人教生物重难强化训练：专题2 细胞的代谢（3） 光合作用和细胞呼吸的实验设计与分析（含解析）

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专题2 细胞的代谢
（三） 光合作用和细胞呼吸的实验设计与分析
一、选择题
1．某小组探究酵母菌和乳酸菌的呼吸方式，实验装置如下图所示。①～③装置中溴麝香草酚蓝(BTB)溶液的最终颜色依次是(　 )
A．黄色、黄色、蓝色　　　　 B．黄色、蓝色、蓝色
C．蓝色、黄色、蓝色 D．蓝色、黄色、黄色
解析：选A　①和②装置中的酵母菌分别进行了有氧呼吸和无氧呼吸，都有CO2的产生，所以都能使溴麝香草酚蓝溶液变为黄色，③装置中的乳酸菌进行无氧呼吸没有CO2的产生，所以溴麝香草酚蓝溶液为蓝色，A正确。
2．“半叶法”测定光合速率时，将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不作处理，设法阻止两部分的物质和能量转移。光照6小时，在A、B截取等面积的叶片，烘干称重，分别记为a、b，光照前截取同等面积的叶片烘干称重的数据为m0，下列说法错误的是(　 )
A．若m0－a＝b－m0，则表明该实验条件下叶片的光合速率等于呼吸速率
B．本实验需阻止叶片光合产物向外运输，同时不影响水和无机盐的输送
C．忽略水和无机盐的影响，A部分叶片可在给B光照时剪下并进行等时长的暗处理
D．选择叶片时需注意叶龄、着生节位、叶片的对称性及受光条件的一致性
解析：选A　A部分叶片遮光，只进行细胞呼吸，故m0－a代表细胞呼吸消耗，B部分叶片不作处理，进行光合作用和细胞呼吸，b－m0代表净光合作用积累，若m0－a＝b－m0，即净光合速率等于呼吸速率，则表明该实验条件下叶片的光合速率是呼吸速率的2倍，A错误；本实验需阻止叶片光合产物向外运输，同时不影响无关变量水和无机盐的输送，B正确；若忽略水和无机盐的影响，时间是无关变量，故实验时可将A部分叶片在给B光照时剪下并进行等时长的暗处理，C正确；叶龄、着生节位、叶片的对称性及受光条件属于无关变量，选择叶片时需注意无关变量的一致性，D正确。
3．某研究小组测定种子萌发时进行的细胞呼吸类型(若进行无氧呼吸，则产生酒精和CO2，不产生乳酸)，装置如图所示，红色液滴起始位置相同，同时关闭活塞后，在25 ℃下保温一段时间后读出装置1刻度管中红色液滴向左移动x个单位，装置2刻度管中红色液滴向右移动y个单位，不考虑实验前后外界温度等条件变化对液滴移动的影响。下列对实验结果的分析不符合实际的是(　 )
A．装置1中20%的NaOH溶液的作用是吸收CO2
B．若x＝3，y＝0，说明该过程中种子只进行有氧呼吸
C．若x＝3，y＝3，说明有氧呼吸消耗的葡萄糖的量等于无氧呼吸消耗的葡萄糖的量
D．若x＝0，y＝3，说明该过程中种子只进行无氧呼吸
解析：选C　由题意可知，装置1中20%的NaOH溶液的作用是吸收CO2，A正确；若x＝3，y＝0，则细胞呼吸释放CO2和消耗O2的体积相等，说明该过程中种子只进行有氧呼吸，B正确；若x＝3，y＝3，说明萌发的种子同时进行有氧呼吸和无氧呼吸，结合细胞呼吸的反应式可计算出此时无氧呼吸消耗的葡萄糖是有氧呼吸消耗葡萄糖的3倍，C错误；若x＝0，y＝3，说明没有O2消耗，但有CO2产生，说明该过程中种子只进行无氧呼吸，D正确。
4．甲图中，A、B分别为培植于无色透明气球内、质量相等的某植物幼苗，气球可膨胀、收缩；其中B已死亡，气球内的培养液中均含CO2缓冲液(维持气球内CO2浓度不变)；初始时指针指向正中零的位置。乙图为相同时间内测得的灯泡到水面的距离与指针偏转格数的关系曲线，每次实验后指针复零。下列相关描述不正确的是(　 )
A．在适宜光照条件下，指针将向右偏转
B．该实验的自变量为光照强度，c点的含义为O2释放量最大
C．ce段说明随灯光距离的增大，O2释放量减少
D．f点与a、b、c、d点的指针的偏转方向相同，但数值较小
