【二轮复习学案】专题2 细胞代谢 微专题3 光合作用与细胞呼吸的影响因素及实验设计

专题2　细胞代谢
微专题3光合作用与细胞呼吸的影响因素及实验设计
1.掌握影响细胞呼吸的4类曲线
　①不同生物无氧呼吸的产物不同，其直接原因在于催化反应的酶不同，根本原因在于控制酶合成的基因不同。
②线粒体能分解丙酮酸，但不能分解葡萄糖，葡萄糖需在细胞质基质中分解。
③对于细胞呼吸来说，有H2O生成一定在进行有氧呼吸，有CO2生成一定不是产生乳酸的无氧呼吸。有酒精生成的一定在进行无氧呼吸，动物细胞无氧呼吸不会产生酒精。
2.掌握影响光合作用因素的3类曲线
3.光补偿点、光饱和点的移动
(1)光补偿点对应的两种生理状态
①整个植株：光合作用强度＝细胞呼吸强度。
②叶肉细胞：光合作用强度>细胞呼吸强度。
(2)B点与C点的变化(注：只有横坐标为自变量，其他条件不变)
条件 B点(补偿点) C点(饱和点)
适当增大CO2浓度(光照强度) 左移 右移
适当减小CO2浓度(光照强度) 右移 左移
土壤缺Mg2＋ 右移 左移
注：细胞呼吸速率增加，其他条件不变时，CO2(或光)补偿点应右移，反之左移。
(3)D点：代表最大光合速率，若增大光照强度或增大CO2浓度使光合速率增大时，D点向右上方移动；反之，移动方向相反。
4.呼吸速率和净光合速率测定的常用方法
(1)液滴移动法(气体体积变化法)
　①在测定了净光合速率和呼吸速率的基础上可计算得出二者之和，即“总光合速率”。
②物理误差的校正：为使实验结果精确，除减少无关变量的干扰外，还应设置对照装置。对照装置与两装置相比，不同点是用“死亡的绿色植物”代替“绿色植物”，其余均相同。
(2)黑白瓶法
“黑白瓶”问题是一类通过净光合作用强度和有氧呼吸强度推算总光合作用强度的试题，题中“黑瓶”不透光，测定的是有氧呼吸量；“白瓶”给予光照，测定的是净光合作用量，可分为有初始值与没有初始值两种情况，规律如下：
经典考题重现
农作物增产的本质就是充分利用光能，提高植物的光合作用。下列关于光合作用和细胞呼吸影响因素的表述正确的有①②③。
①在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗，叶片的光合速率会暂时下降。(2021·湖南卷，7C)
②合理控制昼夜温差有利于提高作物产量。(2021·辽宁卷，2C)
③油料作物种子播种时宜浅播，原因是萌发时呼吸作用需要大量氧气。(2021·湖南卷，12C)
④马铃薯块茎储藏库中氧气浓度的升高会增加酸味的产生。(2019·全国卷Ⅱ，2D)
⑤色素提取与分离实验中，研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏。(2020·江苏卷，6B)
高考重点训练
考向1　围绕光合作用的影响因素，考查科学思维能力
1.(2022·江苏扬州一模)下图表示夏季时某植物体在不同程度遮光条件下净光合速率的部分日变化曲线，据图分析有关叙述正确的是(　　)
A.一天中适当遮光均会显著增强净光合速率
B.a～b段叶肉细胞内合成ATP的场所只有细胞质基质和线粒体
C.80%遮光情况下，M点时该植物体内叶肉细胞消耗的二氧化碳量一般大于该细胞呼吸产生的二氧化碳量
D.6：30左右在不遮光的条件下限制该植物光合速率的主要环境因素是二氧化碳浓度
答案　C
解析　分析题图可知，在5：30至7：30间，30%遮光时的净光合速率较不遮光的低，A错误；a～b段位于图中80%遮光曲线上，此时净光合速率小于0，即光合作用强度小于呼吸作用强度，结合题图可知，此时该植物能进行光合作用，故a～b段叶肉细胞内合成ATP的场所不仅有细胞质基质和线粒体，还有叶绿体，B错误；M点80%遮光时该植物体净光合速率等于0，也就是植物体内所有能进行光合作用的细胞消耗的CO2量等于所有细胞呼吸产生的CO2量，但是就叶肉细胞来说，其光合作用消耗的CO2量一般大于该细胞呼吸作用产生的CO2量，C正确；6：30左右在不遮光的条件下该植物净光合速率随光照强度的提高而提高，说明此时限制该植物光合速率的主要因素是光照强度，而非CO2浓度，D错误。
