教学设计 《光合作用和呼吸作用的研究方法》

专题复习：《光合作用和呼吸作用的研究方法》同学们好：请拿出昨天我们下发的导学案，本节课我们一起来探讨光合作用和呼吸作用的研究方法。首先进行考情回顾：1考情回顾：光合作用-细胞呼吸是高考命题者青睐的对象。其中不少考题渗透研究方法的使用，如2022年安徽卷T30利用黑白瓶法测溶氧量、2022年重庆卷T9利用标记元素研究某种外源激素对棉花光合产物调配的影响。过渡：根据考情分析和考纲要求，确立本节课的学习目标为：2.1把握光合作用与细胞呼吸的过程图解2.2理解光合作用与细胞呼吸中元素转移途径2.3重视研究方法在光合作用与细胞呼吸中的应用2.4通过实验分析，培养缜密的思维习惯与能力过渡：生物是一门实验性学科，在光合作用与细胞呼吸中涉及的研究方法很多，如同位素标记法、气压瓶法、黑白瓶法、半叶法、叶片浮沉法等。下面让我们一起进行探讨：研究方法1：同位素标记法---可从分子水平测定光合作用、呼吸作用的方法教师：让我们一起来分享第一组学生的学习成果。【典题1】、如图为某植物细胞部分结构示意图，据图分析，下列四项叙述中，正确的是()A．a、b箭头表示的是O2进出细胞的过程B．e、f箭头表示的是CO2进出细胞的过程C．以C18O2作原料进行光合作用，在较强光照下，测得含18O的呼吸作用产物的主要去向是图中的dD．以Heq\o\al(18,2)O作原料进行光合作用，在较强呼吸作用下，测得含18O的光合作用产物的主要去向是图中的b解析：a表示叶绿体吸收CO2，b表示叶绿体释放O2，e表示线粒体吸收O2，f表示线粒体释放CO2，c表示叶绿体产生的O2被线粒体利用，d表示线粒体产生的CO2被叶绿体利用。以C18O2作原料进行光合作用，18O的转移为C18O2→有机物→C18O2，在较强光照下，光合作用速率大于呼吸作用速率，呼吸产物C18O2主要被叶绿体利用，即主要去向是图中的d。以Heq\o\al(18,2)O作原料进行光合作用，18O全部生成氧气，在较强呼吸强度下，氧气主要被线粒体利用，进行有氧呼吸，即主要去向是图中的c。答案C【变式1】、小麦旗叶是位于麦穗下的第一片叶子，小麦籽粒产量约50%来自旗叶。科学家在适宜的条件下进行了相关研究，在小麦籽粒形成过程中，不可能发生的是()A．为小麦旗叶提供14CO2，籽粒中的淀粉都含14CB．为小麦旗叶提供Heq\o\al(18,2)O，籽粒中的淀粉会含18OC．旗叶叶肉细胞的叶绿体中类囊体数目较多D．若去掉一部分籽粒，旗叶叶肉细胞的光合效率会下降解析：为小麦旗叶提供14CO2,14C通过CO2→C3→C6H12O6途径，转移到葡萄糖中，进一步转移到淀粉中，但小麦籽粒产量只有50%来自旗叶，故籽粒中的淀粉不可能都含有14C。为小麦旗叶提供Heq\o\al(18,2)O,18O通过有氧呼吸转移到C18O2中，C18O2再通过光合作用转移到葡萄糖中，因此小麦籽粒中的淀粉会含18O。小麦籽粒产量约50%来自旗叶，说明旗叶的光合作用较强，可能是因为其类囊体数目较多。去掉部分籽粒，使光合作用产物的去路减少，进而可能抑制光合作用。答案A点评：【点拨与提升】1针对问题2要结合反应式把握各元素的去向，如（1）光合作用反应式中各元素去向提醒：O2中O原子全部来自水；CO2中C经C3进入（CH2O），不经C5。（2）有氧呼吸中氧元素去向提醒：产生的H2O中的O原子全部来自O2，与反应物H2O中O原子无关。2处理例1中的C和D选项要注意光合作用与呼吸作用的大小关系。以此判断气体去向。3加强审题，找准关键信息是解题的法宝，如变式训练1中的“小麦籽粒产量约50%来自旗叶”。4光合产物从叶片中输出的快慢影响叶片的光合速率。如摘去花或果实使光合产物的输出受阻，叶片的光合速率就随之降低。研究方法2：半叶法---可从器官水平测定光合作用、呼吸作用的方法原理：教师：让我们一起来分享第二组学生的学习成果。