查缺补漏 | 2.5 光合作用与细胞呼吸的实验探究
提纲
核心点拨1．细胞呼吸类型判定的3类根据(1)根据反应物、产物来判断：若消耗氧气，则一定包含有氧呼吸；若产物有水，则一定包含有氧呼吸；若产物中有酒精或乳酸，则一定包含无氧呼吸；若产物有CO2，则要分情况讨论。(2)根据反应场所来判断：在真核细胞中，有氧呼吸的第一阶段发生在细胞质基质中，第二、三阶段发生在线粒体中；无氧呼吸全过程发生在细胞质基质中。(3)根据反应中物质的量的关系来判断①无CO2释放和O2吸收时，细胞只进行产生乳酸的无氧呼吸。②不消耗O2，但产生CO2，细胞进行产生酒精的无氧呼吸。③当CO2释放量等于O2消耗量时，细胞只进行有氧呼吸。④当CO2释放量大于O2消耗量时，细胞同时进行产生酒精的无氧呼吸和有氧呼吸，如酵母菌在不同O2浓度下的细胞呼吸，此种情况下，判断哪种呼吸方式占优势，可分析如下：若
，有氧呼吸和无氧呼若
，无氧呼吸消耗葡萄糖的速率若
，有氧呼吸消耗葡萄糖的速率大2．光合作用或细胞呼吸相关探究方法的归类(1)液滴移动法现有甲装置如图所示，利用该装置进行对光合作用和细胞呼吸等相关问题的测定或探究。
①测定真(总)光合速率：该装置置于一定的光照强度下，默认其光合速率大于呼吸速率，所以在单位时间内，该装置液滴向右移动的距离(m)表示该植物的净光合速率，即单位时间内植物向外界释放的O2量。该装置置于黑暗条件下，单位时间内液滴向左移动的距离(n)表示该植物的呼吸速率。综上所述，该植物真正(总)光合速率等于上述两个测定的液滴移动距离值之和：m＋n。②验证光合作用需要CO2须另设对照装置乙(如图)，与装置甲构成对照。装置乙设置：将装置甲中“3%NaHCO3溶液”更换成等浓度等量的NaOH溶液即可。
预期结果及结论：装置甲中液滴右移，装置乙中液滴左移，最终移动至最左侧。③探究CO2浓度对光合速率的影响须另设一个或多个装置，与装置甲构成相互对照，如下图装置丙、丁所示。
预期结果及结论：装置中液滴右移距离大小关系为：若丁>丙>甲，则说明光合速率与CO2浓度呈正相关；若丁＝丙>甲，则说明在一定范围内，光合速率随CO2浓度增大而增大，当超过一定浓度后光合速率保持不变；若丙>甲＝丁，则说明在一定范围内，光合速率随CO2浓度增大而增大，当超过一定浓度后光合速率反而下降；若甲>丙>丁，则说明光合速率与CO2浓度呈负相关；若甲>丙＝丁，则说明在一定范围内，光合速率随CO2浓度增大而下降，当超过一定浓度后光合速率保持不变；若丙<甲＝丁，则说明在一定范围内，光合速率随CO2浓度增大而下降，当超过一定浓度后光合速率再次提高。④测定有氧呼吸作用强度不需要对装置乙设置对照装置，只需将装置乙置于黑暗条件下测定即可。观察指标为“液滴向左移动的距离”。需重复多次测定，比较呼吸强度的大小。⑤探究该植物发生的呼吸作用类型须另设对照装置戊如图所示，与黑暗条件下的装置乙构成对照。装置戊设置：将装置乙中“3%NaOH溶液”更换成等量的H2O即可。
预期结果及结论：若装置乙液滴左移，装置戊液滴不移动，则只进行有氧呼吸；若装置乙液滴不移动，装置戊液滴右移，则只进行无氧呼吸；若装置乙液滴左移，装置戊液滴右移，则有氧、无氧呼吸同时进行；若两装置液滴均左移，则表明呼吸底物可能还有脂肪等有机物。为排除由温度等物理因素引起的液滴移动的干扰，使实验结论更准确，须另设校对装置己(对照组)。设置：将实验组装置中的生物更换成同种等量的消毒的死亡生物即可。
(2)叶圆片上浮法：利用真空渗入法排除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。(3)半叶法：将叶片一半遮光，一半曝光，遮光的一半测得的数据变化值代表细胞呼吸强度值，曝光的一半测得的数据变化值代表表观光合作用强度值，最后计算真正光合作用强度值。需要注意的是该种方法在实验之前需对叶片进行特殊处理，以防止有机物的运输。(4)黑白瓶法：黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶，只有细胞呼吸，而白瓶既能进行光合作用又能进行细胞呼吸，所以用黑瓶(无光照的一组)测得的为细胞呼吸强度值，用白瓶(有光照的一组)测得的为表观光合作用强度值，综合两者即可得到真正光合作用强度值。题组特训题组一 辨析实验中的生物学原理1．