核心素養微專題(七)|科學探究(3)光合速率的測定方法及實驗探究(2021·浙江1月選考)現以某種多細胞綠藻為材料，研究環境因素對其葉綠素a含量和光合速率的影響。實驗結果如圖，圖中的綠藻質量為鮮重。回答下列問題：(1)實驗中可用95%乙醇溶液提取光合色素，經處理后，用光電比色法測定色素提取液的____________，計算葉綠素a的含量。由甲圖可知，與高光強組相比，低光強組葉綠素a的含量較______，以適應低光強環境。由乙圖分析可知，在________條件下溫度對光合速率的影響更顯著。(2)葉綠素a的含量直接影響光反應的速率。從能量角度分析，光反應是一種________反應。光反應的產物有_______________和O2。光密度值高高光強吸能ATP、NADPH解析：（1)葉綠體中的4種光合色素含量和吸光能力存在差異，因此可以利用光電比色法測定色素提取液的光密度值來計算葉綠素a的含量；由甲圖可知，與高光強組相比，低光強組葉綠素a的含量較高，以增強吸光的能力，從而以適應低光強環境；由乙圖分析可知，低光強條件下，不同溫度下的綠藻放氧速率相差不大，高光強條件下，不同溫度下的綠藻放氧速率相差很大，因此在高光強條件下，溫度對光合速率的影響更顯著。(2)葉綠素a的含量直接影響光反應的速率。從能量角度分析，光反應需要消耗太陽能，光反應是一種吸能反應；光反應過程包括水的光解(產生NADPH和氧氣)和ATP的合成，因此光反應的產物有ATP、NADPH和O2。(3)圖乙的綠藻放氧速率比光反應產生O2的速率________，理由是______________________________________________________________。(4)綠藻在20℃、高光強條件下細胞呼吸的耗氧速率為30μmol·g－1·h－1，則在該條件下每克綠藻每小時光合作用消耗CO2生成________μmol的3-磷酸甘油酸。小綠藻放氧速率等于光反應產生氧氣的速率減去細胞呼吸消耗氧氣的速率360解析：(3)圖乙的綠藻放氧速率表示凈光合速率，綠藻放氧速率等于光反應產生氧氣的速率減去細胞呼吸消耗氧氣的速率，因此圖乙的綠藻放氧速率比光反應產生氧氣的速率小。(4)由圖乙可知，綠藻在20℃、高光強條件下細胞呼吸的耗氧速率為30μmol·g－1·h－1，綠藻放氧速率為150μmol·g－1·h－1，光合作用產生的氧氣速率為180μmol·g－1·h－1，因此每克綠藻每小時光合作用消耗CO2為180μmol，因為1分子的二氧化碳與1個RuBP結合形成2分子3-磷酸甘油酸，故每克綠藻每小時光合作用消耗CO2生成180×2＝360μmol的3-磷酸甘油酸。一、光合速率與呼吸速率的實驗測定1．“裝置圖法”測定光合速率與呼吸速率(1)測定裝置(2)測定方法及解讀①測定呼吸速率(裝置甲)a．裝置甲燒杯中放入適宜濃度的NaOH溶液用于吸收CO2。b．玻璃鐘罩遮光處理，以排除光合作用干擾。c．置于適宜溫度環境中。d．單位時間內向左移動距離代表呼吸速率。②測定凈光合速率(裝置乙)a．裝置乙燒杯中放入適宜濃度的CO2緩沖液，用于保證容器內CO2濃度恒定，滿足光合作用需求。b．給予較強光照處理，且溫度適宜。c．單位時間內向右移動距離代表凈光合速率。③根據“總(真正)光合速率＝呼吸速率＋凈光合速率”可計算得到總(真正)光合速率。(3)物理誤差的校正：為防止氣壓、溫度等物理因素所引起的誤差，應設置對照實驗，即用死亡的相同綠色植物分別進行上述實驗，根據紅色液滴的移動距離對原實驗結果進行校正。2．“黑白瓶法”測定光合速率與呼吸速率“黑白瓶”問題是一類通過凈光合作用強度和有氧呼吸強度推算總光合作用強度的試題，其中“黑瓶”不透光，瓶中氧氣的減少量(或二氧化碳的增加量)為有氧呼吸量；“白瓶”給予光照，瓶中氧氣的增加量(或二氧化碳的減少量)為凈光合作用量。