2024年高中生物新教材同步必修第一册 第5章 微专题四　光合作用与细胞呼吸的关系、曲线模型及相关实验设计

光合作用与细胞呼吸的关系、曲线模型及相关实验设计一、光合作用与细胞呼吸的关系1．光合作用和细胞呼吸的联系与区别项目光合作用有氧呼吸代谢类型合成作用(或同化作用)分解作用(或异化作用)物质变化无机物eq\o(→,\s\up7(合成))有机物有机物eq\o(→,\s\up7(分解))无机物能量变化光能→化学能(储能)化学能→ATP、热能(放能)实质合成有机物，储存能量分解有机物、释放能量，供细胞利用场所叶绿体活细胞(主要在线粒体)条件只在光下进行有光、无光都能进行联系(1)物质方面①C：CO2eq\o(→,\s\up7(暗反应))(CH2O)eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第一阶段))丙酮酸eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第二阶段))CO2。②O：H2Oeq\o(→,\s\up7(光反应))O2eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第三阶段))H2O。③H：H2Oeq\o(→,\s\up7(光反应))NADPHeq\o(→,\s\up7(暗反应))(CH2O)eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第一、二阶段))[H]eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第三阶段))H2O。(2)能量方面：光能eq\o(→,\s\up7(光反应))ATP和NADPH中的能量eq\o(→,\s\up7(暗),\s\do5(反应))CH2O中的能量eq\o(→,\s\up7(细胞),\s\do5(呼吸))eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(热能,ATP中的能量→各项生命活动))2．微观辨析真正(总)光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系(以光合速率大于呼吸速率为例)(1)绿色植物组织在黑暗条件下测得的数值表示呼吸速率。(2)绿色植物组织在有光的条件下，光合作用与细胞呼吸同时进行，测得的数值表示净光合速率。(3)(总)光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。用O2、CO2或葡萄糖的量表示如下：①光合作用产生的O2量＝实际测得的O2释放量＋细胞呼吸消耗的O2量。②光合作用固定的CO2量＝实际测得的CO2吸收量＋细胞呼吸释放的CO2量。③光合作用产生的葡萄糖量＝葡萄糖的积累量(增重部分)＋细胞呼吸消耗的葡萄糖量。3．光饱和点和补偿点的移动问题(1)细胞呼吸对应点(A点)的移动：细胞呼吸增强，A点下移，细胞呼吸减弱，A点上移。(2)补偿点(B点)的移动①细胞呼吸速率增加，其他条件不变时，CO2(或光)补偿点应右移，反之左移。②细胞呼吸速率基本不变，相关条件的改变使光合速率下降时，CO2(或光)补偿点应右移，反之左移。(3)饱和点(D点)的移动相关条件的改变(如增大光照强度或增大CO2浓度)使光合速率增大时，D点右移，C点上移的同时右移；反之，移动方向相反。方法技巧光补偿点和光饱和点移动的规律例1如图表示光合作用与细胞呼吸过程中部分物质变化的关系。下列说法正确的是()A．图中①②过程消耗ATP，③④⑤过程产生ATPB．①②过程在叶绿体中进行，③④⑤过程在线粒体中进行C．①过程产生的NADPH参与②过程，③和④过程产生的[H]与氧结合产生水D．