解析：选D　在适宜光照条件下，植物幼苗的光合速率大于呼吸速率，有O2的释放，此时A侧浮力增大，指针将向右偏转，A正确；分析题意可知，实验研究的是光照强度对光合作用的影响，自变量为光照强度，c点表示相同时间内O2释放量最大，净光合速率最大，B正确；据曲线图分析可知，ce段表示随灯泡到水面距离的增大，光照强度逐渐减小，植物的光合速率减小，O2释放量减少，C正确；与a、b、c、d点相比，f点时植物的呼吸速率大于光合速率，气球内气体量减少，因此指针的偏转方向与上述四点的相反，D错误。
5．连续48 h测定温室内CO2浓度及植物CO2吸收(或释放)速率，得到如图所示曲线(整个过程中呼吸作用强度恒定)。下列叙述正确的是(　 )
A．实验的前3小时叶肉细胞产生ATP的场所是线粒体内膜和线粒体基质
B．如改用相同强度绿光进行实验，c点的位置将下移，48小时净积累量为负值
C．由图可知在植物叶肉细胞中，呼吸速率与光合速率相等的时刻为第6、18、30、42小时
D．实验中该植物前24小时有机物积累量小于后24小时有机物积累量
解析：选D　实验的前3小时CO2释放速率不变，说明叶肉细胞只进行细胞呼吸，故叶肉细胞产生ATP的场所是细胞质基质、线粒体内膜和线粒体基质，A错误；如改用相同强度绿光进行实验，光合作用减弱，植物吸收的CO2减少，c点的位置将升高，B错误；由图可知，植物呼吸速率与光合速率相等的时刻为第6、18、30、42小时，但由于植物还有很多不进行光合作用的部位，故在这4个时刻，叶肉细胞光合速率大于呼吸速率，C错误；分析曲线可知，24时与0时室内CO2浓度相等，48时室内CO2浓度低于24时，故该植物前24小时有机物积累量小于后24小时有机物积累量，D正确。
6.如图是某中学生物兴趣小组为探究二氧化碳浓度对光合作用的影响而设计的装置图，下列相关叙述不正确的是(　 )
A．黑藻的成熟程度、水温的变化、NaHCO3浓度均属于无关变量
B．对照组中的蒸馏水应煮沸后冷却，以去除水中的二氧化碳
C．分别在距离实验组和对照组黑藻10 cm处放置台灯，作为光源
D．每隔一段时间后测量记录液面高度的变化，推测光合速率的变化
解析：选A　黑藻的成熟程度、水温的变化属于无关变量，NaHCO3浓度是自变量，A错误；对照组中的蒸馏水煮沸后冷却可以去除水中的二氧化碳，以排除水中原有二氧化碳对实验的干扰，B正确；分别在距离实验组和对照组黑藻10 cm处放置台灯作为光源，可保证各组光照强度一致，排除无关变量光照强度对实验的干扰，C正确；光合作用产生的氧气可使装置中液面高度发生变化，所以每隔一段时间后测量记录液面高度的变化，来推测光合速率的变化，D正确。
7．某研究小组为了探究鄂西北的夏日晴天中午时气温和相对湿度对甲品种小麦净光合作用的影响，将生长状态一致的甲品种小麦植株分为五组，第一组在田间生长作为对照组，第二组至第五组在人工气候室中生长作为实验组，并保持其光照和CO2浓度等条件与对照组相同。于12：30测定各组叶片的净光合速率，各组实验处理及结果如表所示(在同一温度下的呼吸速率相等)。根据本实验结果，以下不能推出的结论是(　 )
项目 第一组 第二组 第三组 第四组 第五组
实验处理 温度/℃ 35 35 35 30 25
相对湿度/% 17 27 52 52 52
实结果验 净光合速率/(mgCO2·dm－2·h－1) 11.1 15.1 22.1 23.7 20.7
A．中午时，相对湿度对甲品种小麦净光合速率影响大于气温的影响
B．与第二组相比，第三组小麦的气孔的开放程度大，吸收CO2速率快
C．与第三组相比，第四组小麦光合作用酶的活性较高
D．适当提高第五组气候室的环境温度可能能提高小麦的净光合速率
