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(新高考)高考生物一轮复习课件第三单元第4课影响光合作用的因素及光合作用和细胞呼吸的关系(含解析)
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这是一份(新高考)高考生物一轮复习课件第三单元第4课影响光合作用的因素及光合作用和细胞呼吸的关系(含解析)，共60页。PPT课件主要包含了核心概念·自查，消耗量，生成量，CO2浓度，水分含量，光合作用，光照强度，沉入水底，CO2，细胞间隙充满了水等内容，欢迎下载使用。
【概念导图】一图知全局
【概念梳理】闭书测基础一、环境因素对光合作用强度的影响及应用1.光合作用强度:(1)含义:植物在单位时间单位面积内,通过光合作用制造_____的数量。(2)两种表示方法。①一定时间内原料的_______。②一定时间内产物的_______。
2.影响光合作用过程的环境因素:(1)空气中_______。 (2)土壤中_________。(3)光照的_____以及光的_____。(4)_____的高低。
二、探究光照强度对光合作用强度的影响1.实验原理:(1)在光照下,绿色植物通过_________产生O2。(2)台灯距烧杯的距离不同,则照射到不同烧杯叶圆片上的_________不同。(3)光照强度不同,则光反应产生__的速率不同,叶片内气泡产生速度不同,叶片上浮的时间不同。
2.实验步骤及主要操作:
3.实验结论:在一定光照强度范围内,光合作用强度随光照强度的增强而_____。
三、光合作用和细胞呼吸的关系1.光合作用与细胞呼吸过程的联系:
(1)写出下列物质名称:b.__,c.____,d.____,e. ___________,f.__,g.___,h.__。
(2)填写表中生理过程及场所:
2.光合作用和有氧呼吸中[H]、ATP的来源和去路:
【概念辨析】全面清障碍1.判断下列有关环境因素对光合作用强度的影响叙述的正误:(1)生长于较弱光照条件下的植物,当提高CO2浓度时,其光合速率未随之增加,主要限制因素是光照强度。( )(2)延长光照时间能提高光合作用强度。( )分析:延长光照时间只能提高光合作用的产物量,不能提高光合作用强度。
(3)植物体从土壤中吸收的水分主要用于光合作用。( )分析:植物体从土壤中吸收的水分主要用于蒸腾作用。(4)停止供水,植物光合速率下降,这是由于水既是光合作用的原料,又是光合产物在植物体内运输的主要介质。( )
(5)夏季晴天,植物出现光合“午休”现象的主要原因是环境中CO2浓度过低。( )分析:出现光合“午休”现象是因为夏季中午温度过高,引起气孔关闭,CO2吸收减少,而不是环境中CO2浓度过低。
(6)干旱初期植物光合速率降低主要是因为光反应原料水不足。( )分析:干旱缺水影响植物的蒸腾作用,植物部分气孔关闭,CO2进入量减少,光合速率下降。(7)温度越高,光合作用强度越大。( )分析:温度通过影响酶的活性影响光合作用强度,温度过高,酶失活,光合作用强度降低甚至会丧失。
(8)光合作用中的产物和反应物中没有N、P等元素,因此土壤中的N、P等无机盐的含量对光合作用无影响。 ( )分析:光合作用中的色素、酶以及反应场所中都含有N、P等元素,因此土壤中的N、P等无机盐会影响光合作用。
2.判断下列有关光合作用探究实验叙述的正误:(1)制备小圆形叶片,用打孔器打孔时,不必避开大的叶脉。( )分析:叶脉中没有叶绿体,而且会延长小圆形叶片上浮的时间,影响实验结果的准确性。
(2)在探究光照强度对光合作用的影响实验中,光照越强,相同时间内叶片浮起的数量越多。( )分析:在一定范围内,随光照强度的增加,光合作用强度逐渐增加,但当达到光饱和点以后,光照强度再增加,光合作用强度则不再随之增加。
(3)光合作用强度可以用光合作用消耗糖类的数量来表示。( )分析:光合作用强度可以用植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量表示。(4)探究光照强度对光合作用强度影响的实验中使用的小圆形叶片应先排出里面的气体。( )
(5)探究光照强度对光合作用强度影响的实验中能直接测定出其真光合作用速率。( )分析:该实验只能测定出其净光合作用速率,无法测定真光合作用速率。(6)在探究光照强度对光合作用强度的影响实验中,往水中吹气是为了增加水中的溶解氧。( )分析:往水中吹气是为了增加水中的二氧化碳。
3.判断下列有关光合作用和细胞呼吸关系叙述的正误:(1)光合作用过程中产生的[H]可用于有氧呼吸的第三阶段。( ) 分析:光合作用中的[H]是还原型辅酶Ⅱ(NADPH),而呼吸作用中的[H]是还原型辅酶Ⅰ(NADH),不是同一类物质。光合作用过程中产生的[H]用于暗反应。
(2)不同植物的真光合速率不相同,那么净光合速率可能相同。( )分析:植物的净光合速率=真光合速率-呼吸速率,比如A植物真光合速率为6,呼吸速率为3,净光合速率为3;B植物真光合速率为8,呼吸速率为5,净光合速率也为3。
(3)一天中植物有机物积累量最多的是正午光照最强时。( )分析:正午光照最强光合速率较快,下午光合速率大于呼吸速率,有机物仍旧积累,有机物积累最多应该在下午光合速率与呼吸速率相等时。(4)净光合速率可能小于0,而真光合速率不可能小于0。( )
(5)某光照强度下,有机物的积累量与有机物的消耗量相等,该植物在此光照条件下重量不增加。( )分析:有机物的积累量为净光合作用,该光照条件下植物净光合作用大于0,因此植物的重量增加。
【概念活用】教材命题源1.教材原文:必修1P105“农业生产上有许多提高农作物光合作用强度的措施。”思考:(1)“正其行,通其风”促进作物生长的原因是“正其行”要求增大植物的_________面积,“通其风”要求空气流通,增加___的利用率,以此提高植物的光合作用强度。
(2)大棚种植使用有机肥有利于增产的原因是有机肥在被微生物分解时会释放___,增加了大棚中的_______,进而促进光合作用。(3)温室或大棚种植蔬菜时,应选择_______________的玻璃、塑料薄膜或补充_____________。
2.教材必修1P106“拓展题”“无论是大田栽培还是温室栽培,都要考虑光能的充分和合理利用”改编:据图分析多因素对光合作用的影响
(1)三条曲线在P点之前限制光合速率的因素分别是什么?提示:P点之前,限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子,依次为光照强度、光照强度和温度。
(2)三条曲线在Q点之后横坐标所表示的因子还是影响光合速率的主要因素吗?此时的限制因素分别是什么?提示:Q点之后横坐标所表示的因子不再是影响光合速率的主要因素,此时的外界主要影响因素依次为温度、CO2浓度和光照强度。
(3)在北方的冬暖大棚中施用有机肥有哪些益处?提示:有机肥中的有机物被土壤中的微生物分解成各种矿质元素,增加了土壤的肥力,另外还释放出热量和CO2,增加了大棚内的温度和CO2浓度,有利于光合作用的进行。
考点一 环境因素对光合作用强度的影响及应用 【典例精研引领】(2018·全国卷Ⅰ)甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如图所示。回答下列问题:
(1)当光照强度大于a时,甲、乙两种植物中,对光能的利用率较高的植物是 。 (2)甲、乙两种植物单独种植时,如果种植密度过大,那么净光合速率下降幅度较大的植物是 ,判断的依据是_______________________________ 。 (3)甲、乙两种植物中,更适合在林下种植的是 。 (4)某植物夏日晴天中午12:00时叶片的光合速率明显下降,其原因是进入叶肉细胞的 (填“O2”或“CO2”)不足。
【名师授法解题】抓题眼练思维
【解析】本题考查光合作用的基本过程和影响因素。(1)当光照强度大于a时,甲的净光合速率比乙的高,因此对光能的利用率较高的植物是甲。(2)光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大,种植密度过大,植株接受的光照强度减弱,导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大。(3)乙植物在低光照强度下的净光合速率大于甲,所以乙更适合在林下(低光照条件)种植。(4)夏日晴天中午12:00时温度过高,部分气孔关闭,进入叶肉细胞的CO2不足。
答案:(1)甲 (2)甲 光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大,种植密度过大,植株接受的光照强度减弱,导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大(3)乙 (4)CO2
【母题变式延伸】核心素养新命题 (1)上题中甲、乙两种植物为什么乙植物更适合林下种植?(科学思维:分析与综合)提示:乙植物在低光照强度下净光合速率大于甲植物。
(2)结合上题曲线思考阴雨天为了提高大棚蔬菜的产量,应如何做呢?(社会责任:解决现实生活中的问题)提示:阴雨天光照强度较弱,为了提高大棚蔬菜的产量,可适当提供人造光源,提高光照强度,进而提高植物的净光合作用强度。
【知能素养提升】1.光照强度对光合作用的影响及应用:(科学思维:比较、归纳)(1)原理:光照强度影响_______阶段,制约___________的产生,进而制约暗反应。(2)曲线分析:
①A点:光照强度为0,只进行细胞呼吸,AB段光合作用强度小于细胞呼吸强度;B点:_________(光合作用强度与细胞呼吸强度相等时的光照强度);BD段:光合作用强度大于细胞呼吸强度;C点:_________(光照强度达到C点后,光合作用强度不再随着光照强度的增大而加强)。②实线表示_____植物,虚线表示_____植物。
(3)应用:阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物___,间作套种农作物、林间带树种的配置和冬季温室栽培等都可合理利用光能。
2.CO2浓度对光合作用的影响及应用:(科学思维:比较、归纳)(1)原理:CO2浓度通过影响_______阶段,制约C3的生成来影响光合作用强度。(2)曲线分析
图甲中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度,即_________,而图乙中的A‘点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度;两图中的B点和B’点都表示_________,两图都表示在一定范围内,光合作用速率随CO2浓度增加而增大。
(3)应用①大田要“正其行,通其风”,多施有机肥。②温室内可通过放干冰,使用CO2生成器,施用农家肥,与猪舍、鸡舍连通等方法_______________。
3.温度对光合作用的影响及应用:(科学思维:比较、归纳)(1)原理:温度通过影响_________影响光合作用强度。(2)曲线分析:
光合作用强度和细胞呼吸强度都受温度的影响,但_________相关酶对温度反应更为敏感。(3)应用:温室栽培植物时,白天调到光合作用最适温度,以提高_____________;晚上适当降低温室内温度,以降低_____________,保证植物有机物的积累。
