【生物】2020届一轮复习人教版实验法测定光合速率与呼吸速率学案

【生物】2020届一轮复习人教版实验法测定光合速率与呼吸速率学案

‎2020届 一轮复习 人教版 实验法测定光合速率与呼吸速率 学案 ‎[典例精析]‎ 方法一：气体体积变化法——测光合作用O2产生的体积或CO2消耗的体积 ‎[实验原理]‎ ‎1．甲装置在黑暗条件下植物只进行细胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2，所以单位时间内红色液滴左移的距离表示植物的O2吸收速率，可代表呼吸速率。‎ ‎2．乙装置在光照条件下植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表净光合速率。‎ ‎3．真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。‎ ‎　如图是在一定温度下测定某植物呼吸作用和光合作用 强度的实验装置(呼吸底物为葡萄糖，不考虑装置中微生物的影响)，相关叙述正确的是(　　)‎ A．烧杯中盛放NaHCO3溶液，可用于测定一定光照强度下植物的净光合速率 B．在遮光条件下，烧杯中盛放NaOH溶液，可用于测定植物无氧呼吸的强度 C．烧杯中盛放清水，可用于测定一定光照强度下真正光合速率 D．在遮光条件下，烧杯中盛放清水，可用于测定植物有氧呼吸的强度 ‎[解析]　NaHCO3溶液可以维持装置内CO2浓度的恒定，U形管中液面高度的变化是装置中O2量的变化造成的，可以代表净光合速率。NaOH可以吸收CO2，无氧呼吸不消耗O2，不能用来测定无氧呼吸的强度。烧杯中盛放清水，一定光照强度下，光合作用吸收CO2量与释放O2量相等，有氧呼吸消耗O2量与产生CO2量相等，不能测定真正光合速率。在单位时间内，有氧呼吸消耗的O2量等于产生的CO2量，无论有氧呼吸强度多大，U形管中液面都不会发生变化。‎ ‎[答案]　A 方法二：叶圆片称重法——测定有机物的变化量 ‎[实验原理]‎ 测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量，如图所示以有机物的变化量测定光合速率(S为叶圆片面积)。‎ 净光合速率＝(z－y)/2S；呼吸速率＝(x－y)/2S；总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。‎ ‎　某同学欲测定植物叶片叶绿体的光合速率，做如图 所示实验：在叶柄基部做环剥处理(仅限制叶片有机物的输入和输出)，于不同时间分别在同一叶片上陆续取下面积为1 cm2的叶圆片烘干后称其重量，M处的实验条件是下午16时后将整个实验装置遮光3小时，则测得叶片叶绿体的光合速率是(单位：g·cm－2·h－1，不考虑取叶圆片后对叶片生理活动的影响和温度微小变化对叶片生理活动的影响)(　　)‎ A．(3y－2z－x)/6 B．(3y－2z－x)/3‎ C．(2y－x－z)/6 D．(2y－x－z)/3‎ ‎[解析]　分析题意可知，上午10时到下午16时之间的6个小时，植物既进行光合作用，也进行呼吸作用，因此其重量变化表示的是净光合作用量，则净光合速率＝净光合作用量/6＝(y－x)/6；而M处的实验条件是下午16时后将整个实验装置遮光3小时，此时叶片只进行呼吸作用，因此可以计算出呼吸速率＝(y－z)/3；因此总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(y－x)/6＋(y－z)/3＝(3y－2z－x)/6。‎ ‎[答案]　A 方法三：半叶法——测定光合作用有机物的产生量 ‎[实验原理]‎ 将植物对称叶片的一部分(A)遮光或取下置于暗处，另一部分(B)则留在光下进行光合作用(即不做处理)，并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。一定时间后，在这两部分叶片的对应部位截取同等面积的叶片，分别烘干称重，记为MA、MB，开始时二者相应的有机物含量应视为相等，照光后的叶片重量大于暗处的叶片重量，超过部分即为光合作用产物的量，再通过计算可得出光合速率。‎ ‎　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速率，其单位是mg/(dm2·h)。请分析回答下列问题：‎ ‎(1)MA表示叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量；MB表示(____________)＋(____________)－呼吸作用有机物的消耗量。‎ ‎(2)若M＝MB－MA，则M表示______________________。