2023高考一轮新教材 生物Ⅱ 第4讲 光合作用与细胞呼吸的综合分析

第4讲光合作用与细胞呼吸的综合分析2.2.3说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能2．2.4说明生物通过细胞呼吸将储存在有机分子中的能量转化为生命活动可以利用的能量微课题(一)光合作用与细胞呼吸中物质和能量转化分析[系统深化知能]1．光合作用与细胞呼吸关系图解2．光合作用与细胞呼吸物质转化关系3．光合作用和细胞呼吸的能量转化4．光合作用与细胞呼吸中[H]和ATP的来源和去路比较项目来源去路[H]光合作用产生于光反应中水的光解用于暗反应中C3的还原有氧呼吸产生于第一、二阶段消耗于第三阶段，与O2结合生成H2OATP光合作用产生于光反应阶段，其中的能量来自光能主要用于暗反应过程中C3的还原有氧呼吸三个阶段均能产生，但第三阶段相对较多用于各项生命活动5．光合作用与细胞呼吸的主要区别[情境迁移用活]草莓是人们非常喜爱的水果之一，被誉为“水果皇后”，栽种广泛。某科研小组以大棚种植的草莓为实验材料，在保证生长所需水肥等相同且适宜的条件下，探究不同空气质量状况对草莓光合速率的影响。如图表示草莓叶肉细胞中光合作用和有氧呼吸的部分过程，其实验过程中测得的相关数据如下表所示。空气质量状况棚温/℃光照强度/lx光合速率/(μmol·m－2·s－1)二级良27.399420.11三级轻度污染26.178519.72四级中度污染26.142814.41五级重度污染24.642810.10

[问题设计](1)图中过程①发生的场所是什么？过程④表示的生理过程是什么。提示：细胞质基质。二氧化碳的固定。(2)若表中棚温27.3℃和26.1℃都接近草莓光合作用的最适温度，有人推测光照强度为785lx时已接近草莓最大光合速率所需的最低光照强度。你认为推测的依据是什么？提示：当空气质量由二级良转为三级轻度污染时，草莓光合速率并没有明显下降。(3)当四级中度污染加重成五级重度污染时，草莓光合速率进一步下降，主要原因是什么？提示：棚温降低，引起光合作用有关酶的活性降低，导致光合速率下降。[解题思维建模][典例]

(2017·全国卷Ⅱ)下图是某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。据图回答下列问题：(1)图中①、②、③、④代表的物质依次是________、________、________、________，[H]代表的物质主要是________。(2)B代表一种反应过程，C代表细胞质基质，D代表线粒体，则ATP合成发生在A过程，还发生在____________(填“B和C”“C和D”或“B和D”)。(3)C中的丙酮酸可以转化成酒精，出现这种情况的原因是___________________________________________________________。[解析]

(1)分析题图可知，图中①表示光合作用光反应阶段水光解的产物O2；②是生成还原型辅酶Ⅱ(NADPH)的反应物NADP＋；③是生成ATP的原料ADP＋Pi；④代表光合作用暗反应阶段参与固定CO2的物质C5；图中[H]代表的物质是呼吸作用过程中的还原型辅酶Ⅰ(NADH)。(2)细胞中生成ATP的场所除叶绿体外还有细胞质基质(C)和线粒体(D)。(3)细胞质基质中的丙酮酸可以转化成酒精的原因是植物细胞缺氧，导致细胞进行无氧呼吸。[答案]

(1)O2

NADP＋

ADP＋Pi

C5

NADH(或还原型辅酶Ⅰ)

(2)C和D

(3)在缺氧条件下细胞进行无氧呼吸内化思维模型

光合作用和细胞呼吸联系的“三地五所”模型光合作用和细胞呼吸的基本过程，根据反应发生的部位构建解决问题的模型：(1)光合作用在叶绿体进行，其中光反应发生在类囊体的薄膜、暗反应发生在叶绿体基质。(2)无氧呼吸及有氧呼吸第一阶段发生在细胞质基质。(3)有氧呼吸第二、三阶段在线粒体进行，第二阶段发生在线粒体基质，第三阶段发生在线粒体内膜。综上所述，光合作用和细胞呼吸发生在细胞质基质、线粒体和叶绿体三个结构的五个场所，因此可建构“三地五所”模型如下：[题点考法全训]1．下列关于叶绿体和线粒体比较的叙述，正确的是

