届高考生物复习专题二第4讲 高频命题点3 细胞呼吸与光合作用的实验分析与设计.docx
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届高考生物复习专题二第4讲高频命题点3细胞呼吸与光合作用的实验分析与设计
高频命题点3 细胞呼吸与光合作用的实验分析与设计
真题领航——目标方向导入高考
1．（2019·全国Ⅰ卷，29）将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理，该植物根细胞中溶质浓度增大，叶片中的脱落酸（ABA）含量增高，叶片气孔开度减小。
回答下列问题。
（1）经干旱处理后，该植物根细胞的吸水能力________。
（2）与干旱处理前相比，干旱处理后该植物的光合速率会________；出现这种变化的主要原因是________________________________。
（3）有研究表明：
干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。
请以该种植物的ABA缺失突变体（不能合成ABA）植株为材料，设计实验来验证这一结论，要求简要写出实验思路和预期结果。
解析：
本题借助影响光合作用的因素的相关知识，考查考生设计实验验证简单生物学事实的能力；通过对气孔开度减小原因的分析与探究，体现了科学探究素养中的方案探讨要素。
（1）干旱处理后，该植物根细胞中溶质浓度增大，使根细胞的吸水能力增强。
（2）干旱处理后，叶片气孔开度减小，从外界吸收的CO2减少，使该植物的光合速率降低。
（3）要验证干旱条件下ABA引起气孔开度减小，需要取ABA缺失突变体植株，在正常条件下测定其气孔开度，经干旱处理后，再测定其气孔开度，预期结果是干旱处理前后气孔开度不变；再将上述干旱处理后的ABA缺失突变体植株随机分为两组，一组不做处理（对照组），一组进行ABA处理（实验组），在干旱条件下培养一段时间后，测定两组的气孔开度，预期结果是实验组气孔开度减小，对照组气孔开度不变。
答案：
（1）增强
（2）降低 气孔开度减小使供应给光合作用所需的CO2减少
（3）取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度，经干旱处理后，再测定气孔开度。
预期结果是干旱处理前后气孔开度不变。
将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组，在干旱条件下，一组进行ABA处理，另一组作为对照组，一段时间后，分别测定两组的气孔开度。
预期结果是ABA处理组气孔开度减小，对照组气孔开度不变。
2．（2016·全国Ⅱ卷）BTB是一种酸碱指示剂。
BTB的弱碱性溶液颜色可随其中CO2浓度的增高而由蓝变绿再变黄。
某同学为研究某种水草的光合作用和呼吸作用，进行了如下实验：
用少量的NaHCO3和BTB加水配制成蓝色溶液，并向溶液中通入一定量的CO2使溶液变成浅绿色，之后将等量的浅绿色溶液分别加入到7支试管中。
其中6支加入生长状况一致的等量水草，另一支不加水草，密闭所有试管。
各试管的实验处理和结果见下表。
试管编号
1
2
3
4
5
6
7
水草
无
有
有
有
有
有
有
距日光灯
的距离（cm）
20
遮光*
100
80
60
40
20
50min后试管
中溶液的颜色
浅绿色
X
浅黄色
黄绿色
浅绿色
浅蓝色
蓝色
*遮光是指用黑纸将试管包裹起来，并放在距日光灯100cm的地方。
若不考虑其他生物因素对实验结果的影响，回答下列问题：
（1）本实验中，50min后1号试管的溶液是浅绿色，则说明2至7号试管的实验结果是由________________________________________________________________________
引起的；若1号试管的溶液是蓝色，则说明2至7号试管的实验结果是__________（填“可靠的”或“不可靠的”）。
（2）表中X代表的颜色应为__________（填“浅绿色”“黄色”或“蓝色”），判断依据是___________________________________________________________。
（3）5号试管中的溶液颜色在照光前后没有变化，说明在此条件下水草________________________________________________________________________。