4.水对光合作用的影响及应用:(科学思维:比较、归纳)(1)原理:①水既是光合作用的原料,又是体内各种化学反应的介质,如植物缺水导致萎蔫,使光合速率下降。②水分还能影响_____的开闭,间接影响___进入植物体内。
图1表明在农业生产中,可根据作物的需水规律,合理灌溉。图2曲线上E处光合作用强度暂时降低,是因为温度高,气孔关闭,影响了CO2的供应。(3)应用:预防干旱,合理灌溉。
5.矿质元素对光合作用的影响及应用:(科学思维:比较、归纳)(1)原理:矿质元素是参与光合作用的许多重要化合物的_________,缺乏会影响光合作用的进行。例如,N是酶的组成元素,N、P是ATP、磷脂的组成元素,Mg是_______的组成元素等。
在一定浓度范围内,增大必需矿质元素的供应,可提高光合作用强度;但当超过一定浓度后,会因土壤溶液的浓度过高,植物渗透_____而导致植物光合作用强度下降。(3)应用:合理施肥、补充土壤中的矿质元素。
【热点考向演练】考向一 结合单因素对光合作用的影响，考查归纳和概括能力1.(2021年湖北适应性测试)某科学家曾做过一个实验，将小鼠放在不同的密封、恒温的钟罩内，实验处理方案如表，小鼠最先死亡的一组是( )
【解析】选C。本题主要考查光合作用实验的设计。绿色植物在光下可以进行光合作用和呼吸作用，而在黑暗中不能进行光合作用，但可以进行呼吸作用，小鼠存活时间的长短，是光合作用和呼吸作用的关系决定的。本题中，小鼠+绿色植物，在黑暗条件下植物不能进行光合作用，不产生氧气，但小鼠、绿色植物可以进行呼吸作用消耗氧气，本条件下氧气消耗速度最快，小鼠存活时间最短，故C符合题意，A、B、D均不符合题意。
2.(2020·浙江7月选考)将某植物叶片分离得到的叶绿体,分别置于含不同蔗糖浓度的反应介质溶液中,测量其光合速率,结果如图所示。图中光合速率用单位时间内单位叶绿素含量消耗的二氧化碳量表示。下列叙述正确的是( )
A.测得的该植物叶片的光合速率小于该叶片分离得到的叶绿体的光合速率B.若分离的叶绿体中存在一定比例的破碎叶绿体,测得的光合速率与无破碎叶绿体的相比,光合速率偏大C.若该植物较长时间处于遮阴环境,叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中B-C段对应的关系相似D.若该植物处于开花期,人为摘除花朵,叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中A-B段对应的关系相似
【解析】选A。本题主要考查影响光合作用的因素。用植物叶片测得的光合速率是叶片的总光合速率减去叶片的呼吸速率,即净光合速率,而用该叶片分离得到的叶绿体测得的光合速率,没有呼吸消耗,就是总光合速率,A项正确;破碎叶绿体,其叶绿素释放出来,被破坏,导致消耗二氧化碳减少,测得的光合速率与无破碎叶绿体的相比,光合速率偏小,B项错误;若该植物较长时间处于遮阴环境,光照不足,光反应减弱,影响暗反应速率,蔗糖合成一直较少, C项错误;若该植物处于开花期,人为摘除花朵,叶片光合作用产生的蔗糖不能运到花瓣,则在叶片积累,光合速率下降,叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中B-C段对应的关系相似,D项错误。
考向二 结合多因素对光合作用的影响,考查归纳和概括能力3.(2020·全国Ⅰ卷)农业生产中的一些栽培措施可以影响作物的生理活动,促进作物的生长发育,达到增加产量等目的。回答下列问题:(1)中耕是指作物生长期中,在植株之间去除杂草并进行松土的一项栽培措施,该栽培措施对作物的作用有 (答出2点即可)。 (2)农田施肥的同时,往往需要适当浇水,此时浇水的原因是 (答出1点即可)。
(3)农业生产常采用间作(同一生长期内,在同一块农田上间隔种植两种作物)的方法提高农田的光能利用率。现有4种作物,在正常条件下生长能达到的株高和光饱和点(光合速率达到最大时所需的光照强度)见下表。从提高光能利用率的角度考虑,最适合进行间作的两种作物是 ,选择这两种作物的理由是 。
【解题指南】(1)隐含信息:间作的作物要高矮明显,充分利用光照并减少竞争。(2)选择作物的原则:①株高较高的植物,其光饱和点要高,充分利用上层的强光。②株高较矮的植物,其光饱和点要低,充分利用下层的弱光。
【解析】本题主要考查物质跨膜运输、细胞呼吸原理及其在生产中的应用、光合作用原理的应用。(1)中耕过程中去除了杂草,减少了杂草和农作物之间的竞争;疏松土壤可以增加土壤的含氧量,有利于根细胞的有氧呼吸,促进矿质元素的吸收,还可以促进好氧微生物活动,从而达到增产的目的。(2)农田施肥时,肥料中的矿质元素只有溶解在水中,以离子形式存在,才能被作物根系吸收。
(3)间作应选取株高较高且光饱和点高的作物,充分利用上层较强的光照,同时选取株高较矮且光饱和点较低的作物,充分利用下层较弱的光照,由表格数据比较可知,作物A株高较高且光饱和点较高,可利用上层光照进行光合作用,作物C株高较低且光饱和点较低,能利用下层的弱光进行光合作用,从而提高光能利用率。
答案:(1)减少杂草对水分、矿质元素和光的竞争;增加土壤氧气含量,促进根系的呼吸作用(2)肥料中的矿质元素只有溶解在水中才能被作物根系吸收(3)A和C 作物A光饱和点高且长得高,可以利用上层光照进行光合作用;作物C光饱和点低且长得矮,与作物A间作后,能利用下层的弱光进行光合作用
【加固训练·拔高】 1.阳光穿过森林中的空隙形成光斑,下图表示一株生长旺盛的植物在光斑照射前后光合作用吸收CO2和释放O2量的变化,据此下列分析正确的是( )A.光斑照射前,光合作用无法进行B.光斑照射后,光反应和暗反应迅速同步增加 C.光斑照射后,暗反应对光反应有限制作用 D.光斑移开后,光反应和暗反应迅速同步减弱
【解析】选C。光斑照射前,有氧气释放,说明植物细胞在进行光合作用,A项错误;光斑照射后,光反应迅速增加,而暗反应没有立即增加,二者不同步,B项错误;光斑照射后,O2释放曲线变化趋势是先增加然后降低,说明暗反应对光反应有限制作用,原因是暗反应不能及时消耗光反应产生的ATP和[H],C项正确;光斑移开后,光反应迅速减弱,而暗反应过一段时间后才减弱,二者不同步,D项错误。
2.为了研究温度对玉米幼苗生长的影响,某研究小组进行了如下实验:将若干组等量的、生长状况一致的玉米幼苗,白天给予26 ℃的恒定温度,不同实验组给予不同的夜温,其他条件相同且适宜。结果如图1所示。将同一批玉米幼苗分别置于恒定的不同温度下培养,其他培养条件相同,光合作用强度与光照强度之间的关系如图2所示。下列有关叙述正确的是( )
A.A点时玉米幼苗相对生长速率较低的主要原因是夜温太低 B.玉米幼苗生长的最适温度组合是日温26 ℃、夜温20 ℃C.玉米幼苗夜间生长所需的能量由线粒体提供D.15 ℃时玉米幼苗的光合作用强度高于10 ℃
【解析】选A。由图可知,A点时玉米幼苗相对生长速率较低的主要原因是夜温太低,A正确;由于缺少其他日温的实验作对照,因此不能确定最适日温是26 ℃,B错误;玉米幼苗夜间生长主要通过有氧呼吸获取能量,因此其所需的能量由线粒体和细胞质基质提供,C错误;由图可知,光照强度较低时,15 ℃时玉米幼苗的光合作用强度低于10 ℃,D错误。
【方法技巧】对于多因素对光合作用影响的曲线分析方法 (1)关键:对于受多因素影响的光合作用曲线,必须找出曲线的限制因素。(2)方法:对纵坐标或横坐标画垂线或者只看某一条曲线的变化,将多因素转变为单一因素,从而确定限制因素。①当曲线上标有条件时,说明因变量受横坐标和曲线上条件的共同影响。 ②若题干中描述了曲线的获得前提,如最适温度下测得,则应该考虑温度以外的影响因素。
3.(2020·长沙模拟)电场会对植物的生长发育产生一种“无形”的影响。在温室中同时增补电场和增施CO2,蔬菜产量可提高70%左右,这就是著名的“电场产量倍增效应”。科学家根据饱和光照强度下电场强度与CO2浓度对黄瓜幼苗光合作用强度影响的实验,绘制如图曲线。据图回答下列问题:
(1)第1组实验的作用是 。在饱和光照强度下,该实验的自变量是 。(2)第1组实验和第2组实验的曲线比较,说明 。(3)根据实验曲线可知,在相同光照强度下,为了最大限度地增加作物产量,可以采取的措施是 。
【解析】(1)第1组实验的条件为大气电场和大气CO2浓度,属于对照组,起对照作用。饱和光照强度下,实验的自变量是电场强度和CO2浓度。(2)第1组实验和第2组实验对比,二者的自变量为电场强度,第2组实验的净光合作用强度大于第1组实验,而二者的细胞呼吸强度相等,因此说明强电场可以提高植物的光合作用强度。(3)分析曲线可知,同一光照强度下净光合作用强度最大的是第4组实验,因此为了最大限度地增加作物产量,可增加电场强度和提高CO2浓度。
答案:(1)对照 电场强度和CO2浓度 (2)强电场可以提高植物的光合作用强度 (3)增补电场和增施CO2
考点二 光合作用相关的探究实验【典例精研引领】(2021·成都模拟)光合作用受多种因素的影响,某实验小组想利用如图所示装置对影响植物光合作用的两大因素进行研究,以便为大棚种植时条件的控制提供依据,实验中温度条件适宜且稳定。回答下列问题。
(1)假定光合作用的产物和呼吸作用的底物都是葡萄糖,忽略无氧呼吸,密闭容器中不放缓冲液时,液滴不移动,原因是 。 (2)由表中数据可以看出, 为限制光合作用的环境因素;比较7、8、9组结果可以得出,此时限制光合作用的因素可能是 。 (3)1组和2组左移的距离相等,对此做出的解释是 。 (4)大棚中可采取 (至少答出两点)等措施提高CO2浓度,这些措施下,若大棚中的CO2浓度只能提高至0.05%,则适宜的光照强度有可能低于 。
【解析】(1)无论光合作用强度和呼吸作用强度哪个更大,光合作用利用的CO2均等于产生的O2量,有氧呼吸利用的O2量等于产生的CO2量。外界温度适宜且稳定,则物理因素造成的影响可以忽略,因此密闭容器中气体的压力不会改变,液滴不移动。
(2)由表中数据可以看出,光照强度和CO2浓度均可成为限制光合作用的因素。比较7、8、9组结果可以看出,提高光照强度和提高CO2浓度,液滴移动的距离均未改变,推断出此时限制光合作用的因素不是光照强度和CO2浓度,可能是光合色素的量、参与光合作用的酶的数量或叶绿体的数量。
(3)1组无光照,只能进行呼吸作用,呼吸作用吸收O2,液滴左移;2组有光照,但CO2浓度与1组相同且很低,此时与1组液滴左移距离相同,说明CO2浓度过低时,植物无法进行光合作用。(4)施有机肥、合理通风、化学反应法(或使用CO2发生器)均可提高大棚中的CO2浓度;表中显示当CO2浓度为0.05%时,液滴右移112 mm需要的最低光照强度为1 000 lx,若大棚中CO2的浓度只能提高至0.05%,则适宜的光照强度有可能低于1 000 lx。
答案:(1)植物吸收的气体量始终等于释放的气体量(2)光照强度和CO2浓度 光合色素的量(或参与光合作用的酶的数量或叶绿体的数量)(3)CO2浓度过低时,植物无法进行光合作用(4)施有机肥、合理通风、化学反应法(或使用CO2发生器) 1 000 lx
【母题变式延伸】核心素养新命题(1)5～9组中单位时间内液滴的移动距离代表一定量的大豆苗单位时间内哪种物质的量?(生命观念:结构与功能观)提示:释放氧气。
