2020版高考生物二轮复习 专题二 细胞代谢 考点3 光合作用和细胞呼吸有关探究实验学案

2020版高考生物二轮复习 专题二 细胞代谢 考点3 光合作用和细胞呼吸有关探究实验学案

1 考点 3 光合作用和细胞呼吸有关探究实验 1．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。 (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——置于黑暗环境中一段时间。 (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)探究酵母菌的呼吸方式，检测产生的 CO2 情况——用澄清石灰水或溴麝香草酚蓝水溶液。 (9)除去叶片中叶绿素——酒精隔水加热。 (10)如何得到单色光——棱镜色散或薄膜滤光。 2．光合作用、细胞呼吸实验的设计技巧 (1)变量的控制手段，如光照强度的大小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，若要确认 CO2 是光合作用的原料， 应以 CO2 有无(如添加 NaHCO3，还是添加 NaOH 设置对照实验)为变量，若要确认 CO2 浓度对光 合速率的影响，则应以不同浓度的 CO2 缓冲液为变量。 (2)典型的方法 ①“黑白瓶法”：用黑瓶(无光照的一组)测得的为细胞呼吸强度，用白瓶(有光照的一组) 测得的为净光合作用强度，综合两者即可得到真光合作用强度。 ②梯度法：用一系列不同光照强度、温度或 CO2 浓度的装置，可探究光照强度、温度或 CO2 浓度对光合作用强度的影响。 题型一 细胞呼吸影响因素的实验探究 1．(2018·天津，5)为探究酵母菌的呼吸方式，在连通 CO2 和 O2 传感器的 100 mL 锥形瓶中， 加入 40 mL 活化酵母菌和 60 mL 葡萄糖培养液，密封后在最适温度下培养。培养液中的 O2 和 CO2 相对含量变化见下图。有关分析错误的是( ) 2 A．t1→t2，酵母菌的有氧呼吸速率不断下降 B．t3 时，培养液中葡萄糖的消耗速率比 t1 时快 C．若降低 10 ℃培养，O2 相对含量达到稳定所需时间会缩短 D．实验后的培养液滤液加入适量酸性重铬酸钾溶液后变成灰绿色 答案 C 解析 t1→t2，培养液中 O2 相对含量下降，但与 0→t1 段相比，下降幅度变小，故酵母菌的 有氧呼吸速率不断下降，A 正确；t3 时，培养液中 O2 相对含量比较低，酵母菌主要进行无氧 呼吸，t1 时，培养液中 O2 相对含量较高，酵母菌主要进行有氧呼吸。t3 时无氧呼吸产生 CO2 的速率与 t1 时产生 CO2 的速率近似相等，相同量的葡萄糖无氧呼吸产生的 CO2 量比有氧呼吸 少，可见 t3 时培养液中葡萄糖的消耗速率比 t1 时快，B 正确；由题意可知，曲线是在最适温 度下获得的，若降低 10 ℃培养，则呼吸速率下降，O2 相对含量达到稳定所需时间会延长， C 错误；因酵母菌在后期进行了长时间的无氧呼吸，产生了酒精，故实验后的培养液滤液加 入适量橙色的酸性重铬酸钾溶液后会变成灰绿色，D 正确。 2．(2018·漯河高级中学二模)下图是探究小鼠在不同温度下呼吸速率(用单位时间的耗氧量 表示)的实验装置，打开夹子 A，可使水检压计左右水平一致；关闭夹子 A，用注射器向广口 瓶中注入 5 mL O2，水检压计左侧液面升高，记录左右液面重新相平时所用的时间。下列叙 述错误的是( ) A．用注射器向广口瓶中注入 5 mL 氧气后要立刻关闭夹子 B B．测定小鼠的呼吸速率需要多次重复进行，最后取平均值 C．小鼠在 25 ℃时的呼吸速率高于 10 ℃时的呼吸速率 D．NaOH 的作用是排除小鼠呼吸产生的 CO2 对实验结果的干扰 答案 C 解析 用注射器向广口瓶中注入 5 mL 氧气后要立刻关闭夹子 B，否则氧气袋及注射器中的 3 氧气会影响实验结果，从而不能保证广口瓶内的气体变化只是由小鼠的细胞呼吸引起的，A 正确；测定小鼠的呼吸速率要在安静的状态下进行，需要多次重复实验，最后取平均值，B 正确；小鼠为恒温动物，为保持体温恒定，在 10 ℃时，代谢加强，产热增加，呼吸速率大 于 25 ℃时的呼吸速率，C 错误；NaOH 的作用是排除细胞呼吸产生的 CO2 对实验结果的干扰， 使实验中气体的变化仅为氧气的变化，D 正确。 归纳提炼 探究呼吸方式的实验材料的选择 (1)若探究种子呼吸状况，不必遮光，但需要死亡的种子作对照，还需对种子表面消毒。 (2)若探究植物(或幼苗)的呼吸状况，应遮光处理，以防止光合作用干扰，同时可设置同种 状况但已经死亡的植物(或幼苗)作对照。 题型二 光合作用影响因素的实验探究 3.植物的光合作用速率既与自身因素有关，也受多种外界因素影响。如图是两株植物在一定 的光照强度和温度条件下测定的 CO2 浓度对光合作用影响的实验结果。