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“黑白瓶法”测定光合作用与细胞呼吸速率

“黑白瓶法”：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)测得的为净光合作用强度值，综合两者即可得到真光合作用强度值。
1．生物呼吸类型判定实验设计
探究某生物材料的细胞呼吸类型(假设生物材料为植物种子，呼吸底物只有葡萄糖且不考虑外界条件的影响)，某同学设计实验装置如图，请完善下面的结果预测。

(1)若甲液滴 ，乙液滴 ，则只进行有氧呼吸。
(2)若甲液滴 ，乙液滴 ，则只进行无氧呼吸。
(3)若甲液滴 ，乙液滴 ，则既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸。
特别提醒
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。对照装置与装置甲相比，不同点是用“___________________”代替“发芽种子”，其余均相同。

实验原理：组织细胞呼吸作用吸收O2，释放CO2，CO2被NaOH溶液吸收，使容器内气体压强减小，刻度管内的液滴_______。单位时间内液滴左移的体积即表示呼吸速率。装置乙为对照。
误差的校正
①如果实验材料是绿色植物，整个装置应_______处理，否则植物的光合作用会干扰呼吸速率的测定。
②如果实验材料是种子，为防止微生物呼吸对实验结果的干扰，应对装置及所测种子进行_______处理。
③为防止______、_______等物理膨胀因素所引起的误差，应设置对照实验，将所测的生物材料灭活(如将种子_________)，其他条件均不变。
2．光合速率与呼吸速率的测定
(1)测定装置

(2)测定方法及解读
Ⅰ.测定呼吸强度

Ⅱ.测定净光合速率
(3)实验设计中的3个关键点
①变量的控制手段，如光照强度的大小可用不同功率的灯泡(或相同功率的灯泡，但与植物的距离不同)进行控制，不同温度可用不同恒温装置控制，CO2浓度的大小可用不同浓度的CO2缓冲液调节。
②对照原则的应用，不能仅用一套装置通过逐渐改变其条件进行实验，而应该用一系列装置进行相互对照。
③无论哪种装置，在光下测得的数值均为“表观(净)光合作用强度值”。
④除去容器中二氧化碳——氢氧化钠溶液。
保持容器中CO2体积不变（释放或吸收CO2）——NaHCO3溶液。
巩固练习
1、下图是测定发芽种子的细胞呼吸类型所用的装置(假设呼吸底物只有葡萄糖)，装置一、二中分别放入等量的发芽种子，装置三中为等量的煮熟种子。若装置一左移10 cm，装置二右移12 cm，装置三右移2 cm，则有氧呼吸消耗葡萄糖与无氧呼吸消耗葡萄糖的相对比值为(　　)

A．6∶5 B．5∶6 C．2∶5 D．5∶2

解题过程：

2、呼吸商(RQ)指单位时间内进行呼吸作用的生物释放二氧化碳量与吸收氧气量的比值(RQ＝释放的二氧化碳体积/消耗的氧气体积)。

甲装置
乙装置
A1
A2
B1
B2
有色液滴不动
有色液滴左移5个单位
有色液滴左移5个单位
有色液滴左移10个单位
现利用甲(A1，A2)、乙(B1，B2)装置各两套进行实验，在氧气充足的情况下，分别测量等量蓖麻、玉米种子萌发过程中的气体变化情况，所测数据如表所示，则属于测量蓖麻种子的装置是________和________，请解释出现这种结果的原因：_______则蓖麻和玉米种子的呼吸商分别是________和________。

2、将某植物种子在水中浸透，然后按如图装置进行实验，实验开始时X液面位置与Y液面位置调至同一水平。下表记录了实验过程中每小时的液面变化情况。请回答下列问题：
时间(h)
X液面位置(cm)
0
5.0
1
7.0
2
9.0
3
11.0
4
13.0
5
14.5
6
15.5
7
15.8
8
15.8
9
15.8

(1)实验前浸泡种子的目的是让种子细胞增加 水，使代谢增强。
(2)装置中使用NaOH的目的是 ，X液面变化值表示 。
(3)影响结果准确性的环境因素有 (至少写两个)。为确保实验结果只是由实验装置中种子的生理活动引起的，需设置另一个相同装置，该装置除试管内金属网上需要放 、
的同种种子外，其他条件与上图装置相同。
(4)实验4小时后液面变化减缓乃至不变，原因是
。

3、下图是探究绿色植物光合作用速率的实验示意图。该装置放在20℃环境中。实验开始时，针筒的读数是0.2mL，毛细管内的水滴在位置X。30分钟后，针筒的容量需要调至0.6mL的读数，才能使水滴仍维持在X的位置。据此回答下列问题：

