2021高考生物人教版一轮教师用书第三单元素养提升课3　光合作用和细胞呼吸的实验探究

素养提升课3　光合作用和细胞呼吸的实验探究

突破点一　细胞呼吸方式的探究与细胞呼吸速率的测定

某兴趣小组利用如图所示装置(橡皮塞上的弯管为带有红色液滴的刻度玻璃管)探究酵母菌的细胞呼吸类型。

(1)想得到预期实验结果,要设置对照实验(装置乙),装置乙的设置为 　        。 

(2)请预测与实验结论相符合的现象,并填写表中内容:

[审题指导]

(1)明确实验目的:探究酵母菌细胞呼吸的类型。

(2)明确实验装置甲的原理:密闭的锥形瓶中放有酵母菌培养液和NaOH溶液,红色液滴指示锥形瓶中气体的体积变化。装置甲中NaOH溶液能吸收CO2,因此装置甲液滴移动的距离代表了有氧呼吸吸收O2的量。酵母菌进行有氧呼吸吸收O2,产生CO2,并且O2的吸收量等于CO2的产生量,无氧呼吸不吸收O2,但产生CO2。

(3)对照组的设置:要检测无氧呼吸还要设置装置乙,装置乙去掉吸收CO2的NaOH溶液,放入作为对照的等量的清水。

解析:(1)本实验目的是探究(某条件下)酵母菌的细胞呼吸类型,实验通过红色液滴的移动来体现,结合实验结果记录表的内容可知,装置乙的设置需要达到的效果:结合装置甲中①(向左移)和装置乙中红色液滴不移动,可得出酵母菌只进行有氧呼吸的结论,因此,装置乙内应存在CO2,因为红色液滴的移动是由O2与CO2的体积变化产生的,故其中不应放置吸收CO2的物质。为保证实验的单一变量原则,装置乙与装置甲的唯一不同之处应是有无NaOH溶液,其他所有设置均应相同。故装置乙的设置为除用等量清水代替NaOH溶液外,其他设置与装置甲完全相同。(2)装置甲中NaOH溶液的作用是吸收CO2,如果酵母菌只进行无氧呼吸,此过程不消耗O2,酵母菌无氧呼吸生成的CO2会被NaOH溶液吸收,红色液滴不移动;装置乙中酵母菌产生的CO2不被吸收,红色液滴向右移动,即②。如果酵母菌只进行有氧呼吸,装置甲中O2被消耗,产生的CO2被NaOH溶液吸收,装置甲中红色液滴向左移动,即①;装置乙中消耗的O2与产生的CO2的体积相等,装置乙中红色液滴不移动。如果酵母菌既进行有氧呼吸,又进行无氧呼吸,装置甲中红色液滴向左移动,即③,装置乙中红色液滴向右移动,即④。

答案:(1)除用等量清水代替NaOH溶液外,其他设置与装置甲完全相同　(2)①向左移动　②向右移动　③向左移动　④向右移动

1.细胞有氧呼吸速率的测定(细胞呼吸底物为葡萄糖)

(1)实验装置

(2)实验原理:组织细胞呼吸作用吸收O2,释放CO2,CO2被NaOH溶液吸收,使容器内气体压强减小,刻度管内的液滴左移。单位时间内液滴左移的体积即表示呼吸速率。装置乙为对照。

(3)误差的校正

①如果实验材料是绿色植物,整个装置应遮光处理,否则植物的光合作用会干扰呼吸速率的测定。

②如果实验材料是种子,为防止微生物呼吸对实验结果的干扰,应对装置及所测种子进行消毒处理。

③为防止气压、温度等物理膨胀因素所引起的误差,应设置对照实验,将所测的生物材料灭活(如将种子煮熟),其他条件均不变。

2.探究细胞呼吸方式(细胞呼吸底物为葡萄糖)

(1)实验装置

(2)实验原理

①装置一中NaOH溶液的作用是吸收掉细胞呼吸所产生的CO2,着色液移动的距离代表植物细胞呼吸吸收O2的量。

②装置二中着色液移动的距离代表植物细胞无氧呼吸产生CO2量。

(3)结果分析

1.某同学用如图所示实验装置测定果蝇幼虫的呼吸速率。实验所用的毛细管横截面积为1 mm2,实验开始时,打开软管夹,将装置放入25 ℃水浴中,10 min后关闭软管夹,随后每隔5 min记录一次毛细管中液滴移动的位置,结果如表所示。下列分析正确的是(　B　)