2.(2022·江苏扬州月考)下图表示在光照充足、CO2浓度适宜的条件下，温度对某植物光合速率和呼吸速率的影响结果。下列相关叙述错误的是(　　)
A.该植物在30 ℃时生长速度最快
B.该植物细胞呼吸的最适温度大于光合作用的最适温度
C.温度大于40 ℃时，该植物不能正常生长
D.在15～35 ℃范围内，随着温度的升高，该植物的生长速度逐渐变快
答案　D
解析　由题图可知图中实线代表实际光合速率，虚线表示呼吸速率。植物的生长速度取决于净光合速率，净光合速率＝实际光合速率－呼吸速率，由题图可知，该植物在30 ℃时净光合速率最大，所以该温度下植物生长速度最快，A正确；题图中两条曲线的顶点对应的温度是最适温度，因此呼吸作用的最适温度明显大于光合作用的最适温度，B正确；大于40 ℃时该植物的呼吸速率大于实际光合速率，所以植物不能正常生长，C正确；在15～35 ℃范围内，随着温度的升高，该植物的生长速度先由慢变快，再由快变慢，D错误。
考向2　围绕细胞呼吸与光合作用有关的实验，考查科学探究能力
3.(2022·江苏常州一模)黑藻是一种常见的沉水高等植物，某实验小组利用黑藻进行如下实验，请分析并回答下列相关问题：
(1)实验步骤：
①取若干盛有一定量浓度为1%的________溶液的玻璃瓶，将玻璃瓶均分为甲、乙、丙、丁四组，每个玻璃瓶中均放入等量、新鲜的黑藻叶片，用橡胶塞密封；
②甲，乙、丙三组玻璃瓶双侧各等距离放置1个18 W的LED灯，分别控制灯距为10 cm、15 cm、20 cm。作为对照，对丁组玻璃瓶进行________处理。其他条件________，培养一段时间。
实验数据：
组别 甲 乙 丙 丁
瓶内氧气的变化速率/(mg·h－1 ) 6.47 4.22 1.98 2.14
(2)结果分析：
甲到丙瓶内氧气的释放速率表示这段时间内黑藻的________。丁瓶内氧气的变化速率表示这段时间内黑藻的________。
(3)实验结论：____________________________________________________。
可以推测，该实验的实验目的是_____________________________________，
而玻璃瓶中的溶液的主要作用是______________________________________，
以确保该实验顺利进行。
答案　(1)①NaHCO3　②遮光　相同且适宜　(2)净光合速率　呼吸速率　(3)在一定范围内，随光照强度的增加，光合作用速率逐渐增强　探究光照强度对光合作用强度的影响　维持玻璃瓶中二氧化碳浓度稳定
解析　(1)①需要用1%的NaHCO3维持瓶中的CO2浓度稳定，让黑藻进行光合作用。②该实验自变量是光照强度，通过控制不同的灯距实现对自变量的控制。对照组丁组玻璃瓶进行遮光处理，其他条件都属于无关变量，保持相同且适宜。(2)甲到丙瓶中的黑藻同时进行了光合作用和有氧呼吸，光合作用速率大于呼吸速率时，黑藻向外释放氧气，故甲到丙瓶内氧气的释放速率表示这段时间内黑藻的净光合速率。丁瓶无光，只能进行呼吸作用，所以丁瓶内氧气的变化速率表示这段时间内黑藻的呼吸速率。(3)由表格数据可知，甲到丙瓶，灯距逐渐增大，光合作用逐渐减弱，氧气释放速率随之下降，故实验结论为：在一定范围内，随光照强度的增加，光合作用速率逐渐增强。可以推测，该实验的实验目的是探究光照强度对光合作用强度的影响，玻璃瓶中的1%的NaHCO3的主要作用是维持玻璃瓶中二氧化碳浓度稳定。
4.(2022·江苏南师附中期初)下图 1是某同学为了研究植物的光合作用而设计的实验装置，装置中的缓冲液能维持密闭空间内的CO2浓度稳定，通过液滴移动的距离可以直接读出密闭空间内的气体变化情况。利用图1装置在温度为20 ℃条件下测定A、B两植物光合速率与呼吸速率的比值(P/R)随光照强度变化的关系，得到如图2所示曲线。请回答：