高等植物所有的细胞都可以进行①②③④⑤过程答案C解析分析图示可知，①过程表示光反应阶段，②过程表示暗反应阶段，①过程产生的ATP用于②过程，③④⑤表示有氧呼吸全过程，三个阶段都产生ATP，A错误；真核细胞中，①②过程在叶绿体中进行，③过程在细胞质基质中进行，④⑤过程在线粒体中进行，B错误；①光反应阶段产生的NADPH参与②暗反应中C3的还原，③和④过程产生的[H]都在有氧呼吸的第三阶段与氧结合产生水，C正确；高等植物所有的细胞不一定都可以进行①②过程，如高等植物的根尖细胞不能进行光合作用，因此不能进行①②过程，D错误。例2龙血树在《本草纲目》中被誉为“活血圣药”，有消肿止痛、收敛止血的功效。图甲、乙分别为龙血树在不同条件下相关指标的变化曲线(单位：mmol·cm－2·h－1)。下列叙述错误的是()A．据图甲分析，温度为30℃和40℃时，叶绿体消耗二氧化碳的速率相等B．40℃条件下，若黑夜和白天时间相等，龙血树能正常生长C．补充适量的无机盐可能导致图乙中D点左移D．图乙中影响D、E两点光合速率的主要环境因素相同答案B解析叶绿体消耗二氧化碳的速率表示总光合速率，总光合速率＝呼吸速率＋净光合速率，据图甲分析，温度为30℃和40℃时，叶绿体消耗二氧化碳的速率相等，A正确；40℃条件下，净光合速率等于呼吸速率，若黑夜和白天时间相等，则植物积累有机物的量为(5＋5)×12－5×24＝0，故龙血树不能正常生长，B错误；补充适量无机盐可能使龙血树的光合速率增加，则光补偿点变小，D点左移，C正确；图乙中影响D、E两点光合速率的主要环境因素相同——光照强度，D正确。二、自然环境及密闭容器中光合作用变化的模型图甲为自然环境中一昼夜CO2吸收和释放变化曲线，图乙为密闭玻璃罩内CO2浓度与时间的关系曲线。图甲：夏季一昼夜CO2吸收和释放变化曲线图乙：密闭玻璃罩内CO2浓度与时间的关系曲线b点：凌晨2～4时，温度降低，细胞呼吸减弱，CO2释放减少。c点：有微弱光照，植物开始进行光合作用。cd段：光合速率小于呼吸速率。d点：上午7时左右，光合速率等于呼吸速率。dh段：光合速率大于呼吸速率。f点：温度过高，部分气孔关闭，出现“光合午休”现象。h点：下午6时左右，光合速率等于呼吸速率。hi段：光合速率小于呼吸速率。ij段：无光照，光合作用停止，只进行细胞呼吸AC段：无光照，植物只进行细胞呼吸。AB段：温度降低，细胞呼吸减弱。CD段：4时后，有微弱光照，开始进行光合作用，但光合作用强度小于细胞呼吸强度。D点：随光照增强，光合作用强度等于细胞呼吸强度。DH段：光合作用强度大于细胞呼吸强度。其中EF段出现“光合午休”现象。H点：随光照减弱，光合作用强度下降，此时光合作用强度等于细胞呼吸强度。HJ段：光照继续减弱，光合作用强度小于细胞呼吸强度，直至光合作用完全停止(1)有关有机物变化情况的分析(图甲中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是曲线与横纵坐标围成的面积)①能进行光合作用制造有机物时间段：ci段(CI段)；消耗有机物时间段：aj段(AJ段)。②积累有机物时间段：dh段(DH段)；一天中有机物积累最多的时间点：h点(H点)。③光补偿点：d点和h点(D点和H点)。④图甲：一昼夜有机物积累量＝SⅡ－(SⅠ＋SⅢ)。(2)相对密闭环境中，一昼夜植物体内有机物总量变化分析(图乙)积累量可用J点与A点对应的CO2浓度的差值表示，据此可判断24小时该植物是否积累有机物。①如果J点低于A点，说明经过一昼夜，光合作用制造的有机物多于细胞呼吸消耗的有机物(光合作用CO2固定量大于细胞呼吸CO2产生量)，植物体内的有机物总量增加。②如果J点高于A点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量减少。③如果J点等于A点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量不变。例3将一植株放在密闭玻璃罩内，置于室外一昼夜，获得实验结果如图所示。下列有关说法错误的是()A．