A.图中X为NaOH溶液,软管夹关闭后液滴将向右移动

B.在20～30 min内氧气的平均吸收速率为6.5 mm3/min

C.如将X换为清水,可测定果蝇幼虫无氧呼吸速率

D.增设的对照实验只需将装置中的X换成清水,并将该装置置于相同的环境中

解析:题图中X为NaOH溶液,软管夹关闭后液滴将向左移动;在20～30 min内氧气的平均吸收速率为(130-65)×1÷10=6.5(mm3/min);果蝇幼虫无氧呼吸产生乳酸不产生CO2,无论是否进行无氧呼吸,液滴都不会移动;对照实验中应将装置中的果蝇幼虫换成等数量的死幼虫,并将该装置置于相同环境中,重复上述实验。

2.在如图三个相同密闭装置中,分别放入质量相等的三份种子:消毒且刚萌发的小麦种子、未消毒刚萌发的小麦种子及未消毒刚萌发的花生种子。把A、B、C三套装置放在隔热且适宜的条件下培养,请据图分析回答:

(1)装置A和B形成对照,变量为　, 

即种子表面是否有　　　　　　　　。B和C形成对照,变量为　　　　　　　　　。 

(2)当A和B玻璃管中的水珠开始移动时,分别记录并计算其移动速率为vA和vB,则vA　　　　vB(填“>”或“<”),原因是　 　。 

(3)如果B和C中都消耗了等质量的有机物,记录温度计读数为TB和TC,则TC　　　　TB(填“>”或“<”);如果B和C中都消耗了等质量的有机物,记录水珠移动的距离为LB和LC,则LB　　　　LC(填“>”或“<”),原因是　 　              。 

解析:(1)A和B形成对照,变量为种子是否消毒,即种子表面是否有微生物;B和C形成对照,变量为种子的种类。

(2)B内种子未消毒,单位时间内呼吸作用强度大于A内,消耗的氧气多,同时两者呼吸作用产生的二氧化碳都被NaOH溶液吸收,所以B内外的压强差大,玻璃管中水珠移动的速率vA<vB。

(3)小麦种子中主要是淀粉,花生种子中含脂肪比较多。相同质量的脂肪和糖类,脂肪分子中氢元素比糖类(淀粉)多,其氧化分解时,需要的氧气比糖类(淀粉)多,产生的热量比糖类(淀粉)多。所以,如果B和C中都消耗了等质量的有机物,则C中消耗的氧气多,内外的压强差大,产生的热量多,因此TC>TB,LC>LB。

答案:(1)种子是否消毒　微生物　种子的种类

(2)<　B内种子未消毒,单位时间内呼吸作用强度大于A内,消耗O2多

(3)>　<　小麦种子中主要是淀粉,花生种子中脂肪较多,相同质量的脂肪和糖类,脂肪中H含量比糖类高,氧化分解时耗氧多

突破点二　光合作用、细胞呼吸实验的常用研究方法

(2019·全国Ⅱ卷,节选)通常,对于一个水生生态系统来说,可根据水体中含氧量的变化计算出生态系统中浮游植物的总初级生产量(生产者所制造的有机物总量)。若要测定某一水生生态系统中浮游植物的总初级生产量,可在该水生生态系统中的某一水深处取水样,将水样分成三等份,一份直接测定O2含量(A),另两份分别装入不透光(甲)和透光(乙)的两个玻璃瓶中,密闭后放回取样处,若干小时后测定甲瓶中的O2含量(B)和乙瓶中的O2含量(C)。据此回答下列问题:

在甲、乙瓶中生产者呼吸作用相同且瓶中只有生产者的条件下,本实验中C与A的差值表示这段时间内　　　　　　　　　;C与B的差值表示这段时间内　　　　　　　　　;A与B的差值表示这段时间内　　　　　　　　　。 

[审题指导]

(1)明确实验目的:测定某一水生生态系统中浮游植物的总初级生产量即光合作用的总放氧量。

(2)明确题干信息:A为初始氧含量,B为黑暗中,若干小时后瓶中氧含量,C为光照下,若干小时后瓶中氧含量。

(3)明确“三量”的关系:总光合作用放氧量=净光合作用放氧量+呼吸作用耗氧量。

解析:依题意可知:甲、乙两瓶中只有生产者,A值表示甲、乙两瓶中水样的初始O2含量;甲瓶O2含量的变化反映的是呼吸作用耗氧量,因此B=A-呼吸作用耗氧量;乙瓶O2含量变化反映的是净光合作用放氧量,所以C=A+光合作用总放氧量-呼吸作用耗氧量。综上分析,本实验中,C-A=光合作用总放氧量-呼吸作用耗氧量=净光合作用的放氧量,即C与A的差值表示这段时间内生产者净光合作用的放氧量;C-B=光合作用总放氧量,即C与B的差值表示这段时间内生产者的光合作用的总放氧量;A-B=呼吸作用耗氧量,即A与B的差值表示这段时间内生产者的呼吸作用耗氧量。