(2)如果利用该装置测定在一定光照强度下大豆苗实际光合作用的速率,可采取什么方法? (写出具体的实验思路) (科学探究:实验设计)提示:首先不给予光照(黑暗条件下),测出大豆苗单位时间内的氧气吸收量(呼吸作用速率);再给予一定光照条件,其他条件不变,测出大豆苗单位时间内氧气释放量(净光合作用速率);然后将光照条件下大豆苗单位时间氧气释放量(净光合作用速率)加上黑暗条件下大豆苗单位时间内的氧气吸收量(呼吸作用速率),就是该光照条件下大豆苗实际光合作用的速率。
【备选典例】研究人员对处于生长期的A、B两种绿色植物进行实验探究。如图1表示植物A与植物B的净光合速率随CO2浓度变化的实验结果,图2是探究光照强度对植物B光合速率的影响的实验,在获取的植物B的叶圆片中,选取大小、颜色相同的叶圆片若干,放在含有适宜浓度的NaHCO3溶液的烧杯中,检测叶圆片开始上浮的时间。请回答下列问题:
(1)图1所示实验的自变量是 。(2)图1所示实验,在其他条件适宜的情况下,若将植物B培养在缺镁的环境中,则a点将向 移动。如果将植物A、B种植在同一个密封无色并给予适宜光照的玻璃容器中,则 (填“植物A”或“植物B”)先停止生长。 (3)将10片叶圆片投放于含有适宜浓度的NaHCO3溶液的烧杯中,如图2所示,开始叶圆片沉在烧杯底部,将烧杯置于适宜光照条件下一段时间,发现叶圆片上浮,上浮的原因是 。
(4)图2探究光照强度对光合速率的影响时,通过调节白炽灯与烧杯之间的距离来实现对自变量的控制,是否存在其他变量影响实验结果,为什么? 。
【解析】(1)根据图1可知,图1实验的自变量是CO2浓度和植物的种类。 (2)若将植物B培养在缺镁的环境中,则叶绿素合成不足导致光合速率降低,而呼吸速率基本不变,因此a点将右移;根据题图分析可知,植物A比植物B更能利用较低浓度的二氧化碳进行光合作用,因此若将植物A、B种植在同一个密封无色并给予适宜光照的玻璃容器中,植物B先停止生长。 (3)利用注射器抽出细胞间隙的空气,使叶圆片下沉。在适宜浓度的NaHCO3溶液条件下,叶圆片进行光合作用,释放出的O2多于呼吸作用消耗的O2,叶圆片细胞间隙中的O2积累,使叶圆片上浮。
(4)存在,因为白炽灯距烧杯的距离不同,输入烧杯中的热量也不同,会改变烧杯中溶液的温度,影响酶的活性。
答案:(1)CO2浓度和植物种类 (2)右 植物B (3)叶圆片进行光合作用,释放出的O2多于呼吸作用消耗的O2,叶圆片细胞间隙中的O2积累,或叶表面吸附着O2,使叶圆片上浮 (4)存在,因为白炽灯距烧杯的距离不同,输入烧杯中的热量也不同,会改变烧杯中溶液的温度
【知能素养提升】光合作用和细胞呼吸实验探究中常用实验条件的控制方法:(科学思维:归纳与总结)
【热点考向演练】考向 结合影响光合作用强度的探究实验,考查科学探究能力1.(2019·全国卷Ⅰ)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】本题考查植物的吸水和失水、光合作用的影响因素及实验设计的相关知识。(1)经干旱处理后,根细胞的溶质浓度增大,渗透压增大,对水分子吸引力增大,植物根细胞的吸水能力增强。(2)根据题干条件可知,干旱处理后该植物的叶片气孔开度减小,导致叶片细胞吸收CO2减少,暗反应减弱,因此光合速率会下降。
(3)分析题意可知,实验目的为验证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,所以实验应分为两部分:①证明干旱条件下植物气孔开度变化不是由缺水引起的;②证明干旱条件下植物气孔开度减小是由ABA引起的。该实验材料为ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株,自变量应分别为正常条件和缺水环境、植物体中ABA的有无,因变量均为气孔开度变化,据此设计实验。
①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,可说明缺水环境不影响ABA缺失突变体植株气孔开度变化,即干旱条件下植物气孔开度变化不是由缺水引起的。
②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,可说明干旱条件下植物气孔开度减小是由ABA引起的。
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,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.在“探究环境因素对光合作用的影响”活动中,某兴趣小组利用实验室提供的有关材料(大烧杯、大试管、铁架台、温度计、盛水玻璃柱、功率100瓦的灯泡各一个;适宜浓度的NaHCO3溶液;新鲜黑藻若干),设计了如图实验装置图。请回答:
(1)若用该实验装置探究光照强度对光合速率的影响时,可通过 来改变光照强度,光合速率可用 表示。 (2)该实验装置还可以用于探究 (至少写2种)等环境因素对光合速率的影响。 (3)在暗反应中,CO2先被固定形成 分子,再接受来自光反应产生的ATP和NADPH形成 。 (4)在实验过程中,为隔绝灯泡产生的热量,以防温度变化对实验结果的影响,请为该兴趣小组设计一个合理可行的解决方案。
【解析】(1)若用该实验装置探究光照强度对光合速率的影响时,可通过改变灯泡与装置之间的距离来改变光照强度,其他装置都不变,光合速率可用单位时间内氧气的释放量表示。(2)实验装置中NaHCO3溶液可以提供CO2,不同浓度的NaHCO3溶液可以研究CO2浓度对光合作用的影响,温度计可以测量温度,可以研究温度对光合作用的影响,因此该实验装置还可以用于探究温度、二氧化碳浓度等环境因素对光合速率的影响。
(3)在暗反应中,CO2先与C5结合被固定形成C3,再接受来自光反应产生的ATP和NADPH形成C5和(CH2O)。 (4)在实验过程中,以防温度变化对实验结果的影响,可以在灯泡和烧杯之间放置盛水玻璃柱来隔绝灯泡产生的热量。
答案:(1)改变灯泡与装置之间的距离 单位时间内氧气的释放量 (2)温度、二氧化碳浓度 (3)C3 C5和(CH2O) (4)在灯泡和烧杯之间放置盛水玻璃柱。
【加固训练·拔高】1.(2020·潍坊模拟)为研究环境因素对某植物光合作用强度的影响,设计图甲所示实验装置若干(已知密闭小室内的 CO2充足,光照不影响温度变化),在相同温度条件下进行实验,一段时间后测量每个小室中的气体释放量,绘制曲线如图乙。下列叙述正确的是 ( )
A.当距离为d时,该实验中植物释放的气体是 O2 B.当距离为c时,该植物叶肉细胞的光合速率等于呼吸速率 C.当距离由c突然变为a时,短时间内叶绿体中 C5 的含量增加 D.当光源与密闭小室的距离小于a时,限制光合作用的主要因素是光照强度
【解析】选C。当光源与密闭小室的距离大于c时,呼吸速率大于光合速率,植物释放的气体是CO2,在距离小于c时,光合速率大于呼吸速率,植物释放的气体是O2,A项错误;实验测的是整个植株气体释放速率,当距离为c时,整个植株的光合速率等于呼吸速率,但一部分植物细胞不能进行光合作用但可以进行呼吸作用,所以叶肉细胞的光合速率应大于呼吸速率,B项错误;当距离由c突然变为a时,光照强度增强,短时间内叶绿体中C5的含量增加,C项正确;当光源与密闭小室的距离小于a时,光合速率达到最大,限制光合作用的主要因素不再是光照强度,D项错误。
2.(2020·合肥模拟)科学家研究小麦在适宜温度时光合作用强度与光照强度的关系,得到如图曲线,下列有关叙述,错误的是( )A.当环境温度升高时,cd段位置上移B.a点时叶肉细胞中产生ATP的细胞器只有线粒体C.其他条件适宜,当植物缺Mg时,b点将向右移动D.c点之后小麦光合作用强度不再增加可能与光合色素的量有关
【解析】选A。当温度逐渐升高至最适时,cd段位置会上移,但当环境温度超过最适温度之后,光合速率降低,cd段位置会下移,A错误;a点时,叶肉细胞只能进行呼吸作用,因此产生ATP的细胞器只有线粒体,B正确;Mg是植物合成叶绿素的必需元素,当缺少Mg元素时,叶绿素的合成受阻,导致光合作用强度降低。b点表示光合速率等于呼吸速率,因此当植物缺Mg时,要让光合作用和呼吸作用强度相等,就必须要增加光照强度以提高光合作用强度,所以b点将向右移,C正确;c点对应的光照强度是光饱和点,该点之后光合作用强度不再随光照强度增大而增大,此时影响因素可能是叶绿体中色素的含量、酶的浓度等,D正确。
考点三 光合作用与细胞呼吸的关系【典例精研引领】(2020·全国Ⅲ卷)参照表中内容,围绕真核细胞中ATP的合成来完成下表。
【解析】(1)(2)葡萄糖分解为乙醇和CO2是无氧呼吸过程,发生的场所为细胞质基质。(3)(4)光合作用的光反应阶段包括水的光解和ATP的合成,产物有氧气、NADPH和ATP,能量变化为光能转化为ATP中活跃的化学能。(5)在线粒体中进行有氧呼吸的第二、三阶段,终产物为CO2 和H2O。
答案:(1)细胞质基质 (2)无氧呼吸 (3)光能(4)O2、 NADPH (5)CO2、 H2O
【知识总结】ADP与ATP转化发生的场所及相关生理过程归纳
【母题变式延伸】核心素养新命题 (1)对于一株正常生长的植物而言,在光合作用过程中产生的ATP与在细胞呼吸过程中产生的ATP相比,哪个过程多?(科学思维:分析与综合)提示:光合作用过程中产生的多于细胞呼吸过程中产生的。
(2)光合作用与细胞呼吸产生的[H]是同一种物质吗?为什么?(科学思维:分析与综合)提示:不是。光合作用产生的[H]是还原型辅酶Ⅱ(NADPH);细胞呼吸产生的[H]是还原型辅酶Ⅰ(NADH)。
【知能素养提升】1.光合作用与细胞呼吸曲线中的“关键点”移动:(科学思维:归纳与总结)
(1)细胞呼吸对应点(A点)的移动:细胞呼吸增强,A点_____;细胞呼吸减弱,A点_____。(2)补偿点(B点)的移动。①细胞呼吸速率增加,其他条件不变时,CO2(或光)补偿点应_____,反之左移。②细胞呼吸速率基本不变,相关条件的改变使光合速率下降时,CO2(或光)补偿点应_____,反之左移。(3)饱和点(C点)和D点的移动:相关条件的改变(如增大光照强度或增大CO2浓度)使光合速率增大时,C点_____,D点上移的同时_____;反之,移动方向相反。
2.不同光照条件下叶肉细胞的气体代谢特点:(科学思维:归纳与总结)
3.植物光合作用和细胞呼吸的日变化曲线分析:(1)自然环境中一昼夜植物CO2吸收或释放速率的变化曲线:
a点:凌晨,温度降低,细胞呼吸减弱,CO2释放减少。b点:有微弱光照,植物开始进行光合作用。bc段:光合作用强度小于细胞呼吸强度。c点:上午7时左右,光合作用强度等于细胞呼吸强度。ce段:光合作用强度大于细胞呼吸强度。d点:温度过高,部分气孔关闭,出现“午休”现象。
e点:下午6时左右,光合作用强度等于细胞呼吸强度。ef段:光合作用强度小于细胞呼吸强度。fg段:没有光照,光合作用停止,只进行细胞呼吸。bf段:制造有机物的时间段。ce段:积累有机物的时间段。一昼夜有机物的积累量=S1-(S2+S3)(S1、S2、S3分别表示曲线和横轴围成的面积)。
(2)密闭容器中一昼夜CO2浓度的变化曲线
