2021新高考生物人教版一轮学案：难点加强专题（一）　植物“三率”的判定、测量与相关曲线


难点加强专题(一)　植物“三率”的判定、测量与相关曲线
　　
一、植物“三率”的含义、关系及判定
1．微观辨析总光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系

2．常考曲线分析


以“测定的CO2吸收量与释放量”为指标：

[特别提醒]
总光合速率与呼吸速率曲线交点处表示此时光合速率＝呼吸速率，不要认为净光合速率曲线与呼吸速率曲线交点处也表示光合速率＝呼吸速率，此时总光合速率恰恰是呼吸速率的2倍。

　例1　将生长状况相同的某种植物的叶片均分成4等份，在不同温度下分别暗处理1 h，再光照1 h(光照强度相同)，测其有机物变化，得到如图数据。下列说法正确的是(　B　)

A．该植物在27 ℃时生长最快，在29 ℃和30 ℃时不表现生长现象
B．该植物呼吸作用和光合作用的最适温度在所给的4个温度中都是29 ℃
C．在27 ℃、28 ℃和29 ℃时光合作用制造的有机物的量相等
D．30 ℃时光合作用制造的有机物等于呼吸作用消耗的有机物都是1 mg/h
[解析]　暗处理后有机物减少量代表呼吸速率，4个温度下分别为1 mg/h、2 mg/h、3 mg/h、1 mg/h光照后与暗处理前的有机物增加量代表1 h光合作用制造有机物量和2 h呼吸作用消耗有机物量的差值，所以4个温度下总光合速率(有机物制造量)分别为5 mg/h、7 mg/h、9 mg/h、3 mg/h。该植物在29 ℃时生长最快，4个温度下都表现生长现象；该植物在29 ℃条件下制造的有机物量最多；该植物在30 ℃条件下光合作用制造的有机物为3 mg/h，呼吸作用消耗的有机物为1 mg/h。
　例2　(2019·合肥二模)对某植物在不同环境条件下O2的吸收量和释放量进行测定，结果如下表，下列对结果的分析不正确的是(　D　)
光照强度(klx)
O2变化量(mg/h)
温度
0
5
10
10 ℃
＋0.5
＋3.0
＋4.0
20 ℃
－1
＋2.0
＋5.0
A．在5 klx光照条件下5 h,10 ℃时光合作用产生的O2总量比20 ℃时多2.5 mg
B．在20 ℃时，分别用10 klx和5 klx光照10 h，黑暗14 h，O2增加量前者比后者多30 mg
C．在10 ℃、10 klx光照4.8 h后，转入20 ℃黑暗环境19.2 h，O2变化量为0
D．该实验的自变量是光照强度、温度和光照时间，CO2浓度等属于无关变量
[解析]　黑暗中单位时间内O2的吸收量代表呼吸速率，光下测定的单位时间内O2的释放量是净光合速率，在5 klx光照条件下5 h,10 ℃时光合作用产生的O2总量是3.5×5＝17.5 mg,20 ℃时光合作用产生的O2总量是3×5＝15 mg；在20 ℃时，用10 klx和5 klx光照10 h，黑暗14 h，O2的增加量分别是5×10－1×14＝36 mg、2×10－1×14＝6 mg，前者比后者多30 mg；在10 ℃时，用10 klx光照4.8 h，积累O2量为4×4.8＝19.2 mg,20 ℃黑暗环境19.2 h，消耗O2量为1×19.2＝19.2 mg，O2变化量为0；该实验的自变量是光照强度与温度，光照时间、CO2浓度等属于无关变量。

二、光合速率和呼吸速率的测定方法
方法1　测定装置中气体体积变化

(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；在测净光合速率时NaHCO3溶液可提供CO2，保证了容器内CO2浓度的恒定。
(2)测定原理
①在黑暗条件下甲装置中的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。
②在光照条件下乙装置中的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，可代表净光合速率。
③真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。
(3)测定方法
①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。
②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，计算净光合速率。
③根据呼吸速率和净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。
方法2　“半叶法”测定光合作用有机物的产生量
将叶片一半遮光、一半曝光，遮光的一半测得的数据变化值代表呼吸作用强度，曝光的一半测得的数据变化值代表表观(净)光合作用强度值，最后计算真正光合作用强度值。需要注意的是该种方法在实验之前需对叶片进行特殊处理，以防止有机物的运输。
方法3　“黑白瓶法”测定溶氧量的变化
黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶，只有呼吸作用，而白瓶既能进行光合作用又能进行呼吸作用，所以用黑瓶(无光照的一组)测得的为呼吸作用强度值，用白瓶(有光照的一组)测得的为表观(净)光合作用强度值，综合两者即可得到真正光合作用强度值。
方法4　叶圆片称重法——测定有机物的变化量
本方法通过测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量，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)。

净光合速率＝(z－y)/2S
呼吸速率＝(x－y)/2S；
总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。
方法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。
方法6　间隔光照法——比较有机物的合成量
光反应和暗反应在不同酶的催化作用下相对独立进行，由于催化暗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，光反应的速率比暗反应快，光反应的产物ATP和[H]不能被暗反应及时消耗掉。持续光照，光反应产生的大量的[H]和ATP不能及时被暗反应消耗，暗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暗反应。因此在光照强度和光照时间不变的情况下，制造的有机物相对多。
归纳提升
光合作用和细胞呼吸实验探究中常用实验条件的控制
①增加水中O2——泵入空气或吹气或放入绿色水生植物；
②减少水中O2——容器密封或油膜覆盖或用凉开水；
③除去容器中CO2——氢氧化钠溶液；
④除去叶中原有淀粉——置于黑暗环境中；
⑤除去叶中叶绿素——酒精隔水加热；
⑥除去光合作用对呼吸作用的干扰——给植株遮光；
⑦如何得到单色光——棱镜色散或薄膜滤光；
⑧线粒体提取——细胞匀浆离心。