答案:生产者净光合作用的放氧量　生产者光合作用的总放氧量　生产者呼吸作用的耗氧量

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,以排除光合作用干扰。

c.置于适宜温度环境中。

d.红色液滴向左移动(装置甲单位时间内向左移动距离代表呼吸速率)。

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(装置乙单位时间内向右移动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.“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,瓶中生物仅能进行呼吸作用;白瓶透光,瓶中生物可进行光合作用和呼吸作用。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。

3.“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,则可计算出该叶片的光合作用强度,其单位是mg/(dm2·h)。即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。

4.“叶片上浮法”探究影响光合作用的因素

利用“真空渗入法”排出叶肉细胞间隙的空气,充以水分使叶片沉于水中。在光合作用过程中植物吸收CO2放出O2,由于O2在水中溶解度很小而在细胞间积累,结果使原来下沉的叶片上浮。根据在相同时间内上浮叶片数目的多少(或者叶片全部上浮所需时间的长短),即能比较光合作用的强弱。

1.(2019·河北衡水中学二调)一位同学研究某湖泊中X深度生物光合作用和有氧呼吸时,设计了如下操作:

①取三个相同的透明玻璃瓶标号a、b、c,并将a用不透光黑布包扎起来;

②将a、b、c三个瓶子均在湖中X深度取满水,并测定c瓶中水的溶氧量;

③将a、b两瓶密封后再沉入X深度水体中,24小吋后取出;

④测定a、b两瓶中水的溶氧量,三个瓶子的测量结果如图所示。

关于24小时内X深度水体中生物光合作用和有氧呼吸的分析正确的是(　C　)

A.光合作用产生的氧气量为(k-w)mol/瓶

B.有氧呼吸消耗的氧气量为(k-v)mol/瓶

C.光合作用产生的氧气量为(k-v)mol/瓶

D.有氧呼吸消耗的氧气量为v mol/瓶

解析:b瓶既进行有氧呼吸又进行光合作用,a和b两瓶有氧呼吸强度相等,则光合作用产生氧气量为(k-v)mol/瓶;根据题意可知,c瓶中的含氧量即为初始含氧量,a瓶包裹黑胶布则只能进行有氧呼吸,不能进行光合作用,瓶中氧气消耗,消耗量为(w-v)mol/瓶。

2.现采用如图所示方法测定植物叶片光合作用强度,将对称叶片的一半遮光(甲),另一半不遮光(乙),并采用适当的方法阻止甲、乙间物质和能量的转移。在适宜光照和温度下照射一段时间,在甲、乙中截取对应部分相等面积的叶片,烘干称重,分别记作m1和m2,单位:mg/(dm2·h)。下列说法正确的是(　A　)

A.该方法在未测出呼吸作用强度的条件下,能测出实际光合作用的强度

B.(m2-m1)表示乙叶片被截取的部分在光照时间内有机物的积累量

C.m2表示被截取的部分在光照时间内净光合作用的大小

D.m1表示被截取的部分在光照时间内呼吸作用的大小

解析:m1和m2只是表示某时刻被截取的部分的质量,而净光合作用和呼吸作用的大小是指一段时间内叶片质量的变化量。设甲、乙两部分在实验前的干重为x,则(m2-x)表示被截取的部分在光照时间内净光合作用的大小,(x-m1)表示被截取的部分在光照时间内呼吸作用的大小,实际光合作用强度=净光合作用强度+呼吸作用强度。因此(m2-x)+(x-m1)=m2-m1,该值表示乙叶片被截取的部分在光照时间内光合作用制造的有机物总量,即实际光合作用强度。

3.为了测量某植物的光合速率,在不同温度条件下,给植物一定强度的光照,植物的初始质量为M,光照12 h后质量为 M+X,再黑暗处理12 h后,其质量为M+Y。不同温度条件下测定的X和Y如表所示。下列叙述错误的是(　D　)

