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考點8　光合作用與細胞呼吸的實驗探究 1．細胞呼吸類型判定的3類根據(jù) (1)根據(jù)反應(yīng)物、產(chǎn)物來判斷：若消耗氧氣，則一定包含有氧呼吸；若產(chǎn)物有水，則一定包含有氧呼吸；若產(chǎn)物中有酒精或乳酸，則一定包含無氧呼吸；若產(chǎn)物有CO2，則要分情況討論。 (2)根據(jù)反應(yīng)場所來判斷：在真核細胞中，有氧呼吸的第一階段發(fā)生在細胞質(zhì)基質(zhì)中，第二、三階段發(fā)生在線粒體中；無氧呼吸全過程發(fā)生在細胞質(zhì)基質(zhì)中。 (3)根據(jù)反應(yīng)中物質(zhì)的量的關(guān)系來判斷 ①無CO2釋放和O2吸收時，細胞只進行產(chǎn)生乳酸的無氧呼吸。 ②不消耗O2，但產(chǎn)生CO2，細胞進行產(chǎn)生酒精的無氧呼吸。 ③當CO2釋放量等于O2消耗量時，細胞只進行有氧呼吸。 ④當CO2釋放量大于O2消耗量時，細胞同時進行產(chǎn)生酒精的無氧呼吸和有氧呼吸，如酵母菌在不同O2濃度下的細胞呼吸，此種情況下，判斷哪種呼吸方式占優(yōu)勢，可分析如下：若＝，有氧呼吸和無氧呼吸消耗葡萄糖的速率相等；若＞，無氧呼吸消耗葡萄糖的速率大于有氧呼吸，無氧呼吸占優(yōu)勢；若＜，有氧呼吸消耗葡萄糖的速率大于無氧呼吸，有氧呼吸占優(yōu)勢。 2．光合作用或細胞呼吸相關(guān)探究方法的歸類 (1)液滴移動法 現(xiàn)有甲裝置如圖所示，利用該裝置進行對光合作用和細胞呼吸等相關(guān)問題的測定或探究。 ①測定真(總)光合速率：該裝置置于一定的光照強度下，默認其光合速率大于呼吸速率，所以在單位時間內(nèi)，該裝置液滴向右移動的距離(m)表示該植物的凈光合速率，即單位時間內(nèi)植物向外界釋放的O2量。該裝置置于黑暗條件下，單位時間內(nèi)液滴向左移動的距離(n)表示該植物的呼吸速率。綜上所述，該植物真正(總)光合速率等于上述兩個測定的液滴移動距離值之和：m＋n。 ②驗證光合作用需要CO2 須另設(shè)對照裝置乙(如圖)，與裝置甲構(gòu)成對照。裝置乙設(shè)置：將裝置甲中“3%NaHCO3溶液”更換成等濃度等量的NaOH溶液即可。 預(yù)期結(jié)果及結(jié)論：裝置甲中液滴右移，裝置乙中液滴左移，最終移動至最左側(cè)。 ③探究CO2濃度對光合速率的影響 須另設(shè)一個或多個裝置，與裝置甲構(gòu)成相互對照，如下圖裝置丙、丁所示。 預(yù)期結(jié)果及結(jié)論：裝置中液滴右移距離大小關(guān)系為： 若丁>丙>甲，則說明光合速率與CO2濃度呈正相關(guān)； 若?。奖?甲，則說明在一定范圍內(nèi)，光合速率隨CO2濃度增大而增大，當超過一定濃度后光合速率保持不變； 若丙>甲＝丁，則說明在一定范圍內(nèi)，光合速率隨CO2濃度增大而增大，當超過一定濃度后光合速率反而下降； 若甲>丙>丁，則說明光合速率與CO2濃度呈負相關(guān)；若甲>丙＝丁，則說明在一定范圍內(nèi)，光合速率隨CO2濃度增大而下降，當超過一定濃度后光合速率保持不變； 若丙<甲＝丁，則說明在一定范圍內(nèi)，光合速率隨CO2濃度增大而下降，當超過一定濃度后光合速率再次提高。 ④測定有氧呼吸作用強度 不需要對裝置乙設(shè)置對照裝置，只需將裝置乙置于黑暗條件下測定即可。觀察指標為“液滴向左移動的距離”。需重復(fù)多次測定，比較呼吸強度的大小。 ⑤探究該植物發(fā)生的呼吸作用類型 須另設(shè)對照裝置戊如圖所示，與黑暗條件下的裝置乙構(gòu)成對照。裝置戊設(shè)置：將裝置乙中“3%NaOH溶液”更換成等量的H2O即可。 預(yù)期結(jié)果及結(jié)論：若裝置乙液滴左移，裝置戊液滴不移動，則只進行有氧呼吸；若裝置乙液滴不移動，裝置戊液滴右移，則只進行無氧呼吸；若裝置乙液滴左移，裝置戊液滴右移，則有氧、無氧呼吸同時進行；若兩裝置液滴均左移，則表明呼吸底物可能還有脂肪等有機物。 