解析：选C　根据本实验结果可知，相同温度条件下，小麦净光合速率随相对湿度的增加而明显加快，但相对湿度相同时，小麦净光合速率随温度的变化不明显，由此推知中午时对甲品种小麦净光合速率影响较大的环境因素是相对湿度，A正确；中午限制净光合速率的主要因素是气孔开放程度，比较第二、三组净光合速率可推知，第三组净光合速率较高与气孔的开放程度较大、吸收CO2速率较快有关，B正确；第四组小麦的净光合速率大于第三组，但两组的温度不同，呼吸速率不相等，无法比较两组小麦光合作用酶的活性，C错误；比较第三、四、五组可推知，在相对湿度为17%时，小麦光合作用的最适温度在25～35 ℃之间，若适当提高第五组的环境温度可能能提高小麦的净光合速率，D正确。
8．与野生型拟南芥WT相比，突变体t1和t2在正常光照条件下，叶绿体在叶肉细胞中的分布及位置不同(图a示意图)，造成叶绿体相对受光面积的不同(图b)，进而引起光合速率差异，但叶绿素含量及其他性状基本一致。在不考虑叶绿体运动的前提下，下列叙述不正确的是(　 )
A．t2比t1具有更高的光饱和点(光合速率不再随光照强度增加而增加时的最小光照强度)
B．t1比t2具有更低的光补偿点(光合作用吸收CO2与呼吸作用释放CO2等量时的光照强度)
C．三者光合速率的高低与叶绿素的含量无关
D．三者光合速率的差异随光照强度的增加而变大
解析：选D　由题图分析可知，在正常光照下，t2的叶绿体相对受光面积小于t1，即二者光合速率相同时，t2所需的光照强度高于t1，由此可推断，t2比t1具有更高的光饱和点，但t1比t2具有更低的光补偿点，A、B正确；通过题干信息可知，三者的叶绿素含量及其他性状基本一致，由此推测，三者光合速率的高低与叶绿素的含量无关，C正确；由题干信息可知，该题研究的是三者光合速率差异与叶绿体在细胞中分布位置的关系，据题干信息无法得出三者光合速率的差异随光照强度的增加而变大，且当光照强度达到三者的光饱和点以后，三者光合速率均不再变化，D错误。
9．如图为测定叶片光合作用强度装置的示意图，其中叶室由透明玻璃材料制成。装置运行后，仪器气路管道中的气体流速满足正常测定的需求。黑暗时测出叶室内的CO2变化值为Q，光照下测出叶室内的CO2变化值为P。下列说法错误的是(　 )
A．叶片的叶肉细胞叶绿体内参与光合作用光反应阶段的反应物有H2O、NADP＋、ADP和Pi
B．在光照时，若该叶片实际光合作用消耗CO2的值为W，则W＝P＋Q
C．若光照下测出叶室内的CO2变化值(P)为0，则该植物的呼吸强度大于光合作用强度
D．若正常夏日早6点日出，晚6点日落，则一天之中，P值最高点在早6点，最低点在晚6点
解析：选D　光合作用的光反应阶段包括H2O的光解(合成NADPH需要NADP＋的参与)和ATP的合成(需要ADP和Pi参与)两个过程，A正确；在光照时，叶室内的CO2变化值为P，表示的是净光合量，黑暗时测定细胞呼吸的CO2变化值为Q，植物光合作用总量＝净光合量＋呼吸消耗量，故W＝P＋Q，B正确；若光照下测出叶室内的CO2变化值(P)为0，即净光合作用为0，此时该叶片的呼吸强度等于光合作用强度，而该植物的呼吸强度大于光合作用强度，C正确；若正常夏日早6点日出，晚6点日落，则一天之中，净光合量P最高点应该在晚6点前，最低点在早6点后，D错误。
10．某实验小组将叶绿体和相关化学物质在抽去空气的溶液中进行了如下实验。关于该实验的分析错误的是(　 )
注：DCPIP是一种可以接受氢的化合物，氧化态为蓝紫色，被还原后为无色。
A．对比丙组和丁组实验，说明DCPIP不能穿过叶绿体的双层膜
B．该实验说明产生的O2中的氧元素一定来源于H2O，而不来源于CO2
C．向实验后的甲组通入CO2并黑暗处理，不可证明光反应和暗反应不是同一个化学反应
D．向实验后的乙组通入CO2并黑暗处理，检测NADPH的含量可证明其参与暗反应
解析：选B　丙组利用完整的叶绿体进行实验，无还原态DCPIP生成，最可能的原因是DCPIP不能穿过完整的叶绿体双层膜，A正确；该实验在抽去空气的溶液中进行，说明水的光解产生了O2，但没有直接研究氧元素的路径，无法直接证明产生的O2中的氧元素来源于H2O，而不来源于CO2，B错误；向实验后的甲组通入CO2并黑暗处理，由于没有NADPH，不发生暗反应，不可证明光反应和暗反应不是同一个化学反应，C正确；向实验后的乙组通入CO2并黑暗处理，检测NADPH的含量，若其含量减少则可证明其参与暗反应，D正确。