解析：
（1）依题意并结合表中信息可知：
距日光灯的距离表示光照的强弱。
2号试管遮光，其内的水草不能进行光合作用，但能进行呼吸作用；3～7号试管内的水草在有光的条件下，溶液颜色的变化是光合作用吸收的CO2量与呼吸作用释放的CO2量的综合反映；1号试管为对照组，其中的NaHCO3可维持CO2浓度的相对稳定，2～7号试管为实验组。
综上所述，若50min后，1号试管的溶液是浅绿色，则说明2～7号试管的实验结果是由光合作用与呼吸作用引起的；若1号试管的溶液是蓝色，说明2～7号试管的实验结果是不可靠的。
（2）2号试管因遮光，其内的水草不能进行光合作用消耗CO2，但能通过呼吸作用释放CO2，所以试管内CO2浓度最高，X代表的颜色应为黄色。
（3）5号试管中的溶液颜色与对照组1号试管的相同，均为浅绿色，说明在此条件下水草的光合作用强度等于呼吸作用强度。
答案：
（1）不同光强下水草的光合作用和呼吸作用 不可靠的
（2）黄色 水草不能进行光合作用，只能进行呼吸作用，溶液中CO2浓度高于3号管
（3）光合作用强度等于呼吸作用强度，吸收与释放的CO2量相等。
知识拓展——培养学生实验探究能力
1．某小组欲探究在一定氧气浓度下植物细胞呼吸的类型，请你利用如图所示装置和合理的材料进行实验，写出实验设计思路。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
答案：
取两组相同的上述装置分为甲、乙两组，两组植物均进行遮光处理（或将植物换成等量同种萌发的种子），甲组烧杯中加入NaOH溶液，乙组烧杯中加入等量蒸馏水，一定时间后测定两组装置中红色液滴移动的情况，并据此判断植物细胞呼吸的类型。
2．某同学做出的推测为适当遮光可能导致叶绿素含量增加。
请设计一个实验验证该同学的推测是否正确，简单写出实验思路：
________________________________________________
________________________________________________________________________
答案：
提取并用纸层析法分离遮光和未遮光情况下的绿色叶片中的色素，观察并比较叶绿素色素带的宽度是否发生变化及发生何种变化。
核心整合——掌握必备生物知识
1．绿叶色素的提取、分离（填空）
（1）
（2）结果
2．酵母菌呼吸方式测定的实验装置分析（填空）
（1）图1中石蜡或油膜密封玻璃容器的目的是⑤将液体与空气隔绝。
（2）图2中NaOH可以除去空气中的CO2，澄清的石灰水能够检验气体中是否存在CO2。
（3）图3中甲瓶中加入酵母菌和葡萄糖溶液后不应立即与乙瓶相连通，目的是让酵母菌消耗掉甲瓶中的氧气，保证通入乙瓶的CO2都是无氧呼吸产生的。
3．测定光合速率与呼吸速率（装置如下图，填空）
考向立意——突显学科素养和综合分析问题、解决问题的能力
[考向一] 以光合作用与呼吸作用的实验为载体，考查学生科学思维和分析问题的能力
1．某小组同学利用如图装置探究酵母菌在不同温度下的发酵实验，取200mL不同温度的无菌水倒入培养瓶，然后加入15g葡萄糖及5g干酵母，混匀后放在相应温度下水浴保温，实验进行20min，观察现象如下表；回答下列问题：
组别
处理方法
实验现象
1
冰水（0℃）
没有气泡产生
2
凉水（10℃）
只能看到少量气泡
3
温水（30℃）
产生气泡，由慢到快，由少到多
4
热水（55℃）
始终没有气泡产生
（1）分析表格中实验现象，其根本原因是温度影响了__________，从数据中分析________（填“能”或“不能”）得到酵母菌发酵的最适温度。
（2）实验3的装置中最初液滴未移动，在15min后液滴缓慢向__________（填“左”或“右”）移动，整个过程细胞中产生该气体的场所有___________________________________。
（3）有的同学认为实验组1和实验组4现象虽然相同，但原理不同，老师建议他进行实验验证，请简要写出实验思路：
_______________________________________________________。
若________________________________________________________________________，
则证明他的观点是正确的。
解析：
（1）温度影响酵母细胞内酶的活性，进而影响无氧呼吸强度。
从表中数据判断，该实验中30℃时气体产生量最快、最多，但不能确定酵母菌发酵的最适温度。
