考点7 聚焦光合作用与细胞呼吸的实验探究
1．细胞呼吸类型判定的3类根据
(1)根据反应物、产物来判断：若消耗氧气，则一定是有氧呼吸；若产物有水，则一定是有氧呼吸；若产物中有酒精或乳酸，则一定是无氧呼吸；若产物有CO2，则要分情况讨论。
(2)根据反应场所来判断：在真核细胞中，有氧呼吸的第一阶段发生在细胞质基质中，第二、三阶段发生在线粒体中；无氧呼吸全过程发生在细胞质基质中。
(3)根据反应中物质的量的关系来判断
①无CO2释放和O2吸收时，细胞只进行产生乳酸的无氧呼吸。
②不消耗O2，但产生CO2，细胞进行产生酒精的无氧呼吸。
③当CO2释放量等于O2消耗量时，细胞只进行有氧呼吸。
④当CO2释放量大于O2消耗量时，细胞同时进行产生酒精的无氧呼吸和有氧呼吸，如酵母菌在不同O2浓度下的细胞呼吸，此种情况下，判断哪种呼吸方式占优势，可分析如下：若＝，有氧呼吸和无氧呼吸消耗葡萄糖的速率相等；若＞，无氧呼吸消耗葡萄糖的速率大于有氧呼吸，无氧呼吸占优势；若＜，有氧呼吸消耗葡萄糖的速率大于无氧呼吸，有氧呼吸占优势。
2．光合作用或细胞呼吸相关探究方法的归类分析
(1)液滴移动法
现有甲装置如图所示，利用该装置进行对光合作用和细胞呼吸等相关问题的测定或探究。
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①测定真(总)光合速率：该装置置于一定的光照强度下，默认其光合速率大于呼吸速率，所以在单位时间内，该装置液滴向右移动的距离(m)表示该植物的净光合速率，即单位时间内植物向外界释放的O2量。该装置置于黑暗条件下，单位时间内液滴向左移动的距离(n)表示该植物的呼吸速率。综上所述，该植物真(总)光合速率等于上述两个测定的液滴移动距离值之和：m＋n。
②验证光合作用需要CO2
须另设对照装置乙(如图)，与装置甲构成对照。装置乙设置：将甲装置中“3%NaHCO3溶液”更换成等浓度等量的NaOH溶液即可。
预期结果及结论：装置甲中液滴右移，装置乙中液滴左移，最终移动至最左侧。
③探究CO2浓度对光合速率的影响
须另设一个或多个装置，与装置甲构成相互对照，如图装置丙、丁所示。
预期结果及结论：装置中液滴右移距离大小关系为：
若丁>丙>甲，则说明光合速率与CO2浓度呈正相关；
若丁＝丙>甲，则说明在一定范围内，光合速率随CO2浓度增大而增大，当超过一定浓度后光合速率保持不变；
若丙>甲＝丁，则说明在一定范围内，光合速率随CO2浓度增大而增大，当超过一定浓度后光合速率反而下降；
若甲>丙>丁，则说明光合速率与CO2
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浓度呈负相关；若甲>丙＝丁，则说明在一定范围内，光合速率随CO2浓度增大而下降，当超过一定浓度后光合速率保持不变；
若丙A组，说明缺硫对莱茵衣藻产氢有______________作用。
②为探究CCCP、缺硫两种因素对莱茵衣藻产氢的影响及其相互关系，则需增设两实验组，其培养液为____________________________和__________________________。
答案 ①促进 ②添加CCCP的完全培养液 添加CCCP的缺硫培养液
解析 ①A组为对照组，产氢量：B组>A组，说明缺硫能促进莱茵衣藻产氢。②根据单一变量原则，研究CCCP对莱茵衣藻产氢的影响时，可将自变量设置为是否添加CCCP，研究缺硫对莱茵衣藻产氢的影响时，可设置完全培养液和缺硫培养液进行对照，而既要研究CCCP和缺硫对莱茵衣藻产氢的影响，又要研究两者的相互关系时，可设置如下四组实验：
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完全培养液
缺硫培养液
添加CCCP
添加CCCP的完全培养液
添加CCCP的缺硫培养液
不添加CCCP
不添加CCCP的完全培养液
不添加CCCP的缺硫培养液