(注意:分析光合作用或细胞呼吸速率的变化时,应分析曲线变化趋势的快慢,也就是斜率。)AB段:无光照,植物只进行细胞呼吸。BC段:温度降低,细胞呼吸减弱(曲线斜率变小)。CD段:4时后,微弱光照,开始进行光合作用,但光合作用强度小于细胞呼吸强度。D点:随光照增强,光合作用强度等于细胞呼吸强度。
DH段:光合作用强度大于细胞呼吸强度。其中FG段表示“光合午休”现象。H点:随光照减弱,光合作用强度下降,光合作用强度等于细胞呼吸强度。HI段:光照继续减弱,光合作用强度小于细胞呼吸强度,直至光合作用完全停止。I点低于A点:一昼夜后,密闭容器中CO2浓度减小,即光合作用强度大于细胞呼吸强度,植物能正常生长(若I点高于A点,植物不能正常生长)。
【热点考向演练】考向一 结合光合作用和细胞呼吸过程的关系，考查归纳和概括能力1.(2021年湖南适应性测试)适宜的温度和光照条件下，在盛有水生动植物的鱼缸内(不考虑微生物的影响)，物质代谢处于相对平衡状态的是( )A.动物呼吸作用释放的CO2量等于植物光合作用吸收的CO2量B.动物呼吸作用吸收的O2量等于植物光合作用产生的O2量C.动植物呼吸作用释放的CO2量等于植物光合作用吸收的CO2量D.动物呼吸作用消耗的有机物量等于植物光合作用合成的有机物量
【解析】选C。要达到物质代谢的相对平衡状态，植物光合作用吸收的CO2量应等于动物和植物的呼吸作用释放的CO2量，A错误；要达到物质代谢的相对平衡状态，植物光合作用产生的O2量应等于动物和植物的呼吸作用吸收的O2量，B错误；动植物呼吸作用释放的CO2量等于植物光合作用吸收的CO2量时，物质代谢处于相对平衡状态，C正确；要达到物质代谢的相对平衡状态，植物光合作用合成的有机物量应等于动物和植物呼吸作用消耗的有机物量，D错误。
2.(2018·江苏高考)如图为某植物叶肉细胞中有关甲、乙两种细胞器的部分物质及能量代谢途径示意图(NADPH指[H]),请回答下列问题:
(1)甲可以将光能转变为化学能,参与这一过程的两类色素为 ,其中大多数高等植物的 需在光照条件下合成。 (2)在甲发育形成过程中,细胞核编码的参与光反应中心的蛋白,在细胞质中合成后,转运到甲内,在 (填场所)组装;核编码的Rubisc(催化CO2固定的酶)小亚基转运到甲内,在 (填场所)组装。
(3)甲输出的三碳糖在氧气充足的条件下,可被氧化为 后进入乙,继而在乙的 (填场所)彻底氧化分解成CO2;甲中过多的还原能可通过物质转化,在细胞质中合成NADPH,NADPH中的能量最终可在乙的 (填场所)转移到ATP中。 (4)乙产生的ATP被甲利用时,可参与的代谢过程包括 (填序号)。 ①C3的还原 ②内外物质运输 ③H2O分解产生O2④酶的合成
【解析】(1)叶绿体中参与光能吸收并转化为活跃的化学能的两类色素是叶绿素和类胡萝卜素,叶绿素的合成需要光照。(2)叶绿体中基因控制合成的酶还不足以满足光合作用的需求,还需要细胞核中的基因控制合成相关的酶转入叶绿体,共同参与光合作用催化过程。其中细胞核基因编码的参与光反应的酶需转运到类囊体膜上进行组装,而参与暗反应的酶则在叶绿体基质中进行组装。(3)只有丙酮酸才能进入线粒体被继续氧化分解,所以三碳糖可被氧化为丙酮酸再进入线粒体,丙酮酸进入线粒体在基质中被彻底氧化成CO2。有氧呼吸的第三阶段在线粒体内膜上进行,所以,NADPH进入线粒体最终在内膜上被利用,其中的能量转移到ATP中。(4)ATP进入叶绿体中被利用,那么消耗能量的生理过程都会用到ATP,四个选项中只有③过程不消耗ATP,其利用的是光能。
答案:(1)叶绿素、类胡萝卜素 叶绿素(2)类囊体膜上 基质(3)丙酮酸 基质 内膜(4)①②④
考向二 结合光合作用和细胞呼吸曲线分析,考查科学思维能力3.图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时,单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化。图乙表示蓝藻光合速率与光照强度的关系,下列说法正确的是( )
A.图甲中,光照强度为b时,光合速率等于呼吸速率B.图甲中,光照强度为d时,单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2C.图乙中,当光照强度为x时,细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体D.图乙中,限制e、f、g点光合作用速率的因素主要是光照强度
【解析】选B。分析甲图可知,光照强度为b时,CO2释放量和O2产生总量相等,细胞呼吸释放的CO2首先供应叶绿体进行光合作用,剩余部分释放到外界,则此时细胞呼吸速率大于光合速率,A项错误;光照强度为d时,水稻叶肉细胞的光合速率大于细胞呼吸速率。光照强度为a时,CO2释放量即细胞呼吸速率为6个单位。光照强度为d时,O2产生总量为8个单位,需要消耗的CO2也为8个单位,所以单位时间内需从外界吸收CO2为2个单位,B项正确;图乙中所示生物为蓝藻,蓝藻不含线粒体和叶绿体,C项错误;图乙中,限制g点光合作用速率的因素不是光照强度,可能是二氧化碳浓度及温度等,D项错误。
【加固训练·拔高】 1.植物光合作用可受多种环境因素的影响,如图是在不同温度条件下测得的光照强度对小麦O2吸收速率的影响。下列叙述错误的是( )
A.B点时小麦光合作用产生O2的速率等于有氧呼吸消耗O2的速率B.光照强度和温度都会影响C点的变动C.若适当提高周围环境中的CO2浓度,D点将向左下方移动D.D点时叶绿体中产生的O2会流向线粒体和细胞外
【解析】选C。B点时小麦的O2吸收速率为0,光合速率等于呼吸速率,因此光合作用产生氧气的速率等于有氧呼吸消耗氧气的速率,A正确;由图可知,15 ℃时,C点以后光照强度增加,但光合速率不变,此时限制因素主要是温度;25 ℃时,C点以后一定范围内光合速率随光照强度增加而增大,此时限制因素主要是光照强度,故光照强度和温度都会影响C点的变动,B正确;提高环境中CO2浓度,植物的最大光合速率变大,达到最大光合速率的光照强度增大,因此D点将向右下方移动,C错误;D点时光合速率大于呼吸速率,小麦叶绿体中产生的O2会流向线粒体和细胞外,D正确。
2.(2021·菏泽模拟)图1表示该植物两昼夜吸收或释放CO2的变化情况,S1～S5表示曲线与坐标轴围成的面积。图2中曲线a是自然状态下一个密闭温室中一天的CO2含量变化曲线,假定温室中温度恒定。请据图回答问题。
(1)图1中影响DE段波动的主要外界因素是 。S2明显小于S4,造成这种情况的主要外界因素是 。如果S1+S3+S5>S2+S4,则该植物在这两昼夜内 (填“能”或“不能”)生长。(2)图2中曲线b是在17时到20时之间采取某种措施后形成的,该措施是______________________________________________________________。 (3)图2中B点对应的光合作用强度 (填“大于”“等于”或“小于”)呼吸作用强度。
【解析】(1)图1中DE段处于黑暗条件下,其波动的CO2释放量可表示呼吸作用强度,此时影响呼吸作用强度的主要外界因素是温度。S2和S4表示光合作用强度大于呼吸作用强度时的净光合作用有机物积累量,影响S2与S4大小的外界因素主要是光照强度,S1+S3+S5表示当光合作用强度小于呼吸作用强度时,该植物在两昼夜内有机物的净消耗量,S2+S4表示当光合作用强度大于呼吸作用强度时,该植物在两昼夜内有机物的积累量,若S1+S3+S5>S2+S4,则该植物在这两昼夜内不能生长。(2)曲线b是在17时到20时之间采取某种措施后形成的,因为在该时间段CO2含量持续降低,所以该措施是补充光照使光合作用继续进行。(3)图2中B点处为最高点,此时该植物的光合作用强度等于呼吸作用强度。
答案:(1)温度 光照强度 不能 (2)补充光照 (3)等于
【命题新情境】我国北方地区的土壤盐渍化比较严重,加上北方地区冬季寒冷,冬季需要大量的融雪剂确保道路的通畅。目前常用盐作为融雪剂,在一定程度上增加了土壤的盐渍化程度,导致银杏等行道树的死亡。因此,研究盐胁迫下银杏生长、光合作用等变化机理,对北方地区进一步增加银杏树的种植面积具有重要意义。
研究人员在苗圃中选择3年生的银杏实生苗,地径1.0 cm、株高1 m左右。实验共设7个盐浓度,分别为0(CK)、0.15%、0.30%、0.45%、0.60%、0.75%、0.90%,42盆随机分成7组作为7个处理,每处理6盆作为重复。每次浇灌600 mL,每隔7 d浇1次,连续浇8次。盐胁迫2个月后,在上午10:00用便携式光合仪测量各处理银杏苗叶片的光合作用参数变化如下表。请回答下列问题:
表1 各种盐胁迫处理下银杏的生长情况
表2 各种盐胁迫处理下银杏的主要光合参数
【命题新角度】1.探究盐胁迫下对银杏生长、光合作用的影响时,对照组(CK)应加入 。 2.从表1可以看出,随着盐浓度的增加,银杏株高、地径的生长情况逐渐 ,0.15%浓度处理下,株高相对于对照降低 ,差异不明显;其中0.90%浓度的处理比对照降低90.59%,差异比较显著;地径相对于对照,其他各盐胁迫处理的降低幅度均超过 ,其中0.90%浓度的处理比对照降低90.11%。
3.由表2可知,随着盐胁迫浓度的逐渐增加,银杏叶片的净光合效率呈现逐渐 的态势。那么,银杏是通过 等来适应盐胁迫环境的。 4.进一步研究发现,盐胁迫会造成叶绿体中 (结构)损伤,使银杏叶片叶绿素的含量下降,导致光反应为暗反应提供的 减少。
【解析】1.探究盐胁迫下对银杏生长、光合作用的影响时,对照组(CK)应加入等量的清水(或600 mL清水)。2.从表1可以看出,随着盐浓度的增加,银杏株高、地径的生长情况逐渐减弱,0.15%浓度处理下,株高相对于对照降低 3.55%,差异不明显;其中0.90%浓度的处理比对照降低90.59%,差异比较显著;地径相对于对照,其他各盐胁迫处理的降低幅度均超过42%,其中0.90%浓度的处理比对照降低90.11%。
3.由表2可知,随着盐胁迫浓度的逐渐增加,银杏叶片的净光合效率呈现逐渐降低的态势。那么,银杏是通过降低光合作用效率、蒸腾速率、水分利用效率等来适应盐胁迫环境的。4.进一步研究发现,盐胁迫会造成叶绿体中类囊体薄膜(结构)损伤,使银杏叶片叶绿素的含量下降,导致光反应为暗反应提供的[H]和ATP减少。
答案:1.等量的清水(或600 mL清水)2.减弱 3.55% 42.86% 3.降低 降低净光合作用效率、蒸腾速率、水分利用效率4.类囊体薄膜 [H]和ATP
【拓展视野】光照对光合作用的影响 黑暗中叶片不进行光合作用,只有呼吸作用释放CO2 。随着光强的增高,光合速率相应提高,当到达某一光强时,叶片的光合速率等于呼吸速率,即CO2吸收量等于CO2释放量,表观光合速率为零,这时的光强称为光补偿点。在低光强区,光合速率随光强的增强而成比例地增加;当超过一定光强,光合速率增加就会转慢;当达到某一光强时,光合速率就不再增加,而呈现光饱和现象。
光补偿点高的植物一般光饱和点也高,草本植物的光补偿点与光饱和点通常要高于木本植物;阳生植物的光补偿点与光饱和点要高于阴生植物;C4植物的光饱和点要高于C3植物。光补偿点和光饱和点可以作为植物需光特性的主要指标,用来衡量需光量。
植物的光补偿点和光饱和点不是固定数值,它们会随外界条件的变化而变动。在封闭的温室中,温度较高,CO2较少,这会使光补偿点提高而对光合积累不利。在这种情况下应适当降低室温,通风换气,或增施CO2才能保证光合作用的顺利进行。