‎ ‎(3)总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，但仍可照常进行呼吸作用。叶片B部分不做处理，既能进行光合作用，又可以进行呼吸作用。分析题意可知，MB表示叶片初始质量＋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小时干物质的积累量(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)。由此可计算总光合速率，即M值除以时间再除以面积。‎ ‎[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小时内光合作用合成的有机物总量 ‎(3)M值除以时间再除以面积，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，另一部分在暗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。‎ 方法四：叶圆片上浮法——定性检测O2释放速率 ‎[实验原理]‎ 利用真空技术排出叶肉细胞间隙中的空气，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在水中的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)，即能比较光合作用强度的大小。‎ ‎　取生长旺盛的绿叶，利用打孔器打出一批直径为1 cm的叶圆片，将叶圆片细胞间隙中的气体排出后，平均分装到盛有等量的不同浓度NaHCO3溶液的培养皿底部，置于光温恒定且适宜的条件下(如图甲)，测得各组培养皿中叶圆片上浮至液面所用的时间(如图乙)。下列分析错误的是(　　)‎ A．a～b段随着NaHCO3溶液浓度的增加，类囊体薄膜上水的分解速率逐渐增大 B．c～d段随着NaHCO3溶液浓度的增加，叶绿体基质中C3的生成速率逐渐减小 C．c～d段随着NaHCO3溶液浓度的增加，单个叶圆片有机物的积累速率逐渐减小 D．a～d段如果增加光照强度或温度，都能明显缩短叶圆片上浮至液面所用的时间 ‎[解析]　NaHCO3溶液能够分解产生CO2，因此不同浓度的NaHCO3溶液能够为叶圆片提供稳定的CO2来源。分析图乙的曲线可知，刚开始增加NaHCO3溶液的浓度，光合作用强度增强；超过一定浓度再增加NaHCO3溶液的浓度，由于外界溶液浓度太高，导致植物的叶肉细胞失水，会使叶肉细胞光合速率降低，叶片上浮时间延长。‎ ‎[答案]　D 方法五：黑白瓶法——测溶氧量的变化 ‎[实验原理]‎ 将装有水和光合植物的黑、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。‎ ‎　下表所示是采用黑白瓶(不透光瓶—可透光瓶)法测定夏季某池塘不同深度水体中，初始平均O2浓度与24小时后平均O2浓度比较后的数据。下列有关分析正确的是(　　)‎ 水深(m)‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ 白瓶中O2浓度(g/L)‎ ‎＋3‎ ‎＋1.5‎ ‎0‎ ‎－1‎ 黑瓶中O2浓度(g/L)‎ ‎－1.5‎ ‎－1.5‎ ‎－1.5‎ ‎－1.5‎ A.水深1 m处白瓶中水生植物24小时产生的O2为3 g/L B．水深2 m处白瓶中水生植物光合速率等于所有生物的呼吸速率 C．水深3 m处白瓶中水生植物不进行光合作用 D．水深4 m处白瓶中藻类植物产生ATP的场所是叶绿体、细胞质基质和线粒体 ‎[解析]　根据题意可知，黑瓶中水生植物只能进行呼吸作用，白瓶中水生植物既能进行光合作用又能进行呼吸作用，在相同条件下培养一定时间，黑瓶中所测得的数据即为正常的呼吸消耗量。由表中数据可知，在水深1 m处白瓶中水生植物产生的O2量＝3＋1.5＝‎ ‎4.5(g/L)。水深2 m处白瓶中水生植物光合速率＝1.5＋1.5＝‎ ‎3.0[g/(L·d)]，呼吸速率为1.5 g/(L·d)。水深3 m处白瓶中水生植物光合作用量等于呼吸作用量，即1.5 g/L。水深4 m处白瓶中藻类植物能进行光合作用和呼吸作用，故白瓶中藻类植物产生ATP的场所是叶绿体、细胞质基质和线粒体。‎ ‎[答案]　D 方法六：间隔光照法——比较有机物的合成量 ‎[实验原理]‎ 光反应和暗反应在不同酶的催化作用下相对独立进行，由于催化暗反应的酶的催化效率和数量都是有限的，因此在一般情况下，光反应的速率比暗反应快，光反应的产物ATP和[H]不能被暗反应及时消耗掉。持续光照，光反应产生的大量的[H]和ATP不能及时被暗反应消耗，暗反应限制了光合作用的速率，降低了光能的利用率。