3．“半葉法”測定光合作用有機物的產生量“半葉法”的原理是將對稱葉片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做處理，并采用適當的方法(可先在葉柄基部用熱水或熱石蠟液燙傷或用呼吸抑制劑處理)阻止兩部分的物質和能量轉移。在適宜光照下照射6小時后，在A、B的對應部位截取同等面積的葉片，烘干稱重，分別記為MA、MB，M＝MB－MA，M表示B葉片被截取部分在6小時內光合作用合成的有機物總量。4．“葉片上浮法”探究影響光合作用的因素利用針筒排出葉肉細胞間隙的空氣，使葉片沉于水中。在光合作用過程中植物吸收CO2放出O2，O2在細胞間積累，使下沉的葉片上浮。根據在相同時間內上浮葉片數目的多少(或者葉片全部上浮至液面所需時間的長短)，就能比較光合作用的強弱。5．葉圓片稱量法測定單位時間、單位面積葉片中淀粉的生成量，如圖所示以有機物的變化量測定光合速率(S為葉圓片面積)。(1)凈光合速率＝(z－y)/2S；(2)呼吸速率＝(x－y)/2S；(3)總光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。6．梯度法用一系列不同光照強度、溫度或CO2濃度裝置，可探究光照強度、溫度或CO2濃度對光合作用強度的影響。7．指示劑測定法利用指示劑在參與細胞代謝的過程中顏色的變化，來判斷或測量代謝的過程和方式。8．紅外線CO2傳感器由于CO2對紅外線有較強的吸收能力，CO2的多少與紅外線的降低量之間有一定的線性關系，因此CO2含量的變化即可靈敏的反應在檢測儀上，常用紅外線CO2傳感器來測量CO2濃度的變化。[提醒]光合作用與細胞呼吸實驗設計中實驗條件的控制方法(1)增加水中氧氣——泵入空氣或放入綠色水生植物。(2)減少水中氧氣——容器密封或油膜覆蓋或煮沸冷卻。(3)除去容器中的二氧化碳——氫氧化鈉溶液。(4)保持容器中二氧化碳濃度不變——NaHCO3溶液。(5)除去葉片中原有的淀粉——置于黑暗環境中較長時間。(6)除去光合作用對細胞呼吸的干擾——給植株遮光。(7)消除種子表面微生物對種子細胞呼吸速率測定的影響——消毒。(8)除去葉片中葉綠素——酒精隔水加熱(脫色)。(9)得到單色光——棱鏡色散或薄膜濾光。二、光合作用與細胞呼吸實驗的設計技巧1．實驗設計中必須注意的三點(1)變量的控制手段，如光照強度的強弱可用不同功率的燈泡(或相同功率的燈泡，但與植物的距離不同)進行控制，不同溫度可用不同恒溫裝置控制，CO2濃度的大小可用不同濃度的CO2緩沖液調節。(2)對照原則的應用，不能僅用一套裝置通過逐漸改變其條件進行實驗，而應該用一系列裝置進行相互對照。(3)無論哪種裝置，在光下測得的數值均為“凈光合作用強度”值。2．解答光合作用與細胞呼吸的實驗探究題時必須關注的信息是加“NaOH”還是加“NaHCO3”；給予“光照”處理還是“黑暗”處理；是否有“在溫度、光照最適宜條件下”等信息。1．用等體積的三個玻璃瓶甲、乙、丙同時從某池塘水深0.5m處的同一位置取滿水樣，立即測定甲瓶中的氧氣含量，并將乙、丙瓶密封后沉回原處。一晝夜后取出玻璃瓶，分別測定兩瓶中的氧氣含量，結果如表(不考慮化能合成作用)。下列有關分析不合理的是(