(

)A．叶绿体中可发生CO2→C3→C6H12O6的变化，在线粒体中则会发生C6H12O6→C3→CO2的变化B．都具有较大膜面积和复杂的酶系统，有利于新陈代谢高效而有序地进行C．光能转变成化学能发生在叶绿体中，化学能转变成光能发生在线粒体中D．ATP和[H]在叶绿体中随水的分解而产生，在线粒体中随水的生成而产生解析：叶绿体是光合作用的场所，可发生CO2→C3→C6H12O6的变化，线粒体是有氧呼吸的主要场所，线粒体分解的底物是丙酮酸，不是葡萄糖，A错误；叶绿体和线粒体都具有较大膜面积和复杂的酶系统，如叶绿体增加膜面积的方式是类囊体堆叠成基粒，线粒体增加膜面积的方式是内膜向内腔折叠形成嵴，有利于新陈代谢高效而有序地进行，B正确；光能转变成化学能发生在叶绿体中，有机物中的化学能转变成ATP中活跃的化学能发生在线粒体中，C错误；[H]在叶绿体中随水的分解而产生，在线粒体中随水的生成而消耗，而ATP在叶绿体中随光能的吸收、传递和转化产生，在线粒体中随着有机物的分解以及水的生成而产生，D错误。答案：B

2．绿色植物光合作用和呼吸作用之间的能量转换如图所示，图中①～⑥代表物质，下列有关叙述错误的是

(

)答案：D

3．下表表示苜蓿在光照强度分别为0klx、4klx、8klx、12klx时，单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化。下列说法正确的是

(

)A.光照强度为0klx时，细胞中产生ATP的场所有细胞质基质与线粒体B．光照强度为4klx时，光合速率等于呼吸速率C．光照强度为8klx时，给予植物持续光照，植物能够正常生长D．若光照强度由8klx增至12klx时，叶绿体内ADP的含量增加光照强度0klx4klx8klx12klxCO2释放量6300O2产生总量0368解析：光照强度为0klx时，细胞只进行呼吸作用，故细胞中产生ATP的场所有细胞质基质与线粒体，A正确；光照强度为4klx时，O2产生总量为3个单位，CO2释放量为3个单位，呼吸速率为6个单位，说明光照强度为4klx时，光合速率小于呼吸速率，B错误；光照强度为8klx时，无CO2的释放，只有O2产生，说明植物呼吸作用产生的CO2被光合作用利用，此时细胞既进行呼吸作用又进行光合作用，且呼吸作用强度等于光合作用强度，故给予植物持续8klx光照，植物不能正常生长，C错误；光照强度由8klx增至12klx时，光照强度增强，短时间内光反应增强，则叶绿体中ADP的含量减少，D错误。答案：A

微课题(二)光合作用与细胞呼吸综合曲线图的分析1．光合作用与细胞呼吸综合曲线中“三率”含义2.“三率”测定的指标说明：若测定指标为叶绿体中O2释放量、CO2吸收量，则表示实际光合速率。细胞呼吸速率净光合速率真正光合速率植物体(组织)在黑暗条件下测得的值植物体(组织)在一定光照条件下测得的值依据净光合速率和细胞呼吸速率计算得出，不能直接测得，真正光合速率＝净光合速率＋细胞呼吸速率测定指标细胞呼吸速率真正光合速率净光合速率O2吸收量(黑暗)产生量、制造量释放量CO2释放量(黑暗)利用量、固定量吸收量有机物消耗量(黑暗)产生量、制造量积累量3．光合作用与细胞呼吸综合曲线模型(1)当光照强度为0时，若CO2吸收值为负值，该值的绝对值代表细胞呼吸速率，该曲线代表净光合速率，如图甲。(2)当光照强度为0时，光合速率也为0，该曲线代表真正光合速率，如图乙。4.光合作用与细胞呼吸综合计算关系关系：真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。解读：也可写成净光合速率＝真正光合速率－呼吸速率；真正光合速率即通过光合作用合成的有机物的量，仅与光合作用有关；呼吸速率即通过细胞呼吸消耗有机物的量；通过光合作用合成的有机物不能全部保留，其中一部分会通过呼吸作用消耗，剩下的才是积累的有机物，即净光合速率，它既与光合作用有关，也与细胞呼吸有关，等于光合作用和细胞呼吸的差值。5．曲线模型中“三点”的移动问题关于改变光合作用条件后曲线上“三点”(呼吸速率点、光补偿点和光饱和点)的移动问题，其解题关键是搞清楚相应的因素是如何影响光合作用的，然后确定“三率”大小的变动。结合光照强度对光合作用的影响图示分析如下：(1)当图中温度是最适温度时，降低温度，其他条件不变，a点上移，b点左移，c点下移。(2)当图中曲线为阳生植物的，则阴生植物的a点上移，b点左移，c点下移。(3)当植物缺镁时，其他条件不变，a点不动，b点右移，c点下移。(4)适当提高CO2浓度，其他条件不变，a点不变，b点左移，c点上移。(5)干旱初期，对呼吸作用影响不大，a点不变，但植物气孔关闭，CO2吸收量少，则b点右移，c点下移。[特别提醒]

