专题二 题点考法3 光合作用和细胞呼吸综合及实验探究.docx

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专题二题点考法3光合作用和细胞呼吸综合及实验探究

题点考法3　光合作用和细胞呼吸综合及实验探究

1．综合分析光合作用与细胞呼吸过程图解

（1）物质名称：

b：

O2，c：

ATP，d：

ADP，e：

NADPH；

f：

RuBP，g：

CO2，h：

三碳酸。

（2）生理过程及场所

序号

①

②

③

④

⑤

生理过程

光反应

碳反应

糖酵解

柠檬酸循环

电子传递链

场所

类囊体膜

叶绿体基质

细胞溶胶

线粒体基质、嵴

线粒体内膜

2.光合作用与细胞呼吸中物质及能量转化

（1）光合作用和需氧呼吸中各种元素的去向

C：

CO2

有机物

丙酮酸

CO2

H：

H2O

NADPH

（CH2O）

[H]

H2O

O：

H2O

O2

H2O

CO2

有机物

（2）光合作用与需氧呼吸中NADPH、[H]和ATP的来源、去路

比较项目

来源

去路

光合作用NADPH

光反应中水的光解

用于碳反应中三碳酸的还原

需氧呼吸[H]

糖酵解和柠檬酸循环

用于电子传递链，与O2结合生成H2O

ATP

光合作用

产生于光反应阶段，其中的能量来自光能

用于碳反应过程中三碳酸的还原，其中的能量转变成有机物中稳定的化学能

需氧呼吸

三个阶段均能产生，但电子传递链中产生的相对较多

用于各项生命活动（光合作用的碳反应除外）

3.自然环境中与密闭环境中光合作用的昼夜变化曲线分析

（1）自然环境中一昼夜植物光合作用曲线

①开始进行光合作用的点：

b。

②光合作用强度与呼吸作用强度相等的点：

c、e。

③开始积累有机物的点：

c。

④有机物积累量最大的点：

e。

（2）密闭容器中一昼夜植物光合作用曲线

①曲线分析

AB段

无光照，植物只进行细胞呼吸

BC段

温度降低，细胞呼吸强度减弱

CD段

C点后，微弱光照，开始进行光合作用，但光合作用强度＜细胞呼吸强度

D点

光合作用强度＝细胞呼吸强度

DH段

光合作用强度＞细胞呼吸强度，其中FG段表示“光合午休”现象

H点

光合作用强度＝细胞呼吸强度

HI段

光照继续减弱，光合作用强度＜细胞呼吸强度，直至光合作用完全停止

②植物生长与否的判断方法

若I点低于A点

说明一昼夜密闭容器中CO2浓度减小，即光合作用强度＞细胞呼吸强度，植物生长

若I点高于A点

说明光合作用强度＜细胞呼吸强度，植物体内有机物总量减少，植物不能生长

若I点等于A点

说明光合作用强度＝细胞呼吸强度，植物体内有机物总量不变，植物不生长

4.测定光合速率与呼吸速率的几种方法

（1）利用装置图法测定植物光合速率与呼吸速率

①装置中溶液的作用：

在测细胞呼吸速率时，NaOH溶液可吸收容器中的CO2；在测表观光合速率时，NaHCO3溶液可提供CO2，保证容器内CO2浓度的恒定。

②测定原理

a．甲装置在黑暗条件下植物只进行细胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2，所以单位时间内红色液滴左移的距离表示植物的O2吸收速率，可代表呼吸速率。

b．乙装置在光照条件下植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表表观光合速率。

c．真正光合速率＝表观光合速率＋呼吸速率。

③测定方法

a．将植物（甲装置）置于黑暗中一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算呼吸速率。

b．将同一植物（乙装置）置于光下一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算表观光合速率。

c．根据呼吸速率和表观光合速率可计算得到真正光合速率。

④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）利用“半叶法”测定光合速率

例如：

某研究小组采用“半叶法”对番茄叶片的光合作用强度进行测定，如图所示。

“半叶法”的原理是将对称叶片的一部分（A）遮光，另一部分（B）不做处理，并采用适当的方法（可先在叶柄基部用热水或热石蜡液烫伤或用呼吸抑制剂处理）阻止两部分的物质和能量转移。

在适宜光照下照射6小时后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，则可计算出该叶片的光合作用强度。