(1)为了矫正实验中因光照、温度、大气压等其他因素造成的误差，同时还需要设计一个对照实验装置，该对照实验装置与上述实验装置的区别是___________________________________________________________________。
在光照条件下，单位时间内测得的数据代表的是________，要得到图2结果，还需增加1个组，该组处理是________，其他条件与图1装置相同。
(2)培养大豆苗的装置内用培养液比用土壤更好，除了能更好地控制营养物质之外，还因为土壤中有大量的微生物，其________作用会对实验结果造成影响，从而影响了实验结果的准确性。有人认为将该实验装置中的白炽灯换成LED灯，结果更准确，原因是__________________________________________________
________________________________________________________________。
(3)根据图2结果判断，A、B两植物中________植物更适合在树林中阴处生存， 判断的理由是_____________________________________________________。
(4)当光照强度大于________时，A植物开始释放 O2，此时叶肉细胞中产生ATP的场所有________________________________________________________。
(5)已知B植物光合作用的最适温度是28 ℃，呼吸作用的最适温度是30 ℃。若将实验时的温度由20 ℃上升到25 ℃，发现B植物净光合速率增加，但P/R值却下降，合理的解释是___________________________________________________。
答案　(1)将大豆苗换成形态大小相似的死亡大豆苗(或去除大豆幼苗)　 净光合作用速率　遮光　(2)呼吸　白炽灯产热更多，对环境温度的影响更大　(3)B　B植物的光补偿点小于A植物　(4)b　细胞质基质、线粒体、叶绿体　(5)光合速率增长百分比小于呼吸速率增长百分比，光合速率增加值大于呼吸速率增加值
解析　分析题图可知图1中缓冲液可以吸收呼吸作用产生的二氧化碳并为光合作用提供二氧化碳，因此液滴移动的距离代表氧气的变化情况，可以表示净光合速率。(1)为了矫正实验中因光照、温度、大气压等其他因素造成的误差，同时还需要设计一个对照实验装置，该对照实验装置与上述实验装置的区别是将大豆苗换成形态大小相似的死亡大豆苗(或去除大豆幼苗)。图1装置在密闭环境下，由于缓冲液能维持密闭空间内的 CO2浓度稳定，密闭空间内的气体变化是由氧气变化引起的，则气体改变的体积为O2释放量，故所测数据代表净光合作用；图2为光合速率与呼吸速率的比值相关曲线，要得到图2结果，还需要测量植物的呼吸作用速率，故需要设置其他条件与图1相同，但进行遮光处理的一组实验。(2)土壤中有大量的微生物，微生物的呼吸作用会产生二氧化碳，从而影响实验结果。白炽灯会产生大量热量，改变局部环境温度，影响实验结果，而LED 灯产生的热量较小，将该实验装置中的白炽灯换成 LED 灯，结果更准确。(3)图2中P/R值为1时，所对应的光照强度为光补偿点，B植物的光补偿点小于A植物，而适合在阴处生长的植物光补偿点所对应的光照强度更小，因此B植物更适合在阴处生存。(4)图2中P/R值为1时，光合作用等于呼吸作用，也就是光照强度大于B时，光合作用大于等于呼吸作用，A植物开始释放氧气，此时产生ATP的有呼吸作用和光合作用，因此其场所为细胞质基质、线粒体、叶绿体。(5)温度由20 ℃上升到25 ℃，由于光合作用与呼吸作用有关酶的最适温度都高于20 ℃，二者速率都会增大，但净光合作用速率也增加，所以二者的差值增大，又因为P/R值下降，说明光合速率增长百分比小于呼吸速率增长百分比，光合速率增加值大于呼吸速度增加值。