2023高考一轮复习生物学 核心素养微专题(七) 科学探究(3)　光合速率的测定方法及实验探究

核心素养微专题(七)|科学探究(3)光合速率的测定方法及实验探究(2021·浙江1月选考)现以某种多细胞绿藻为材料，研究环境因素对其叶绿素a含量和光合速率的影响。实验结果如图，图中的绿藻质量为鲜重。回答下列问题：(1)实验中可用95%乙醇溶液提取光合色素，经处理后，用光电比色法测定色素提取液的____________，计算叶绿素a的含量。由甲图可知，与高光强组相比，低光强组叶绿素a的含量较______，以适应低光强环境。由乙图分析可知，在________条件下温度对光合速率的影响更显著。(2)叶绿素a的含量直接影响光反应的速率。从能量角度分析，光反应是一种________反应。光反应的产物有_______________和O2。光密度值高高光强吸能ATP、NADPH解析：（1)叶绿体中的4种光合色素含量和吸光能力存在差异，因此可以利用光电比色法测定色素提取液的光密度值来计算叶绿素a的含量；由甲图可知，与高光强组相比，低光强组叶绿素a的含量较高，以增强吸光的能力，从而以适应低光强环境；由乙图分析可知，低光强条件下，不同温度下的绿藻放氧速率相差不大，高光强条件下，不同温度下的绿藻放氧速率相差很大，因此在高光强条件下，温度对光合速率的影响更显著。(2)叶绿素a的含量直接影响光反应的速率。从能量角度分析，光反应需要消耗太阳能，光反应是一种吸能反应；光反应过程包括水的光解(产生NADPH和氧气)和ATP的合成，因此光反应的产物有ATP、NADPH和O2。(3)图乙的绿藻放氧速率比光反应产生O2的速率________，理由是______________________________________________________________。(4)绿藻在20℃、高光强条件下细胞呼吸的耗氧速率为30μmol·g－1·h－1，则在该条件下每克绿藻每小时光合作用消耗CO2生成________μmol的3­磷酸甘油酸。小绿藻放氧速率等于光反应产生氧气的速率减去细胞呼吸消耗氧气的速率360解析：(3)图乙的绿藻放氧速率表示净光合速率，绿藻放氧速率等于光反应产生氧气的速率减去细胞呼吸消耗氧气的速率，因此图乙的绿藻放氧速率比光反应产生氧气的速率小。(4)由图乙可知，绿藻在20℃、高光强条件下细胞呼吸的耗氧速率为30μmol·g－1·h－1，绿藻放氧速率为150μmol·g－1·h－1，光合作用产生的氧气速率为180μmol·g－1·h－1，因此每克绿藻每小时光合作用消耗CO2为180μmol，因为1分子的二氧化碳与1个RuBP结合形成2分子3­磷酸甘油酸，故每克绿藻每小时光合作用消耗CO2生成180×2＝360μmol的3­磷酸甘油酸。一、光合速率与呼吸速率的实验测定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的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．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．给予较强光照处理，且温度适宜。c．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。(3)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，即用死亡的相同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“黑白瓶”问题是一类通过净光合作用强度和有氧呼吸强度推算总光合作用强度的试题，其中“黑瓶”不透光，瓶中氧气的减少量(或二氧化碳的增加量)为有氧呼吸量；“白瓶”给予光照，瓶中氧气的增加量(或二氧化碳的减少量)为净光合作用量。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，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针筒排出叶肉细胞间隙的空气，使叶片沉于水中。在光合作用过程中植物吸收CO2放出O2，O2在细胞间积累，使下沉的叶片上浮。根据在相同时间内上浮叶片数目的多少(或者叶片全部上浮至液面所需时间的长短)，就能比较光合作用的强弱。