若M＝MB－MA，则M表示B叶片被截取部分在6小时内光合作用合成的有机物总量。

（3）利用“黑白瓶”法测定光合速率

将装有水和光合植物的黑、白瓶置于相同水层中，测定单位时间内瓶中溶解氧含量的变化，借此测定水生植物的光合速率。

黑瓶不透光，瓶中生物仅能进行细胞呼吸；白瓶透光，瓶中生物可进行光合作用和细胞呼吸。

因此，真正光合作用氧气产生量（光合作用总量）＝白瓶中氧气增加量＋黑瓶中氧气减少量。

（4）叶圆片称重法——测定有机物的变化量

①操作图示

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）。

②结果分析

表观光合速率＝（z－y）/2S；

呼吸速率＝（x－y）/2S；

真正光合速率＝表观光合速率＋呼吸速率＝（x＋z－2y）/2S。

（5）叶圆片上浮法——定性检测O2释放速率

本方法通过利用真空技术排出叶肉细胞间隙中的空气，充以水分，使叶片沉于水中；在光合作用过程中，植物吸收CO2放出O2，由于O2在水中的溶解度很小而在细胞间积累，结果使原来下沉的叶片上浮。

根据在相同时间内上浮叶片数目的多少（或者叶片全部上浮所需时间的长短），即能比较光合作用强度的大小。

5．交替光照与连续光照问题

光反应和碳反应在不同酶的催化作用下相对独立进行，由于催化碳反应的酶的催化效率和数量都是有限的，因此在一般情况下，光反应的速率比碳反应快，光反应的产物ATP和NADPH不能被碳反应及时消耗掉。

持续光照，光反应产生的大量的NADPH和ATP不能及时被碳反应消耗，碳反应限制了光合作用的速率，降低了光能的利用率。

但若光照、黑暗交替进行，则黑暗间隔有利于充分利用光照时积累的光反应的产物，持续进行一段时间的碳反应，因此在光强度和光照时间不变的情况下，制造的有机物相对多。

考向一　考查光合作用与细胞呼吸的过程分析

1．下图是光合作用和细胞呼吸两个生理过程的示意图。

下列有关叙述正确的是（　　）

A．只在d过程才有H2O的生成

B．适宜条件下，c过程在活细胞中都能进行

C．线粒体可以通过需氧呼吸分解葡萄糖

D．b过程需多种酶参与，这些酶的合成需要消耗ATP，可由a过程提供

答案　B

解析　据题图分析，b表示光合作用碳反应阶段，也有水的生成，A错误；c表示需氧呼吸和厌氧呼吸的第一阶段，在所有活细胞中都可以发生，B正确；葡萄糖的分解发生在细胞溶胶，不能进入线粒体中氧化分解，C错误；b过程表示碳反应，需要多种酶的参与，这些酶的合成需要的ATP来自细胞呼吸，即c、d过程，D错误。

2．下图所示为甘蔗一个叶肉细胞内的系列反应过程，下列叙述正确的是（　　）

A．过程①中类胡萝卜素主要吸收的是红光和蓝紫光

B．过程②只发生在叶绿体基质，过程③只发生在线粒体

C．过程③释放的能量大部分贮存于ATP中

D．过程④一般与吸能反应相联系

答案　D

解析　过程①中叶绿素主要吸收的是红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收的是蓝紫光，A错误；过程②只发生在叶绿体基质中，过程③是有机物氧化分解释放能量的过程，发生在细胞溶胶、线粒体中，B错误；过程③释放的能量大部分以热能形式散失，少部分贮存于ATP中，C错误；过程④ATP水解释放能量，所以一般与吸能反应相联系，D正确。

考向二　考查光合作用和细胞呼吸的日变化曲线分析

3．将一植物放在密闭的玻璃罩内，置于室外进行培养，假定玻璃罩内植物的生理状态与自然环境中相同。

用CO2浓度测定仪测得了该玻璃罩内CO2浓度的变化情况，绘制成如图所示曲线，下列有关说法正确的是（　　）

A．H点CO2浓度最低，说明此时植物对CO2的吸收最多，光合作用最强

B．CO2浓度下降从D点后开始，说明植物进行光合作用是从D点开始的

C．D点表明植物光合速率和呼吸速率相等，FG段CO2浓度下降不明显，是因为气孔关闭，叶片对CO2的吸收减少

D．D点较B点CO2浓度高，是因为D点温度高，使植物细胞呼吸增强

答案　C

解析　H点CO2浓度最低，说明此时植物吸收CO2总量最多，光合作用积累的有机物最多，此时光合速率等于呼吸速率，A项错误；植物进行光合作用是从D点之前开始的，D点时光合速率和呼吸速率相等，B项错误；D点较B点CO2浓度高，是因为D点之前，呼吸速率大于光合速率，CO2积累，D项错误。