二、非选择题
11．(2023·大庆高三质量检测)为测定某种植物的光合速率，某实验小组选取生长、发育状况大致相同的该种植物，设计了如图所示的实验。回答下列问题：
(1)若将装置甲用于测定细胞呼吸速率，装置乙用于测定净光合速率，则装置甲、乙的实验条件(光照条件及烧杯中的溶液)分别是______、______。
A．光照、CO2缓冲液 B．黑暗、H2O
C．光照、NaOH溶液 D．黑暗、NaOH溶液
(2)在(1)小问的实验条件下测得装置甲中红色液滴左移15 cm，装置乙中红色液滴右移10 cm，则该条件下植物的真正光合速率为________(用液滴移动距离表示)。若用台灯作为光源，通过改变装置与台灯间的距离来改变植物接受的光照强度，某同学发现在某一距离时，让台灯和植物接近，装置乙中的红色液滴移动速度不再变化，原因可能是在该距离时________________________________________________________________________。
(3)从生物因素方面考虑，某同学认为该实验仍有无关变量的干扰，该无关变量的干扰可能是______________________________________________。若需要设置对照组，则对照组应如何设置？______________________________________________。
解析：(1)植物在黑暗条件下只进行呼吸作用，在光照条件下，呼吸作用和光合作用同时进行，所以用装置甲测定呼吸速率，需在黑暗条件下，烧杯内装NaOH溶液可吸收呼吸作用释放的CO2，通过观察红色液滴左移的距离判断呼吸速率的大小；用装置乙测定净光合速率，应在光照条件下，烧杯中装CO2缓冲液可补充植物光合作用消耗的CO2，通过观察红色液滴右移的距离判断净光合速率的大小。(2)在(1)小问的实验条件下测得装置甲中红色液滴左移15 cm，代表呼吸作用消耗的氧气量，装置乙中红色液滴右移10 cm，代表净光合作用产生的氧气量，则该条件下植物的真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝25(cm)。当光照强度达到植物光饱和点时，随着光照强度的增加，光合速率不再增大，装置乙中，让台灯和植物接近，装置乙中的红色液滴移动速度不再变化，原因可能是在该距离时光照强度达到了该植物的光饱和点。(3)该实验中光照强度为自变量，温度、瓶内原始气体含量等非生物因素和瓶内或植物带有的微生物等生物因素为无关变量。若需设置对照组，应将绿色植物改为死掉的植物，其他实验条件不变，观察液滴是否移动。
答案：(1)D　A　(2)25 cm　光照强度达到了该植物的光饱和点　(3)装置中可能存在微生物的生理活动，可以使O2含量发生变化　将绿色植物改为死掉的植物，其他实验条件不变
12．图1是科研人员在不同条件下测定发育良好的绿萝叶片光合速率的变化情况，请回答下列问题：
(1)图1中C～D对应时段，植物体内有机物总量的变化情况是________(填“增加”或“减少”)，光合速率由E点急剧下降到F点的主要原因是____________________________
________________________________________________________________________。
(2)该小组某同学在测定绿萝叶片的总光合速率时，设置了如图2所示的装置，其中的CO2缓冲液能够维持密闭小室中CO2浓度的相对稳定。该同学________(填“能”或“不能”)达到实验目的，理由是____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)图1中C～D对应时段，曲线横轴以上的面积大于横轴以下的面积，即该段时间内有机物的积累量大于0，植物体内有机物总量增加；E点对应时间为中午，此时光照过强，气温过高，为了减少蒸腾作用散失的水分，叶片气孔关闭，CO2吸收量减少。(2)总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，图2所示装置通过液滴移动距离可测定O2的增加量，即净光合速率，若要测定总光合速率，还需要测定其呼吸速率，所以该同学不能达到实验目的。