b点时，植株的光合作用强度等于细胞呼吸强度，但叶肉细胞的光合作用强度大于细胞呼吸强度，因为叶肉细胞光合作用制造的有机物用于植株全部活细胞的细胞呼吸消耗。[情境迁移用活]生姜属于耐阴作物，在橘子树底下种植生姜，不仅可以充分利用果树的立体空间为生姜遮阳，提高光能和土地的利用率，而且还能增加单位面积的经济效益。如图为这两种植物在温度、水分等均适宜的条件下，光合速率与呼吸速率的比值(P/R)随光照强度变化的曲线图。下表是研究员以生长状况相同的生姜为材料设计的A、B、C三组实验。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。探究不同光照处理对植物光合作用的影响，实验结果如表所示。

实验条件(总时间均为135s)光合作用产物的相对含量A组先光照后黑暗，时间各为67.5s50%B组先光照后黑暗，交替处理，时间各为3.75ms90%C组持续光照，时间为135s100%[问题设计](1)图中A和B表示生姜的曲线是哪条？请说出理由。提示：表示生姜的是曲线B；生姜属于耐阴作物，曲线B表示的植物光饱和点低。(2)光照强度为a时，B植物叶肉细胞光合作用所需CO2来自哪里？为什么？提示：所需CO2来自该细胞的线粒体与外界(其他细胞呼吸和外界)；光照强度为a时，B植物的光合速率与呼吸速率相等，即二者的比值P/R＝1，此时叶肉细胞的光合速率大于呼吸速率。(3)根据表格相关信息，单位光照时间内，B组植物合成有机物的量高于C组植物合成有机物的量的依据是什么？提示：B组只用了C组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是C组的90%。[解题思维建模][典例]

(2020·浙江7月选考)将某植物叶片分离得到的叶绿体，分别置于含不同蔗糖浓度的反应介质溶液中，测量其光合速率，结果如图所示。图中光合速率用单位时间内单位叶绿素含量消耗的二氧化碳量表示。下列叙述正确的是

(

)A．测得的该植物叶片的光合速率小于该叶片分离得到的叶绿体的光合速率B．若分离的叶绿体中存在一定比例的破碎叶绿体，测得的光合速率与无破碎叶绿体的相比，光合速率偏大C．若该植物较长时间处于遮阴环境，叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中B～C段对应的关系相似D．若该植物处于开花期，人为摘除花朵，叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中A～B段对应的关系相似[解析]

测得的该植物叶片的光合速率为净光合速率，不仅需要考虑叶绿体的光合速率，还需要考虑线粒体的呼吸速率，因此分离得到的叶绿体的光合速率大于测得的该植物叶片的光合速率，A正确；叶绿体被破碎后，结构被破坏，无法进行光合作用，因此无破碎叶绿体的光合速率比存在一定比例破碎叶绿体的光合速率大，B错误；该植物较长时间处于遮阴环境，由于缺乏光照，叶片的光合速率为0，C错误；若该植物处于开花期，人为摘除花朵后，叶片光合作用产生的蔗糖不能运输到花朵，导致叶片内蔗糖积累过多，不利于光合作用的进行，其蔗糖浓度与光合速率的关系与图中B～C段对应的关系相似，D错误。[答案]