4．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．图乙中的b点对应图甲中的B点

B．图甲中的F点对应图乙中的g点

C．到达图乙中的d点时，玻璃罩内的CO2浓度最高

D．经过这一昼夜之后，植物体的有机物含量会增加

答案　B

解析　分析题图可知，图甲、乙两曲线各点对应情况是：

A点对应a点，凌晨0点，只有细胞呼吸，植物释放CO2；B点对应b点，植物释放CO2减少的原因是夜间低温影响细胞呼吸强度；C点对应d点，玻璃罩内的CO2浓度最高，此时植物既不吸收CO2也不释放CO2，即光合作用强度等于细胞呼吸强度；f点CO2吸收速率有所下降，原因是中午光照过强，导致气孔关闭；F点对应h点，光合作用强度等于细胞呼吸强度，其后某时刻光合作用消失。

一昼夜后，玻璃罩内CO2浓度下降（G点低于A点），减少的CO2量＝植物白天光合作用吸收的CO2量－植物一昼夜细胞呼吸释放的CO2量，故植物体的有机物含量增加。

考向三　实验探究光合速率与呼吸速率的测定方法

5．用等体积的三个玻璃瓶甲、乙、丙，同时从某池塘水深0.5m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，结果如表所示（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

4.9mg

5.6mg

3.8mg

A.丙瓶中浮游植物的细胞产生NADH的场所是线粒体内膜

B．在一昼夜内，丙瓶生物细胞呼吸消耗的氧气量约为1.1mg

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产生的氧气量约为1.1mg

答案　B

解析　不透光玻璃瓶内浮游植物只进行需氧呼吸，丙瓶中浮游植物的细胞产生NADH的场所有细胞溶胶、线粒体基质，A错误；本实验中氧气含量甲瓶－丙瓶＝1.1（mg），可表示一昼夜丙瓶中生物细胞呼吸消耗的氧气量，乙瓶－甲瓶＝0.7（mg），可表示一昼夜乙瓶中生物净产生的氧气量，因此乙瓶中生产者实际光合作用产生的氧气量＝1.1＋0.7＝1.8（mg），B正确、D错误；一昼夜后，乙瓶水样中的CO2含量下降，因此其pH上升，而丙瓶中生物只进行细胞呼吸，CO2含量上升，pH下降，因此乙瓶水样的pH比丙瓶的高，C错误。

6．某同学欲测定植物叶片叶绿体的光合作用速率，做如图所示实验。

在叶柄基部作环剥处理（仅限制叶片有机物的输入和输出），于不同时间分别在同一叶片上陆续取下面积为1cm2的叶圆片烘干后称其重量，测得叶片的光合作用速率＝（3y－2z－x）/6（g·cm－2·h－1）（不考虑取叶圆片后对叶生理活动的影响和温度微小变化对叶生理活动的影响）。

则M处的实验条件是（　　）

A．下午4时后在阳光下照射3小时再遮光3小时

B．下午4时后将整个实验装置遮光6小时

C．下午4时后在阳光下照射6小时

D．下午4时后将整个实验装置遮光3小时

答案　D

解析　依题意，光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，净光合作用速率为（y－x）/6g·cm－2·h－1，还需测定呼吸速率，呼吸速率为（3y－2z－x）/6－（y－x）/6＝（y－z）/3，所以M处条件为下午4时后遮光处理3小时。

7．取生长旺盛的绿叶，利用打孔器打出一批直径为1cm的叶圆片，将叶圆片细胞间隙中的气体排出后，平均分装到盛有等量的不同浓度NaHCO3溶液的培养皿底部，置于光温恒定且适宜的条件下（如图甲），测得各组培养皿中叶圆片上浮至液面所用的时间（如图乙）。

下列分析错误的是（　　）

A．A～B段随着NaHCO3溶液浓度的增加，类囊体膜上水的分解速率逐渐增大

B．C～D段随着NaHCO3溶液浓度的增加，叶绿体基质中三碳酸的生成速率逐渐减小

C．C～D段随着NaHCO3溶液浓度的增加，单个叶圆片有机物的积累速率逐渐减小

D．A～D段如果增加光照强度或温度，都能明显缩短叶圆片上浮至液面所用的时间

答案　D

解析　A～B段随着NaHCO3溶液浓度的增加，叶圆片上浮至液面所用的时间不断缩短，说明氧气生成速率不断提高，因此类囊体膜上水的分解速率逐渐增大，A正确；C～D段随着NaHCO3溶液浓度的增加，叶圆片上浮至液面所用的时间不断延长，说明氧气生成速率在降低，即光合速率减弱，因此叶绿体基质中三碳酸的生成速率逐渐减弱，B正确；细胞氧气的净释放就表示有机物的积累，C～D段叶圆片上浮至液面所用的时间不断延长，说明氧气释放速率在降低，即表示单个叶圆片有机物的积累速率逐渐减小，C正确；题中提出“装置置于光温恒定且适宜的条件下”，因此此时如果增加光照强度或温度，都会使光合速率降低，导致叶圆片上浮至液面的时间延长，D错误。

