植物不进行光合作用

D．如果有色液滴向左移动，说明该植物不进行光合作用

B　[由题意可知，该实验的目的是探究光照强度对植物叶片光合作用的影响，自变量是光照强度，因变量是光合作用强度，有色液滴的移动距离作为观测的指标，温度、CO2浓度等都是无关变量；CO2缓冲液的作用是维持容器中CO2浓度的稳定；有色液滴移动的距离是由装置内O2的变化量引起的，如果有色液滴向右移动，说明光合作用释放的氧气量大于细胞呼吸吸收的氧气量；如果有色液滴向左移动，说明光合作用释放的氧气量小于细胞呼吸吸收的氧气量。]

4．将一株小麦密闭在无色玻璃钟罩内，在室内调温25 ℃，给予恒定适宜的光照60 min，然后遮光处理60 min。全程用CO2传感器测定钟罩内CO2浓度的变化，得到图2曲线。

图1

图2

(1)若要获得小麦的真正光合速率，________(填“需要”或“不需要”)另设对照组。0～60 min小麦的真正光合速率为________μmol CO2/(L·h)。

(2)实验10 min时，小麦叶肉细胞进行光合作用所需CO2的来源是_____________________________________________________。

在停止光照的瞬间叶绿体内C3的含量________。

[解析]　(1)前60 min测定净光合速率，后60 min测定呼吸速率，不需要另设对照组。真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(2 000－800)＋(1 200－800)＝1 600[μmol CO2/(L·h)]。

(2)光合作用旺盛，叶绿体需要较多CO2，包括线粒体供给和细胞外吸收。停止光照，叶绿体内缺少NADPH和ATP，不能进行还原C3的过程。

[答案]　(1)不需要　1 600　(2)线粒体供给和细胞外吸收　增多(或升高)

5．某研究小组从当地一湖泊的某一深度取得一桶水样，分装于六对黑白瓶中，剩余的水样测得原初溶解氧的含量为10 mg/L，白瓶为透明玻璃瓶。黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。将它们分别置于六种不同的光照条件下，24小时后测定各组培养瓶中的氧含量，记录数据如下：

(1)黑瓶中溶解氧的含量降低为3 mg/L的原因是________；

该瓶中所有生物细胞呼吸消耗的O2量为_______________________________mg/(L·24 h)。

(2)当光照强度为c klx时，白瓶中植物产生的氧气量为_______ mg/(L·24 h)。

(3)光照强度至少为________(填字母)klx时，该水层产氧量才能维持生物正常生活耗氧量所需。

[解析]　(1)黑瓶中溶解氧的含量降低为3 mg/L的原因是黑瓶没有光照，植物不能进行光合作用产生氧气，其中的生物细胞呼吸消耗氧气，该瓶中所有生物细胞呼吸消耗的O2量为原初溶解氧减去24小时后氧含量，即10－3＝7[mg/(L·24 h)]。

(2)当光照强度为c klx时，白瓶中植物光合作用产生的氧气量即总光合作用量＝净光合作用量＋呼吸作用消耗量＝(24－10)＋7＝21[mg/(L·24 h)]。

(3)光照强度为a klx时，白瓶中溶氧量不变，说明植物光合作用产生的氧气刚好用于所有生物的呼吸作用消耗，故光照强度为a klx时，该水层生物产氧量与生物耗氧量可维持动态平衡。

[答案]　(1)黑瓶中植物不能进行光合作用产生氧气，其中的生物细胞呼吸消耗氧气　7

(2)21　(3)a

6．某研究小组采用“半叶法”对番茄叶片的光合速率进行测定。将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做处理，并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6 h后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，则可计算出该叶片的光合速率，其单位是mg/(dm2·h)。请分析回答下列问题：

(1)MA表示6 h后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量；MB表示6 h后(________________)＋(________________)－呼吸作用有机物的消耗量。

(2)若M＝MB－MA，则M表示___________________________________。

(3)光合速率的计算方法是_________________________。

(4)本方法也可用于测定叶片的呼吸速率，写出实验设计思路：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

[解析]　叶片A部分遮光，虽不能进行光合作用，但仍可照常进行细胞呼吸。叶片B部分不做处理，既能进行光合作用，又可以进行细胞呼吸。分析题意可知，MB表示6 h 后叶片初始质量＋光合作用有机物的总产量－呼吸作用有机物的消耗量，MA表示6 h 后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量，则MB－MA就是光合作用6 h有机物的总产量(B叶片被截取部分在6 h内光合作用合成的有机物总量)。由此可计算光合速率，即M值除以时间再除以截取面积。

[答案]　(1)叶片初始质量　光合作用有机物的总产量

(2)B叶片被截取部分在6 h内光合作用合成的有机物总量

(3)M值除以时间再除以截取面积，即M/(截取面积×时间)

(4)将从测定叶片的相对应部分切割的等面积叶片分开，一部分立即烘干称重，另一部分在黑暗环境中保存几小时后再烘干称重，根据二者干重差即可计算出叶片的呼吸速率