请回答下列问题： (1)光合作用过程中，细胞吸收的 CO2 首先与______结合，所形成的产物接受________提供 的能量并被________还原，最终形成有机物。BC 段影响玉米光合速率的主要环境因素为 ______________。B 点时，小麦叶肉细胞光合作用速率________(填“大于”“小于”或“等 于”)细胞呼吸速率。 (2)C 点时两者光合作用速率是否相等？________(填“是”“否”或“不一定”)，说明理 由：________________________________________________________________________。 (3)研究发现 CO2 浓度为 A 时，玉米叶肉细胞 C3 的生成速率明显大于小麦，试分析玉米净光 合作用为 0 时所需 CO2 浓度低于小麦的直接原因是__________________________(假设两植 物呼吸强度相等)。 答案 (1)C5 ATP [H] 光照强度(或温度) 等于 (2)不一定 两者的细胞呼吸速率不清楚 (3)玉米光合作用暗反应过程中相关酶的活性高(或玉米暗反应中固定 CO2 的酶的活性高) 解析 据图分析，随着 CO2 浓度的增加，小麦和玉米的净光合速率都先增加，后趋于稳定， 且玉米先增加，先稳定，说明玉米能够利用较低浓度的二氧化碳进行光合作用；A、B 两点 表示两种植物的净光合作用速率为 0，即光合作用速率与细胞呼吸速率相等；C 点表示两种 植物的净光合作用速率相等，但是两种植物的呼吸速率不一定相等，所以两者的光合作用速 率也不一定相等。 4 (1)细胞吸收的 CO2 参与暗反应过程中 C3 的固定过程，即与 C5 结合形成 C3；C3 的还原需要光 反应产生的 ATP 和[H]的作用，最终形成有机物。BC 段玉米的净光合作用速率达到稳定状态， 说明影响其光合作用速率的因素不是二氧化碳浓度，而是光照强度或者温度。B 点时，小麦 的净光合作用速率为 0，说明小麦植株的光合作用速率与细胞呼吸速率相等。(2)C 点表示两 种植物的净光合作用速率相等，但是两种植物的细胞呼吸速率不一定相等，所以两者的光合 作用速率也不一定相等。(3)根据题意分析，在相同光照强度、温度和二氧化碳浓度的条件 下，且两者的呼吸速率相等，而 A 点玉米的叶肉细胞 C3 的生成速率明显大于小麦，说明玉 米利用较低浓度的二氧化碳的能力较强，可能是因为玉米光合作用暗反应过程中相关酶的活 性高。 4．(2018·惠州二模)下图是取生长旺盛、状态一致的新鲜绿叶，用打孔器打出若干圆片， 平均分成四组，各置于相同的密闭装置内，在其他条件相同且适宜的情况下，分别置于四种 不同温度(t1、t2、t3、t4)下，测得相同光照时间后各装置 O2 的增加值及黑暗条件下的 O2 消 耗值。回答下列问题： (1)本实验中能减少实验误差保证实验的可信性的措施有___________________________ _______________________________(答两点即可)。 (2)t1 温度条件下比 t2 温度条件下 C3 的合成速率______(填“大”或“小”)。 (3)t4 温度条件下的光合速率________(填“大于”“小于”或“等于”)t3 温度条件下的光 合速率。 (4)若在该光照条件下探究新鲜叶片积累有机物的最适温度，你的实验设计思路是 ________________________________________________________________________。 答案 (1)生长旺盛且状态一致的叶圆片、新鲜绿叶均等分组、相同的光照时间、相同的光 照强度 (2)小 (3)大于 (4)在一定温度范围内，设置一系列温度梯度的实验，测定该光 照强度下，各温度条件下 O2 的增加值，O2 增加值峰值所对应的温度即最适温度 解析 (1)本实验的自变量是不同温度，因变量是光照条件下各装置 O2 的增加值及黑暗条件 下 O2 的消耗值。为了减小实验误差，保证实验的可信性，无关变量应控制相同且适宜，因 此相应的措施有：生长旺盛且状态一致的叶圆片、新鲜绿叶均等分组、相同的光照时间、相 同的光照强度等。(2)暗反应阶段，C5 与 CO2 反应生成 C3。由柱形图可知，在 t1 时，黑暗条 件下 O2 消耗值(CO2 的生成值)小于 t2 时黑暗条件下 O2 的消耗值，即 t1 时呼吸速率小于 t2 时呼 吸速率，t1 光照条件下 O2 增加值小于 t2 时 O2 增加值，即 t1 时净光合速率小于 t2 时净光合速 5 率，因为总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，所以 t1 时光合速率＜t2 时光合速率，即 t2 时 C3 的合成速率大。