A内化思维模型1．通用“钟”形曲线模型2.常考“厂”字形曲线模型典型的酶促反应曲线，通过影响酶的活性影响细胞呼吸、光合作用等，凡可影响酶活性的因素都可影响该曲线的变化，如温度、pH等。典型的净光合速率、呼吸速率的关系曲线，可以考查光合作用和细胞呼吸的计算问题，比较植物的生长状况，也可以考查影响光合作用的环境因素和特殊点的移动问题等。(参见[系统深化知能]相关讲解)3．时间轴上的“M”形曲线模型陆生植物在夏季中午高温特定条件下出现的“光合午休”现象出现“M”形曲线。解读如下：a：由于夜间气温下降，呼吸作用相关的酶的活性降低，CO2释放速率减慢。b：开始进行光合作用。c、e：呼吸作用强度等于光合作用强度。d：午间，温度过高，植物气孔关闭，CO2供给不足。f：太阳落山，不再进行光合作用，有机物合成停止。c～e：积累有机物。b～f：合成有机物。4．密闭环境中的倒“S”形曲线模型在密闭容器或温室大棚中，随着时间的变化，O2或CO2的含量变化。①b、d(拐点)：光合作用强度等于呼吸作用强度，净光合为0。②a～b、d～e：呼吸作用强度大于光合作用强度。③b～d：光合作用强度大于呼吸作用强度。④当条件改变时，b、d两点“同增同减”。[题点考法全训]1．在CO2浓度为0.03%和适宜的恒定温度条件下，测定植物甲和植物乙在不同光照条件下的光合速率，结果如图。下列有关分析正确的是

(

)A．a点时，植物甲不进行光合作用B．c点时，植物甲和植物乙光合作用产生的有机物一样多C．d点时，主要是CO2浓度限制了植物乙光合速率的增大D．b点时，植物乙的叶肉细胞中只有细胞质基质和线粒体能产生ATP解析：光照强度为a点时，为植物甲的光补偿点，此时植物甲的光合作用强度等于呼吸作用强度，A错误；光照强度为c点时，植物甲和植物乙的净光合速率相同，但呼吸速率不同，因此植物甲和植物乙制造的有机物不一样多，B错误；d点时植物乙达到光饱和点，光照强度不再是限制其光合速率的因素，又已知“适宜的恒定温度条件”，因此此时限制植物乙光合速率增大的主要环境因素是CO2浓度，C正确；光照强度为b点时，为植物乙的光补偿点，此时植物乙的光合作用强度等于呼吸作用强度，因此产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体，D错误。答案：C2．如图表示蝴蝶兰在正常条件下和长期干旱条件下CO2吸收速率的日变化曲线，据图分析，下列叙述正确的是

(

)A．长期干旱条件下，叶肉细胞在10～16时不能进行光合作用B．正常条件下，12时CO2吸收速率最快，此时植株干重达到一天中最大C．正常条件下，叶肉细胞在0～6时和20～24时不能产生ATPD．长期干旱条件下，蝴蝶兰可能通过夜间吸收CO2以适应环境解析：长期干旱条件下，叶肉细胞在10～16时气孔关闭，CO2的吸收速率降为0，净光合速率为0，但因为在夜间存储了CO2，此时也能进行光合作用，A错误；正常条件下，12时CO2吸收速率最快，表明有机物积累最快，之后仍在积累，植株干重在20点之前与横轴的交点处最大，B错误；正常情况下，叶肉细胞在0～6时和20～24时可通过呼吸作用产生ATP，C错误；在长期干旱条件下，蝴蝶兰可在夜间吸收CO2并储存在细胞中，而白天时气孔关闭防止水分过度蒸发以适应干旱环境，D正确。答案：D

3．(多选)某校创新班生物兴趣小组进行某植物的栽培实验，图1是某植物在夏季晴天和阴天两种不同的环境条件下，净光合速率随时间变化的曲线，图2为该植物在恒温密闭玻璃温室中连续24h测定的温室内CO2浓度以及植物CO2吸收速率的变化曲线。据图分析，下列说法中正确的是