在一般光强下,C4植物不出现光饱和现象,其原因是:①C4植物同化CO2消耗的同化力要比C3植物高;②PEP羧化酶对CO2的亲和力高,以及具有“CO2泵”,所以空气中CO2浓度通常不成为C4植物光合作用的限制因素。
【概念导图】一图知全局
【概念梳理】闭书测基础一、环境因素对光合作用强度的影响及应用1.光合作用强度:(1)含义:植物在单位时间单位面积内,通过光合作用制造_____的数量。(2)两种表示方法。①一定时间内原料的_______。②一定时间内产物的_______。
2.影响光合作用过程的环境因素:(1)空气中_______。 (2)土壤中_________。(3)光照的_____以及光的_____。(4)_____的高低。
二、探究光照强度对光合作用强度的影响1.实验原理:(1)在光照下,绿色植物通过_________产生O2。(2)台灯距烧杯的距离不同,则照射到不同烧杯叶圆片上的_________不同。(3)光照强度不同,则光反应产生__的速率不同,叶片内气泡产生速度不同,叶片上浮的时间不同。
2.实验步骤及主要操作:
3.实验结论:在一定光照强度范围内,光合作用强度随光照强度的增强而_____。
三、光合作用和细胞呼吸的关系1.光合作用与细胞呼吸过程的联系:
(1)写出下列物质名称:b.__,c.____,d.____,e. ___________,f.__,g.___,h.__。
(2)填写表中生理过程及场所:
2.光合作用和有氧呼吸中[H]、ATP的来源和去路:
【概念辨析】全面清障碍1.判断下列有关环境因素对光合作用强度的影响叙述的正误:(1)生长于较弱光照条件下的植物,当提高CO2浓度时,其光合速率未随之增加,主要限制因素是光照强度。( )(2)延长光照时间能提高光合作用强度。( )分析:延长光照时间只能提高光合作用的产物量,不能提高光合作用强度。
(3)植物体从土壤中吸收的水分主要用于光合作用。( )分析:植物体从土壤中吸收的水分主要用于蒸腾作用。(4)停止供水,植物光合速率下降,这是由于水既是光合作用的原料,又是光合产物在植物体内运输的主要介质。( )
(5)夏季晴天,植物出现光合“午休”现象的主要原因是环境中CO2浓度过低。( )分析:出现光合“午休”现象是因为夏季中午温度过高,引起气孔关闭,CO2吸收减少,而不是环境中CO2浓度过低。
(6)干旱初期植物光合速率降低主要是因为光反应原料水不足。( )分析:干旱缺水影响植物的蒸腾作用,植物部分气孔关闭,CO2进入量减少,光合速率下降。(7)温度越高,光合作用强度越大。( )分析:温度通过影响酶的活性影响光合作用强度,温度过高,酶失活,光合作用强度降低甚至会丧失。
(8)光合作用中的产物和反应物中没有N、P等元素,因此土壤中的N、P等无机盐的含量对光合作用无影响。 ( )分析:光合作用中的色素、酶以及反应场所中都含有N、P等元素,因此土壤中的N、P等无机盐会影响光合作用。
2.判断下列有关光合作用探究实验叙述的正误:(1)制备小圆形叶片,用打孔器打孔时,不必避开大的叶脉。( )分析:叶脉中没有叶绿体,而且会延长小圆形叶片上浮的时间,影响实验结果的准确性。
(2)在探究光照强度对光合作用的影响实验中,光照越强,相同时间内叶片浮起的数量越多。( )分析:在一定范围内,随光照强度的增加,光合作用强度逐渐增加,但当达到光饱和点以后,光照强度再增加,光合作用强度则不再随之增加。
(3)光合作用强度可以用光合作用消耗糖类的数量来表示。( )分析:光合作用强度可以用植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量表示。(4)探究光照强度对光合作用强度影响的实验中使用的小圆形叶片应先排出里面的气体。( )
(5)探究光照强度对光合作用强度影响的实验中能直接测定出其真光合作用速率。( )分析:该实验只能测定出其净光合作用速率,无法测定真光合作用速率。(6)在探究光照强度对光合作用强度的影响实验中,往水中吹气是为了增加水中的溶解氧。( )分析:往水中吹气是为了增加水中的二氧化碳。
3.判断下列有关光合作用和细胞呼吸关系叙述的正误:(1)光合作用过程中产生的[H]可用于有氧呼吸的第三阶段。( ) 分析:光合作用中的[H]是还原型辅酶Ⅱ(NADPH),而呼吸作用中的[H]是还原型辅酶Ⅰ(NADH),不是同一类物质。光合作用过程中产生的[H]用于暗反应。
(2)不同植物的真光合速率不相同,那么净光合速率可能相同。( )分析:植物的净光合速率=真光合速率-呼吸速率,比如A植物真光合速率为6,呼吸速率为3,净光合速率为3;B植物真光合速率为8,呼吸速率为5,净光合速率也为3。
(3)一天中植物有机物积累量最多的是正午光照最强时。( )分析:正午光照最强光合速率较快,下午光合速率大于呼吸速率,有机物仍旧积累,有机物积累最多应该在下午光合速率与呼吸速率相等时。(4)净光合速率可能小于0,而真光合速率不可能小于0。( )
(5)某光照强度下,有机物的积累量与有机物的消耗量相等,该植物在此光照条件下重量不增加。( )分析:有机物的积累量为净光合作用,该光照条件下植物净光合作用大于0,因此植物的重量增加。
【概念活用】教材命题源1.教材原文:必修1P105“农业生产上有许多提高农作物光合作用强度的措施。”思考:(1)“正其行,通其风”促进作物生长的原因是“正其行”要求增大植物的_________面积,“通其风”要求空气流通,增加___的利用率,以此提高植物的光合作用强度。
(2)大棚种植使用有机肥有利于增产的原因是有机肥在被微生物分解时会释放___,增加了大棚中的_______,进而促进光合作用。(3)温室或大棚种植蔬菜时,应选择_______________的玻璃、塑料薄膜或补充_____________。
2.教材必修1P106“拓展题”“无论是大田栽培还是温室栽培,都要考虑光能的充分和合理利用”改编:据图分析多因素对光合作用的影响
(1)三条曲线在P点之前限制光合速率的因素分别是什么?提示:P点之前,限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子,依次为光照强度、光照强度和温度。
(2)三条曲线在Q点之后横坐标所表示的因子还是影响光合速率的主要因素吗?此时的限制因素分别是什么?提示:Q点之后横坐标所表示的因子不再是影响光合速率的主要因素,此时的外界主要影响因素依次为温度、CO2浓度和光照强度。
(3)在北方的冬暖大棚中施用有机肥有哪些益处?提示:有机肥中的有机物被土壤中的微生物分解成各种矿质元素,增加了土壤的肥力,另外还释放出热量和CO2,增加了大棚内的温度和CO2浓度,有利于光合作用的进行。
考点一 环境因素对光合作用强度的影响及应用 【典例精研引领】(2018·全国卷Ⅰ)甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如图所示。回答下列问题:
(1)当光照强度大于a时,甲、乙两种植物中,对光能的利用率较高的植物是 。 (2)甲、乙两种植物单独种植时,如果种植密度过大,那么净光合速率下降幅度较大的植物是 ,判断的依据是_______________________________ 。 (3)甲、乙两种植物中,更适合在林下种植的是 。 (4)某植物夏日晴天中午12:00时叶片的光合速率明显下降,其原因是进入叶肉细胞的 (填“O2”或“CO2”)不足。
【名师授法解题】抓题眼练思维
【解析】本题考查光合作用的基本过程和影响因素。(1)当光照强度大于a时,甲的净光合速率比乙的高,因此对光能的利用率较高的植物是甲。(2)光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大,种植密度过大,植株接受的光照强度减弱,导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大。(3)乙植物在低光照强度下的净光合速率大于甲,所以乙更适合在林下(低光照条件)种植。(4)夏日晴天中午12:00时温度过高,部分气孔关闭,进入叶肉细胞的CO2不足。
答案:(1)甲 (2)甲 光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大,种植密度过大,植株接受的光照强度减弱,导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大(3)乙 (4)CO2
【母题变式延伸】核心素养新命题 (1)上题中甲、乙两种植物为什么乙植物更适合林下种植?(科学思维:分析与综合)提示:乙植物在低光照强度下净光合速率大于甲植物。
(2)结合上题曲线思考阴雨天为了提高大棚蔬菜的产量,应如何做呢?(社会责任:解决现实生活中的问题)提示:阴雨天光照强度较弱,为了提高大棚蔬菜的产量,可适当提供人造光源,提高光照强度,进而提高植物的净光合作用强度。
【知能素养提升】1.光照强度对光合作用的影响及应用:(科学思维:比较、归纳)(1)原理:光照强度影响_______阶段,制约___________的产生,进而制约暗反应。(2)曲线分析:
①A点:光照强度为0,只进行细胞呼吸,AB段光合作用强度小于细胞呼吸强度;B点:_________(光合作用强度与细胞呼吸强度相等时的光照强度);BD段:光合作用强度大于细胞呼吸强度;C点:_________(光照强度达到C点后,光合作用强度不再随着光照强度的增大而加强)。②实线表示_____植物,虚线表示_____植物。
(3)应用:阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物___,间作套种农作物、林间带树种的配置和冬季温室栽培等都可合理利用光能。
2.CO2浓度对光合作用的影响及应用:(科学思维:比较、归纳)(1)原理:CO2浓度通过影响_______阶段,制约C3的生成来影响光合作用强度。(2)曲线分析
图甲中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度,即_________,而图乙中的A‘点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度;两图中的B点和B’点都表示_________,两图都表示在一定范围内,光合作用速率随CO2浓度增加而增大。
(3)应用①大田要“正其行,通其风”,多施有机肥。②温室内可通过放干冰,使用CO2生成器,施用农家肥,与猪舍、鸡舍连通等方法_______________。
3.温度对光合作用的影响及应用:(科学思维:比较、归纳)(1)原理:温度通过影响_________影响光合作用强度。(2)曲线分析:
光合作用强度和细胞呼吸强度都受温度的影响,但_________相关酶对温度反应更为敏感。(3)应用:温室栽培植物时,白天调到光合作用最适温度,以提高_____________;晚上适当降低温室内温度,以降低_____________,保证植物有机物的积累。
4.水对光合作用的影响及应用:(科学思维:比较、归纳)(1)原理:①水既是光合作用的原料,又是体内各种化学反应的介质,如植物缺水导致萎蔫,使光合速率下降。②水分还能影响_____的开闭,间接影响___进入植物体内。