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[H]的速率将不变C．一定光照条件下，如果再适当升高温度，真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．若图乙表示图甲植物光合速率由a到b的变化，则可能是适当提高了CO2缓冲液的浓度答案 B解析 装置中的CO2缓冲液在光照下可以为光合作用提供CO2，所以在较强光照下O2不断产生导致气压增大，有色液滴向右移动，再放到黑暗环境中，CO2缓冲液可以吸收细胞呼吸产生的CO2，O2不断被消耗，气压减小，有色液滴向左移动，A正确；将图甲中的CO2缓冲液换成质量分数为1%的NaOH溶液，装置甲内的CO2全部被氢氧化钠吸收，光合作用只能利用来自于植物自身细胞呼吸产生的CO2，光合速率下降，暗反应会抑制光反应的进行，故植物幼苗叶绿体产生[H]的速率将减小，B错误；在最适温度条件下，再适当升高温度，光合速率下降，真光合速率会发生图乙中从b到a的变化，同时呼吸速率可能增大，故可能会发生从a到b的变化，C正确；图示是在最适温度条件下进行的，若适当提高CO2 缓冲液的浓度，光合作用强度会增加，D正确。2．某科学工作者为探究西红柿生长的最佳光照强度，设计了下面的实验：首先取若干生长状况相同的西红柿植株，平均分为7组，分别放在密闭的玻璃容器中。实验开始时测定CO2的浓度，12小时后再次测定CO2的浓度。实验结果如下表：组别温度(℃)光照强度：普通阳光(%)开始时的CO2浓度(%)12小时后 CO2浓度(%)12500.350.368225100.350.342325200.350.306425400.350.289525600.350.282625800.350.280725950.350.279请分析回答：(1)这一实验的自变量是______________________，写出该实验设计的一种无关变量：__________。(2)实验中第1组在12小时后CO2浓度变化的原因是_________________________。(3)如果实验中使用不同品种西红柿植株，这样的做法违背了实验设计的____________________________原则。(4)若将第7组植株突然移至第4组的条件下，短时间内光合细胞中的ATP含量会____________(填“增加”或“减少”)，C5的含量会__________(填“增加”或“减少”)。答案 (1)光照强度 温度(其他合理答案也可)(2)细胞呼吸产生了CO2(3)单一变量(4)减少 减少解析 (1)由表格中提供的信息可以看出，光照强度是该实验对实验结果能够产生确定影响并且可以控制的因素，为自变量；温度、二氧化碳浓度都会对实验结果产生影响，但并非实验要控制改变的因素，为无关变量。(2)实验中第1组没有给予光照，在此环境中，植物只能进行细胞呼吸，产生的CO2会导致容器中CO2浓度升高。(3)单一变量原则是探究某种因素对实验的影响时要保证其他变量相同，否则多变量的实验就没有意义了；在探究光照强度对光合作用的影响就要以光照强度为单一变量，保证温度和CO2浓度、所用材料的生理状态应该相同。(4)若将第7组植株突然移至第4组的条件下，光照减弱，光反应受到影响，光反应产物ATP和[H]减少，暗反应还原阶段受到抑制，C5的生成减少，其含量也会减少。题组二 依据原理设计和完善实验3．已知绿色植物的净光合速率大于 0 才能正常生长。若将某长势良好的绿色植物放在如图密闭装置中，置于适宜的温度和光照强度下24小时，欲测定该植物在 24小时内能否正常生长，请简要写出实验思路，预期实验结果及结论。(该段时间内，瓶中CO2足量)
(1)思路：__________________________________________________________________________________________________________________________________________(2)结果及结论：①________________________________________________________________________________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________________________________________________________________________________；③________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案 (1)测定密闭装置内的初始CO2浓度和培养24小时后的CO2浓度 (2)①如果24小时后CO2浓度小于初始浓度，则植物24小时内正常生长 ②如果24小时后CO2浓度等于初始浓度，则植物24小时内不能正常生长③如果24小时后CO2浓度大于初始浓度，则植物24小时内不能正常生长解析 (1)若将该植物放在一密闭透明玻璃容器内并置于一定温度、光照条件下24小时，欲测定该植物这24小时内是否有生长，根据光合作用产生O2吸收CO2，可测定密闭装置内的初始CO2(O2)浓度和培养24小时后的CO2(O2)浓度，比较二者大小，即可判定。(2)若24小时后CO2浓度小于初始浓度(24小时后O2浓度大于初始浓度)，则说明该时间内光合作用大于细胞呼吸，该植物这24小时内有生长；如果24 小时后 CO2浓度等于初始浓度，则植物 24 小时内不能正常生长；如果24 小时后 CO2浓度大于初始浓度，则植物 24 小时内不能正常生长。4．低温会迫使植物细胞产生大量对细胞有害的过氧化物。水杨酸可以增加细胞中超氧化物歧化酶(SOD)的活性，SOD能够清除细胞中的过氧化物，从而增强植物的抗冻性。请根据以下提供的实验材料，设计实验研究水杨酸对植物抗冻性的影响。材料与用具：生理状况一致的水稻幼苗若干株，高浓度水杨酸溶液，蒸馏水，冰箱，SOD活性检测装置等。(要求与说明：SOD活性的具体检测方法不作要求，不考虑加入溶液对体积的影响，水杨酸只用喷施一次到幼苗的叶片上，抗冻性可用叶片的损伤程度判断。)回答下列问题：(1)实验目的：____________________________________________________________。(2)实验思路：①选取生理状况一致的水稻幼苗若干，均分为4组，并编号为A、B、C、D组。②________________________________________________________________________；③________________________________________________________________________________________________________________________________________________；④________________________________________________________________________________________________________________________________________________；⑤________________________________________________________________________；⑥________________________________________________________________________。(3)请设计一张表格用于实验结果的记录。(4)分析与讨论：①适宜浓度的水杨酸溶液可以提高水稻幼苗的光合色素含量，增加幼苗对____________光的吸收，促进幼苗的光合速率。②为测定SOD的活性，需要对幼苗的叶片细胞做______________处理。答案 (1)研究不同浓度的水杨酸对植物抗冻性的影响(2)②将水杨酸溶液用蒸馏水稀释成低、中、高三种浓度③对A、B、C三组水稻幼苗的叶片分别喷施一次低、中、高浓度的水杨酸，对D组水稻幼苗叶片喷施一次等体积的蒸馏水 ④将四组水稻幼苗放在相同且适宜的条件下培养一段时间，测定各组幼苗叶片细胞中的SOD的活性，并求平均值 ⑤再将四组水稻幼苗放入冰箱低温诱导处理一段时间，观察各组幼苗叶片的损伤程度 ⑥统计和分析实验数据(3)不同浓度水杨酸溶液对SOD活性和叶片损伤程度影响的结果记录表处理方式蒸馏水低浓度水杨酸中浓度水杨酸高浓度水杨酸SOD的活性叶片损伤程度(4)①可见 ②破碎解析 (1)根据题意可知，该实验的自变量为水杨酸的浓度，因变量为SOD的活性和叶片损伤程度，实验目的是研究不同浓度的水杨酸对植物抗冻性的影响。