图甲中的光合作用开始于C点之前，结束于F点之后B．到达图乙中的d点时，玻璃罩内的CO2浓度最高C．图甲中的F点对应图乙中的g点D．经过这一昼夜之后，植物体的有机物含量会增加答案C解析图甲中的C、F点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率，根据相应的时间可知，与图乙中的d、h点相符，即C点对应d点，F点对应h点，C错误。例4(2023·河北石家庄高一校联考期末)某实验研究员对密闭蔬菜大棚中的黄瓜植株进行了一昼夜的光合作用和细胞呼吸调查，结果如图所示，SM、SN、Sm分别表示图中相应图形的面积。下列叙述正确的是()A．E点时大棚中CO2浓度最高，O2浓度最低B．经过一昼夜后，黄瓜植株的净增加量应为Sm－SM－SNC．B点时产生ATP的场所只有线粒体和细胞质基质D．D点时黄瓜叶肉细胞中，其光合速率等于细胞呼吸速率答案B解析B点之前经过一晚上的细胞呼吸释放CO2，此时大棚中的CO2浓度达到最大，此后由于光合作用大于细胞呼吸，CO2浓度开始下降；同时由于晚上消耗O2，此时O2浓度最低，即B点时大棚中CO2浓度最高，O2浓度最低，A错误；图中SM、SN均表示细胞呼吸消耗的有机物量，Sm表示光合作用积累的有机物量，因此，经过一昼夜后，黄瓜植株的净增加量应为Sm－SM－SN，B正确；图中B点时光合速率等于细胞呼吸速率，此时既进行光合作用，也进行细胞呼吸，则植物体内产生ATP的场所有线粒体、细胞质基质和叶绿体(类囊体薄膜)，C错误；D点表示CO2的吸收量等于CO2的释放量，说明D点时黄瓜植株光合速率等于细胞呼吸速率，但在叶肉细胞中，其光合速率大于细胞呼吸速率，D错误。三、测定光合速率和呼吸速率的方法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NaOH溶液用于吸收CO2。b．玻璃钟罩遮光处理，以排除光合作用的干扰。c．置于适宜温度环境中。d．红色液滴向左移动(用红色液滴单位时间内向左移动的距离代表呼吸速率)。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．必须给予较强光照处理，且温度适宜。c．红色液滴向右移动(用红色液滴单位时间内向右移动的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。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．叶圆片称重法测定单位时间、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)。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。3．黑白瓶法“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，测定的是有氧呼吸量；“白瓶”给予光照，测定的是净光合作用量，可分为有初始值与没有初始值两种情况，规律如下：规律1：有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量(或二氧化碳的增加量)为有氧呼吸量；白瓶中氧气的增加量(或二氧化碳的减少量)为净光合作用量；二者之和为总光合作用量。规律2：没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有量与黑瓶中测得的现有量之差即总光合作用量。4．半叶法如图所示，将植物对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)则留在光下进行光合作用(即不作处理)，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。