為排除由溫度等物理因素引起的液滴移動的干擾，使實驗結(jié)論更準確，須另設(shè)校對裝置己(對照組)。設(shè)置：將實驗組裝置中的生物更換成同種等量的消毒的死亡生物即可。 (2)葉圓片上浮法：利用真空滲入法排除葉肉細胞間隙的空氣，充以水分，使葉片沉于水中。在光合作用過程中，植物吸收CO2放出O2，由于O2在水中溶解度很小而在細胞間積累，結(jié)果使原來下沉的葉片上浮。根據(jù)在相同時間內(nèi)上浮葉片數(shù)目的多少(或者葉片全部上浮所需時間的長短)，即能比較光合作用的強弱。 (3)半葉法：將葉片一半遮光，一半曝光，遮光的一半測得的數(shù)據(jù)變化值代表細胞呼吸強度值，曝光的一半測得的數(shù)據(jù)變化值代表表觀光合作用強度值，最后計算真正光合作用強度值。需要注意的是該種方法在實驗之前需對葉片進行特殊處理，以防止有機物的運輸。 (4)黑白瓶法：黑瓶為黑布罩住的玻璃瓶，只有細胞呼吸，而白瓶既能進行光合作用又能進行細胞呼吸，所以用黑瓶(無光照的一組)測得的為細胞呼吸強度值，用白瓶(有光照的一組)測得的為表觀光合作用強度值，綜合兩者即可得到真正光合作用強度值。 題組一　辨析實驗中的生物學(xué)原理 1．如圖甲為光合作用最適溫度條件下，植物光合速率測定裝置圖，圖乙中a、b為測定過程中某些生理指標相對量的變化。下列說法錯誤的是(　　) A．圖甲裝置在較強光照下有色液滴向右移動，再放到黑暗環(huán)境中有色液滴向左移動 B．若將圖甲中的CO2緩沖液換成質(zhì)量分數(shù)為1%的NaOH溶液，其他條件不變，則植物幼苗葉綠體產(chǎn)生[H]的速率將不變 C．一定光照條件下，如果再適當升高溫度，真光合速率會發(fā)生圖乙中從b到a的變化，同時呼吸速率會發(fā)生從a到b的變化 D．若圖乙表示圖甲植物光合速率由a到b的變化，則可能是適當提高了CO2緩沖液的濃度 答案　B 解析　裝置中的CO2緩沖液在光照下可以為光合作用提供CO2，所以在較強光照下O2不斷產(chǎn)生導(dǎo)致氣壓增大，有色液滴向右移動，再放到黑暗環(huán)境中，CO2緩沖液可以吸收細胞呼吸產(chǎn)生的CO2，O2不斷被消耗，氣壓減小，有色液滴向左移動，A正確；將圖甲中的CO2緩沖液換成質(zhì)量分數(shù)為1%的NaOH溶液，裝置甲內(nèi)的CO2全部被氫氧化鈉吸收，光合作用只能利用來自于植物自身細胞呼吸產(chǎn)生的CO2，光合速率下降，暗反應(yīng)會抑制光反應(yīng)的進行，故植物幼苗葉綠體產(chǎn)生[H]的速率將減小，B錯誤；在最適溫度條件下，再適當升高溫度，光合速率下降，真光合速率會發(fā)生圖乙中從b到a的變化，同時呼吸速率可能增大，故可能會發(fā)生從a到b的變化，C正確；圖示是在最適溫度條件下進行的，若適當提高CO2 緩沖液的濃度，光合作用強度會增加，D正確。 2．(2018武漢模擬)某科學(xué)工作者為探究西紅柿生長的最佳光照強度，設(shè)計了下面的實驗：首先取若干生長狀況相同的西紅柿植株，平均分為7組，分別放在密閉的玻璃容器中。實驗開始時測定CO2的濃度，12小時后再次測定CO2的濃度。實驗結(jié)果如下表： 組別 溫度(℃) 光照強度：普通陽光(%) 開始時的CO2濃度(%) 12小時后 CO2濃度(%) 1 25 0 0.35 0.368 2 25 10 0.35 0.342 3 25 20 0.35 0.306 4 25 40 0.35 0.289 5 25 60 0.35 0.282 6 25 80 0.35 0.280 7 25 95 0.35 0.279 請分析回答： (1)這一實驗的自變量是______________________，寫出該實驗設(shè)計的一種無關(guān)變量：__________。 (2)實驗中第1組在12小時后CO2濃度變化的原因是_________________________。 (3)如果實驗中使用不同品種西紅柿植株，這樣的做法違背了實驗設(shè)計的____________________________原則。 (4)若將第7組植株突然移至第4組的條件下，短時間內(nèi)光合細胞中的ATP含量會____________(填“增加”或“減少”)，C5的含量會__________(填“增加”或“減少”)。 答案　(1)光照強度　溫度(其他合理答案也可)　(2)細胞呼吸產(chǎn)生了CO2　(3)單一變量　 (4)減少　減少 　 解析　(1)由表格中提供的信息可以看出，光照強度是該實驗對實驗結(jié)果能夠產(chǎn)生確定影響并且可以控制的因素，為自變量；溫度、二氧化碳濃度都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，但并非實驗要控制改變的因素，為無關(guān)變量。(2)實驗中第1組沒有給予光照，在此環(huán)境中，植物只能進行細胞呼吸，產(chǎn)生的CO2會導(dǎo)致容器中CO2濃度升高。(3)單一變量原則是探究某種因素對實驗的影響時要保證其他變量相同，否則多變量的實驗就沒有意義了；在探究光照強度對光合作用的影響就要以光照強度為單一變量，保證溫度和CO2濃度、所用材料的生理狀態(tài)應(yīng)該相同。(4)若將第7組植株突然移至第4組的條件下，光照減弱，光反應(yīng)受到影響，光反應(yīng)產(chǎn)物ATP和[H]減少，暗反應(yīng)還原階段受到抑制，C5的生成減少，其含量也會減少。 題組二　依據(jù)原理設(shè)計和完善實驗 3．(2018淮安模擬)已知綠色植物的凈光合速率大于 0 才能正常生長。若將某長勢良好的綠色植物放在如圖密閉裝置中，置于適宜的溫度和光照強度下24小時，欲測定該植物在 24小時內(nèi)能否正常生長，請簡要寫出實驗思路，預(yù)期實驗結(jié)果及結(jié)論。(該段時間內(nèi)，瓶中CO2足量) (1)思路：__________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ (2)結(jié)果及結(jié)論： ①________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； ②________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； ③________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)測定密閉裝置內(nèi)的初始CO2濃度和培養(yǎng)24小時后的CO2濃度　(2)①如果24小時后CO2濃度小于初始濃度，則植物24小時內(nèi)正常生長?、谌绻?4小時后CO2濃度等于初始濃度，則植物24小時內(nèi)不能正常生長 ③如果24小時后CO2濃度大于初始濃度，則植物24小時內(nèi)不能正常生長 解析　(1)若將該植物放在一密閉透明玻璃容器內(nèi)并置于一定溫度、光照條件下24小時，欲測定該植物這24小時內(nèi)是否有生長，根據(jù)光合作用產(chǎn)生O2吸收CO2，可測定密閉裝置內(nèi)的初始CO2(O2)濃度和培養(yǎng)24小時后的CO2(O2)濃度，比較二者大小，即可判定。 (2)若24小時后CO2濃度小于初始濃度(24小時后O2濃度大于初始濃度)，則說明該時間內(nèi)光合作用大于細胞呼吸，該植物這24小時內(nèi)有生長；如果 24 小時后 CO2濃度等于初始濃度，則植物 24 小時內(nèi)不能正常生長；如果 24 小時后 CO2濃度大于初始濃度，則植物 24 小時內(nèi)不能正常生長。 4．低溫會迫使植物細胞產(chǎn)生大量對細胞有害的過氧化物。水楊酸可以增加細胞中超氧化物歧化酶(SOD)的活性，SOD能夠清除細胞中的過氧化物，從而增強植物的抗凍性。請根據(jù)以下提供的實驗材料，設(shè)計實驗研究水楊酸對植物抗凍性的影響。 