(3)(2014·重庆，9节选)棉花幼铃(幼果)获得光合产物不足会导致其脱落。为研究某种外源激素对棉花光合产物调配的影响，某课题组选择生长整齐的健壮植株，按图1步骤进行实验，激素处理方式和实验结果如图2所示(上述处理不影响叶片光合与呼吸强度)。则由实验结果推断，幼铃脱落显著减少的是____组。B组幼铃放射性强度百分比最低，说明B组叶片的光合产物__________。为优化实验设计，增设了D组(激素处理叶片)，各组幼铃的放射性强度百分比由高到低排序是______________。由此可知，正确使用该激素可改善光合产物调配，减少棉铃脱落。
答案 C 输出减少 C＞A＞B＞D
解析 由题干可知，幼铃脱落是光合产物不足导致，对比A、B、C三组，发现C组幼铃中有机物占比最高，因而幼铃脱落显著减少。B组中叶片的放射性强度的百分比较高，说明有机物占比较多，输出较少。由题中数据可知，激素可抑制叶片有机物的输出，有利于幼铃有机物的输入，因而用激素处理叶片，导致叶片有机物输出明显较少，且小于B组，因而幼铃的放射性强度百分比由高到低依次为C＞A＞B＞D。
4．(2017·海淀区模拟节选)为研究油茶叶片与果实关系对叶片光合作用及果实产量的影响，研究者进行了一系列实验。
(1)研究者对油茶植株进行了处理，处理及结果如图1所示。
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①进行实验时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组要选取相同高度、南面生长的树冠外层枝条作为实验材料，目的是____________________________________。
②Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组结果表明，库源比(果与叶数目比)越______，叶片的净光合速率越高。
③研究者推测，摘除部分叶片后，剩余叶片的光合产物运输和分配到果实中的比例升高，这是由于植物体对源叶净光合速率进行了________调节。为确定符合生产需求的最佳库源比，研究者还需要测定三组实验的____________。
(2)为了探究不同位置源叶光合产物的分配规律，研究者进一步实验，处理及结果如图2和如表所示。
处理
13C含量(mg)
果壳
种仁
果实总量
标记上枝叶
2.93
26.02
28.95
标记中枝叶
11.44
27.47
38.91
标记下枝叶
8.00
8.37
16.37
①研究者用透光性较好的塑料袋套于枝条底端，扎紧、密封袋口，抽出袋中空气，注入浓度为500 μmol·mol－1的13CO2和除去________的空气。一段时间后，分别检测标记上枝叶、中枝叶、下枝叶时____________的13C含量。
②实验结果表明：_________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
③若需要对图2中的枝叶进行修剪，最好剪去________。
(3)研究者想进一步探究源叶光合产物在不同位置果实中的分配规律，请在图3中绘制实验设计方案。
答案 (1)①保证各组叶片得到充足且相同强度的光照 ②大 ③反馈 果实重量
(2)①CO2 果壳、种仁 ②中枝叶(与果实距离最近的叶片)光合产物分配到果实中的总量最高(且不同位置源叶光合产物向种仁的分配量均高于果壳) ③下枝叶
(3)如图所示
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解析 (1)①进行实验时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组要选取相同高度、南面生长的树冠外层枝条作为实验材料，目的是保证各组叶片得到充足且相同强度的光照。②根据图示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组结果表明，库源比(果与叶数目比)越大，叶片的净光合速率越高。③研究者推测，摘除部分叶片后，剩余叶片的光合产物运输和分配到果实中的比例升高，这是由于植物体对源叶净光合速率进行了反馈调节。为确定符合生产需求的最佳库源比，研究者还需要测定三组实验的果实重量。