)透光玻璃瓶甲透光玻璃瓶乙不透光玻璃瓶丙氧氣含量(mg)5.46.62.5A.丙瓶中浮游植物的細胞中產生ATP的場所是細胞質基質和線粒體B．在一晝夜內，丙瓶中生物細胞呼吸消耗的氧氣量約為2.9mgC．在一晝夜后，乙瓶水樣的pH比丙瓶的高D．在一晝夜內，乙瓶中生產者實際光合作用釋放的氧氣量約為1.2mg答案：D解析：玻璃瓶丙不透光，瓶內浮游植物只進行細胞呼吸，則植物細胞產生ATP的場所為細胞質基質、線粒體，A項正確。由于丙瓶為不透光的玻璃瓶，一定時間內消耗的氧氣量可代表瓶內生物的呼吸速率，則在一晝夜內，丙瓶中生物細胞呼吸消耗的氧氣量約為5.4－2.5＝2.9(mg)，B項正確。二氧化碳溶于水中可導致溶液pH發生變化，乙瓶中光合作用的進行使氧氣增多，二氧化碳減少，而丙瓶中生物只進行呼吸作用，消耗氧氣釋放二氧化碳，故乙瓶水樣的pH比丙瓶的高，C項正確。在一晝夜內，乙瓶中生產者實際光合作用釋放的氧氣量＝凈光合作用釋放氧氣量＋呼吸作用消耗氧氣量，約為(6.6－5.4)＋(5.4－2.5)＝4.1(mg)，D項錯誤。2.如圖所示，將對稱葉片左側遮光，右側曝光，并采用適當的方法阻止兩部分之間的物質和能量的轉移。在適宜光照下照射12小時后，從兩側截取同等單位面積的小圓葉片，烘干稱重，質量分別記為a和b(單位：g)。下列敘述正確的是(

)A．a/12所代表的是該小圓葉片的呼吸速率B．b/12所代表的是該小圓葉片的光合速率C．(b＋a)/12所代表的是該小圓葉片的真光合速率D．(b－a)/12所代表的是該小圓葉片的真光合速率D解析：分析題圖，左側葉片遮光，故左側葉片只能進行呼吸作用，a為遮光12小時截取的小圓葉片的質量，a/12不能代表小圓葉片的呼吸速率，A錯誤；右側葉片曝光，右側葉片既進行光合作用也進行呼吸作用，b/12不能代表小圓葉片的光合速率，B錯誤；設截取的小圓葉片原來的質量為M，真光合速率為y，呼吸速率為x，則M－12x＝a，M＋12×(y－x)＝b，則y＝(b－a)/12，即真光合速率為(b－a)/12，C錯誤，D正確。3．(多選)在如圖所示的玻璃容器中，注入一定濃度的NaHCO3溶液并投入少量的新鮮綠葉碎片，密閉后，設法減小液面上方的氣體壓強，會看到葉片沉入水中。然后再用光照射容器，又會發現葉片重新浮出液面。以下分析正確的是(

)A．改變溫度，會影響葉片開始上浮所需的時間B．改變光照強度，不影響葉片開始上浮所需的時間C．改變NaHCO3溶液的濃度，不影響葉片開始上浮所需的時間D．若將裝置置于黑暗中，上浮的葉片又會下沉AD解析：改變溫度，會改變光合作用強度，進而影響葉片開始上浮所需的時間，A正確；改變光照強度，會改變光合作用強度，進而影響葉片開始上浮所需的時間，B錯誤；改變NaHCO3溶液的濃度，即改變二氧化碳的濃度，這會影響光合作用強度，進而影響葉片開始上浮所需的時間，C錯誤；若將裝置置于黑暗中，葉片只能進行呼吸作用消耗葉肉細胞間隙中的氧氣，導致上浮的葉片又會下沉，D正確。4．某同學欲測定植物葉片葉綠體的光合速率，做如圖所示實驗：在葉柄基部做環剝處理(僅限制葉片有機物的輸入和輸出)，于不同時間分別在同一葉片上陸續取下面積為1cm2的葉圓片烘干后稱其重量，M處的實驗條件是16時后將整個實驗裝置遮光3h，則測得葉片葉綠體的光合速率是(單位：g·cm－2·h－1，不考慮取葉圓片后對葉片生理活動的影響和溫度微小變化對葉片生理活動的影響)(

)A．(3y－2z－x)/6

B．(3y－2z－x)/3C．(2y－x－z)/6 D．(2y－x－z)/3A解析：分析題意可知，10時到16時之間的6個小時，植物既進行光合作用，也進行呼吸作用，因此其重量變化表示的是凈光合作用量，則凈光合速率＝凈光合作用量/6＝(y－x)/6；而M處的實驗條件是16時后將整個實驗裝置遮光3h，此時葉片只進行呼吸作用，因此可以計算出呼吸速率＝(y－z)/3；因此總光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率＝(y－x)/6＋(y－z)/3＝(3y－2z－x)/6。