5．叶圆片称量法测定单位时间、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)。(1)净光合速率＝(z－y)/2S；(2)呼吸速率＝(x－y)/2S；(3)总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。6．梯度法用一系列不同光照强度、温度或CO2浓度装置，可探究光照强度、温度或CO2浓度对光合作用强度的影响。7．指示剂测定法利用指示剂在参与细胞代谢的过程中颜色的变化，来判断或测量代谢的过程和方式。8．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的反应在检测仪上，常用红外线CO2传感器来测量CO2浓度的变化。[提醒]光合作用与细胞呼吸实验设计中实验条件的控制方法(1)增加水中氧气——泵入空气或放入绿色水生植物。(2)减少水中氧气——容器密封或油膜覆盖或煮沸冷却。(3)除去容器中的二氧化碳——氢氧化钠溶液。(4)保持容器中二氧化碳浓度不变——NaHCO3溶液。(5)除去叶片中原有的淀粉——置于黑暗环境中较长时间。(6)除去光合作用对细胞呼吸的干扰——给植株遮光。(7)消除种子表面微生物对种子细胞呼吸速率测定的影响——消毒。(8)除去叶片中叶绿素——酒精隔水加热(脱色)。(9)得到单色光——棱镜色散或薄膜滤光。二、光合作用与细胞呼吸实验的设计技巧1．实验设计中必须注意的三点(1)变量的控制手段，如光照强度的强弱可用不同功率的灯泡(或相同功率的灯泡，但与植物的距离不同)进行控制，不同温度可用不同恒温装置控制，CO2浓度的大小可用不同浓度的CO2缓冲液调节。(2)对照原则的应用，不能仅用一套装置通过逐渐改变其条件进行实验，而应该用一系列装置进行相互对照。(3)无论哪种装置，在光下测得的数值均为“净光合作用强度”值。2．解答光合作用与细胞呼吸的实验探究题时必须关注的信息是加“NaOH”还是加“NaHCO3”；给予“光照”处理还是“黑暗”处理；是否有“在温度、光照最适宜条件下”等信息。1．用等体积的三个玻璃瓶甲、乙、丙同时从某池塘水深0.5m处的同一位置取满水样，立即测定甲瓶中的氧气含量，并将乙、丙瓶密封后沉回原处。一昼夜后取出玻璃瓶，分别测定两瓶中的氧气含量，结果如表(不考虑化能合成作用)。下列有关分析不合理的是(

)透光玻璃瓶甲透光玻璃瓶乙不透光玻璃瓶丙氧气含量(mg)5.46.62.5A.丙瓶中浮游植物的细胞中产生ATP的场所是细胞质基质和线粒体B．在一昼夜内，丙瓶中生物细胞呼吸消耗的氧气量约为2.9mgC．在一昼夜后，乙瓶水样的pH比丙瓶的高D．在一昼夜内，乙瓶中生产者实际光合作用释放的氧气量约为1.2mg答案：D解析：玻璃瓶丙不透光，瓶内浮游植物只进行细胞呼吸，则植物细胞产生ATP的场所为细胞质基质、线粒体，A项正确。由于丙瓶为不透光的玻璃瓶，一定时间内消耗的氧气量可代表瓶内生物的呼吸速率，则在一昼夜内，丙瓶中生物细胞呼吸消耗的氧气量约为5.4－2.5＝2.9(mg)，B项正确。二氧化碳溶于水中可导致溶液pH发生变化，乙瓶中光合作用的进行使氧气增多，二氧化碳减少，而丙瓶中生物只进行呼吸作用，消耗氧气释放二氧化碳，故乙瓶水样的pH比丙瓶的高，C项正确。在一昼夜内，乙瓶中生产者实际光合作用释放的氧气量＝净光合作用释放氧气量＋呼吸作用消耗氧气量，约为(6.6－5.4)＋(5.4－2.5)＝4.1(mg)，D项错误。2.如图所示，将对称叶片左侧遮光，右侧曝光，并采用适当的方法阻止两部分之间的物质和能量的转移。在适宜光照下照射12小时后，从两侧截取同等单位面积的小圆叶片，烘干称重，质量分别记为a和b(单位：g)。下列叙述正确的是(

)A．a/12所代表的是该小圆叶片的呼吸速率B．b/12所代表的是该小圆叶片的光合速率C．(b＋a)/12所代表的是该小圆叶片的真光合速率D．(b－a)/12所代表的是该小圆叶片的真光合速率D解析：分析题图，左侧叶片遮光，故左侧叶片只能进行呼吸作用，a为遮光12小时截取的小圆叶片的质量，a/12不能代表小圆叶片的呼吸速率，A错误；右侧叶片曝光，右侧叶片既进行光合作用也进行呼吸作用，b/12不能代表小圆叶片的光合速率，B错误；设截取的小圆叶片原来的质量为M，真光合速率为y，呼吸速率为x，则M－12x＝a，M＋12×(y－x)＝b，则y＝(b－a)/12，即真光合速率为(b－a)/12，C错误，D正确。3．(多选)在如图所示的玻璃容器中，注入一定浓度的NaHCO3溶液并投入少量的新鲜绿叶碎片，密闭后，设法减小液面上方的气体压强，会看到叶片沉入水中。然后再用光照射容器，又会发现叶片重新浮出液面。以下分析正确的是(

