光合作用和呼吸作用的相关实验探究题例析

人教版必修11光合作用和呼吸作用的相关实验探究题例析杭州市第二中学分校陈满娜一、与细胞呼吸的方式、场所、产物等有关的实验探究题例1、图甲是测量种子萌发时锥形瓶中气体体积变化的实验装置。锥形瓶中放的种子事先用水浸泡过并在稀释的消毒剂中清洗过（不影响种子生命力）。实验开始时U形管左侧与右侧液面相平，每隔半小时利用标尺量出右侧管内的液面高度变化，实验结果见图乙。回答下列问题：（1）为什么种子要在稀释的消毒剂中清洗。（2）此实验的实验目的是。（3）分析0～3.5小时内气体体积变化原因。分析3.5～4小时内标尺读数没增加最可能的原因。（4）本实验的实验数据能否反映真实情况？如不能，请提出相应的改进方案。解析：本题是在已给学生实验过程和结果的前提下，反过来要求学生对实验目的、过程、结果进行分析。首先要明确种子在不同条件下细胞呼吸作用的方式不同，即有氧条件下有氧呼吸，氧气耗尽则进行无氧呼吸。根据有氧与无氧呼吸过程产物和反应物的不同，该题中主要通过气体总体积变化来确定氧气的消耗量，从而确定细胞呼吸方式。对于该题中实验对象是种子呼吸引起的体积变化(该题中有氧呼吸会引起气体体积变化，无氧呼吸则不会)，所以种子是否呼吸应是唯一的自变量，气体体积变化则是因变量，其他则全是控制变量，因此要避免出现除种子之外的其他生物（微生物）的呼吸作用以及由于外界温度、压强的改变导致的气体体积的改变。答案：（1）杀死种子表面的微生物，防止微生物的呼吸作用干扰实验结果（2）测定种子萌发时吸收氧气的速率（3）种子进行有氧呼吸时吸收O2，放出的CO2被KOH溶液吸收，锥形瓶中气体体积缩小种子进行无氧呼吸，不消耗O2（4）用等量消毒剂杀菌过的死种子代替实验组中的活种子，其他装置同于实验组。二、与影响光合作用效率相关条件的实验探究题例2、为检测光质（不同波长的光）对水生黑藻光合作用强度的影响，现提供如下材料：红、绿、白三种颜色的40瓦灯泡数个，试管数只，黑藻数枝，pH试纸，石蜡油、NaHCO3溶液。请你完成下面的实验设计并回答有关问题。实验开始步骤为：将黑藻进行24h饥饿处理后，在温度为25℃的环境中，按右图所示组装好实验装置。（1）写出后面实验设计的主要步骤。（2）请预测并简要分析上述实验结果。（3）若只有一枝黑藻作为实验材料，简要写出实验设计步骤。（4）若不增加实验用具，指出另一种检测实验结果的简便方法。解析：首先应从光合作用的有关问题入手。影响光合作用的因素有：（1）光：光照强弱人教版必修12直接影响光反应，而光质不同对光合作用效率也有一定的影响。如红光和蓝紫光有利于提高光合作用效率，而黄绿光则不利于提高光合作用效率；（2）温度：温度高低会影响酶的活性；（3）CO2浓度：CO2是光合作用的原料，直接影响暗反应；（4）水分：水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的介质，特别地，水分还影响气孔的开闭，间接影响CO2进入植物体；（5）矿质元素：矿质元素是光合作用产物进一步合成许多有机物所必需的物质如叶绿素、酶等。题（1）在给出实验装置的基础上，找到实验的自变量是光质，不同颜色的灯泡发出光的波长不同，不同光照射植物时，其光合作用效率不同，吸收的CO2的量不同，溶液的酸碱度也不同，放出的O2的量不同。根据题目中提供的实验材料有pH试纸，因此因变量光合作用效率可以由溶液酸碱度的变化来体现。如果不考虑pH试纸则可用气体产生的快慢体现因变量。