(2)实验设计的一般步骤为：a.分组编号；b.设置自变量；c.进行实验，观察记录结果；d.分析结果，得出结论。故该实验的设计为：①选取生理状况一致的水稻幼苗若干，均分为4组，并编号A、B、C、D组；②将水杨酸溶液用蒸馏水稀释成低、中、高三种浓度；③对A、B、C三组水稻幼苗的叶片分别喷施一次低、中、高浓度的水杨酸，对D组水稻幼苗叶片喷施一次等体积的蒸馏水；④将四组水稻幼苗放在相同且适宜的条件下培养一段时间，测定各组幼苗叶片细胞中的SOD的活性，并求平均值；⑤再将四组水稻幼苗放入冰箱低温诱导处理一段时间，观察各组幼苗叶片的损伤程度；⑥统计和分析实验数据。(3)用于实验结果的记录的表格设计应该为自变量与因变量分别设置，具体结果如下：不同浓度水杨酸溶液对SOD活性和叶片损伤程度影响的结果记录表处理方式蒸馏水低浓度水杨酸中浓度水杨酸高浓度水杨酸SOD的活性叶片损伤程度(4)分析与讨论：①适宜浓度的水杨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、传递和转化光能的作用，色素含量升高有利于叶片吸收可见光，提高光合速率；②SOD存在于细胞内，所以测定SOD的活性，需要对幼苗的叶片细胞做破碎处理。题组三 依据原理评价和修订实验5．为完成“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验，提供以下材料用具：菠菜叶、打孔器(直径1 cm)、注射器、(40W)台灯、烧杯、4% NaHCO3溶液、蒸馏水、不同颜色的透明薄膜等。(1)某同学选取其中一个因素进行探究，以下是实验结果：时间上浮的叶圆片数量(片)蒸馏水0.5% NaHCO31% NaHCO31.5% NaHCO32% NaHCO32 min07111044 min01516137①该实验的目的是________________________________________________________，实验检测指标是：__________________________________________________________。②有哪些措施可以减少实验误差？___________________________________________________________________________________________________________。(至少写出二项)③有同学认为叶片之所以浮起，是因为细胞呼吸消耗了有机物且产生了CO2导致叶片上浮的。根据实验结果判断该观点是否正确？并说明理由：____________________________________________________________________________________________________。(2)利用以上材料，还可以探究的环境因素有________________________。(答出2个)答案 (1)①研究CO2浓度(或NaHCO3浓度)对叶片光合速率的影响 相同时间内烧杯中叶片浮起的数量②用打孔器打出的叶片数量足够多；每组实验重复几次，记录的数据取平均值 ③该同学的观点是错误的，因为在蒸馏水的那组实验中，叶片一样进行了细胞呼吸，却没有叶片浮起，叶片上浮的原因是光合作用强度大于细胞呼吸强度，叶片内氧气增多 (2)光照强度、光质解析 分析表格：本实验的自变量为不同浓度的NaHCO3溶液，因变量是单位时间内叶圆片上浮数量，由于NaHCO3溶液的作用是提供CO2，单位时间内叶圆片上浮数量表示的是净光合速率，故本实验探究的是CO2浓度(或NaHCO3浓度)对叶片光合速率的影响，结合题干条件，本实验还可探究光照强度、光质对光合速率的影响。本实验的自变量为不同浓度的NaHCO3溶液，因变量是单位时间内叶圆片上浮数量，故主要通过重复实验和控制无关变量来减小实验误差，如用打孔器打出的叶片数量足够多；每组实验重复几次，记录的数据取平均值。有同学认为叶片之所以浮起，是因为细胞呼吸消耗了有机物且产生了CO2导致叶片上浮的，该同学的认识是错误的，因为在蒸馏水的那组实验中，叶片一样进行了细胞呼吸，却没有叶片浮起，叶片上浮的原因是光合作用强度大于细胞呼吸强度，叶片内氧气增多。6．