例5某兴趣小组设计了如图所示的实验装置若干组，室温25℃下进行了一系列的实验，对实验过程中装置条件及结果的叙述，错误的是()A．若X溶液为二氧化碳缓冲液并给予光照时，液滴移动距离可表示净光合作用强度的大小B．若要测真正光合作用强度，需另加设一装置遮光处理，X溶液为NaOH溶液C．若X溶液为清水并给予光照，光合作用强度大于细胞呼吸强度时，液滴右移D．若X溶液为清水并遮光处理，消耗的底物为脂肪时，液滴左移答案C解析清水既不吸收和释放氧气，也不吸收和释放二氧化碳，光合作用和细胞呼吸产生和释放的氧气量和二氧化碳量相等，液滴不移动，C错误。例6某研究小组为测定不同光照条件下黑藻的光合速率，将等量且生理状态相同的黑藻植株，分装于6对黑白瓶(白瓶透光，黑瓶不透光)中，并向瓶中加入等量且溶氧量相同的干净湖水，分别置于六种不同的光照条件下，24h后6对黑白瓶中溶氧量变化情况(不考虑其他生物)如表。下列说法错误的是()光照强度(klx)0(黑暗)abcde白瓶溶氧量(mg/L)－7＋0＋6＋8＋10＋10黑瓶溶氧量(mg/L)－7－7－7－7－7－7A.可以根据黑瓶中溶氧量的变化来计算实验条件下黑藻的呼吸速率B．该实验条件下光照强度为a时白瓶中的黑藻不能生长C．白瓶中，当光照强度为d时，若其他条件不变，显著降低CO2浓度，短时间内叶肉细胞中C5含量减少D．可以根据白瓶中溶氧量的变化计算不同光照强度下黑藻的净光合速率答案C解析由题表分析可知，黑瓶中黑藻不能进行光合作用，只能进行细胞呼吸，其中溶氧量的减少代表水体中生物的呼吸速率，不考虑其他生物，因此可以根据黑瓶中溶氧量的变化来计算实验条件下黑藻的呼吸速率，A正确；表中光照强度为a时，白瓶中溶解氧变化量为0，说明此时黑藻的净光合速率为0，因此，该光照条件下的黑藻不能生长，B正确；白瓶中，当光照强度为d时，若其他条件不变，显著降低CO2浓度，则会导致C5的消耗量减少，而C3的还原过程基本不变，因此，短时间内叶肉细胞中C5含量增加，C错误；综合分析可知，白瓶中溶氧量的变化代表黑藻的净光合速率，因此可根据白瓶中溶氧量的变化计算不同光照强度下黑藻的净光合速率，D正确。1．如图所示为甘蔗一个叶肉细胞内的系列反应过程，下列有关说法正确的是()A．过程①中叶绿体中的四种色素都主要吸收蓝紫光和红光B．过程②发生在叶绿体基质，过程③发生在线粒体C．过程①产生NADPH，过程②消耗NADPH，过程③既产生也消耗NADHD．若过程②的速率大于过程③的速率，则甘蔗的干重就会增加答案C解析由图分析可知，①是光反应阶段，②是暗反应阶段，③是细胞呼吸生成ATP，④是ATP中的能量用于各项生命活动。光反应中吸收光能的色素中，叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，胡萝卜素主要吸收蓝紫光，A错误；暗反应阶段发生在叶绿体基质中，细胞呼吸产生ATP的场所是细胞质基质和线粒体，B错误；如果暗反应的速率大于呼吸速率，只能说明这一个叶肉细胞的光合作用强度大于细胞呼吸强度，但整个植株的干重不一定会增加，D错误。2．如果将一株绿色植物栽培在含H218O的完全培养液中，给予充足的光照，经过一段时间后，下列物质中能含18O的是()①周围空气的氧气②周围空气的二氧化碳③周围空气的水分子④光合作用产生的葡萄糖A．①B．①③C．①②③D．①②③④答案D解析水的光解产生氧气，周围空气中的氧气含有18O，①正确；水参与细胞呼吸过程，与丙酮酸反应产生二氧化碳释放到空气中，②正确；植物吸收的水大多数用于蒸腾作用散失到空气中，③正确；由于周围空气的二氧化碳含18O，二氧化碳是光合作用的原料，光合作用生成的葡萄糖也含有18O，④正确。3．图甲表示某植物在不同光照强度下单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化。图乙表示该植物在不同光照强度下单位时间内CO2吸收量或CO2释放量。假设不同光照强度下细胞呼吸强度相等，下列叙述正确的是()A．