)A．改变温度，会影响叶片开始上浮所需的时间B．改变光照强度，不影响叶片开始上浮所需的时间C．改变NaHCO3溶液的浓度，不影响叶片开始上浮所需的时间D．若将装置置于黑暗中，上浮的叶片又会下沉AD解析：改变温度，会改变光合作用强度，进而影响叶片开始上浮所需的时间，A正确；改变光照强度，会改变光合作用强度，进而影响叶片开始上浮所需的时间，B错误；改变NaHCO3溶液的浓度，即改变二氧化碳的浓度，这会影响光合作用强度，进而影响叶片开始上浮所需的时间，C错误；若将装置置于黑暗中，叶片只能进行呼吸作用消耗叶肉细胞间隙中的氧气，导致上浮的叶片又会下沉，D正确。4．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1cm2的叶圆片烘干后称其重量，M处的实验条件是16时后将整个实验装置遮光3h，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)/3C．(2y－x－z)/6 D．(2y－x－z)/3A解析：分析题意可知，10时到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16时后将整个实验装置遮光3h，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。5．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。组别123456789实验条件光照强度/lx06006008008001000100015001500CO2浓度/%0.010.010.020.020.030.030.050.050.06液滴移动/(mm·h－1)左移20左移20不移动右移40右移60右移90右移112右移112右移112(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因素可能是_____________________________________________________。植物吸收的气体量等于释放的气体量光照强度和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)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。CO2浓度过低时，植物无法进行光合作用施有机肥、合理通风、使用CO2发生器解析：液滴不移动的原因是植物吸收的气体量等于释放的气体量，从表中数据看出光照强度和CO2浓度为限制光合作用的环境因素，7、8、9三组限制因素可能是其他因素，如光合色素的量或酶的数量，叶绿体数量等；①组和②组CO2浓度过低，植物无法进行光合作用，大棚中可采取增施有机肥，合理通风，使用CO2发生器等措施提高CO2浓度。6．如图甲为探究光合作用的装置图，图乙为不同CO2浓度下温度对光合速率和呼吸速率的影响示意图。请据图回答有关问题：(1)若用图甲所示装置来探究CO2是否为光合作用的原料，则还应该再增加一个装置，做法是_________________________________________________________________________________________________。(2)若用图甲所示装置来探究元素X是否为植物的必需矿质元素，则还应该再增加一个装置，做法是__________________________________________________________________________________。将质量分数为1%的NaHCO3溶液换成等量的质量分数为1%的NaOH溶液，其他条件与图甲所示装置相同将水槽中的培养液替换成等量的只缺少元素X的培养液，其他条件与图甲所示装置相同解析：(1)在设置对照实验时，一般将要探究的因素设为自变量，其他因素必须保持一致。