图1表明在农业生产中,可根据作物的需水规律,合理灌溉。图2曲线上E处光合作用强度暂时降低,是因为温度高,气孔关闭,影响了CO2的供应。(3)应用:预防干旱,合理灌溉。
5.矿质元素对光合作用的影响及应用:(科学思维:比较、归纳)(1)原理:矿质元素是参与光合作用的许多重要化合物的_________,缺乏会影响光合作用的进行。例如,N是酶的组成元素,N、P是ATP、磷脂的组成元素,Mg是_______的组成元素等。
在一定浓度范围内,增大必需矿质元素的供应,可提高光合作用强度;但当超过一定浓度后,会因土壤溶液的浓度过高,植物渗透_____而导致植物光合作用强度下降。(3)应用:合理施肥、补充土壤中的矿质元素。
【热点考向演练】考向一 结合单因素对光合作用的影响，考查归纳和概括能力1.(2021年湖北适应性测试)某科学家曾做过一个实验，将小鼠放在不同的密封、恒温的钟罩内，实验处理方案如表，小鼠最先死亡的一组是( )
【解析】选C。本题主要考查光合作用实验的设计。绿色植物在光下可以进行光合作用和呼吸作用，而在黑暗中不能进行光合作用，但可以进行呼吸作用，小鼠存活时间的长短，是光合作用和呼吸作用的关系决定的。本题中，小鼠+绿色植物，在黑暗条件下植物不能进行光合作用，不产生氧气，但小鼠、绿色植物可以进行呼吸作用消耗氧气，本条件下氧气消耗速度最快，小鼠存活时间最短，故C符合题意，A、B、D均不符合题意。
2.(2020·浙江7月选考)将某植物叶片分离得到的叶绿体,分别置于含不同蔗糖浓度的反应介质溶液中,测量其光合速率,结果如图所示。图中光合速率用单位时间内单位叶绿素含量消耗的二氧化碳量表示。下列叙述正确的是( )
A.测得的该植物叶片的光合速率小于该叶片分离得到的叶绿体的光合速率B.若分离的叶绿体中存在一定比例的破碎叶绿体,测得的光合速率与无破碎叶绿体的相比,光合速率偏大C.若该植物较长时间处于遮阴环境,叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中B-C段对应的关系相似D.若该植物处于开花期,人为摘除花朵,叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中A-B段对应的关系相似
【解析】选A。本题主要考查影响光合作用的因素。用植物叶片测得的光合速率是叶片的总光合速率减去叶片的呼吸速率,即净光合速率,而用该叶片分离得到的叶绿体测得的光合速率,没有呼吸消耗,就是总光合速率,A项正确;破碎叶绿体,其叶绿素释放出来,被破坏,导致消耗二氧化碳减少,测得的光合速率与无破碎叶绿体的相比,光合速率偏小,B项错误;若该植物较长时间处于遮阴环境,光照不足,光反应减弱,影响暗反应速率,蔗糖合成一直较少, C项错误;若该植物处于开花期,人为摘除花朵,叶片光合作用产生的蔗糖不能运到花瓣,则在叶片积累,光合速率下降,叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中B-C段对应的关系相似,D项错误。
考向二 结合多因素对光合作用的影响,考查归纳和概括能力3.(2020·全国Ⅰ卷)农业生产中的一些栽培措施可以影响作物的生理活动,促进作物的生长发育,达到增加产量等目的。回答下列问题:(1)中耕是指作物生长期中,在植株之间去除杂草并进行松土的一项栽培措施,该栽培措施对作物的作用有 (答出2点即可)。 (2)农田施肥的同时,往往需要适当浇水,此时浇水的原因是 (答出1点即可)。
(3)农业生产常采用间作(同一生长期内,在同一块农田上间隔种植两种作物)的方法提高农田的光能利用率。现有4种作物,在正常条件下生长能达到的株高和光饱和点(光合速率达到最大时所需的光照强度)见下表。从提高光能利用率的角度考虑,最适合进行间作的两种作物是 ,选择这两种作物的理由是 。
【解题指南】(1)隐含信息:间作的作物要高矮明显,充分利用光照并减少竞争。(2)选择作物的原则:①株高较高的植物,其光饱和点要高,充分利用上层的强光。②株高较矮的植物,其光饱和点要低,充分利用下层的弱光。
【解析】本题主要考查物质跨膜运输、细胞呼吸原理及其在生产中的应用、光合作用原理的应用。(1)中耕过程中去除了杂草,减少了杂草和农作物之间的竞争;疏松土壤可以增加土壤的含氧量,有利于根细胞的有氧呼吸,促进矿质元素的吸收,还可以促进好氧微生物活动,从而达到增产的目的。(2)农田施肥时,肥料中的矿质元素只有溶解在水中,以离子形式存在,才能被作物根系吸收。
(3)间作应选取株高较高且光饱和点高的作物,充分利用上层较强的光照,同时选取株高较矮且光饱和点较低的作物,充分利用下层较弱的光照,由表格数据比较可知,作物A株高较高且光饱和点较高,可利用上层光照进行光合作用,作物C株高较低且光饱和点较低,能利用下层的弱光进行光合作用,从而提高光能利用率。
答案:(1)减少杂草对水分、矿质元素和光的竞争;增加土壤氧气含量,促进根系的呼吸作用(2)肥料中的矿质元素只有溶解在水中才能被作物根系吸收(3)A和C 作物A光饱和点高且长得高,可以利用上层光照进行光合作用;作物C光饱和点低且长得矮,与作物A间作后,能利用下层的弱光进行光合作用
【加固训练·拔高】 1.阳光穿过森林中的空隙形成光斑,下图表示一株生长旺盛的植物在光斑照射前后光合作用吸收CO2和释放O2量的变化,据此下列分析正确的是( )A.光斑照射前,光合作用无法进行B.光斑照射后,光反应和暗反应迅速同步增加 C.光斑照射后,暗反应对光反应有限制作用 D.光斑移开后,光反应和暗反应迅速同步减弱
【解析】选C。光斑照射前,有氧气释放,说明植物细胞在进行光合作用,A项错误;光斑照射后,光反应迅速增加,而暗反应没有立即增加,二者不同步,B项错误;光斑照射后,O2释放曲线变化趋势是先增加然后降低,说明暗反应对光反应有限制作用,原因是暗反应不能及时消耗光反应产生的ATP和[H],C项正确;光斑移开后,光反应迅速减弱,而暗反应过一段时间后才减弱,二者不同步,D项错误。
2.为了研究温度对玉米幼苗生长的影响,某研究小组进行了如下实验:将若干组等量的、生长状况一致的玉米幼苗,白天给予26 ℃的恒定温度,不同实验组给予不同的夜温,其他条件相同且适宜。结果如图1所示。将同一批玉米幼苗分别置于恒定的不同温度下培养,其他培养条件相同,光合作用强度与光照强度之间的关系如图2所示。下列有关叙述正确的是( )
A.A点时玉米幼苗相对生长速率较低的主要原因是夜温太低 B.玉米幼苗生长的最适温度组合是日温26 ℃、夜温20 ℃C.玉米幼苗夜间生长所需的能量由线粒体提供D.15 ℃时玉米幼苗的光合作用强度高于10 ℃
【解析】选A。由图可知,A点时玉米幼苗相对生长速率较低的主要原因是夜温太低,A正确;由于缺少其他日温的实验作对照,因此不能确定最适日温是26 ℃,B错误;玉米幼苗夜间生长主要通过有氧呼吸获取能量,因此其所需的能量由线粒体和细胞质基质提供,C错误;由图可知,光照强度较低时,15 ℃时玉米幼苗的光合作用强度低于10 ℃,D错误。
【方法技巧】对于多因素对光合作用影响的曲线分析方法 (1)关键:对于受多因素影响的光合作用曲线,必须找出曲线的限制因素。(2)方法:对纵坐标或横坐标画垂线或者只看某一条曲线的变化,将多因素转变为单一因素,从而确定限制因素。①当曲线上标有条件时,说明因变量受横坐标和曲线上条件的共同影响。 ②若题干中描述了曲线的获得前提,如最适温度下测得,则应该考虑温度以外的影响因素。
3.(2020·长沙模拟)电场会对植物的生长发育产生一种“无形”的影响。在温室中同时增补电场和增施CO2,蔬菜产量可提高70%左右,这就是著名的“电场产量倍增效应”。科学家根据饱和光照强度下电场强度与CO2浓度对黄瓜幼苗光合作用强度影响的实验,绘制如图曲线。据图回答下列问题:
(1)第1组实验的作用是 。在饱和光照强度下,该实验的自变量是 。(2)第1组实验和第2组实验的曲线比较,说明 。(3)根据实验曲线可知,在相同光照强度下,为了最大限度地增加作物产量,可以采取的措施是 。
【解析】(1)第1组实验的条件为大气电场和大气CO2浓度,属于对照组,起对照作用。饱和光照强度下,实验的自变量是电场强度和CO2浓度。(2)第1组实验和第2组实验对比,二者的自变量为电场强度,第2组实验的净光合作用强度大于第1组实验,而二者的细胞呼吸强度相等,因此说明强电场可以提高植物的光合作用强度。(3)分析曲线可知,同一光照强度下净光合作用强度最大的是第4组实验,因此为了最大限度地增加作物产量,可增加电场强度和提高CO2浓度。
答案:(1)对照 电场强度和CO2浓度 (2)强电场可以提高植物的光合作用强度 (3)增补电场和增施CO2
考点二 光合作用相关的探究实验【典例精研引领】(2021·成都模拟)光合作用受多种因素的影响,某实验小组想利用如图所示装置对影响植物光合作用的两大因素进行研究,以便为大棚种植时条件的控制提供依据,实验中温度条件适宜且稳定。回答下列问题。
(1)假定光合作用的产物和呼吸作用的底物都是葡萄糖,忽略无氧呼吸,密闭容器中不放缓冲液时,液滴不移动,原因是 。 (2)由表中数据可以看出, 为限制光合作用的环境因素;比较7、8、9组结果可以得出,此时限制光合作用的因素可能是 。 (3)1组和2组左移的距离相等,对此做出的解释是 。 (4)大棚中可采取 (至少答出两点)等措施提高CO2浓度,这些措施下,若大棚中的CO2浓度只能提高至0.05%,则适宜的光照强度有可能低于 。
【解析】(1)无论光合作用强度和呼吸作用强度哪个更大,光合作用利用的CO2均等于产生的O2量,有氧呼吸利用的O2量等于产生的CO2量。外界温度适宜且稳定,则物理因素造成的影响可以忽略,因此密闭容器中气体的压力不会改变,液滴不移动。
(2)由表中数据可以看出,光照强度和CO2浓度均可成为限制光合作用的因素。比较7、8、9组结果可以看出,提高光照强度和提高CO2浓度,液滴移动的距离均未改变,推断出此时限制光合作用的因素不是光照强度和CO2浓度,可能是光合色素的量、参与光合作用的酶的数量或叶绿体的数量。
(3)1组无光照,只能进行呼吸作用,呼吸作用吸收O2,液滴左移;2组有光照,但CO2浓度与1组相同且很低,此时与1组液滴左移距离相同,说明CO2浓度过低时,植物无法进行光合作用。(4)施有机肥、合理通风、化学反应法(或使用CO2发生器)均可提高大棚中的CO2浓度;表中显示当CO2浓度为0.05%时,液滴右移112 mm需要的最低光照强度为1 000 lx,若大棚中CO2的浓度只能提高至0.05%,则适宜的光照强度有可能低于1 000 lx。
答案:(1)植物吸收的气体量始终等于释放的气体量(2)光照强度和CO2浓度 光合色素的量(或参与光合作用的酶的数量或叶绿体的数量)(3)CO2浓度过低时,植物无法进行光合作用(4)施有机肥、合理通风、化学反应法(或使用CO2发生器) 1 000 lx
【母题变式延伸】核心素养新命题(1)5～9组中单位时间内液滴的移动距离代表一定量的大豆苗单位时间内哪种物质的量?(生命观念:结构与功能观)提示:释放氧气。
(2)如果利用该装置测定在一定光照强度下大豆苗实际光合作用的速率,可采取什么方法? (写出具体的实验思路) (科学探究:实验设计)提示:首先不给予光照(黑暗条件下),测出大豆苗单位时间内的氧气吸收量(呼吸作用速率);再给予一定光照条件,其他条件不变,测出大豆苗单位时间内氧气释放量(净光合作用速率);然后将光照条件下大豆苗单位时间氧气释放量(净光合作用速率)加上黑暗条件下大豆苗单位时间内的氧气吸收量(呼吸作用速率),就是该光照条件下大豆苗实际光合作用的速率。