5．光合作用受多種因素的影響，某實驗小組想利用如圖所示裝置對影響植物光合作用的兩大因素進行研究，以便為大棚種植時條件的控制提供依據，實驗中溫度條件適宜且穩定。回答下列問題。組別123456789實驗條件光照強度/lx06006008008001000100015001500CO2濃度/%0.010.010.020.020.030.030.050.050.06液滴移動/(mm·h－1)左移20左移20不移動右移40右移60右移90右移112右移112右移112(1)假定光合作用的產物和呼吸作用的底物都是葡萄糖，忽略無氧呼吸，密閉容器中不放緩沖液時，液滴不移動，原因是___________________________________。(2)由表中數據可以看出，___________________為限制光合作用的環境因素；比較7、8、9組結果可以得出，此時限制光合作用的因素可能是_____________________________________________________。植物吸收的氣體量等于釋放的氣體量光照強度和CO2濃度光合色素的量(或參與光合作用酶的數量或葉綠體的數量)(3)1組和2組左移的距離相等，對此作出的解釋是___________________________________________。(4)大棚中可采取____________________________________(至少答出兩點)等措施提高CO2濃度。CO2濃度過低時，植物無法進行光合作用施有機肥、合理通風、使用CO2發生器解析：液滴不移動的原因是植物吸收的氣體量等于釋放的氣體量，從表中數據看出光照強度和CO2濃度為限制光合作用的環境因素，7、8、9三組限制因素可能是其他因素，如光合色素的量或酶的數量，葉綠體數量等；①組和②組CO2濃度過低，植物無法進行光合作用，大棚中可采取增施有機肥，合理通風，使用CO2發生器等措施提高CO2濃度。6．如圖甲為探究光合作用的裝置圖，圖乙為不同CO2濃度下溫度對光合速率和呼吸速率的影響示意圖。請據圖回答有關問題：(1)若用圖甲所示裝置來探究CO2是否為光合作用的原料，則還應該再增加一個裝置，做法是_________________________________________________________________________________________________。(2)若用圖甲所示裝置來探究元素X是否為植物的必需礦質元素，則還應該再增加一個裝置，做法是__________________________________________________________________________________。將質量分數為1%的NaHCO3溶液換成等量的質量分數為1%的NaOH溶液，其他條件與圖甲所示裝置相同將水槽中的培養液替換成等量的只缺少元素X的培養液，其他條件與圖甲所示裝置相同解析：(1)在設置對照實驗時，一般將要探究的因素設為自變量，其他因素必須保持一致。本實驗中是否有CO2是自變量，根據題意可知增加的一組實驗裝置中應該沒有CO2，故可用質量分數為1%的NaOH溶液來替換NaHCO3溶液。(2)若探究元素X是否為植物的必需礦質元素，可以采用水培法，增加的裝置中應將水槽中的完全培養液替換成等量的只缺少元素X的培養液，其他條件同圖甲所示裝置相同。(3)若將圖甲所示裝置中的質量分數為1%的NaHCO3溶液換成等量的質量分數為1%的NaOH溶液，則在開始的短暫時間內，植物的葉綠體中C3與C5相對含量的變化情況是__________________________________。