(

)A．图1中8：30～9：30时，影响叶片光合速率的主要环境因素是CO2浓度B．图1中11：00时，造成晴天植物净光合速率变化的重要原因是气孔的开放程度C．图2中6～18h时，该植物体内有机物含量先逐渐增加后逐渐减少D．图2中18h时，叶肉细胞中叶绿体产生的O2量大于线粒体消耗的O2量解析：图1中8：30～9：30时，影响叶片光合速率的主要环境因素是光照强度，A错误；图1中晴天11：00时，由于气温太高，为减少水分的散失，叶片气孔关闭，CO2吸收量减少，导致光合速率降低，B正确；图2中6～18h时，CO2吸收速率均大于0，该植物体内有机物含量一直增加，C错误；图2中18h时，CO2的吸收速度等于0，说明此时植株的光合作用强度等于有氧呼吸的强度，而叶肉细胞的光合作用强度大于有氧呼吸的强度，才能满足非叶肉细胞的O2供应，故叶肉细胞中叶绿体产生的O2量大于线粒体消耗的O2量，D正确。答案：BD

微课题(三)光合速率与呼吸速率的测定[科学探究·启迪思维]某学习小组的同学组装了如下图所示的实验装置，以探究光照强度对光合速率的影响。根据实验装置回答下列问题：[问题探讨](1)依据实验装置，写出控制自变量的两种方法(可选用本装置中未出现的材料或用具)。提示：改变试管与光源之间的距离或相同距离用不同功率的灯泡照射。(2)实际测得的因变量是什么？实验开始前要开闭一次弹簧夹，这是为什么？提示：每分钟低压强感应器的压强变化。保证试管内外压强相等。(3)实验装置中，在台灯和黑藻之间放置一个盛满清水的大烧杯A。这是为什么？提示：能吸收光源的热能并能够透光。(4)如果利用该装置来测定呼吸速率，应该怎样处理？提示：B试管中加入少量NaHCO3溶液并遮光(或置于暗处)。(5)若收集仪检测到的数据为负值，其原因可能是什么？提示：光合速率小于呼吸速率，试管内气压减小。[深化知能·思维建模](一)定量测定光合速率与呼吸速率1．液滴移动法(测气体体积变化量)(1)在黑暗条件下，装置甲中红色液滴左移的距离代表有氧呼吸消耗氧气的量。(2)在适宜的光照下，装置乙中红色液滴右移的距离代表净光合速率。(3)真光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。原理图如下：2．黑白瓶法(测溶氧量变化)取三个玻璃瓶，其中一个用黑胶布包上，并包以锡箔。从待测的水体深度取水，保留一瓶以测定水中原来的溶氧量(初始值)，将剩余的两个黑、白瓶沉入取水深度，经过一段时间后将其取出，并进行溶氧量的测定。原理图如下：(1)在有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量为有氧呼吸量，白瓶中氧气的增加量为净光合作用量，二者之和为总光合作用量。(2)在没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有氧气量与黑瓶中测得的现有氧气量之差为总光合作用量。3．叶圆片称重法(测有机物变化量)测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量，如下图所示。以有机物的变化量来测定光合速率(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)/2S4．半叶片法(测光合作用有机物的产生量)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)则留在光照下进行光合作用(即不做处理)，并采用适当的方法阻止两部分物质和能量的转移。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，两者相应的有机物含量应视为相等，光照后的叶片重量大于暗处的叶片重量，超出部分即为光合作用产物的量，再通过计算可得出光合速率。原理图如下：(二)定性测定相对强度大小1．叶圆片上浮法先对叶片打孔、抽气以及对沉底的材料进行处理，然后根据不同的实验目的给予不同的单一变量操作，最后观察并记录叶片上浮所用的平均时间。2．梯度法用一系列不同光照强度、温度或CO2浓度的装置来探究它们对光合作用强度的影响。[迁移应用·逐点练清]1．下图是某生物兴趣小组探究不同条件下光合作用和呼吸作用过程中气体产生情况的实验示意图，装置中的NaHCO3溶液可维持瓶内的CO2浓度在恒定水平。下列几种实验结果(给予相同的环境条件)，不可能出现的是

(

)A．甲、乙装置水滴都左移B．甲、乙装置水滴都右移C．甲装置水滴不动，乙装置水滴左移D．甲装置水滴右移，乙装置水滴左移解析：根据题意可知，装置中的NaHCO3溶液可维持瓶内的CO2浓度在恒定水平，故甲装置内的气压变化是由氧气含量变化引起的，较强光照条件下(光合速率大于呼吸速率)甲装置内水滴右移，黑暗或较弱光照条件下(光合速率小于呼吸速率)甲装置内水滴左移，适宜光照条件下(光合速率等于呼吸速率)甲装置内水滴不动；乙装置内的青蛙只进行细胞呼吸而不进行光合作用，故乙装置内水滴只能左移。答案：B