(2)①为了检测到C的运输途径，可以标记二氧化碳中C元素，但要排出空气中二氧化碳，以防干扰实验。又因为光合产物运输和分配到果实中，因此注入浓度为500 μmol·mol－1的13CO2和除去CO2 的空气。一段时间后，分别检测标记上枝叶、中枝叶、下枝叶时果壳、种仁的13C含量。②根据表格中的数据分析可知，中枝叶(与果实距离最近的叶片)光合产物分配到果实中的总量最高(且不同位置源叶光合产物向种仁的分配量均高于果壳)。③根据表格中数据发现标记下枝叶中的果实的总量最少，因此若需要对图2中的枝叶进行修剪，最好剪去下枝叶。(3)研究者想进一步探究源叶光合产物在不同位置果实中的分配规律，具体实验设计方案见答案。
题组三 依据相关的生物学原理评价和修订实验
5．(1)(2014·安徽，29Ⅰ节选)某课题小组研究红光与蓝光对花生幼苗光合作用的影响，实验结果如图所示。(注：气孔导度越大，气孔开放程度越高)
①与15 d幼苗相比，30 d幼苗的叶片净光合速率______________。与对照组相比，__________光处理组的叶肉细胞对CO2的利用率高，据图分析，其原因是__________________。
②某同学测定30 d幼苗的叶片叶绿素含量，获得红光处理组的3个重复实验数据分别为2.1 mg·g－1、3.9 mg·g－1和4.1 mg·g－1。为提高该组数据的可信度，合理的处理方法是______________________________________。
答案 ①高 蓝 蓝光促进了气孔开放，CO2供应充分，暗反应加快 ②随机取样进行重复测定
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解析 ①由图分析可知，30 d幼苗的CO2吸收量和气孔导度都比15 d幼苗大，说明30 d幼苗的叶片光合作用强度比15 d幼苗大，净光合速率高。与自然光相比，蓝光组气孔导度大，CO2供应充分，暗反应加快，叶肉细胞对CO2的利用率高。②30 d幼苗的叶片叶绿素含量在红光处理组的3个重复实验数据的差异是由实验误差造成的，为了减小误差，提高该组数据的可信度，可以随机取样进行重复测定，并取平均值作为实验的最终结果。
(2)(2015·安徽，29节选)科研人员探究了不同温度(25 ℃和0.5 ℃)条件下密闭容器内蓝莓果实的CO2生长速率的变化，结果见图1和图2。
某同学拟验证上述实验结果，设计如下方案；
①称取两等份同一品种的蓝莓果实，分别装入甲、乙两个容积相同的瓶内，然后密封。
②将甲、乙瓶分别置于25 ℃和0.5 ℃条件下储存，每隔一段时间测定各瓶中的CO2浓度。
③记录实验数据并计算CO2生成速率。
为了实验结果更可靠，请给出两条建议，以完善上述实验方案(不考虑温度因素)：a____________________________________；b________________________________。
答案 选取的果实成熟度还应一致 每个温度条件下至少有3个平行重复实验
解析 生物实验的原则是控制单一变量原则、对照原则和可重复原则，所以为了使实验结果更可靠，选取的果实成熟度还应一致，并且每个温度条件下至少有3个平行重复实验。
6．(2017·郴州三模)某校生物兴趣小组利用以下装置探究光照强度对植物净光合速率的影响。
(1)本实验可通过改变____________________________来完成对自变量的控制。可通过测量________________得出装置中气体的变化量。
(2)为防止温度变化影响实验结果，实验最好选择____________(填“冷光源”或“热光源”)。为防止气压等因素引起误差，应设置对照组来校正误差，对照组与实验组的区别在于__________________________________________________。
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(3)若要测量植株的细胞呼吸速率，需要对装置作出的改变有：①____________________；②________________________(写出两点)。