【典题2】、测定植物光合作用强度常采用“半叶法”：将若干处于正常生活状态的植物对称叶片的一半剪下，用湿纱布包裹放于黑暗处（记为A），另一半则留在植株上（记为B），在光下进行光合作用，光照一段时间后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，分别烘干称重，获得相应数据，然后计算植物光合作用强度（单位mg/dm2．h），请结合以上内容回答相关问题：光照4小时后，将同一叶片的A、B两部分按对应部位叠在一起，在无粗叶脉处放上金属模板，用刀片沿金属模板的边缘切下两个方形叶块，分别烘干至恒重，记录为WA、WB，若ΔW＝WB-WA，取多个叶片求ΔW的平均值，则ΔW表示________，假设每次截取的叶片面积为d，每次光照时间为t，则植物光合作用强度可以表示为________。解析：暗叶（A）只进行呼吸作用，质量减少。光叶（B）既进行光合作用也进行呼吸作用.WA=开始质量-呼吸消耗量；WB=开始质量+净光合量。ΔW＝WB-WA=净光合量+呼吸消耗量=总光合作用。答案：光照下的叶片被截取部分在4小时内光合作用合成的有机量ΔW/dt

【变式2】、某同学欲测定植物叶片叶绿体的光合作用速率，做了如图所示实验。在叶柄基部作环剥处理(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1cm2的叶圆片烘干后称其重量，测得叶片的叶绿体光合作用速率=(3y一2z—x)／6g·cm-2·h-1(不考虑取叶圆片后对叶生理活动的影响和温度微小变化对叶生理活动的影响)。则M处的实验条件是(A)A．下午4时后将整个实验装置遮光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1小时D．晚上8时后在无光下放置3小时解析：已知测得叶片的叶绿体光合作用速率=(3y一2z—x)／6g·cm-2·h-1，据真正光合速率=表观光合速率+呼吸速率，得出：（3y一2z—x)／6=（y一x）/6+（y一z）/M，计算出M=3小时。因此要计算出呼吸量。若要求出呼吸作用干物质量，应将叶片遮光处理，先假设叶片遮光处理为M小时后干重为z克，下午4时移走的叶圆片干重y克减去叶片遮光处理M小时后的干重z克差值，就是呼吸作用干物质量：（y一x）克。答案A点评：【点拨与提升】①“非选择题”作答的语言表述要体现准确性、科学性、完整性、条理性、逻辑性等。如典题2中ΔW的含义表述为：光照下的叶片被截取部分在4小时内光合作用合成的有机量。②该类考题多建立在理想的背景下，即假定呼吸速率恒定，不受光照与否的影响。研究方法3：黑白瓶法--可从生态系统层面测定光合作用、呼吸作用的方法简介：教师：让我们一起来分享第三组学生的学习成果。【典题3】、研究池塘生态系统不同水层光合速率，对确定鱼的放养种类和密度有参考价值。从池塘不同深度采集水样，分别装入黑白瓶中（白瓶为透明玻璃瓶，黑瓶为黑布包裹的玻璃瓶）并封闭。然后将黑白瓶对应悬挂于原水样采集位置，同时测定各水层剩余水样溶氧量，作为初始溶氧量。24h后，测定各黑白瓶中溶氧量。若测得某水层初始溶氧量为Amg﹒L-1,白瓶溶氧量为Bmg﹒L-1,黑瓶溶氧量为Cmg﹒L-1,则该水层总光合速率为mg﹒L-1﹒d-1。若上午黑白瓶被悬挂于水深25cm处时，白瓶意外坠落至池塘底部，短时间内，该瓶内绿藻叶绿体中C3含量。解析：A-C为呼吸量，B-A为净光合作用，两者的和为总光合作用。水的深度越深光照越少，光反应产生的[H]和ATP减少，C3积累。答案：B–C增加【变式3】、某研究小组从当地一湖泊的某一深度取得一桶水样，分装于六对黑白瓶中，剩余的水样测得原初溶解氧的含量为12mg/L，白瓶为透明玻璃瓶，黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。将它们分别置于六种不同的光照条件下（由a→e逐渐加强），24小时后，实测获得六对黑白瓶中溶解氧的含量，记录数据如下：光照强度(klx)0（黑暗）abcde白瓶溶氧量mg/L41218263232黑瓶溶氧量mg/L444444（1）黑瓶中溶解氧的含量降低为4mg/L的原因是；该瓶中所有生物细胞在24h内呼吸消耗的O2量为mg/L。