（2）实验3的装置中最初液滴未移动，说明进行有氧呼吸，氧气消耗量等于二氧化碳产生量；在15min后液滴缓慢向右移动，酵母菌进行无氧呼吸，产生酒精和二氧化碳，整个过程细胞中产生二氧化碳的场所有线粒体基质和细胞质基质。
（3）实验组1中低温致使酶活性较低，空间结构不变，实验组4中酶在高温下变性失活，验证该假设，可将实验组1和实验组4放在30℃水浴中保温，一段时间后，观察气泡产生情况。
若实验组1产生气泡，实验组4仍然没有气泡产生，则证明假设正确。
答案：
（1）酵母细胞内酶的活性 不能
（2）右 线粒体基质和细胞质基质
（3）将实验组1和实验组4放在30℃水浴中保温，一段时间后，观察气泡产生情况实验组1产生气泡，实验组4仍然没有气泡产生
2．为了探究环境因素对光合作用强度的影响，某生物兴趣小组按如下步骤进行了实验：
①取长势一致的菠菜绿叶，用打孔器打出30个直径1cm的圆形叶片（避开大的叶脉）。
②取3只小烧杯并编号，分别加入20mL适宜浓度的NaHCO3溶液，向三只小烧杯中各放入10片圆形叶片，观察到叶片均浮在液面上。
③将三只小烧杯中的圆形叶片取出，用真空泵抽去叶肉细胞间隙中的气体后放回小烧杯中，观察到叶片均下沉到烧杯底部。
④将3只小烧杯分别放到距离台灯（40W）10cm、20cm、30cm处，观察并记录同一时间内3只小烧杯中圆形叶片上浮的情况。
回答下列问题：
（1）本实验探究的环境因素是__________。
（2）步骤②向小烧杯中加入20mL适宜浓度的NaHCO3溶液的目的是_________________；
步骤③将圆形叶片中的气体抽出的目的是________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）本实验以“小烧杯中圆形叶片上浮的情况”作为因变量的观察指标，原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）若观察到步骤④中3只小烧杯中圆形叶片均上浮，可在原有实验的基础上再增加分别距离台灯40cm、50cm、60cm的3个实验组，其他条件不变重复上述步骤。
预测结果：
随着小烧杯与台灯距离的增加，圆形叶片上浮的数量__________。
解析：
（1）由实验步骤可知，该实验的自变量是灯泡与装置的距离，即光照强度。
（2）加入适宜浓度的NaHCO3溶液的目的是为光合作用提供二氧化碳，而将圆形叶片中的气体抽出的目的是排除原有气体对实验的影响。
（3）叶片进行光合作用，释放出的氧气充满叶肉细胞间隙，叶片上浮。
（4）随着小烧杯与台灯距离的增加，光照强度减弱，所以圆形叶片上浮的数量减少。
答案：
（1）光照强度
（2）为光合作用提供二氧化碳 排除原有气体对实验的影响
（3）叶片进行光合作用，释放出的氧气充满叶肉细胞间隙，叶片上浮（其他合理叙述也可） （4）减少
[考向二] 以相关实验为载体，考查学生设计实验的能力
3．为完成“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验，提供以下材料用具：
菠菜叶、打孔器（直径1cm）、注射器、40W台灯、烧杯、4%NaHCO3溶液、蒸馏水、不同颜色的透明薄膜等。
（1）某同学选取其中一个因素进行探究，以下是实验结果：
时间
上浮的叶圆片数量（片）
蒸馏水
0.5%
NaHCO3
1%
NaHCO3
1.5%
NaHCO3
2%
NaHCO3
2min
0
7
11
10
4
4min
0
15
16
13
7
①该实验的目的是________________________________________________________，
实验检测指标是：
________________________________________________________。
②有哪些措施可以减少实验误差？
_____________________________________________
________________________________________________________________________。
（至少写出二项）
③有同学认为叶片之所以浮起，是因为呼吸作用消耗了有机物且产生了CO2导致叶片上浮的。
根据实验结果判断该观点是否正确？
并说明理由：