8．某转基因作物有很强的光合作用能力。

某中学生物兴趣小组在暑假开展了对该转基因作物光合作用强度测试的研究课题，设计了如图所示装置。

请你利用这些装置完成光合作用强度的测试实验，并分析回答有关问题：

（1）先测定植物的细胞呼吸强度，方法步骤如下：

①甲、乙两装置的D中都放入__________，乙装置作为对照。

②将甲、乙装置的玻璃钟罩进行________处理，放在温度等条件相同且适宜的环境中。

③30分钟后分别记录甲、乙两装置中红墨水滴移动的方向和距离。

（2）测定植物的净光合作用强度，方法步骤如下：

①甲、乙两装置的D中放入____________________，________作为对照。

②把甲、乙装置放在__________________________________________________。

③30分钟后分别记录甲、乙两装置中红墨水滴移动的方向和距离。

（3）实验进行30分钟后，记录的甲、乙装置中红墨水滴移动情况如表所示：

项目

实验30分钟后红墨水滴移动情况

测定植物细胞呼吸强度

甲装置

________（填“左”或“右”）移1.5cm

乙装置

右移0.5cm

测定植物净光合作用强度

甲装置

________（填“左”或“右”）移4.5cm

乙装置

右移0.5cm

（4）假设红墨水滴每移动1cm，植物体内的葡萄糖增加或减少1g，那么该植物的呼吸速率是________g/h；白天光照15h，一昼夜葡萄糖的积累量是________g（不考虑昼夜温差的影响）。

答案　

（1）①NaOH溶液　②遮光　

（2）①NaHCO3溶液　乙装置　②光照充足、温度等条件相同且适宜的环境中　（3）左　右　（4）4　84

解析　要测定光合作用强度必须先测定细胞呼吸强度，在测定细胞呼吸强度时一定要将实验装置置于黑暗条件下，使植物只进行细胞呼吸。

用NaOH溶液除去玻璃钟罩内的CO2，植物进行细胞呼吸消耗一定量的O2，释放等量的CO2，而CO2被NaOH溶液吸收，根据一定时间内玻璃钟罩内气体体积的减少量即可计算出细胞呼吸强度。

在测定净光合作用强度时要满足光合作用所需的条件：

充足的光照、一定浓度的CO2（由NaHCO3溶液提供），光合作用过程中消耗一定量CO2，产生等量O2，而NaHCO3溶液可保证装置内CO2浓度的恒定，因此，玻璃钟罩内气体体积的变化只受O2释放量的影响，而不受CO2气体减少量的影响。

对照实验乙装置中红墨水滴右移是环境因素（如气压等）对实验产生影响的结果。

实验装置甲同样也受环境因素的影响，因此，植物细胞呼吸消耗O2量等于玻璃钟罩内气体体积的改变量，则该植物的呼吸速率为（1.5＋0.5）÷0.5＝4（g/h），净光合速率为（4.5－0.5）÷0.5＝8（g/h），白天光照15h的净光合作用量是8×15＝120（g），一昼夜葡萄糖的积累量为120－4×9＝84（g）。

考向四　交替光照与连续光照问题

9．（2019·河南百校联盟联考）科研人员利用“间隙光”来测定沙棘的光合作用，每次光照20秒，黑暗20秒，交替进行12小时，并用灵敏传感器记录环境中氧气和二氧化碳的变化，实验结果部分记录如下图所示。

据实验结果部分记录图分析，与连续光照6小时，再连续黑暗6小时相比，“间隙光”处理的光合作用效率________（填“大于”“等于”或“小于”）连续光照下的光合效率，原因是“间隙光”能________________。

上面曲线出现的原因是光合作用光反应的速率比碳反应的速率________（填“更快”或“更慢”）。

图中两条曲线所围成的面积S1________（填“大于”“等于”或“小于”）S2。

答案　大于　充分利用光合作用光反应产生的NADPH和ATP　更快　等于

解析　光照总时间相同的情况下，“间隙光”与连续光照处理相比，光合作用合成的有机物增多，光合作用效率更高，因为一般情况下，光合作用过程中的光反应速率很快，而碳反应速率较慢，“间隙光”处理能充分利用光反应产生的NADPH和ATP。

S1面积相当于光照时光反应积累的NADPH和ATP，而这些NADPH和ATP在后续的黑暗处理时被碳反应所消耗，所以S1与S2大致相等。