答案：(1)增加　叶片气孔关闭，CO2吸收量减少
(2)不能　该装置只能测定叶片净光合速率，若要测定总光合速率，还需测定其呼吸速率
13．(2023·湖南雅礼中学一模)某实验小组为探究不同遮阴条件及施肥处理对油丹幼苗光饱和点(光合速率达到最大时的最小光照强度)和光补偿点(净光合速率为零时的光照强度)的影响，选用生长状况相同的油丹幼苗设置了1层遮阳网遮阴组(W1)、2层遮阳网遮阴组(W2)、1层遮阳网遮阴＋施肥组(W3)和全光照未施肥对照组(CK)，一段时间后测得各组油丹幼苗的光饱和点和光补偿点相对值如表所示。回答下列问题：
处理 光饱和点相对值 光补偿点相对值
W1 783.75 11.91
W2 947.51 8.96
W3 1 622.67 11.92
CK 1 689.25 14.23
(1)能反映油丹幼苗利用弱光能力的指标是______________(填“光饱和点”或“光补偿点”)。
(2)光照强度处于光饱和点时，叶肉细胞中叶绿体消耗的CO2的来源是________________________________________________________________________。
(3)某光照强度下，油丹幼苗在2层遮阳网遮阴条件下，净光合速率为零。若在此光照强度下减少1层遮阳网遮阴，则油丹幼苗有机物的干重会________(填“增加”或“下降”)，判断理由是_______________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)分析表格数据可知，施肥会提高油丹幼苗对光能的利用率。 该实验小组进一步研究发现，遮阴条件下施肥能促进幼苗中叶绿素的合成，从而影响油丹幼苗对光能的利用。从以上几组幼苗中选择合适的素材，设计实验思路验证结论。
实验思路：______________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)由题干信息可知，光补偿点即净光合速率为零时的光照强度，能反映植物利用弱光的能力。(2)光照强度处于光饱和点时，光合作用强度大于呼吸作用强度，此时叶肉细胞中叶绿体消耗的是细胞呼吸产生的CO2和从外界吸收的CO2。(3)某光照强度下，油丹幼苗在2层遮阳网遮阴条件下，净光合速率为零，可判断此时的光照强度为光补偿点(对应W2的光补偿点)。而由题表数据可知，W1的光补偿点高于W2的光补偿点，若在此光照强度下减少1层遮阳网遮阴，则净光合速率小于零，有机物的干重会下降。(4)分析W3组与W1组的数据，W3组的光补偿点与W1组的光补偿点几乎相同，而W3组的光饱和点明显高于W1组，因此可知施肥会提高油丹幼苗对光能的利用率。若要验证遮阴条件下施肥能促进幼苗中叶绿素的合成，则可以选择遮阴条件相同的W3组与W1组的油丹幼苗相同部位的叶片，提取色素并采用纸层析法分离色素，再比较滤纸条上蓝绿色和黄绿色两条色素带的宽度。
答案：(1)光补偿点　(2)细胞呼吸产生、从外界吸收　(3)下降　油丹幼苗在2层遮阳网遮阴条件下，净光合速率为零，此时的光照强度为W2的光补偿点，分析表中数据可知，W2组的光补偿点低于W1组，在此光照强度下，W1组的净光合速率小于零，有机物的干重会下降(合理即可)　(4)取等量W1组和W3组油丹幼苗相同部位的叶片，进行色素的提取与分离，再比较两组滤纸条上黄绿色和蓝绿色两条色素带的宽度(合理即可)
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