____________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）利用以上材料，还可以探究的环境因素有_____________________________________
________________________________________________________________________。
（答出2个）
解析：
分析表格：
本实验的自变量为不同浓度的NaHCO3溶液，因变量是单位时间内叶圆片上浮数量，由于NaHCO3溶液是提供二氧化碳，单位时间内叶圆片上浮数量表示的是净光合速率，故本实验探究的是研究CO2浓度（或NaHCO3浓度）对叶片光合速率的影响，结合题干条件，本实验还可探究光照强度、光质对光合速率的影响。
（1）①由分析可知：
该实验探究的是研究CO2浓度（或NaHCO3浓度）对叶片光合速率的影响。
②本实验的自变量为不同浓度的NaHCO3溶液，因变量是单位时间内叶圆片上浮数量，故主要通过重复实验和控制无关变量来减少实验误差，如果打孔器打出的叶片数量足够多，每组实验重复几次，记录的数据取平均值。
③有同学认为叶片之所以浮起，是因为呼吸作用消耗了有机物且产生了CO2导致叶片上浮的，该同学的认识是错误的，因为在蒸馏水的那组实验中，叶片一样进行了呼吸作用，却没有叶片浮起，叶片上浮的原因是光合作用强度大于呼吸作用强度，叶片内氧气增多。
（2）结合题干，本实验还可探究光照强度、光质对光合速率的影响。
答案：
（1）①研究CO2浓度（或NaHCO3浓度）对叶片光合速率的影响 相同时间内烧杯中叶片浮起的数量 ②用打孔器打出的叶片数量足够多；每组实验重复几次，记录的数据取平均值 ③该同学的认识是错误的，因为在蒸馏水的那组实验中，叶片一样进行了呼吸作用，却没有叶片浮起，叶片上浮的原因是光合作用强度大于呼吸作用强度，叶片内氧气增多
（2）光照强度、光的性质
4．如图是在一定温度条件下测定特定生物呼吸作用和光合作用强度的装置图（呼吸作用的底物为葡萄糖，不考虑装置内微生物的影响）。
请回答下列相关问题：
（1）图1装置中X为清水，一段时间后（小鼠存活）玻璃管中红色液滴______（填“向左”“向右”或“不移动”），原因是_______________________________________________
（2）若图1装置中X仍为清水，将小鼠换成含有酵母菌的培养液，则玻璃管中红色液滴的变化情况是______________________________________________________________________
______，原因是酵母菌是______________生物。
（3）如果要在上述
（2）的基础上测定酵母菌有氧呼吸释放CO2的量，该如何改动图1装置？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）若图2装置的锥形瓶中植物能正常生长，则Y应为______，这种情况下玻璃管中红色液滴将向右移动，原因是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（5）光补偿点是指光合作用过程中吸收的CO2与呼吸过程中放出的CO2相等时的光照强度。
请用多套图2装置设计实验初步估测该植物的光补偿点大小（已知实验所用光照强度分别为200lux、500lux、800lux、1100lux、1400lux、1700lux，用液滴移动的距离来表示气体变化量）。
写出实验设计思路，并从数学模型角度进行结果分析。
解析：
（1）图1中的小鼠进行有氧呼吸吸收的O2量与释放的CO2量相等，且产生的CO2不会被烧杯中的清水吸收，所以装置中的气体体积不变，红色液滴不移动。
（2）将小鼠换成含酵母菌的培养液，X仍然是清水，由于酵母菌是兼性厌氧型微生物，开始时进行有氧呼吸，红色液滴不移动；后来进行无氧呼吸，产生了CO2，使得装置中气体体积增大，则红色液滴右移。
（3）根据题
（2）分析可知，若将图1装置中的清水换成氢氧化钠溶液，小鼠换成含酵母菌的培养液，其他条件不变，可以用红色液滴的移动距离来测定酵母菌有氧呼吸释放CO2的量。
（4）若图2装置的锥形瓶中植物能正常生长，说明植物的光合作用大于呼吸作用，则Y应为CO2缓冲液，由于光合作用产生的O2量大于呼吸作用消耗的O2量，则红色液滴右移。
（5）测定光补偿点需要设计一段光照强度梯度的实验，分别进行测定光合速率的实验，然后根据描点法绘制成曲线图，曲线与横坐标交点处的光照强度即为该植物的光补偿点。
答案：