某兴趣小组用多株生长发育状况一致的天竺葵植株做有关光合作用和细胞呼吸的实验，实验步骤和分组处理见下表，回答下列问题：步骤A组B组C组D组①天竺葵经过24小时“X”处理＋＋＋＋②小烧杯中加入等量液体NaOH溶液清水清水清水③用无色透明玻璃罩盖住植株和小烧杯＋＋＋＋④不同光照5小时处理较强光照较弱光照较强光照黑暗处理⑤取一片叶，脱色处理后，滴加碘液，观察叶片颜色变化不变蓝色不变蓝色变蓝色不变蓝色注：表中的“＋”表示做了该项操作。(1)步骤①中的“X”处理具体是指______________，目的是____________________。(2)本实验的自变量为__________________________。(3)经过步骤⑤处理后，A组和B组植株的叶片不变蓝色，可能的原因是：A组植株_________________________________________________________________________________________________________________________________________，B组植株__________________________________________________________________________________________________________________________________________。C组使碘液变蓝色的物质合成场所是______________________________________。(4)经过步骤④处理后，从C组和D组植株叶片上各取面积为4cm2大小的叶片，测得其干重分别为M g和N g，假设各组实验所用天竺葵植株叶片的呼吸速率相同，则M－N可用来评价单位时间内单位面积的C组植株叶片________(填“积累”“消耗”或“制造”)有机物的能力。(5)如果用如图所示的装置来探究光照强度和光合作用速率的关系，且测量指标为装置中氧气含量的变化，则该装置需要进行适当修改，具体修改措施为_______________________________________________________________________________________________。为使测得的O 2变化量更精确，还应再设置一对照装置用于排除物理因素对实验结果的影响，对照装置的容器和小烧杯中应分别放入_____________________________。
答案 (1)黑暗(无光) 消耗叶片中的营养物质 (2)光照强度和CO2浓度 (3)CO2供应不足(植物不能进行光合作用)，无淀粉合成(或不能制造淀粉)，用碘液检测不变蓝(或无蓝色现象) 光照较弱，光合作用强度小于或等于细胞呼吸强度，无淀粉积累，用碘液检测不变蓝(或无蓝色现象) 叶绿体基质 (4)制造 (5)将小烧杯中的蒸馏水换成CO2缓冲液(或碳酸氢钠溶液) 死的植物幼苗和CO2缓冲液解析 (1)步骤①中的“X”处理具体是指黑暗，目的是进行饥饿处理，消耗掉叶片中的淀粉。(2)该实验的自变量是光照强度和CO2浓度，目的是探究光照强度、CO2浓度对光合作用强度的影响。(3)由表格信息可知，A组小烧杯中是氢氧化钠溶液，吸收CO2，因此由于CO2不足，不能进行光合作用产生淀粉，用碘液检测不变蓝；B组弱光条件下，光合作用强度小，光合作用强度小于细胞呼吸强度，无淀粉积累，用碘液检测也不变蓝。(4)设天竺葵经过24小时“X”处理后，4 cm2大小的叶片的干物质量是a，C组光照5小时干物质的量是a＋净光合作用强度×5＝M，D组不进行光合作用，只进行细胞呼吸，因此5小时后干物质的量是a－5×细胞呼吸强度＝N，则M－N＝(a＋净光合作用强度×5)－(a－5×细胞呼吸强度)＝5(净光合作用强度＋呼吸作用强度)＝5×实际光合作用强度＝5小时内有机物合成量。(5)若用该图装置来探究光照强度对光合作用速率的影响，且测量指标为装置中O2含量的变化，则该装置需要进行适当修改，将小烧杯中的蒸馏水换成CO2缓冲液或碳酸氢钠溶液，以稳定CO2的浓度，为使测得的O2变化量更精确，还应再设置一对照装置，对照装置的容器和小烧杯中应分别放入死的植物幼苗和CO2缓冲液，以消除偶然因素对实验结果的影响。如果您感觉我提供的资源还不错，请点击一下文末的“点赞”、“在看”，或者将“囡波湾生物”公众号加★，如果转发请注明来源，感谢您的支持！觉得不错就给我个“赞”和"在看"!