(4)假如在第(3)小题测量植株的呼吸速率时，将装置中的NaHCO3溶液改为清水，红色液滴向左移动，最可能的原因是________。
A．有无氧呼吸存在
B．呼吸底物中有脂肪
C．有氧呼吸速率小于无氧呼吸速率
D．植株呼吸使玻璃罩内温度升高
答案 (1)灯泡功率(或灯泡与广口瓶的距离) 红色液滴移动的距离 (2)冷光源 广口瓶中放置同种、大小相似的死植株 (3)①对装置遮光(暗处理或无光处理) ②将NaHCO3溶液改为NaOH溶液 (4)B
解析 (1)根据题干信息可知，本实验的实验目的为“探究光照强度对植物净光合速率的影响”，即实验的自变量为光照强度，实验中可通过改变灯泡功率(或灯泡与广口瓶的距离)来完成对自变量的控制。可通过测量红色液滴移动的距离得出装置中气体的变化量。(2)为防止温度变化影响实验结果，实验最好选择冷光源。为防止气压等因素引起误差，应设置对照组来校正误差，对照组与实验组的区别在于广口瓶中放置同种、大小相似的死植株。(3)若要测量植株的细胞呼吸速率，需要在黑暗条件下进行，即需要对装置遮光(暗处理或无光处理)，同时需要将NaHCO3溶液改为NaOH溶液，用于吸收植物呼吸作用产生的CO2，液滴向左移动的距离表示O2的消耗量。(4)在测量植株的呼吸速率时，将装置中的NaHCO3溶液改为清水，清水不能吸收气体也不能释放气体：有无氧呼吸存在时，有氧呼吸吸收的气体量和释放的气体量相等，而无氧呼吸释放二氧化碳，应该导致液滴右移，A错误；如果呼吸底物中有脂肪，由于脂肪的碳氢比例高，氧化分解时消耗的氧气多于释放的二氧化碳，导致装置中气体总量减少，液滴左移，B正确；有氧呼吸速率小于无氧呼吸速率，应该导致液滴右移，C错误；植株呼吸使玻璃罩内温度升高，应该导致液滴右移，D错误。
7．取7株各有5个叶片、株高相近的西红柿植株，分别放在25 ℃的密闭玻璃容器内。实验开始先测定CO2浓度，12小时后，再测定CO2浓度，且以7种不同光照强度进行实验。实验装置如图，实验结果见表格：
序号
光照强度(%)
CO2浓度(%)
开始时
12 h后
1
0
0.35
0.368
2
10
0.35
0.342
13
3
20
0.35
0.306
4
40
0.35
0.289
5
60
0.35
0.282
6
80
0.35
0.280
7
95
0.35
0.279
请回答下列问题：
(1)实验的目的是____________________________________________________。
(2)排除的无关变量包括__________________________________(至少回答出3点)。
(3)依据上表所测数据，用曲线图表示净光合作用强度变化趋势。
(4)评价该实验设计运用实验原则的合理性___________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)若要进一步实验确定哪种光照强度最好。除上述实验评价外，还有的合理建议是________________________________。
答案 (1)研究光照强度与光合作用强度的关系
(2)温度、开始时CO2浓度、植物叶片数和高度等(至少3点)
(3)如图所示
(4)考虑了单一变量原则和对照原则，但忽略了平行重复原则
(5)增加若干实验组，使光照强度为普通光照的100%及以上
解析 (1)根据表格可以看出，自变量是光照强度，因变量是CO2的变化量，代表净光合作用强度，所以探究的目的是光照强度和光合作用强度的关系，以便为西红柿生长提供最佳光照强度。
(2)无关变量需要控制的条件是温度、开始时CO2浓度、植物叶片数和高度等。
(3)在画曲线时要以自变量光照强度为横坐标，以因变量净光合作用强度为纵坐标，然后确定每一个光照强度下的净光合作用强度，再连接成曲线。
(4)考虑了单一变量原则和对照原则，但忽略了平行重复原则。
(5)由于实验组没有达到普通光照强度，所以应该增加实验组，使光照强度为普通光照的100%及以上，进一步探究实验的结果。
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