【备选典例】研究人员对处于生长期的A、B两种绿色植物进行实验探究。如图1表示植物A与植物B的净光合速率随CO2浓度变化的实验结果,图2是探究光照强度对植物B光合速率的影响的实验,在获取的植物B的叶圆片中,选取大小、颜色相同的叶圆片若干,放在含有适宜浓度的NaHCO3溶液的烧杯中,检测叶圆片开始上浮的时间。请回答下列问题:
(1)图1所示实验的自变量是 。(2)图1所示实验,在其他条件适宜的情况下,若将植物B培养在缺镁的环境中,则a点将向 移动。如果将植物A、B种植在同一个密封无色并给予适宜光照的玻璃容器中,则 (填“植物A”或“植物B”)先停止生长。 (3)将10片叶圆片投放于含有适宜浓度的NaHCO3溶液的烧杯中,如图2所示,开始叶圆片沉在烧杯底部,将烧杯置于适宜光照条件下一段时间,发现叶圆片上浮,上浮的原因是 。
(4)图2探究光照强度对光合速率的影响时,通过调节白炽灯与烧杯之间的距离来实现对自变量的控制,是否存在其他变量影响实验结果,为什么? 。
【解析】(1)根据图1可知,图1实验的自变量是CO2浓度和植物的种类。 (2)若将植物B培养在缺镁的环境中,则叶绿素合成不足导致光合速率降低,而呼吸速率基本不变,因此a点将右移;根据题图分析可知,植物A比植物B更能利用较低浓度的二氧化碳进行光合作用,因此若将植物A、B种植在同一个密封无色并给予适宜光照的玻璃容器中,植物B先停止生长。 (3)利用注射器抽出细胞间隙的空气,使叶圆片下沉。在适宜浓度的NaHCO3溶液条件下,叶圆片进行光合作用,释放出的O2多于呼吸作用消耗的O2,叶圆片细胞间隙中的O2积累,使叶圆片上浮。
(4)存在,因为白炽灯距烧杯的距离不同,输入烧杯中的热量也不同,会改变烧杯中溶液的温度,影响酶的活性。
答案:(1)CO2浓度和植物种类 (2)右 植物B (3)叶圆片进行光合作用,释放出的O2多于呼吸作用消耗的O2,叶圆片细胞间隙中的O2积累,或叶表面吸附着O2,使叶圆片上浮 (4)存在,因为白炽灯距烧杯的距离不同,输入烧杯中的热量也不同,会改变烧杯中溶液的温度
【知能素养提升】光合作用和细胞呼吸实验探究中常用实验条件的控制方法:(科学思维:归纳与总结)
【热点考向演练】考向 结合影响光合作用强度的探究实验,考查科学探究能力1.(2019·全国卷Ⅰ)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】本题考查植物的吸水和失水、光合作用的影响因素及实验设计的相关知识。(1)经干旱处理后,根细胞的溶质浓度增大,渗透压增大,对水分子吸引力增大,植物根细胞的吸水能力增强。(2)根据题干条件可知,干旱处理后该植物的叶片气孔开度减小,导致叶片细胞吸收CO2减少,暗反应减弱,因此光合速率会下降。
(3)分析题意可知,实验目的为验证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,所以实验应分为两部分:①证明干旱条件下植物气孔开度变化不是由缺水引起的;②证明干旱条件下植物气孔开度减小是由ABA引起的。该实验材料为ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株,自变量应分别为正常条件和缺水环境、植物体中ABA的有无,因变量均为气孔开度变化,据此设计实验。
①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,可说明缺水环境不影响ABA缺失突变体植株气孔开度变化,即干旱条件下植物气孔开度变化不是由缺水引起的。
②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,可说明干旱条件下植物气孔开度减小是由ABA引起的。
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,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.在“探究环境因素对光合作用的影响”活动中,某兴趣小组利用实验室提供的有关材料(大烧杯、大试管、铁架台、温度计、盛水玻璃柱、功率100瓦的灯泡各一个;适宜浓度的NaHCO3溶液;新鲜黑藻若干),设计了如图实验装置图。请回答:
(1)若用该实验装置探究光照强度对光合速率的影响时,可通过 来改变光照强度,光合速率可用 表示。 (2)该实验装置还可以用于探究 (至少写2种)等环境因素对光合速率的影响。 (3)在暗反应中,CO2先被固定形成 分子,再接受来自光反应产生的ATP和NADPH形成 。 (4)在实验过程中,为隔绝灯泡产生的热量,以防温度变化对实验结果的影响,请为该兴趣小组设计一个合理可行的解决方案。
【解析】(1)若用该实验装置探究光照强度对光合速率的影响时,可通过改变灯泡与装置之间的距离来改变光照强度,其他装置都不变,光合速率可用单位时间内氧气的释放量表示。(2)实验装置中NaHCO3溶液可以提供CO2,不同浓度的NaHCO3溶液可以研究CO2浓度对光合作用的影响,温度计可以测量温度,可以研究温度对光合作用的影响,因此该实验装置还可以用于探究温度、二氧化碳浓度等环境因素对光合速率的影响。
(3)在暗反应中,CO2先与C5结合被固定形成C3,再接受来自光反应产生的ATP和NADPH形成C5和(CH2O)。 (4)在实验过程中,以防温度变化对实验结果的影响,可以在灯泡和烧杯之间放置盛水玻璃柱来隔绝灯泡产生的热量。
答案:(1)改变灯泡与装置之间的距离 单位时间内氧气的释放量 (2)温度、二氧化碳浓度 (3)C3 C5和(CH2O) (4)在灯泡和烧杯之间放置盛水玻璃柱。
【加固训练·拔高】1.(2020·潍坊模拟)为研究环境因素对某植物光合作用强度的影响,设计图甲所示实验装置若干(已知密闭小室内的 CO2充足,光照不影响温度变化),在相同温度条件下进行实验,一段时间后测量每个小室中的气体释放量,绘制曲线如图乙。下列叙述正确的是 ( )
A.当距离为d时,该实验中植物释放的气体是 O2 B.当距离为c时,该植物叶肉细胞的光合速率等于呼吸速率 C.当距离由c突然变为a时,短时间内叶绿体中 C5 的含量增加 D.当光源与密闭小室的距离小于a时,限制光合作用的主要因素是光照强度
【解析】选C。当光源与密闭小室的距离大于c时,呼吸速率大于光合速率,植物释放的气体是CO2,在距离小于c时,光合速率大于呼吸速率,植物释放的气体是O2,A项错误;实验测的是整个植株气体释放速率,当距离为c时,整个植株的光合速率等于呼吸速率,但一部分植物细胞不能进行光合作用但可以进行呼吸作用,所以叶肉细胞的光合速率应大于呼吸速率,B项错误;当距离由c突然变为a时,光照强度增强,短时间内叶绿体中C5的含量增加,C项正确;当光源与密闭小室的距离小于a时,光合速率达到最大,限制光合作用的主要因素不再是光照强度,D项错误。
2.(2020·合肥模拟)科学家研究小麦在适宜温度时光合作用强度与光照强度的关系,得到如图曲线,下列有关叙述,错误的是( )A.当环境温度升高时,cd段位置上移B.a点时叶肉细胞中产生ATP的细胞器只有线粒体C.其他条件适宜,当植物缺Mg时,b点将向右移动D.c点之后小麦光合作用强度不再增加可能与光合色素的量有关
【解析】选A。当温度逐渐升高至最适时,cd段位置会上移,但当环境温度超过最适温度之后,光合速率降低,cd段位置会下移,A错误;a点时,叶肉细胞只能进行呼吸作用,因此产生ATP的细胞器只有线粒体,B正确;Mg是植物合成叶绿素的必需元素,当缺少Mg元素时,叶绿素的合成受阻,导致光合作用强度降低。b点表示光合速率等于呼吸速率,因此当植物缺Mg时,要让光合作用和呼吸作用强度相等,就必须要增加光照强度以提高光合作用强度,所以b点将向右移,C正确;c点对应的光照强度是光饱和点,该点之后光合作用强度不再随光照强度增大而增大,此时影响因素可能是叶绿体中色素的含量、酶的浓度等,D正确。
考点三 光合作用与细胞呼吸的关系【典例精研引领】(2020·全国Ⅲ卷)参照表中内容,围绕真核细胞中ATP的合成来完成下表。
【解析】(1)(2)葡萄糖分解为乙醇和CO2是无氧呼吸过程,发生的场所为细胞质基质。(3)(4)光合作用的光反应阶段包括水的光解和ATP的合成,产物有氧气、NADPH和ATP,能量变化为光能转化为ATP中活跃的化学能。(5)在线粒体中进行有氧呼吸的第二、三阶段,终产物为CO2 和H2O。
答案:(1)细胞质基质 (2)无氧呼吸 (3)光能(4)O2、 NADPH (5)CO2、 H2O
【知识总结】ADP与ATP转化发生的场所及相关生理过程归纳
【母题变式延伸】核心素养新命题 (1)对于一株正常生长的植物而言,在光合作用过程中产生的ATP与在细胞呼吸过程中产生的ATP相比,哪个过程多?(科学思维:分析与综合)提示:光合作用过程中产生的多于细胞呼吸过程中产生的。
(2)光合作用与细胞呼吸产生的[H]是同一种物质吗?为什么?(科学思维:分析与综合)提示:不是。光合作用产生的[H]是还原型辅酶Ⅱ(NADPH);细胞呼吸产生的[H]是还原型辅酶Ⅰ(NADH)。
【知能素养提升】1.光合作用与细胞呼吸曲线中的“关键点”移动:(科学思维:归纳与总结)
(1)细胞呼吸对应点(A点)的移动:细胞呼吸增强,A点_____;细胞呼吸减弱,A点_____。(2)补偿点(B点)的移动。①细胞呼吸速率增加,其他条件不变时,CO2(或光)补偿点应_____,反之左移。②细胞呼吸速率基本不变,相关条件的改变使光合速率下降时,CO2(或光)补偿点应_____,反之左移。(3)饱和点(C点)和D点的移动:相关条件的改变(如增大光照强度或增大CO2浓度)使光合速率增大时,C点_____,D点上移的同时_____;反之,移动方向相反。
2.不同光照条件下叶肉细胞的气体代谢特点:(科学思维:归纳与总结)
3.植物光合作用和细胞呼吸的日变化曲线分析:(1)自然环境中一昼夜植物CO2吸收或释放速率的变化曲线:
a点:凌晨,温度降低,细胞呼吸减弱,CO2释放减少。b点:有微弱光照,植物开始进行光合作用。bc段:光合作用强度小于细胞呼吸强度。c点:上午7时左右,光合作用强度等于细胞呼吸强度。ce段:光合作用强度大于细胞呼吸强度。d点:温度过高,部分气孔关闭,出现“午休”现象。
e点:下午6时左右,光合作用强度等于细胞呼吸强度。ef段:光合作用强度小于细胞呼吸强度。fg段:没有光照,光合作用停止,只进行细胞呼吸。bf段:制造有机物的时间段。ce段:积累有机物的时间段。一昼夜有机物的积累量=S1-(S2+S3)(S1、S2、S3分别表示曲线和横轴围成的面积)。
(2)密闭容器中一昼夜CO2浓度的变化曲线
(注意:分析光合作用或细胞呼吸速率的变化时,应分析曲线变化趋势的快慢,也就是斜率。)AB段:无光照,植物只进行细胞呼吸。BC段:温度降低,细胞呼吸减弱(曲线斜率变小)。CD段:4时后,微弱光照,开始进行光合作用,但光合作用强度小于细胞呼吸强度。D点:随光照增强,光合作用强度等于细胞呼吸强度。
DH段:光合作用强度大于细胞呼吸强度。其中FG段表示“光合午休”现象。H点:随光照减弱,光合作用强度下降,光合作用强度等于细胞呼吸强度。HI段:光照继续减弱,光合作用强度小于细胞呼吸强度,直至光合作用完全停止。I点低于A点:一昼夜后,密闭容器中CO2浓度减小,即光合作用强度大于细胞呼吸强度,植物能正常生长(若I点高于A点,植物不能正常生长)。