2．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总光合速率为(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)/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，也进行细胞呼吸，因此其重量变化表示净光合作用量，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，此时叶片只进行细胞呼吸，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

3．某生物科研小组，从鸭绿江的某一深度取得一桶水样，分装于六对黑白瓶中，剩余的水样测得初始溶解氧的含量为10mg/L，白瓶为透明玻璃瓶，黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。将它们分别置于六种不同的光照条件下(a<b<c<d<e)，温度保持不变，24h后，实测获得六对黑白瓶中溶解氧的含量。请根据其记录数据(如下表)判断下列选项中错误的是

(

)光照强度(klx)0(黑暗)Abcde白瓶溶氧量(mg/L)31016243030黑瓶溶氧量(mg/L)333333A.黑瓶中的生物呼吸消耗氧气，但没有光照，植物不能进行光合作用产生氧B．光照强度为a时，白瓶中溶解氧的含量与初始溶解氧量相等，说明此光照强度下植物仍然不能进行光合作用C．当光照强度为c时，白瓶中植物产生的氧气量为21mg/LD．当光照强度为d时，再增加光照强度，白瓶中植物的光合速率不再增加解析：黑瓶中的生物呼吸消耗氧气，但没有光照，植物不能进行光合作用产生氧；光照强度为a时，白瓶中溶解氧的含量与初始溶解氧量相等，说明植物光合作用产生的氧刚好用于所有生物的呼吸作用消耗；当光照强度为c时，白瓶中植物光合作用产生的氧气量即为总光合作用量＝净光合作用量＋呼吸作用消耗量＝(24－10)＋7＝21(mg/L)；由d、e两组数据可知，当光照强度为d时，再增加光照强度，瓶中溶解氧的含量也不再增加，即白瓶中植物的光合速率不再增加。答案：B

4．为探究环境因素对水稻苗光合作用强度的影响，研究人员将水稻苗固定于无底反应瓶中进行实验，实验装置如图1所示。实验原理：装置中水稻苗光合作用产生的气体，可使浮力增大，使天平指针发生偏转。实验步骤：①调节天平平衡；②用100W的灯泡作为光源，先将灯泡置于距装置20cm处，15min后观察并记录指针偏转方向和指针格数；③加大灯泡与装置间距离，过15min再观察记录；④连续重复步骤③。实验结果如图2所示，回答下列问题：(1)该实验课题：探究光照强度对水稻苗光合作用强度的影响。(2)图1装置中，A、B瓶除了水稻苗存活状态不同外，其他条件都要相同且适宜的目的是控制______，实验过程中光照强弱可通过______________来控制。(3)请据实验结果分析回答：①B点与A点比较，光合作用强度较大的是______点。②C点表示的是______________________，C点与D点相比积累有机物较多的点是________点。CD段形成的原因是__________________________，与B点相比较，D点指针向________偏转。(4)若用此装置测定水稻幼苗的呼吸强度，需要对此装置进行____________处理。解析：(2)题中以100W灯泡为光源，不断加大灯泡与装置间距离，分析题图可知，指针的偏转即光合作用强度在发生变化，所以光照强度是自变量，因变量是光合作用强度，实验中遵循的一般原则主要有对照原则、等量原则、控制无关变量原则和单一变量原则，图1装置中，A、B瓶除了水稻苗存活状态不同外，其他条件都要相同且适宜的目的是控制无关变量。不断加大灯泡与装置间距离或改变电灯的瓦数，可以控制光照强弱。(3)①与B点相比，A点灯泡与装置的距离较近，光照强度更强，其光合作用强度更大。②题图中看出，灯泡距离不断增大，因此植物光合作用逐渐减弱。根据C点时指针偏转格数达到最多，之后逐渐减少，说明植物光合作用强度在C点之前，其光合作用强度大于呼吸作用强度，而C点之后，其光合作用强度则小于呼吸作用强度，可推知刚好在C点时，植物光合作用强度等于呼吸作用强度。根据以上分析，植物积累有机物需要光合作用强度大于呼吸作用强度，所以C点与D点相比，积累有机物较多的点是C点。CD段的偏转格数减少的原因在于植物的光合作用强度小于呼吸作用强度，消耗A容器中的氧气，A容器浮力变小。AC段光合速率大于呼吸速率，A瓶内氧气增加，指针向右持续偏转，C点时向右偏转到最大值，CD段光合速率小于呼吸速率，A瓶内氧气减少，所以D点指针向左偏转。(4)为了避免光照下植物进行光合作用影响呼吸作用的测定，所以若用此装置测定水稻幼苗的呼吸强度，需要对此装置进行遮光或黑暗处理。答案：(2)无关变量改变灯泡与装置间的距离(3)①A