但若光照、黑暗交替进行，则黑暗间隔有利于充分利用光照时积累的光反应的产物，持续进行一段时间的暗反应。因此在光照强度和光照时间不变的情况下，制造的有机物相对多。‎ ‎　(2015·全国卷Ⅰ)为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135 s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下：‎ A组：先光照后黑暗，时间各为67.5‎ ‎ s；光合作用产物的相对含量为50%。‎ B组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5 s；光合作用产物的相对含量为70%。‎ C组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75 ms(毫秒)；光合作用产物的相对含量为94%。‎ D组(对照组)：光照时间为135 s；光合作用产物的相对含量为100%。‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)单位光照时间内，C组植物合成有机物的量________(填“高于”“等于”或“低于”)D组植物合成有机物的量，依据是__________________________________________；C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要________，这些反应发生的部位是叶绿体的________。‎ ‎(2)A、B、C三组处理相比，随着____________________的增加，使光下产生的____________________能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。‎ ‎[解析]　(1)C组的光合作用时间仅仅是D组的一半，但C组光合作用产物的相对含量与D组相差很少，可以判断C组单位光照时间内植物合成有机物的量高于D组。C组和D组的结果对照说明黑暗处理时也进行光合作用，即光合作用过程中某些反应不需要光照，该反应指的是暗反应，进行暗反应的场所是叶绿体基质。(2)比较A、B、C三组可以看出，三组的光照和黑暗交替频率不同，交替频率增加可使光照下产生的ATP和[H]及时利用和再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。‎ ‎[答案]　(1)高于　C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94%　光照　基质 ‎(2)光照和黑暗交替频率　ATP和[H]‎ ‎1．(2015·重庆卷)将如图所示细胞置于密闭容器中培养。在不同光照强度下，细胞内外的CO2和O2浓度在短时间内发生了相应变化。下列叙述错误的是(　　)‎ A．黑暗条件下，①增大、④减小 B．光强低于光补偿点时，①③增大 C．光强等于光补偿点时，②③保持不变 D．光强等于光饱和点时，②减小、④增大 ‎[解析]　图示细胞为水稻叶肉细胞，在黑暗条件下、密闭容器中，该细胞不进行光合作用，只进行细胞呼吸，吸收O2，放出CO2，因此①增大、④减小。光强低于光补偿点时，光合作用和细胞呼吸同时进行，但细胞呼吸强度大于光合作用强度，细胞吸收O2，放出CO2，此时在密闭容器中①增大、③减小。光强等于光补偿点时，细胞呼吸强度等于光合作用强度，因此细胞吸收O2速度等于放出CO2速度，即②、③保持不变。光强等于光饱和点时，光合作用强度最大，细胞光合作用吸收CO2速度大于细胞呼吸吸收O2的速度，因此②减小、④增大。‎ ‎[答案]　B ‎2．(2018·宿州质检)如图是绿色植物叶肉细胞内部分生命活动示意图，其中①～⑤表示生理过程，a～d表示物质。下列分析错误的是(　　)‎ A．在生物膜上发生的生理过程有③和④‎ B．①②⑤过程均发生在细胞质基质中 C．a和b分别表示丙酮酸和[H]‎ D．有氧呼吸包括图中的①②③过程 ‎[解析]　由图可知，①②③依次为有氧呼吸的第一、二、三阶段，④为光反应，⑤为暗反应。a为丙酮酸，b为[H]，c为ADP和Pi，d为ATP和[H]；在生物膜上发生的生理过程有有氧呼吸的第三阶段(③)和光反应(④)；有氧呼吸的第一阶段(①)在细胞质基质中完成，有氧呼吸的第二阶段(②)在线粒体基质中完成，暗反应阶段(⑤)在叶绿体基质中完成。‎ ‎[答案]　B ‎3．图1、图2分别表示两种植物在其他条件均适宜的情况下，光合速率和呼吸速率随光照强度变化而变化的研究情况。下列有关叙述错误的是(　　)‎ A．该项研究中两种植物所处的环境温度相同且保持不变 B．两图中阴影部分的纵向值代表相应光照强度时的净光合速率 C．