（1）不移动 小鼠细胞呼吸吸收的O2量与释放的CO2量相等
（2）刚开始红色液滴不移动，一段时间后向右移动 兼性厌氧型 （3）用NaOH溶液代替清水，其他条件不变 （4）NaHCO3溶液 光合作用产生的O2量大于呼吸作用消耗的O2量 （5）实验设计思路：
取7套装置在Y中各加入一定浓度的CO2缓冲液（或一定浓度NaHCO3溶液）将整个装置分别放在0lux、200lux、500lux、800lux、1100lux、1400lux、1700lux光照下相同时间，记录液滴移动的距离。
结果分析：
以横坐标表示光照强度，纵坐标表示O2的吸收或释放量，用描点作图法将所得数据连接成曲线。
曲线与横坐标交点处的光照强度即为该植物的光补偿点。
1．下列有关生物新陈代谢中的生理过程的叙述，正确的是（ ）
A．真核生物产生CO2的场所为线粒体，无氧呼吸不产生CO2
B．人体在剧烈运动后的肌肉酸痛，是肌细胞无氧呼吸产生的乳酸所致
C．细胞中的有机物在氧化分解时，储存在其中的能量在短时间内全部释放
D．自由水与结合水含量的比值，与植物的抗寒性呈现明显的正相关
解析：
B [本题考查了学科核心素养的生命观念与科学思维，难度适中。
真核生物进行有氧呼吸产生CO2的场所为线粒体，进行无氧呼吸产生CO2的场所为细胞质基质，A项错误；人体在剧烈运动后的肌肉酸痛，是肌细胞无氧呼吸产生的乳酸所致，B项正确；细胞中的有机物在通过有氧呼吸被氧化分解时储存在其中的能量逐步释放，而通过无氧呼吸被氧化分解时，储存在其中的能量仅在第一阶段有少量的释放，C项错误；自由水与结合水含量的比值增加时，生物体代谢活跃，生长迅速，但植物的抗寒性减弱，D项错误。
]
2．下图是向含有酵母菌的葡萄糖培养液中通入不同浓度的O2后，O2的消耗量和CO2的产生量的变化曲线图。
据图判断，下列相关分析正确的是（ ）
A．曲线Ⅰ、Ⅱ分别表示O2的消耗量和CO2的产生量
B．O2浓度为b时，约有2/3的葡萄糖用于酵母菌的酒精发酵
C．O2浓度为c时，酵母菌产生的CO2全部来自线粒体基质
D．O2浓度为d时，细胞呼吸形成的ATP全部来自线粒体
解析：
B [本题考查了学科核心素养的科学思维，难度适中。
酵母菌为兼性厌氧菌，其进行有氧呼吸消耗O2，产生CO2，进行无氧呼吸，产生CO2，当O2浓度小于d时，曲线Ⅰ均高于曲线Ⅱ，说明曲线Ⅰ表示总的呼吸产生的CO2，曲线Ⅱ表示有氧呼吸作用过程中O2的消耗量，A项错误；O2浓度为b时，O2的消耗量为6mol，CO2的产生量为10mol，说明有氧呼吸消耗的葡萄糖为1mol，无氧呼吸CO2的产生量为4mol，无氧呼吸消耗的葡萄糖为2mol，即约有2/3的葡萄糖用于酵母菌的酒精发酵，B项正确；O2浓度为c时，O2的消耗量为10mol，CO2的产生量为12mol，说明酵母菌既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸，其产生的CO2来自细胞质基质和线粒体基质，C项错误；O2浓度为d时，O2的消耗量和CO2的产生量相等，说明其只进行有氧呼吸，细胞呼吸形成的ATP来自细胞质基质和线粒体、D项错误。
]
3．下列有关叶绿体和线粒体内部分代谢活动的叙述，正确的是（ ）
A．叶绿体内：
CO2→C3→C6H12O6，线粒体内：
C6H12O6→C3→CO2
B．两种细胞器都与能量转换有关，且其能量转换都只发生在膜上
C．ATP和[H]在叶绿体中随水的分解而产生，在线粒体中随水的生成而产生
D．叶绿体代谢产生的水可以被线粒体利用，线粒体代谢产生的水也可以被叶绿体利用
解析：
D [本题考查了学科核心素养的生命观念和科学思维，难度适中。
在叶绿体基质内进行光合作用的暗反应阶段，会发生CO2→C3→C6H12O6，C6H12O6→C3（丙酮酸）发生在细胞质基质中，C3（丙酮酸）→CO2发生在线粒体基质内，A项错误；两种细胞器都与能量转换有关，但能量转换不都在生物膜上，如光合作用中暗反应和有氧呼吸第二阶段都有能量转换，却都不在膜上发生，B项错误；光合作用中ATP和[H]在叶绿体中随水的分解而产生，但在线粒体中，水的生成在第三阶段，是通过消耗[H]而产生ATP，C项错误；叶绿体代谢产生的水如果进入线粒体，可以被线粒体利用，线粒体代谢产生的水如果进入叶绿体，也可以被叶绿体利用，D项正确。
]
4．科研人员检测晴朗天气下露地栽培和大棚栽培的油桃的光合速率（Pn）日变化情
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