（2）当水层光照强度为c时，在24h内白瓶中植物产生的氧气量为mg/L。光照强度至少为(填字母)时，该水层产氧量才能维持生物正常生活耗氧量所需。当光照强度为(填字母)时，再增加光照强度，瓶中溶解氧含量也不会增加。【解析】（1）黑瓶中的生物在24h内呼吸消耗的O2量为12－4＝8mg/L。当水层光照强度为c时，在24h内白瓶中植物产氧气量为(26－12)+8＝22mg/L.光照强度至少为a时，该水层产氧量才能维持生物正常生活耗氧量所需。当光照强度为d时，再增加光照强度，瓶中溶解氧含量也不会增加。【答案】（1）黑瓶中的生物呼吸消耗氧气，没有光照，植物不能进行光合作用产生氧气8（2）22ad点评：【点拨与提升】1典题3分析中可知，光合作用总量的测定与水层初始溶氧量无关。2【变式3】可进行数据表格的转换：光照强度(klx)0（黑暗）abcde白瓶溶氧量mg/L41218263232不同光下净溶氧量变化-806142020黑瓶溶氧量mg/L444444黑暗下净溶氧量变化-8-8-8-8-8-83光合作用强度表示的方法很多，如单位叶面积在单位时间内CO2的同化量（消耗量）、O2的生成量或者有机物的生成量表示。4明确真正光合速率、净光合速率与呼吸速率的概念及关系。研究方法4：叶片浮沉法----可从器官层面测定光合作用、呼吸作用的方法简介：【观看视频】教师：让我们一起来分享第四组学生的学习成果。【典题4】、下面甲图为研究光合作用的实验装置。用打孔器在某植物的叶片上打出多个叶圆片，再用气泵抽出气体直至叶片沉入水底，然后将等量的叶圆片转至含有不同浓度的NaHCO3溶液中，给予一定的光照，测量每个培养皿中叶圆片上浮至液面所用的平均时间(见图乙)，以研究光合作用速率与NaHCO3溶液浓度的关系。有关分析正确的是(

)A．在ab段，随着NaHCO3溶液浓度的增加，光合作用速率逐渐减小B．在bc段，单独增加光照或温度或NaHCO3溶液浓度，都可以缩短叶圆片上浮的时间C．在c点以后，因NaHCO3溶液浓度过高，使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降D．因配制的NaHCO3溶液中不含氧气，所以整个实验过程中叶圆片不能进行呼吸作用【解析】：叶圆片上浮的时间可表示光合作用强度，两者呈负相关。在ab段，随着NaHCO3溶液浓度的增加，光合作用速率逐渐增大，故A项错误。在bc段，单独增加光照或温度，都可以缩短叶圆片上浮的时间，但增加NaHCO3溶液浓度则不能，故B项错误。实验中，光合作用可以释放氧气，故D项错误。【答案】C【变式4】、为了验证叶片在光合作用和呼吸作用过程中有气体的产生和消耗，请用所提供的实验材料与用具，在给出的实验步骤和预测实验结果基础上，继续完成实验步骤的设计和预测实验结果，并对你的预测结果进行分析。实验材料与用具：烟草幼苗、试管两支、蒸馏水、NaHCO3稀溶液（为光合作用提供原料）、真空泵、暗培养箱、日光灯（实验过程中光照和温度等条件适宜，空气中O2和CO2在水中的溶解量及无氧呼吸忽略不计）。实验步骤和预测实验结果：（1）剪取两小块相同的烟草叶片，分别放盛有等量蒸馏水和NaHCO3稀溶液的两支试管中，此时，叶片均浮在液面上。（2）用真空泵抽去两支试管内液体中和叶肉细胞间隙中的气体后，敞开试管口，可观察到叶片均下沉到试管底部。（3）．．．．．．分析预测的结果：【答案】：（3）将这两支试管放在日光灯下，照光一段时间。结果：NaHCO3稀溶液中的叶片上浮，蒸馏水中的叶片仍在试管底部。（4）再将这两支试管放在暗培养箱中一段时间。结果：NaHCO3稀溶液中的叶片下沉，蒸馏水中的叶片仍在试管底部。