(4)圖乙中，若環境溫度保持在35℃，每日光照12小時，兩晝夜后測定，植物體干重將________(填“增加”“減少”或“不變”)。C3相對含量下降，C5相對含量上升減少解析：(3)若將NaHCO3溶液替換為NaOH溶液，則短時間內CO2含量減少，使CO2的固定減弱，C3合成減少而消耗仍在繼續，所以C3相對含量降低，C5相對含量升高。(4)由圖乙可知，當環境溫度為35℃時，光照下有機物凈積累量為0，所以每日光照12小時，沒有有機物的積累，但是黑暗中的12小時仍有有機物的消耗，所以兩晝夜后的最終結果是植物體干重減少。7．BTB是一種酸堿指示劑。BTB的弱堿性溶液顏色可隨其中CO2濃度的增高而由藍變綠再變黃。某同學為研究某種水草的光合作用和呼吸作用，進行了如下實驗：用少量的NaHCO3和BTB加水配制成藍色溶液，并向溶液中通入一定量的CO2使溶液變成淺綠色，之后將等量的淺綠色溶液分別加入7支試管中。其中6支加入生長狀況一致的等量水草，另一支不加水草，密閉所有試管。各試管的實驗處理和結果見下表。試管編號1234567水草無有有有有有有距日光燈的距離(cm)20遮光1008060402050min后試管中溶液的顏色淺綠色X淺黃色黃綠色淺綠色淺藍色藍色注：遮光是指用黑紙將試管包裹起來，并放在距日光燈100cm的地方。若不考慮其他生物因素對實驗結果的影響，回答下列問題：(1)本實驗中，50min后1號試管的溶液是淺綠色，則說明2至7號試管的實驗結果是由____________________________________引起的；若1號試管的溶液是藍色，則說明2至7號試管的實驗結果是_____________(填“可靠的”或“不可靠的”)。不同光強下水草的光合作用與呼吸作用不可靠的解析：(1)依題意并結合表中信息可知，距日光燈的距離表示光照的強弱。1號試管為對照組，其中的NaHCO3可維持CO2濃度的相對穩定；2至7號試管為實驗組，2號試管遮光，其內的水草不能進行光合作用，但能進行呼吸作用；3至7號試管內的水草在有光的條件下，可進行光合作用和呼吸作用，溶液顏色的變化是由光合作用吸收的CO2量與呼吸作用釋放的CO2量共同決定的。綜上所述，若50min后，1號試管的溶液是淺綠色，則說明2至7號試管的實驗結果是由不同光強下水草的光合作用與呼吸作用引起的；若1號試管的溶液是藍色，則說明2至7號試管的實驗結果是不可靠的。(2)表中X代表的顏色應為_______(填“淺綠色”“黃色”或“藍色”)，判斷依據是______________________________________________________________。(3)5號試管中的溶液顏色在照光前后沒有變化，說明在此條件下水草______________________________________________________。黃色水草不進行光合作用，只進行呼吸作用，溶液中CO2濃度高于3號管光合作用強度等于呼吸作用強度，吸收與釋放的CO2量相等解析：(2)2號試管遮光，其內的水草不能進行光合作用消耗CO2，但能通過呼吸作用釋放CO2，所以試管內CO2濃度最高，X代表的顏色應為黃色。(3)5號試管中的溶液顏色與對照組1號試管的相同，均為淺綠色，說明在此條件下水草的光合作用強度等于呼吸作用強度。8．小球藻是研究光合作用的良好材料，魯賓和卡門、卡爾文都是利用小球藻取得重大的研究成果。圖甲是某同學利用小球藻研究光合作用的裝置，圖乙是在其他條件適宜的情況下測定的O2吸收量。請結合有關知識回答問題。(1)魯賓和卡門、卡爾文在利用小球藻進行光合作用研究時都利用到的方法是_______________，為了保證小球藻正常的生長繁殖，圖甲裝置培養瓶中應再補充的物質是___