图甲中，a点时该植物产生ATP的场所只有线粒体B．图甲中，c点时该植物光合作用速率与细胞呼吸速率相等C．图甲中的d点对应对乙中的h点，都代表该植物的光饱和点D．若将环境中的CO2浓度增加，图乙中的光饱和点一定会发生改变答案B解析图甲中，a点时该植物只进行细胞呼吸，该植物产生ATP的场所有线粒体、细胞质基质，A错误；图甲中，a点光照强度条件下，O2的产生总量为0，植物不进行光合作用，此时的CO2释放量可表示细胞呼吸速率，c点时O2的产生总量为6，即c点时该植物光合作用速率与细胞呼吸速率相等，B正确；图甲显示的O2产生总量反映的是真正光合作用的量，CO2释放量＝细胞呼吸CO2产生量－光合作用CO2消耗量，图甲中d点只能说明此时光合作用速率＞细胞呼吸速率；而图乙中的h点为光的饱和点，故d点不一定对应h点，C错误；若将环境中的CO2浓度增加，图乙中的光饱和点不一定会发生改变，D错误。4．如图是密闭大棚内番茄在24小时测得的CO2含量和CO2吸收速率的变化曲线图。下列有关叙述错误的是()A．a点CO2释放量减少可能是由于温度降低使细胞呼吸减弱B．d点时光合速率虽有所下降，但仍大于呼吸速率C．如果N点低于M点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量增加D．番茄通过光合作用制造有机物的时间是ce段答案D解析a点之后CO2的释放量又增加，可推测a点是温度降低导致细胞呼吸减弱，CO2释放量减少，A正确；d点时气温高，蒸腾作用过强导致部分气孔关闭，CO2供应不足，光合速率下降，但净光合速率仍大于0，即光合速率仍大于呼吸速率，B正确；番茄通过光合作用制造有机物的时间是bf段，ce段属于有机物的积累阶段，D错误。5．用等体积的黑、白玻璃瓶从某池塘水深0.5m处的同一位置取满水样，密封后再置于原来的水层中。一昼夜后取出，分别测定两瓶中的氧气量，结果如表(不考虑化能合成作用和无氧呼吸)。下列有关分析正确的是()透光白玻璃瓶不透光黑玻璃瓶5.6mg3.8mgA．白瓶中浮游植物的细胞内产生ATP的场所是细胞质基质和线粒体B．在一昼夜后，白瓶中水样的pH比黑瓶中的低C．在一昼夜内，黑瓶中的生物通过细胞呼吸消耗的氧气量约为1.8mgD．在一昼夜内，白瓶中的生产者通过光合作用产生的氧气量约为1.8mg答案D解析白瓶中浮游植物的细胞既可以进行光合作用，也可进行细胞呼吸，故产生ATP的场所有叶绿体、细胞质基质和线粒体，A错误；一昼夜后，白瓶中溶氧量增加，说明有二氧化碳的吸收，故其中水样的pH比黑瓶中的高，B错误；不透光黑瓶中的起始氧气量未知，无法计算出黑瓶中的生物通过细胞呼吸消耗的氧气量，C错误；设原来瓶中溶氧量为x，一昼夜内，白瓶中生产者真正光合作用释放的氧气量约为净光合作用释放氧气量＋细胞呼吸消耗氧气量＝(5.6－x)＋(x－3.8)＝1.8(mg)，D正确。6．为测定光合作用速率的变化，某科研小组将番茄放入密闭的透明玻璃小室中，如图甲所示。将该装置放于自然环境中，测定夏季一昼夜小室内植物O2释放速率的变化，结果如图乙。请据图分析并回答下列问题：(1)图乙曲线中，a～b段上升的原因是____________________________；e～f段下降是因为____________________________，从而导致光合速率下降；h点时番茄叶肉细胞内产生ATP的场所有________________________。(2)图乙曲线中d点时刻，图甲装置中有色液滴的位置位于起始位置(0点)的________(填“左侧”“右侧”或“起始位置”)。有色液滴移到最右侧对应图乙曲线中的________点。小组成员在上午某段时间内，记录有色液滴移动位置时，获得了以下数据：每隔20分钟记录一次数据……11131723……则该组实验数据是在图乙曲线的________段获得的。(3)如果要测定该植物的真正光合速率，还需增加一组实验，其设计思路是：______