(1)若以释放出的氧气量来代表光合作用速率，该植物的光合作用速率是______mL/h。
(2)与植物的实际光合速率相比，用上述装置所测得的光合作用速率数值_______(偏高/偏低/相同)，原因是___________。
(3)假若在该植物的叶片上涂上一层凡士林，光合作用的速率会大幅度下降，这一做法主要限制了光合作用的________反应阶段。
(4)如果在原实验中只增加光照强度，则针筒的容量仍维持在0.6mL读数处。在另一相同实验装置中，若只将温度提升至30℃，针筒容量需要调至0.8mL读数，才能使水滴维持在X的位置上。比较两个实验可以得出什么结论？______________________________________________________
(5)丙酮可以由石油裂解产品丙烯来制备，利用丙酮提取该植物叶片中色素，经过层析，在滤纸上可出现黄绿色、蓝绿色、黄色、橙黄色的色素带，这些色素依次是___________________________________，它们参与光合作用中的_______阶段。

3、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，设计了如下装置。请你利用下列装置完成光合作用强度的测试实验，并分析回答有关问题：

Ⅰ.实验步骤
(1)先测定植物的呼吸作用强度，方法步骤是：
①甲、乙两装置的D中都放入 ，装置乙作对照。
②将装置甲、乙的玻璃钟罩 处理，放在温度等相同的环境中。
③30分钟后分别记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度。
(2)测定植物的净光合作用强度，方法步骤是：
①甲、乙两装置D中放入 。
②把装置甲、乙放在 。
③30分钟后分别记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度。
(3)实验操作30分钟后，记录甲装置红墨水滴移动情况：

Ⅱ.实验分析：
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。那么该植物的呼吸作用速率是 g/h；白天光照15 h，一昼夜葡萄糖的积累量是 g。(不考虑 昼夜温差影响)

答案　C
解析　装置三为对照实验，装置三着色液滴右移2 cm，说明环境因素造成气体膨胀2 cm。装置一气体减少量表示O2的消耗量，装置一左移10 cm，O2减少实际为12 cm。装置二右移12 cm，气体增加实际为10 cm，装置二气体增加量为CO2产生量与O2消耗量的差值，即为无氧呼吸产生的CO2量，无氧呼吸产生CO2
答案　(1)自由　(2)吸收种子细胞呼吸产生的CO2　种子有氧呼吸消耗O2的体积　(3)气温、气压、装置气密性(至少答出两个，其他答案合理也可)　等量　煮熟(或死亡)　(4)氧气减少，有氧呼吸减弱，而种子进行无氧呼吸释放的CO2被NaOH溶液吸收，管内气压没有明显变化
解析　(1)实验前浸泡种子的目的是让种子细胞增加自由水，使代谢增强。(2)装置中使用NaOH的目的是吸收种子细胞呼吸产生的CO2，由于有氧呼吸吸收的氧气体积与放出的二氧化碳体积相等，放出的二氧化碳被NaOH溶液吸收，故装置内气体减少，压强降低，X液面升高，且升高值表示种子有氧呼吸消耗的O2体积。(3)影响结果准确性的环境因素实际上是影响实验的无关变量，主要有气温(温度)、气压、装置气密性等因素，为确保实验结果只是由实验装置中种子的生理活动引起的，需设置另一个相同装置，也就是设置对照组，与实验组不同的是金属网上需要放等量、煮熟(或死亡)的同种植物种子。(4)由于有氧呼吸持续进行，氧气减少，4 h后有氧呼吸减弱直至停止，无氧呼吸加强，进行无氧呼吸释放的CO2被NaOH溶液吸收，管内气压没有明显变化。
(1)0.8
(2)偏低 植物同时进行呼吸作用，消耗了氧气
(3)暗反应
(4)在这两个实验中，光照不是限制光合作用速率的主要因素，而温度才是限制光合作用速率的主要因素(或答：在光照充足的条件下，提高温度可提高光合作用速率)
(5)叶绿素a、叶绿素b、叶黄素、胡萝卜素 光反应的量为10 cm。有氧呼吸消耗的葡萄糖为2个单位，无氧呼吸消耗的葡萄糖为5个单位。

Ⅰ.(1)①NaOH溶液 ②遮光 (2)NaHCO3溶液，装置乙作对照 ①光照充足、温度相同的环境中 (3)左 右
Ⅱ.4 84
Ⅰ.要测光合作用强度必须先测呼吸作用强度，在测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，植物呼吸作用消耗一定量O2，释放等量CO2，而CO2被NaOH溶液吸收，根据玻璃钟罩内氧气体积的减少量即可测呼吸作用强度。净光合作用强度的测试实验要满足光合作用的条件：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，释放等量O2，而CO2由NaHCO3溶液提供，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。
Ⅱ.对照装置乙中红墨水滴右移是环境因素(如温度变化等)对实验影响的结果，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量等于玻璃钟罩内氧气体积的改变量，即1.5＋0.5＝2(g/半小时)；根据净光合作用的测定值是4.5－0.5＝4(g/半小时)，白天光照15小时的净光合作用量是(4×2)×15＝120(g)，一昼夜葡萄糖的积累量是15小时光合作用实际量减去24小时呼吸作用消耗量，等同于15小时的净光合作用量减去9小时的呼吸作用消耗量，即8×15－4×9＝84(g)。
1
0.5
蓖麻种子中脂质较多，氧化分解时会消耗更多的氧气
B2
A2

5