分析预测的结果：（1）光照下，NaHCO3稀溶液中的叶片进行光合作用，释放出的O2多于呼吸作用消耗的O2，叶肉细胞间隙中的O2增加，叶片上浮。而蒸馏水中缺乏CO2和O2，叶片不能进行光合作用和有氧呼吸，叶肉细胞间隙缺乏气体，因此叶片仍位于试管底部。（2）黑暗中，NaHCO3稀溶液中的叶片进行呼吸作用，消耗了叶肉细胞间隙中的O2，放出的CO2溶于NaHCO3稀溶液中，叶肉细胞间隙缺乏气体，叶片下沉。蒸馏水中缺乏O2，叶片不能进行有氧呼吸，叶肉细胞间隙仍缺乏气体，因此叶片仍位于试管底部。点评：【点拨与提升】1分析【变式4】①明确实验目的：验证叶片在光合作用和呼吸作用过程中有气体的产生和消耗。②确定实验类型：本题是验证性实验。③确认实验变量：从“步骤(1)剪取两块相同的烟草叶片分别放在盛有等量蒸馏水和NaHCO3稀溶液的两支试管中”可以确定实验变量为NaHCO3。④分析材料和用具，明确下一步的处理。在给出的材料和用具中，只有暗培养箱和日光灯没有使用。因此下一步应该考虑是进行黑暗处理还是光照处理。（若将两个试管分别放在日光灯下和暗培养箱中，则又多出了一个变量，违背单因子变量原则；若将两支试管同时放在暗培养箱中，则因为两支试管内液体中和叶肉细胞空隙间的气体均被真空泵抽走，有氧呼吸无法进行，而无氧呼吸又忽略不计，同样达不到实验目的；所有只能将两支试管都放在日光灯下，先验证叶片利用碳酸氢钠稀溶液提供的二氧化碳进行光合作用产生氧气，使叶片上浮，然后再给以黑暗处理，验证叶肉细胞进行呼吸作用消耗氧气，导致叶片下沉。）⑤预测结果：本题属于验证性实验，因此预测结果实质就是结果.2明确实验题的解题思路：确定实验类型→明确实验目的→确定自变量和因变量→做出假设→实验原理→材料的选择→实验步骤→实验结果→实验结论。熟悉各环节处理的策略。研究方法5：气压瓶法----可从个体水平测定细胞呼吸和净光合作用速率实验原理：因呼吸作用，瓶内气压减小，可通过液滴的移动来呈现；因光合作用导致瓶内气压变大而引起液滴移动来呈现。教师：让我们一起来分享第五组学生的学习成果。共同探讨：Ⅰ呼吸速率的测定(如图甲)图甲图乙1.NaOH溶液的作用：吸收植物呼吸作用释放的CO2。2.植物呼吸作用的指标：植物呼吸作用吸收氧气，释放CO2，CO2被NaOH溶液吸收，使容器内气体压强减小，毛细管内的水滴左移。单位时间内液滴左移的体积即是呼吸速率。3.条件：遮光处理，否则植物的光合作用会干扰呼吸速率的测定。Ⅱ.净光合速率的测定(如图乙)①NaHCO3溶液的作用：玻璃瓶中的NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，满足了绿色植物光合作用的需求。NaHCO3可以换成CO2缓冲液②植物光合速率指标：植物光合作用释放氧气，使容器内气体压强增大，毛细管内的水滴右移。单位时间内液滴右移的体积即是净光合速率。③条件：整个装置必须在光下，光是植物进行光合作用的条件。【典题5】、(1)影响绿色植物光合作用的因素是多方面的，其外界因素有光照强度、CO2含量、温度等，其内部因素有酶的活性、色素数量、五碳化合物含量等，请据图甲分析回答问题：①如果x代表光照强度，光照强度影响光合作用强度，主要是影响____________阶段，当光合作用强度达到最大值时，此时限制因素最可能是内部因素中的__________。②如果x代表温度，温度主要通过影响______________来影响光合作用强度。③如果x代表CO2的含量，CO2的含量影响光合作用强度，主要是影响________的产生。甲乙(2)图乙为探究CO2对绿色植物光合作用影响的测量装置，将M叶片密封在一个玻璃器皿中，其中放置一个小烧杯。实验如下(温度和其他条件不变)：步骤一：在一定光照强度下，A液体为NaHCO3溶液，30min后观察红色液滴的移动。步骤二：在相同光照强度下，将A液体换为NaOH溶液，调节红色液滴回到原点，30min后观察红色液滴的移动。步骤三：在相同光照强度下，将A液体换为蒸馏水，调节红色液滴回到原点，30min后观察红色液滴的移动。步骤四：用N叶片重复步骤一、二、三。①