A.该植物的总光合速率可表示为(2X-Y)/12

B.适当延长光照和黑暗处理时间可减小实验误差

C.该植物置于30 ℃的光照环境下比较有利于有机物的积累

D.在15～35 ℃的温度范围内,细胞呼吸速率先上升后下降

解析:在光照下,植物进行12 h光合作用后质量增加X,则X为净光合作用量;再黑暗处理12 h后,呼吸作用消耗量为X-Y,总光合作用量=净光合作用量+呼吸作用消耗量=X+(X-Y)=2X-Y,故总光合速率可表示为(2X-Y)/12;测量时出现误差不可避免,如果实验时间过短就测量,取平均值后,均摊在每小时内的误差就较大,如果适当延长时间,取平均值后,均摊在每小时内的误差就减小,更接近实际值;在光照条件下,该植物在30 ℃下净光合速率最大,最有利于有机物积累;在15～35 ℃的温度范围内,12 h呼吸作用消耗量(X-Y)依次是0.6、0.8、1.1、1.6、2.0,由此可知,细胞呼吸速率一直在上升。

4.某兴趣小组设计如图所示实验装置探究“光照强度对黑藻光合速率的影响”。

(1)单位时间内有色小液滴的移动距离代表一定量的黑藻单位时间内　　　　　　　　的量。 

(2)如果利用该装置测定在一定光照强度下黑藻叶绿体实际光合作用的速率,请写出具体的实验思路:  

                                  　。 

解析:(1)据图分析可知,装置内加入了CO2缓冲液,因此CO2浓度保持不变,有色小液滴的移动距离表示氧气释放量。(2)如果利用该装置测定在一定光照强度下黑藻叶绿体实际光合作用的速率即总(真)光合速率,可采取的方法是首先不给予光照,测出黑藻单位时间内的氧气吸收量(呼吸作用速率);再给予一定光照条件,其他条件不变,测出黑藻单位时间内氧气释放量(净光合作用速率);光照条件下黑藻单位时间的氧气吸收量(净光合作用速率)与黑暗条件下黑藻单位时间内的氧气吸收量(呼吸作用速率)的和,就是该光照条件下黑藻叶绿体实际光合作用的速率。

答案:(1)释放氧气　(2)首先不给予光照,测出黑藻单位时间内的氧气吸收量(呼吸作用速率);再给予一定光照条件,其他条件不变,测出黑藻单位时间内氧气释放量(净光合作用速率);然后将光照条件下黑藻单位时间氧气释放量(净光合作用速率)加上黑暗条件下黑藻单位时间内的氧气吸收量(呼吸作用速率),就是该光照条件下黑藻叶绿体实际光合作用的速率

5.(2019·河北衡水金卷)光合作用受多种因素的影响,某实验小组想利用如图所示装置对影响植物光合作用的两大因素进行研究,以便为大棚种植时条件的控制提供依据,实验中温度条件适宜且稳定。回答下列问题。

(1)假定光合作用的产物和呼吸作用的底物都是葡萄糖,忽略无氧呼吸,密闭容器中不放缓冲液时,液滴不移动,原因是 　　　　　　　　　　　　。 

(2)由表中数据可以看出,　　　　　　　　　　　　为限制光合作用的环境因素;比较7、8、9组结果可以得出,此时限制光合作用的内因可能是　。 

(3)1组和2组左移的距离相等,对此作出的解释是 　        。 

(4)大棚中可采取                     (至少答出两点)等措施提高CO2浓度。

解析:(1)无论光合强度和呼吸强度哪个更大,光合作用利用的CO2均等于产生的O2量,有氧呼吸利用的O2量等于产生的CO2量,外界温度适宜且稳定,则物理因素造成的影响可以忽略,因此密闭容器中气体的压力不会改变,液滴不移动。

(2)由表中数据可以看出,光照强度和CO2浓度均可成为限制光合作用的因素。比较7、8、9组结果可以看出,提高光照强度和提高CO2浓度,液滴移动的距离均未改变,推断出此时限制光合作用的因素不是光照强度和CO2浓度,则内因可能是光合色素的量、参与光合作用酶的数量或叶绿体的数量。

(3)1组无光照,只能进行呼吸作用,呼吸作用吸收O2,液滴左移,2组有光照,但CO2浓度与1组相同且很低,此时与1组液滴左移距离相同,说明CO2浓度过低时,植物无法进行光合作用。

(4)施有机肥、合理通风、化学反应法(使用CO2发生器)均可提高大棚中的CO2浓度。

答案:(1)植物吸收的气体量始终等于释放的气体量

(2)光照强度和CO2浓度　光合色素的量(或参与光合作用酶的数量或叶绿体的数量)

(3)CO2浓度过低时,植物无法进行光合作用

(4)施有机肥、合理通风、化学反应法(或使用CO2发生器)