接下来的实验步骤第一步是分组、编号；第二步是控制自变量-----光质不同，其他无关变量均相同；第三步相同条件下处理相同时间，观察因变量不同-----pH试纸检测溶液pH变化。如果实验材料黑藻只有一枝如题（3），则按实验装置进行实验并要做三次，每次除灯泡颜色不同以外，每次还都要换试管中的溶液，以保证能提供的CO2量是相等的。答案：（1）将黑藻分成等质量的3组，取适量NaHCO3溶液3等份放入3只编号试管中；再将3种灯泡分别置于距离相等的位置照射相同的时间，用pH试纸检测溶液pH的变化。（2）黑藻在不同种光照下光合强度不同，CO2的吸收量不同，试管内pH不同。在白光下光合作用最强，pH上升最大；其次是红光；最次是绿光。（3）用3种灯泡依次照射试管内黑藻，每次照射时间要有间隔，并要更新试管内液体，且灯泡与试管的距离相等，照射时间相同，用pH试纸检测溶液pH的变化。（4）直接观察气体释放的速度。三、与光合作用和呼吸作用速率相关的实验探究题例3、测定某绿色植物叶片光合作用的强度，须先测出该叶片呼吸作用的强度。测呼吸作用的强度，须将叶片置于无光环境中，然后测出某一时间内环境中氧气的减少量或二氧化碳的释放量。现测出某叶片在环境温度为25℃的无光条件下，环境中氧气减少的速度是1.5㎎/h。（1）若将该叶片置于温度为25℃并有较强光照的环境中，环境中氧气增加的速率是2.5㎎/h，计算叶片光合作用吸收的二氧化碳的速率。（2）若将该叶片置于25℃并有微弱光照的环境中，测得2h内环境中氧气减少了2.5㎎，计算该叶片光合作用合成葡萄糖的速率（假设光合作用的有机物都是葡萄糖）。解析：绿色植物在有光、无光时都要进行呼吸作用，呼吸作用与温度有关，与光无关。绿色植物在光下同时进行光合作用和呼吸作用，比较光合作用和呼吸作用强度大小可分为三种情况：第一种，当光合作用强度大于呼吸作用强度时，表现为植物从外界吸收CO2，放出O2，即环境中CO2减少，O2增加，植物光合作用利用的CO2量是植物从外界吸收的CO2量与呼吸作用释放的CO2量的和，光合作用产生的O2量是植物释放到外界的O2量与呼吸作用消耗的O2量的和。第二种当光合作用强度等于呼吸作用强度时，环境中CO2和O2的量没有变化，植物光合作用吸收的CO2量等于呼吸作用产生的CO2量。第三种，当光合作用强度小于呼吸作用强度时，表现为植物从外界吸收O2，放出CO2，即环境中O2减少，CO2增加，植物呼吸作用消耗的O2量是植物从外界吸收的O2量与光合作用产生O2量的和。叶片在无光环境中只进行呼吸作用，因此环境中O2减少的速率即为叶片呼吸作用吸收O2的速率1.5㎎/h。在有较强光照条件下，叶绿体光合作用产生O2的速率是环境中增加O2人教版必修13的速率与呼吸作用消耗O2的速率之和（因为植物在25℃有较强光照条件下，呼吸作用利用O2的速率相等）。由此可得出在较强光照环境中，叶片光合作用产生O2的速率为2.5㎎/h+1.5㎎/h=4㎎/h，根据光合作用反应式6CO2——6O2的关系可得叶片光合作用吸收CO2速率为4㎎/h×44/32=5.5㎎/h。若该叶片置于温度为25℃并有较弱光照的环境中，环境中O2减少，即叶片光合作用强度小于呼吸作用强度，则叶片呼吸作用消耗O2的速率（1.5㎎/h）是植物从外界吸收O2的速率（2.5/2㎎/h）与光合作用释放O2的速率之和，即植物光合作用释放O2的速率为1.5㎎/h-2.5/2㎎/h=0.25㎎/h，根据光合作用反应式C6H12O6——6O2的关系可得光合作用合成葡萄糖的速率为180/192×0.25㎎/h=0.234㎎/h。答案：（1）5.5㎎/h（2）0.234㎎/h