图2代表的植物可能更适宜生活于弱光照环境中 D．植物处于图中CP所示光照强度时，叶肉细胞消耗的O2大多需经过5层生物膜 ‎[解析]　该项研究中除光照强度外，其他条件都处于两种植物生长的最适宜状态，故所处环境温度不一定相同，A错误；图中的光合速率是植物进行光合作用的总光合速率，而净光合速率＝总光合速率－呼吸速率，B正确；图2代表的植物的光饱和点较低，所以更适宜生活于弱光照环境中，C正确；植物处于图中CP所示光照强度时，光合速率和呼吸速率相等，所以叶肉细胞中叶绿体产生的O2大多需经过类囊体膜、叶绿体双层膜和线粒体双层膜5层生物膜参与有氧呼吸，D正确。‎ ‎[答案]　A ‎4．如图甲为光合作用最适温度条件下，植物光合速率测定装置图，图乙中a、b为测定过程中某些生理指标相对量的变化。下列说法错误的是(　　)‎ A．图甲装置在较强光照下有色液滴向右移动，再放到黑暗环境中有色液滴向左移动 B．若将图甲中的CO2缓冲液换成质量分数为1%的NaOH溶液，其他条件不变，则植物幼苗叶绿体产生NADPH的速率将不变 C．一定光照条件下，如果再适当升高温度，真正光合速率会发生图乙中从b到a的变化，同时呼吸速率会发生从a到b的变化 D．若图乙表示甲图植物光合速率由a到b的变化，则可能是适当提高了CO2缓冲液的浓度 ‎[解析]　图甲装置在较强光照下，植物光合作用强度大于呼吸作用强度，植物所需CO2由CO2缓冲液提供，而产生的O2会使装置中气体体积增大，因此有色液滴向右移动，如果再放到黑暗环境中，植物呼吸消耗O2而产生的CO2会被CO2缓冲液吸收，因此有色液滴向左移动，A正确。若将图甲中的CO2缓冲液换成质量分数为1%的NaOH溶液，虽然光照条件不变，但由于无CO2供应，暗反应不能为光反应提供ADP与NADP＋等物质，从而影响光反应的进行，产生NADPH的速率将下降，B错误。在光合作用最适温度时再升高温度，与光合作用有关的酶活性会下降，真正光合速率下降，而一般情况下与呼吸作用有关的酶的最适温度较高，此时酶活性会随温度升高而升高，因此呼吸速率会升高，C正确。光合速率由a到b变化，说明光合速率升高了，影响光合速率的因素有光照强度、CO2浓度、温度等，适当提高CO2浓度会增大光合速率，D正确。‎ ‎[答案]　B ‎5．为探究环境因素对光合强度的影响，多个兴趣小组设计实验进行了研究。‎ 实验材料和用具：100 mL量筒、20～500 W的台灯、冷开水、NaHCO3、黑藻等。‎ 实验步骤：①准备6套如图所示的装置，编号为1～6。在可乐瓶中各加入约500 mL 0.01 g/mL的NaHCO3溶液后用冷开水充满。‎ ‎②取6等份黑藻分别放入1～6号装置中。‎ ‎③将6套装置放入暗室中，然后分别用20 W、50 W、75 W、100 W、200 W和500‎ ‎ W的台灯等距离照射1～6号装置，观察气泡的产生情况。‎ ‎④30 min后停止光照，测量光合作用释放的O2的体积。‎ 实验结果：‎ 不同光照条件下O2的释放量(mL)‎ 组次 ‎20 W ‎50 W ‎75 W ‎100 W ‎200 W ‎500 W 一 ‎1.8‎ ‎5.0‎ ‎9.0‎ ‎12.0‎ ‎21.0‎ ‎19.0‎ 二 ‎1.8‎ ‎5.3‎ ‎8.0‎ ‎11.5‎ ‎20.0‎ ‎18.0‎ 三 ‎2.0‎ ‎5.0‎ ‎8.0‎ ‎12.0‎ ‎20.0‎ ‎19.0‎ 均值 ‎1.87‎ ‎5.10‎ ‎8.33‎ ‎11.83‎ ‎20.33‎ ‎18.67‎ 对该实验进行分析，回答有关问题：‎ ‎(1)该实验中的自变量是___________________________。‎ 列出实验中的两个无关变量：______________________。‎ ‎(2)根据装置图，上表中各组次的实验数据是如何读出的？‎ ‎___________________________________________。‎ ‎(3)将实验处理结果绘成柱形图。‎ ‎(4)上表中测得的O2量并非光合作用实际产生的O2量，其原因是______________________________。‎ ‎[解析]　(1)据题干分析可知，该实验中的自变量是光照强度。实验中的无关变量有CO2(或NaHCO3溶液)浓度、温度、pH、黑藻。(2)根据装置图，表中各组次的实验数据是通过量筒中收集到的液体的体积读出的。(3)根据表格中的数据，横坐标为光照强度，纵坐标为O2释放量绘制出不同光照强度下O2的释放量的柱形图。(4)黑藻自身的细胞呼吸会消耗O2，故通过该实验测得的O2量并非光合作用实际产生的O2量。‎ ‎[答案]　(1)光照强度　CO2(或NaHCO3溶液)浓度、温度、pH、黑藻(任选两项)‎ ‎(2)读量筒中收集到的液体的体积 ‎(3)如图所示 ‎(4)黑藻自身的呼吸作用会消耗O2‎