(3)黑暗条件下 O2 的消耗值表示呼吸速率，光照条件下的 O2 增加值表示 净光合速率，净光合速率＝光合速率－呼吸速率。t3、t4 温度条件下的净光合速率依次是 12.2 mg/h 和 12.0 mg/h，呼吸速率依次是 8.0 mg/h 和 12.0 mg/h，进而推知：光合速率依次是 20.2 mg/h 和 24.0 mg/h。可见，t4 温度条件下的光合速率大于 t3 温度条件下的光合速率。 (4)新鲜叶片积累有机物的量的多少取决于净光合速率的大小，净光合速率越大，新鲜叶片 积累有机物的量越多。若在该光照条件下探究新鲜叶片积累有机物的最适温度，则自变量是 不同温度，因变量是光照条件下各装置 O2 的增加值，因此实验设计的思路是：在一定温度 范围内，设置一系列温度梯度的实验，测定该光照强度下，各温度条件下 O2 的增加值，O2 增加值峰值所对应的温度即最适温度。 题型三 光合作用速率的测定 5．(2018·六安一中三模)用等体积的三个玻璃瓶甲、乙、丙，同时从某池塘水深 0.5 m 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，结果如下(不考虑化能合成作用)。下列有关分 析合理的是( ) 透光玻璃瓶甲 透光玻璃瓶乙 不透光玻璃瓶丙 4.9 mg 5.6 mg 3.8 mg A.丙瓶中浮游植物的细胞产生[H]的场所是细胞质基质和线粒体内膜 B．在一昼夜内，丙瓶生物细胞呼吸消耗的氧气量约为 1.1 mg C．在一昼夜后，乙瓶水样的 pH 比丙瓶的低 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 1.1 mg 答案 B 解析 丙瓶内无光，其中的浮游植物只进行细胞呼吸，产生[H]的场所有细胞质基质和线粒 体基质，A 错误；丙瓶消耗的氧气可代表浮游植物的呼吸消耗，约为 4.9－3.8＝1.1(mg)，B 正确；乙瓶植物光合作用产生 O2，瓶内 CO2 减少，丙瓶植物消耗 O2，瓶内 CO2 增多，因此乙 瓶水样的 pH 比丙瓶的高，C 错误；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＋细胞呼吸消耗氧气量＝5.6－4.9＋(4.9－3.8)＝1.8(mg)，D 错误。 6．(2018·安庆二模)研究人员以小麦幼苗为材料，利用密闭透光装置对影响光合作用的环 境因素进行研究(有关代谢速率以单位时间内气体体积变化量表示，不考虑无氧呼吸)。回答 下列问题： (1)小麦叶肉细胞光合作用光反应发生的场所是________________，若突然大幅度减弱光照， 则短期内叶肉细胞中 C3 和 C5 含量的变化情况分别为________________。 (2)为测定温度为 T、光照强度为 a 时的真正光合速率，研究人员设计两组实验：甲组将小 6 麦幼苗置于温度为 T、黑暗、放置 NaOH 溶液的条件下，测得单位时间内气体体积减少量为 X； 乙组将生长状况与甲组相同的小麦幼苗置于_____________________________________ ___________________________________ 条件下，测得单位时间内气体体积增加量为 Y。该植物真正光合速率为________。 (3)当 Y 等于 0 时的光照强度是否为叶肉细胞的光补偿点？为什么？ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 (1)(叶绿体)类囊体薄膜(或基粒) (C3)增多、(C5)减少 (2)温度为 T、光照强度为 a、 放置 NaHCO3(或 KHCO3 等)溶液 X＋Y (3)不是，因为 Y 等于 0 时，叶肉细胞的光合速率等 于整个植株的呼吸速率，大于叶肉细胞的呼吸速率(合理即可) 解析 (1)光反应发生的场所是叶绿体类囊体薄膜，暗反应发生的场所是叶绿体基质。若突 然大幅度减弱光照，则短期内叶肉细胞中 ATP 和[H]生成减少，C3 还原减慢，而 CO2 与 C5 结 合生成 C3 的速率不变，故 C3 含量增多、C5 含量减少。(2)黑暗条件下，测得的单位时间气体 体积减小量 X 表示小麦幼苗的呼吸速率。要测得乙组小麦幼苗在光照强度为 a、温度为 T 时 的真正光合速率，需测量相同条件下的净光合速率，即将生长状况与甲组相同的小麦幼苗置 于温度为 T、光照强度为 a、放置 NaHCO3(或 KHCO3 等)溶液条件下，测得的单位时间内气体 体积增加量 Y 即净光合速率。故小麦真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝Y＋X。(3)Y 等于 0 时，即植株的净光合速率＝0，此时植株上能进行光合作用的细胞(如叶肉细胞)的光 合速率等于整个植株上所有细胞的呼吸速率，所以在该条件下，叶肉细胞的光合速率应大于 其呼吸速率。