材料與用具：生理狀況一致的水稻幼苗若干株，高濃度水楊酸溶液，蒸餾水，冰箱，SOD活性檢測裝置等。 (要求與說明：SOD活性的具體檢測方法不作要求，不考慮加入溶液對體積的影響，水楊酸只用噴施一次到幼苗的葉片上，抗凍性可用葉片的損傷程度判斷。) 回答下列問題： (1)實驗?zāi)康模篲___________________________________________________________。 (2)實驗思路： ①選取生理狀況一致的水稻幼苗若干，均分為4組，并編號為A、B、C、D組。 ②________________________________________________________________________； ③________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； ④________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； ⑤________________________________________________________________________； ⑥________________________________________________________________________。 (3)請設(shè)計一張表格用于實驗結(jié)果的記錄。 (4)分析與討論： ①適宜濃度的水楊酸溶液可以提高水稻幼苗的光合色素含量，增加幼苗對____________光的吸收，促進幼苗的光合速率。 ②為測定SOD的活性，需要對幼苗的葉片細胞做______________處理。 答案　(1)研究不同濃度的水楊酸對植物抗凍性的影響 (2)②將水楊酸溶液用蒸餾水稀釋成低、中、高三種濃度 ③對A、B、C三組水稻幼苗的葉片分別噴施一次低、中、高濃度的水楊酸，對D組水稻幼苗葉片噴施一次等體積的蒸餾水?、軐⑺慕M水稻幼苗放在相同且適宜的條件下培養(yǎng)一段時間，測定各組幼苗葉片細胞中的SOD的活性，并求平均值　⑤再將四組水稻幼苗放入冰箱低溫誘導(dǎo)處理一段時間，觀察各組幼苗葉片的損傷程度?、藿y(tǒng)計和分析實驗數(shù)據(jù) (3)不同濃度水楊酸溶液對SOD活性和葉片損傷程度影響的結(jié)果記錄表 處理方式 蒸餾水 低濃度水楊酸 中濃度水楊酸 高濃度水楊酸 SOD的活性 葉片損傷程度 (4)①可見?、谄扑? 解析　(1)根據(jù)題意可知，該實驗的自變量為水楊酸的濃度，因變量為SOD的活性和葉片損傷程度，實驗?zāi)康氖茄芯坎煌瑵舛鹊乃畻钏釋χ参锟箖鲂缘挠绊憽? (2)實驗設(shè)計的一般步驟為：a.分組編號；b.設(shè)置自變量；c.進行實驗，觀察記錄結(jié)果；d.分析結(jié)果，得出結(jié)論。 故該實驗的設(shè)計為：①選取生理狀況一致的水稻幼苗若干，均分為4組，并編號A、B、C、D組；②將水楊酸溶液用蒸餾水稀釋成低、中、高三種濃度；③對A、B、C三組水稻幼苗的葉片分別噴施一次低、中、高濃度的水楊酸，對D組水稻幼苗葉片噴施一次等體積的蒸餾水；④將四組水稻幼苗放在相同且適宜的條件下培養(yǎng)一段時間，測定各組幼苗葉片細胞中的SOD的活性，并求平均值；⑤再將四組水稻幼苗放入冰箱低溫誘導(dǎo)處理一段時間，觀察各組幼苗葉片的損傷程度；⑥統(tǒng)計和分析實驗數(shù)據(jù)。 (3)用于實驗結(jié)果的記錄的表格設(shè)計應(yīng)該為自變量與因變量分別設(shè)置，具體結(jié)果如下： 不同濃度水楊酸溶液對SOD活性和葉片損傷程度影響的結(jié)果記錄表 處理方式 蒸餾水 低濃度水楊酸 中濃度水楊酸 高濃度水楊酸 SOD的活性 葉片損傷程度 (4)分析與討論：①適宜濃度的水楊酸溶液可以提高水稻幼苗的光合色素含量，光合色素具有吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能的作用，色素含量升高有利于葉片吸收可見光，提高光合速率；②SOD存在于細胞內(nèi)，所以測定SOD的活性，需要對幼苗的葉片細胞做破碎處理。 