【热点考向演练】考向一 结合光合作用和细胞呼吸过程的关系，考查归纳和概括能力1.(2021年湖南适应性测试)适宜的温度和光照条件下，在盛有水生动植物的鱼缸内(不考虑微生物的影响)，物质代谢处于相对平衡状态的是( )A.动物呼吸作用释放的CO2量等于植物光合作用吸收的CO2量B.动物呼吸作用吸收的O2量等于植物光合作用产生的O2量C.动植物呼吸作用释放的CO2量等于植物光合作用吸收的CO2量D.动物呼吸作用消耗的有机物量等于植物光合作用合成的有机物量
【解析】选C。要达到物质代谢的相对平衡状态，植物光合作用吸收的CO2量应等于动物和植物的呼吸作用释放的CO2量，A错误；要达到物质代谢的相对平衡状态，植物光合作用产生的O2量应等于动物和植物的呼吸作用吸收的O2量，B错误；动植物呼吸作用释放的CO2量等于植物光合作用吸收的CO2量时，物质代谢处于相对平衡状态，C正确；要达到物质代谢的相对平衡状态，植物光合作用合成的有机物量应等于动物和植物呼吸作用消耗的有机物量，D错误。
2.(2018·江苏高考)如图为某植物叶肉细胞中有关甲、乙两种细胞器的部分物质及能量代谢途径示意图(NADPH指[H]),请回答下列问题:
(1)甲可以将光能转变为化学能,参与这一过程的两类色素为 ,其中大多数高等植物的 需在光照条件下合成。 (2)在甲发育形成过程中,细胞核编码的参与光反应中心的蛋白,在细胞质中合成后,转运到甲内,在 (填场所)组装;核编码的Rubisc(催化CO2固定的酶)小亚基转运到甲内,在 (填场所)组装。
(3)甲输出的三碳糖在氧气充足的条件下,可被氧化为 后进入乙,继而在乙的 (填场所)彻底氧化分解成CO2;甲中过多的还原能可通过物质转化,在细胞质中合成NADPH,NADPH中的能量最终可在乙的 (填场所)转移到ATP中。 (4)乙产生的ATP被甲利用时,可参与的代谢过程包括 (填序号)。 ①C3的还原 ②内外物质运输 ③H2O分解产生O2④酶的合成
【解析】(1)叶绿体中参与光能吸收并转化为活跃的化学能的两类色素是叶绿素和类胡萝卜素,叶绿素的合成需要光照。(2)叶绿体中基因控制合成的酶还不足以满足光合作用的需求,还需要细胞核中的基因控制合成相关的酶转入叶绿体,共同参与光合作用催化过程。其中细胞核基因编码的参与光反应的酶需转运到类囊体膜上进行组装,而参与暗反应的酶则在叶绿体基质中进行组装。(3)只有丙酮酸才能进入线粒体被继续氧化分解,所以三碳糖可被氧化为丙酮酸再进入线粒体,丙酮酸进入线粒体在基质中被彻底氧化成CO2。有氧呼吸的第三阶段在线粒体内膜上进行,所以,NADPH进入线粒体最终在内膜上被利用,其中的能量转移到ATP中。(4)ATP进入叶绿体中被利用,那么消耗能量的生理过程都会用到ATP,四个选项中只有③过程不消耗ATP,其利用的是光能。
答案:(1)叶绿素、类胡萝卜素 叶绿素(2)类囊体膜上 基质(3)丙酮酸 基质 内膜(4)①②④
考向二 结合光合作用和细胞呼吸曲线分析,考查科学思维能力3.图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时,单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化。图乙表示蓝藻光合速率与光照强度的关系,下列说法正确的是( )
A.图甲中,光照强度为b时,光合速率等于呼吸速率B.图甲中,光照强度为d时,单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2C.图乙中,当光照强度为x时,细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体D.图乙中,限制e、f、g点光合作用速率的因素主要是光照强度
【解析】选B。分析甲图可知,光照强度为b时,CO2释放量和O2产生总量相等,细胞呼吸释放的CO2首先供应叶绿体进行光合作用,剩余部分释放到外界,则此时细胞呼吸速率大于光合速率,A项错误;光照强度为d时,水稻叶肉细胞的光合速率大于细胞呼吸速率。光照强度为a时,CO2释放量即细胞呼吸速率为6个单位。光照强度为d时,O2产生总量为8个单位,需要消耗的CO2也为8个单位,所以单位时间内需从外界吸收CO2为2个单位,B项正确;图乙中所示生物为蓝藻,蓝藻不含线粒体和叶绿体,C项错误;图乙中,限制g点光合作用速率的因素不是光照强度,可能是二氧化碳浓度及温度等,D项错误。
【加固训练·拔高】 1.植物光合作用可受多种环境因素的影响,如图是在不同温度条件下测得的光照强度对小麦O2吸收速率的影响。下列叙述错误的是( )
A.B点时小麦光合作用产生O2的速率等于有氧呼吸消耗O2的速率B.光照强度和温度都会影响C点的变动C.若适当提高周围环境中的CO2浓度,D点将向左下方移动D.D点时叶绿体中产生的O2会流向线粒体和细胞外
【解析】选C。B点时小麦的O2吸收速率为0,光合速率等于呼吸速率,因此光合作用产生氧气的速率等于有氧呼吸消耗氧气的速率,A正确;由图可知,15 ℃时,C点以后光照强度增加,但光合速率不变,此时限制因素主要是温度;25 ℃时,C点以后一定范围内光合速率随光照强度增加而增大,此时限制因素主要是光照强度,故光照强度和温度都会影响C点的变动,B正确;提高环境中CO2浓度,植物的最大光合速率变大,达到最大光合速率的光照强度增大,因此D点将向右下方移动,C错误;D点时光合速率大于呼吸速率,小麦叶绿体中产生的O2会流向线粒体和细胞外,D正确。
2.(2021·菏泽模拟)图1表示该植物两昼夜吸收或释放CO2的变化情况,S1～S5表示曲线与坐标轴围成的面积。图2中曲线a是自然状态下一个密闭温室中一天的CO2含量变化曲线,假定温室中温度恒定。请据图回答问题。
(1)图1中影响DE段波动的主要外界因素是 。S2明显小于S4,造成这种情况的主要外界因素是 。如果S1+S3+S5>S2+S4,则该植物在这两昼夜内 (填“能”或“不能”)生长。(2)图2中曲线b是在17时到20时之间采取某种措施后形成的,该措施是______________________________________________________________。 (3)图2中B点对应的光合作用强度 (填“大于”“等于”或“小于”)呼吸作用强度。
【解析】(1)图1中DE段处于黑暗条件下,其波动的CO2释放量可表示呼吸作用强度,此时影响呼吸作用强度的主要外界因素是温度。S2和S4表示光合作用强度大于呼吸作用强度时的净光合作用有机物积累量,影响S2与S4大小的外界因素主要是光照强度,S1+S3+S5表示当光合作用强度小于呼吸作用强度时,该植物在两昼夜内有机物的净消耗量,S2+S4表示当光合作用强度大于呼吸作用强度时,该植物在两昼夜内有机物的积累量,若S1+S3+S5>S2+S4,则该植物在这两昼夜内不能生长。(2)曲线b是在17时到20时之间采取某种措施后形成的,因为在该时间段CO2含量持续降低,所以该措施是补充光照使光合作用继续进行。(3)图2中B点处为最高点,此时该植物的光合作用强度等于呼吸作用强度。
答案:(1)温度 光照强度 不能 (2)补充光照 (3)等于
【命题新情境】我国北方地区的土壤盐渍化比较严重,加上北方地区冬季寒冷,冬季需要大量的融雪剂确保道路的通畅。目前常用盐作为融雪剂,在一定程度上增加了土壤的盐渍化程度,导致银杏等行道树的死亡。因此,研究盐胁迫下银杏生长、光合作用等变化机理,对北方地区进一步增加银杏树的种植面积具有重要意义。
研究人员在苗圃中选择3年生的银杏实生苗,地径1.0 cm、株高1 m左右。实验共设7个盐浓度,分别为0(CK)、0.15%、0.30%、0.45%、0.60%、0.75%、0.90%,42盆随机分成7组作为7个处理,每处理6盆作为重复。每次浇灌600 mL,每隔7 d浇1次,连续浇8次。盐胁迫2个月后,在上午10:00用便携式光合仪测量各处理银杏苗叶片的光合作用参数变化如下表。请回答下列问题:
表1 各种盐胁迫处理下银杏的生长情况
表2 各种盐胁迫处理下银杏的主要光合参数
【命题新角度】1.探究盐胁迫下对银杏生长、光合作用的影响时,对照组(CK)应加入 。 2.从表1可以看出,随着盐浓度的增加,银杏株高、地径的生长情况逐渐 ,0.15%浓度处理下,株高相对于对照降低 ,差异不明显;其中0.90%浓度的处理比对照降低90.59%,差异比较显著;地径相对于对照,其他各盐胁迫处理的降低幅度均超过 ,其中0.90%浓度的处理比对照降低90.11%。
3.由表2可知,随着盐胁迫浓度的逐渐增加,银杏叶片的净光合效率呈现逐渐 的态势。那么,银杏是通过 等来适应盐胁迫环境的。 4.进一步研究发现,盐胁迫会造成叶绿体中 (结构)损伤,使银杏叶片叶绿素的含量下降,导致光反应为暗反应提供的 减少。
【解析】1.探究盐胁迫下对银杏生长、光合作用的影响时,对照组(CK)应加入等量的清水(或600 mL清水)。2.从表1可以看出,随着盐浓度的增加,银杏株高、地径的生长情况逐渐减弱,0.15%浓度处理下,株高相对于对照降低 3.55%,差异不明显;其中0.90%浓度的处理比对照降低90.59%,差异比较显著;地径相对于对照,其他各盐胁迫处理的降低幅度均超过42%,其中0.90%浓度的处理比对照降低90.11%。
3.由表2可知,随着盐胁迫浓度的逐渐增加,银杏叶片的净光合效率呈现逐渐降低的态势。那么,银杏是通过降低光合作用效率、蒸腾速率、水分利用效率等来适应盐胁迫环境的。4.进一步研究发现,盐胁迫会造成叶绿体中类囊体薄膜(结构)损伤,使银杏叶片叶绿素的含量下降,导致光反应为暗反应提供的[H]和ATP减少。
答案:1.等量的清水(或600 mL清水)2.减弱 3.55% 42.86% 3.降低 降低净光合作用效率、蒸腾速率、水分利用效率4.类囊体薄膜 [H]和ATP
【拓展视野】光照对光合作用的影响 黑暗中叶片不进行光合作用,只有呼吸作用释放CO2 。随着光强的增高,光合速率相应提高,当到达某一光强时,叶片的光合速率等于呼吸速率,即CO2吸收量等于CO2释放量,表观光合速率为零,这时的光强称为光补偿点。在低光强区,光合速率随光强的增强而成比例地增加;当超过一定光强,光合速率增加就会转慢;当达到某一光强时,光合速率就不再增加,而呈现光饱和现象。
光补偿点高的植物一般光饱和点也高,草本植物的光补偿点与光饱和点通常要高于木本植物;阳生植物的光补偿点与光饱和点要高于阴生植物;C4植物的光饱和点要高于C3植物。光补偿点和光饱和点可以作为植物需光特性的主要指标,用来衡量需光量。
植物的光补偿点和光饱和点不是固定数值,它们会随外界条件的变化而变动。在封闭的温室中,温度较高,CO2较少,这会使光补偿点提高而对光合积累不利。在这种情况下应适当降低室温,通风换气,或增施CO2才能保证光合作用的顺利进行。
在一般光强下,C4植物不出现光饱和现象,其原因是:①C4植物同化CO2消耗的同化力要比C3植物高;②PEP羧化酶对CO2的亲和力高,以及具有“CO2泵”,所以空气中CO2浓度通常不成为C4植物光合作用的限制因素。
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