②光合作用与呼吸作用强度相等C呼吸作用强度大于光合作用强度左(4)遮光(或黑暗)[归纳拓展] 光合作用和细胞呼吸探究实验中常用条件的控制方法实验条件控制方法增加水中O2泵入空气或吹气或放入绿色水生植物减少水中O2容器密封或油膜覆盖或用凉开水除去容器中CO2NaOH溶液除去叶中原有淀粉置于黑暗环境中除去叶中叶绿素酒精隔水加热除去光合作用对细胞呼吸的干扰给植株遮光得到单色光棱镜色散或薄膜滤光维持容器内CO2浓度的恒定适宜浓度的NaHCO3溶液[典例]

(2020·山东高考)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类，相关装置及过程如图所示，其中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是_____________________，模块3中的甲可与CO2结合，甲为________。(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则短时间内乙的含量将________(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长，模块2中的能量转换效率也会发生改变，原因是

___________________________________________________________。(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量________(填“高于”“低于”或“等于”)植物，原因是_________________________________。(4)干旱条件下，很多植物光合作用速率降低，主要原因是______________________________________________________________________。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。[解析]

(1)根据题图可知，模块1利用太阳能发电装置将吸收的光能转换为电能，模块2利用电能电解H2O生成H＋和O2，并发生能量转换的过程。该系统中的模块1和模块2执行相当于叶绿体中光反应功能。模块3将大气中的CO2转换为糖类，相当于光合作用的暗反应。暗反应中CO2和C5结合生成C3，C3在光反应提供的NADPH和ATP的作用下被还原，随后经过一系列反应形成糖类和C5，故该系统中模块3中的甲为五碳化合物(C5)，乙为三碳化合物(C3)。(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则CO2浓度突然降低，CO2的固定受阻，而三碳化合物(C3)的还原短时间内仍正常进行，因此短时间内会导致三碳化合物(C3)含量减少。暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP＋，若该系统气泵停转时间较长，则模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足，从而导致模块2中的能量转换效率也会发生改变。(3)由于植物中糖类的积累量＝光合作用合成糖类的量－细胞呼吸消耗糖类的量。与植物相比，人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类，所以在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量高于植物。(4)干旱条件下，土壤含水量低，导致植物叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少。因此，干旱条件下，很多植物光合作用速率降低。[答案]

(1)模块1和模块2五碳化合物(或C5)(2)减少模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足(3)高于人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或植物呼吸作用消耗糖类)

(4)叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少[追根溯源]

高考“源于教材，高于教材”(1)(教材必修1P106

“练习与应用”

概念检测T3)比较图解可以直接回答例题中第(1)、(2)小题。(2)(教材必修1P106

“练习与应用”拓展应用T1)10～12时的光合作用强度不断下降的原因是什么？与例题第(4)小题答案相似。(3)“光合作用有机物积累量＝总光合作用生产量－呼吸消耗量”从这个基本关系可以解释例题第(3)小题。[升维训练]1．请结合典例回答下列问题。(1)[典例]中模块2酶促反应的产物应该是什么？请说出推理过程。提示：ATP和NADPH；因为还原C3需要二者提供能量并且NADPH是活泼的还原剂。(2)光合作用的产物会直接形成淀粉、某些氨基酸。利用图示装置生产的有这些产物吗？为什么？提示：没有。因为图示原料只有含碳化合物，而且模块3模拟的是卡尔文循环，只有糖类生成。(3)通过煤炭发电，利用该系统装置是否也能产生糖类？对通过煤炭发电转化生成糖的方案可行性进行简要论证。提示：能。煤炭