本实验中是否有CO2是自变量，根据题意可知增加的一组实验装置中应该没有CO2，故可用质量分数为1%的NaOH溶液来替换NaHCO3溶液。(2)若探究元素X是否为植物的必需矿质元素，可以采用水培法，增加的装置中应将水槽中的完全培养液替换成等量的只缺少元素X的培养液，其他条件同图甲所示装置相同。(3)若将图甲所示装置中的质量分数为1%的NaHCO3溶液换成等量的质量分数为1%的NaOH溶液，则在开始的短暂时间内，植物的叶绿体中C3与C5相对含量的变化情况是__________________________________。(4)图乙中，若环境温度保持在35℃，每日光照12小时，两昼夜后测定，植物体干重将________(填“增加”“减少”或“不变”)。C3相对含量下降，C5相对含量上升减少解析：(3)若将NaHCO3溶液替换为NaOH溶液，则短时间内CO2含量减少，使CO2的固定减弱，C3合成减少而消耗仍在继续，所以C3相对含量降低，C5相对含量升高。(4)由图乙可知，当环境温度为35℃时，光照下有机物净积累量为0，所以每日光照12小时，没有有机物的积累，但是黑暗中的12小时仍有有机物的消耗，所以两昼夜后的最终结果是植物体干重减少。7．BTB是一种酸碱指示剂。BTB的弱碱性溶液颜色可随其中CO2浓度的增高而由蓝变绿再变黄。某同学为研究某种水草的光合作用和呼吸作用，进行了如下实验：用少量的NaHCO3和BTB加水配制成蓝色溶液，并向溶液中通入一定量的CO2使溶液变成浅绿色，之后将等量的浅绿色溶液分别加入7支试管中。其中6支加入生长状况一致的等量水草，另一支不加水草，密闭所有试管。各试管的实验处理和结果见下表。试管编号1234567水草无有有有有有有距日光灯的距离(cm)20遮光1008060402050min后试管中溶液的颜色浅绿色X浅黄色黄绿色浅绿色浅蓝色蓝色注：遮光是指用黑纸将试管包裹起来，并放在距日光灯100cm的地方。若不考虑其他生物因素对实验结果的影响，回答下列问题：(1)本实验中，50min后1号试管的溶液是浅绿色，则说明2至7号试管的实验结果是由____________________________________引起的；若1号试管的溶液是蓝色，则说明2至7号试管的实验结果是_____________(填“可靠的”或“不可靠的”)。不同光强下水草的光合作用与呼吸作用不可靠的解析：(1)依题意并结合表中信息可知，距日光灯的距离表示光照的强弱。1号试管为对照组，其中的NaHCO3可维持CO2浓度的相对稳定；2至7号试管为实验组，2号试管遮光，其内的水草不能进行光合作用，但能进行呼吸作用；3至7号试管内的水草在有光的条件下，可进行光合作用和呼吸作用，溶液颜色的变化是由光合作用吸收的CO2量与呼吸作用释放的CO2量共同决定的。综上所述，若50min后，1号试管的溶液是浅绿色，则说明2至7号试管的实验结果是由不同光强下水草的光合作用与呼吸作用引起的；若1号试管的溶液是蓝色，则说明2至7号试管的实验结果是不可靠的。(2)表中X代表的颜色应为_______(填“浅绿色”“黄色”或“蓝色”)，判断依据是______________________________________________________________。(3)5号试管中的溶液颜色在照光前后没有变化，说明在此条件下水草______________________________________________________。黄色水草不进行光合作用，只进行呼吸作用，溶液中CO2浓度高于3号管光合作用强度等于呼吸作用强度，吸收与释放的CO2量相等解析：(2)2号试管遮光，其内的水草不能进行光合作用消耗CO2，但能通过呼吸作用释放CO2，所以试管内CO2浓度最高，X代表的颜色应为黄色。(3)5号试管中的溶液颜色与对照组1号试管的相同，均为浅绿色，说明在此条件下水草的光合作用强度等于呼吸作用强度。8．小球藻是研究光合作用的良好材料，鲁宾和卡门、卡尔文都是利用小球藻取得重大的研究成果。图甲是某同学利用小球藻研究光合作用的装置，图乙是在其他条件适宜的情况下测定的O2吸收量。请结合有关知识回答问题。(1)鲁宾和卡门、卡尔文在利用小球藻进行光合作用研究时都利用到的方法是_______________，为了保证小球藻正常的生长繁殖，图甲装置培养瓶中应再补充的物质是___