題組三　依據(jù)原理評價和修訂實驗 5．為完成“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”實驗，提供以下材料用具：菠菜葉、打孔器(直徑1 cm)、注射器、(40 W)臺燈、燒杯、4% NaHCO3溶液、蒸餾水、不同顏色的透明薄膜等。 (1)某同學(xué)選取其中一個因素進行探究，以下是實驗結(jié)果： 時間 上浮的葉圓片數(shù)量(片) 蒸餾水 0.5% NaHCO3 1% NaHCO3 1.5% NaHCO3 2% NaHCO3 2 min 0 7 11 10 4 4 min 0 15 16 13 7 ①該實驗的目的是________________________________________________________， 實驗檢測指標是：__________________________________________________________。 ②有哪些措施可以減少實驗誤差？_______________________________________________ ____________________________________________________________。(至少寫出二項) ③有同學(xué)認為葉片之所以浮起，是因為細胞呼吸消耗了有機物且產(chǎn)生了CO2導(dǎo)致葉片上浮的。根據(jù)實驗結(jié)果判斷該觀點是否正確？并說明理由：____________________________ ________________________________________________________________________。 (2)利用以上材料，還可以探究的環(huán)境因素有________________________。(答出2個) 答案　(1)①研究CO2濃度(或NaHCO3濃度)對葉片光合速率的影響　相同時間內(nèi)燒杯中葉片浮起的數(shù)量 ②用打孔器打出的葉片數(shù)量足夠多；每組實驗重復(fù)幾次，記錄的數(shù)據(jù)取平均值　③該同學(xué)的觀點是錯誤的，因為在蒸餾水的那組實驗中，葉片一樣進行了細胞呼吸，卻沒有葉片浮起，葉片上浮的原因是光合作用強度大于細胞呼吸強度，葉片內(nèi)氧氣增多　(2)光照強度、光質(zhì) 解析　分析表格：本實驗的自變量為不同濃度的NaHCO3溶液，因變量是單位時間內(nèi)葉圓片上浮數(shù)量，由于NaHCO3溶液的作用是提供CO2，單位時間內(nèi)葉圓片上浮數(shù)量表示的是凈光合速率，故本實驗探究的是CO2濃度(或NaHCO3濃度)對葉片光合速率的影響，結(jié)合題干條件，本實驗還可探究光照強度、光質(zhì)對光合速率的影響。 本實驗的自變量為不同濃度的NaHCO3溶液，因變量是單位時間內(nèi)葉圓片上浮數(shù)量，故主要通過重復(fù)實驗和控制無關(guān)變量來減小實驗誤差，如用打孔器打出的葉片數(shù)量足夠多；每組實驗重復(fù)幾次，記錄的數(shù)據(jù)取平均值。有同學(xué)認為葉片之所以浮起，是因為細胞呼吸消耗了有機物且產(chǎn)生了CO2導(dǎo)致葉片上浮的，該同學(xué)的認識是錯誤的，因為在蒸餾水的那組實驗中，葉片一樣進行了細胞呼吸，卻沒有葉片浮起，葉片上浮的原因是光合作用強度大于細胞呼吸強度，葉片內(nèi)氧氣增多。 6．某興趣小組用多株生長發(fā)育狀況一致的天竺葵植株做有關(guān)光合作用和細胞呼吸的實驗，實驗步驟和分組處理見下表，回答下列問題： 步驟 A組 B組 C組 D組 ①天竺葵經(jīng)過24小時“X”處理 ＋ ＋ ＋ ＋ ②小燒杯中加入等量液體 NaOH 溶液 清水 清水 清水 ③用無色透明玻璃罩蓋住植株和小燒杯 ＋ ＋ ＋ ＋ ④不同光照5小時處理 較強光照 較弱光照 較強光照 黑暗處理 ⑤取一片葉，脫色處理后，滴加碘液，觀察葉片顏色變化 不變藍色 不變藍色 變藍色 不變藍色 注：表中的“＋”表示做了該項操作。 (1)步驟①中的“X”處理具體是指______________，目的是____________________。 (2)本實驗的自變量為__________________________。 (3)經(jīng)過步驟⑤處理后，A組和B組植株的葉片不變藍色，可能的原因是： A組植株_________________________________________________________________ ________________________________________________________________________， B組植株__________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 C組使碘液變藍色的物質(zhì)合成場所是______________________________________。 (4)經(jīng)過步驟④處理后，從C組和D組植株葉片上各取面積為4 cm2大小的葉片，測得其干重分別為M g和N g，假設(shè)各組實驗所用天竺葵植株葉片的呼吸速率相同，則M－N可用來評價單位時間內(nèi)單位面積的C組植株葉片________(填“積累”“消耗”或“制造”)有機物的能力。 (5)如果用如圖所示的裝置來探究光照強度和光合作用速率的關(guān)系，且測量指標為裝置中氧氣含量的變化，則該裝置需要進行適當修改，具體修改措施為_______________________ ________________________________________________________________________。 為使測得的O 2變化量更精確，還應(yīng)再設(shè)置一對照裝置用于排除物理因素對實驗結(jié)果的影響，對照裝置的容器和小燒杯中應(yīng)分別放入_____________________________。 答案　(1)黑暗(無光)　消耗葉片中的營養(yǎng)物質(zhì)　(2)光照強度和CO2濃度　(3)CO2供應(yīng)不足(植物不能進行光合作用)，無淀粉合成(或不能制造淀粉)，用碘液檢測不變藍(或無藍色現(xiàn)象)　光照較弱，光合作用強度小于或等于細胞呼吸強度，無淀粉積累，用碘液檢測不變藍(或無藍色現(xiàn)象)　葉綠體基質(zhì)　(4)制造　(5)將小燒杯中的蒸餾水換成CO2緩沖液(或碳酸氫鈉溶液)　死的植物幼苗和CO2緩沖液 解析　(1)步驟①中的“X”處理具體是指黑暗，目的是進行饑餓處理，消耗掉葉片中的淀粉。(2)該實驗的自變量是光照強度和CO2濃度，目的是探究光照強度、CO2濃度對光合作用強度的影響。(3)由表格信息可知，A組小燒杯中是氫氧化鈉溶液，吸收CO2，因此由于CO2不足，不能進行光合作用產(chǎn)生淀粉，用碘液檢測不變藍；B組弱光條件下，光合作用強度小，光合作用強度小于細胞呼吸強度，無淀粉積累，用碘液檢測也不變藍。(4)設(shè)天竺葵經(jīng)過24小時“X”處理后，4 cm2大小的葉片的干物質(zhì)量是a，C組光照5小時干物質(zhì)的量是a＋凈光合作用強度5＝M，D組不進行光合作用，只進行細胞呼吸，因此5小時后干物質(zhì)的量是a－5細胞呼吸強度＝N，則M－N＝(a＋凈光合作用強度5)－(a－5細胞呼吸強度)＝5(凈光合作用強度＋呼吸作用強度)＝5實際光合作用強度＝5小時內(nèi)有機物合成量。(5)若用該圖裝置來探究光照強度對光合作用速率的影響，且測量指標為裝置中O2含量的變化，則該裝置需要進行適當修改，將小燒杯中的蒸餾水換成CO2緩沖液或碳酸氫鈉溶液，以穩(wěn)定CO2的濃度，為使測得的O2變化量更精確，還應(yīng)再設(shè)置一對照裝置，對照裝置的容器和小燒杯中應(yīng)分別放入死的植物幼苗和CO2緩沖液，以消除偶然因素對實驗結(jié)果的影響。