　例3　下表所示是采用黑白瓶(不透光瓶—可透光瓶)法测定夏季某池塘不同深度水体中，初始平均O2浓度与24小时后平均O2浓度比较后的数据。下列有关分析正确的是(　D　)
水深/m
1
2
3
4
白瓶中O2浓度/(g·m－2)
＋3
1.5
0
－1
黑瓶中O2浓度/(g·m－2)
－1.5
－1.5
－1 5
－1.5
A．水深1 m处白瓶中水生植物24小时产生的O2为3 g/m2
B．水深2 m处白瓶中水生植物光合速率等于所有生物的呼吸速率
C．水深3 m处白瓶中水生植物不进行光合作用
D．水深4 m处白瓶中藻类植物产生ATP的场所是叶绿体、细胞质基质和线粒体
[解析]　根据题意可知，黑瓶中水生植物只能进行呼吸作用，白瓶中水生植物既能进行光合作用又能进行呼吸作用，在相同条件下培养一定时间，黑瓶中所测得的数据即为正常的呼吸消耗量。由表中数据可知，在水深1 m处白瓶中水生植物产生的O2量＝3＋1.5＝4.5(g/m2)。水深2 m处白瓶中水生植物光合速率为1.5＋1.5＝3.0 [g/(m2·d)]，呼吸速率为1.5 g/m(m2·d)。水深3 m处白瓶中水生植物光合作用量等于呼吸作用量，即1.5 g/m2。水深4 m处白瓶中藻类植物能进行光合作用和呼吸作用，故白瓶中藻类植物产生ATP的场所是叶绿体、细胞质基质和线粒体。
　例4　某同学欲测定植物叶片叶绿体的光合速率，做如图所示实验：在叶柄基部做环剥处理(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1 cm2的叶圆片烘干后称其重量，测得叶片叶绿体的光合速率是(3y－2z－x)/6(g·cm－2·h－1)(不考虑取叶圆片后对叶片生理活动的影响和温度微小变化对叶片生理活动的影响)，M处的实验条件是(　D　)

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
[解析]　依据选项，逆向推导，符合题干信息的就为正确选项。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)/6(g·cm－2·h－1)，计算可得呼吸速率为(y－z)/3(g·cm－2·h－1)，所以M处的实验条件是下午4时后整个实验装置遮光3小时。
　例5　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)先测定植物的呼吸作用强度，方法步骤如下：
①甲、乙两装置的D中都放入NaOH溶液，装置乙作为对照。
②将甲、乙装置的玻璃钟罩进行遮光处理，放在温度等相同且适宜的环境中。
③30 min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NaHCO3溶液，装置乙作为对照。
②把甲、乙装置放在光照充足、温度等相同且适宜的环境中。
③30 min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 min后，记录的甲、乙装置中红墨水滴移动情况如下表：

实验30 min后红墨水
滴移动的情况测定植物呼吸作用强度
甲装置
左(填“左”或“右”)移1.5 cm
乙装置
右移0.5 cm
测定植物净光
合作用强度
甲装置
右(填“左”或“右”)移4.5 cm
乙装置
右移0.5 cm
(4)假设红墨水滴每移动1 cm，植物体内的葡萄糖增加或减少1 g，那么该植物的呼吸速率是4 g/h；白天光照15 h。一昼夜葡萄糖的积累量是84 g(不考虑昼夜温差的影响)。
[解析]　要测定光合作用强度必须先测定呼吸作用强度，在测定呼吸作用强度时一定要将实验装置置于黑暗条件下，使植物只进行呼吸作用。用NaOH溶液除去玻璃钟罩内的CO2，植物进行呼吸作用消耗一定量的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呼吸作用强度。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。对照实验装置乙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，植物呼吸作用消耗O2量等于玻璃钟罩内气体体积的改变量，即该植物的呼吸速率为(1.5＋0.5)×2＝4(g/h)；净光合速率为(4.5－0.5)×2＝8(g/h)，白天光照15 h的净光合作用量是8×15＝120(g)，一昼夜葡萄糖的积累量等于15 h的光合作用实际产生量减去24 h的呼吸作用消耗量，等同于15 h的净光合作用量减去9 h的呼吸作用消耗量，即120－4×9＝84(g)。

三、自然环境及密闭容器中植物光合作用曲线及分析
1．自然环境中(夏季)一昼夜植物CO2吸收量与CO2释放量变化曲线

(1)曲线的各点含义及形成原因分析如下：
①a点：凌晨3时～4时，温度降低，呼吸作用减弱，CO2释放减少。
②b点：上午6时左右，太阳出来，开始进行光合作用。
③bc点：光合作用强度小于呼吸作用强度。
④c点：上午7时左右，光合作用强度等于呼吸作用强度。
⑤ce段：光合作用强度大于呼吸作用强度。
⑥d点：温度过高，部分气孔关闭，出现“午休”现象。
⑦e点：下午6时左右，光合作用强度等于呼吸作用强度。
⑧ef段：光合作用强度小于呼吸作用强度。
⑨fg段：太阳落山，停止光合作用，只进行呼吸作用。
(2)绿色植物一昼夜内有机物的“制造”“消耗”与“积累”

2．密闭容器内一昼夜CO2浓度变化曲线
曲线模型

模型分析
AB段
无光照，植物只进行呼吸作用
BC段
温度降低，呼吸作用减弱
CD段
4时后，微弱光照，开始进行光合作用，但光合作用强度呼吸作用强度。其中FG段表示“光合午休”现象
H点
光合作用强度＝呼吸作用强度
HI段
光照继续减弱，光合作用强度