学年人教版必修一微专题三光合作用与呼吸作用的关系、曲线模型及相关实验设计学案

一、光合作用与细胞呼吸的关系1．光合作用与细胞呼吸在物质和能量上的联系①CO2；②O2；③H2O；④ATP；⑤ADP＋Pi；⑥NADP＋；⑦C5；⑧C3；⑨(CH2O)；⑩丙酮酸；⑪[H]。(1)物质方面①C：CO2eq\o(→,\s\up7(暗反响))(CH2O)eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第一阶段))丙酮酸eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第二阶段))CO2。②O：H2Oeq\o(→,\s\up7(光反响))O2eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第三阶段))H2O。③H：H2Oeq\o(→,\s\up7(光反响))NADPHeq\o(→,\s\up7(暗反响))(CH2O)eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第一、二阶段))[H]eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第三阶段))H2O(2)能量方面：光能eq\o(→,\s\up7(光反响))ATP中的能量eq\o(→,\s\up7(暗反响))CH2O中的能量eq\o(→,\s\up7(细胞呼吸))eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(热能,ATP中的能量→各项生命活动))2．微观辨析总光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系(以光合速率大于呼吸速率为例)工程表示方法(单位：g·cm－2·h－1)呼吸速率线粒体释放CO2量(m1)；黑暗条件下细胞(植物体)释放CO2量(葡萄糖消耗量)线粒体吸收O2量(n1)；黑暗条件下细胞(植物体)吸收O2量净光合速率细胞(植物体)吸收的CO2量(m2)；植物(叶片)积累的葡萄糖量细胞(植物体)释放的O2量(n2)真正(总)光合速率叶绿体利用、固定CO2量m3或(m1＋m2)；植物(叶绿体)产生的葡萄糖量叶绿体产生、释放O2量n3或(n1＋n2)例1如图表示光合作用和有氧呼吸过程中C、H、O三种元素的转移途径以及能量转换过程。图中序号表示相关的生理过程。以下表达错误的选项是()A．在元素转移途径中，④与⑧、⑦与⑨表示的生理过程相同B．在元素转移途径中，能在小麦根尖成熟区细胞中发生的生理过程有②③⑥⑦⑨C．在有氧呼吸过程中，产生能量最多的过程是⑦或⑨D．⑩⑫产生的ATP中的化学能都可以转变为光能和机械能答案D解析⑩产生的ATP只能用于暗反响，转化为有机物中的化学能，D错误。例2如图表示温度对某种植物在光照下和黑暗中CO2吸收量和释放量(单位：mg/h)的影响情况。除了温度变化之外，其他环境条件(如光照强度等)不变，以下说法正确的选项是()A．根据图中曲线，无法确定细胞呼吸的最适温度B．光照下CO2的吸收量表示光合作用所需的CO2量C．图中a点表示光合作用强度与细胞呼吸强度相等D．环境温度超过25℃时，植物体内有机物的量会减少答案A解析随着温度的上升，黑暗中CO2释放量不断增大，所以根据图中曲线，无法确定细胞呼吸的最适温度，A正确；光照下CO2吸收量是净光合速率，表示光合作用所需的CO2量－细胞呼吸释放的CO2量，B错误；由于虚线表示净光合速率，实线表示呼吸速率，所以a点不能表示光合作用强度与细胞呼吸强度相等，C错误；环境温度超过25℃时，净光合速率有所减小，但仍大于0，所以植物体内有机物的量仍在增加，D错误。二、自然环境及密闭容器中光合作用变化的模型1．自然环境中一昼夜植物光合作用曲线(1)a点：凌晨3时～4时，温度降低，细胞呼吸减弱，CO2释放量减少。(2)b点：上午6时左右，有微弱光照，开始进行光合作用。(3)bc段(不含b、c点)：光合作用强度小于细胞呼吸强度。(4)c点：上午7时左右，光合作用强度等于细胞呼吸强度。(5)ce段(不含c、e点)：光合作用强度大于细胞呼吸强度。(6)d点：温度过高，局部气孔关闭，出现光合“午休〞现象。(7)e点：下午6时左右，光合作用强度等于细胞呼吸强度。(8)ef段(不含e、f点)：光合作用强度小于细胞呼吸强度。(9)fg段：没有光照，光合作用停止，只进行细胞呼吸。(10)积累有机物时间段：ce段。(11)制造有机物时间段：bf段。(12)消耗有机物时间段：Og段。(13)一天中有机物积累最多的时间点：e点。(14)一昼夜有机物的积累量表示为：S1－S2－S3(S1、S2、S3表示面积)。2．密闭环境中一昼夜CO2和O2含量的变化(1)光合速率等于呼吸速率的点：C、E。(2)图甲中N点低于虚线，该植物一昼夜表现为生长，其原因是N点低于M点，说明一昼夜密闭容器中CO2含量减少，即总光合量大于总呼吸量，植物生长。(3)图乙中N点低于虚线，该植物一昼夜不能生长，其原因是N点低于M点，说明一昼夜密闭容器中O2含量减少，即总光合量小于总呼吸量，植物不能生长。例3夏季晴朗的一天，甲、乙两株同种植物在相同条件下CO2吸收速率的变化如下图。以下说法正确的选项是A.甲植株在a点开始进行光合作用B.乙植株在e点有机物积累量最多C.曲线b～c段和d～e段下降的原因相同D.两曲线b～d段不同的原因可能是甲植株气孔导度没有减小答案D解析分析图示可知，这一天的6：00(甲曲线的a点)和18：00左右，甲、乙两植株光合作用吸收CO2的速率和细胞呼吸释放CO2的速率相等；在6：00之前，甲、乙两植株的光合作用已经开始，但光合作用强度比细胞呼吸强度弱，A错误；在18：00后，甲、乙两植株的光合作用速率开始小于细胞呼吸速率，有机物的积累最多的时刻应为18：00时，e点时有机物的积累量已经减少，B错误；图示曲线的b～c段下降的主要原因是气孔导度减小导致叶肉细胞内CO2浓度降低，d～e段下降的原因是光照强度减弱，光反响产生NADPH和ATP的速率减慢，这两段下降的原因不相同，C错误；分析题图可知，甲植株不存在光合“午休〞现象，乙植株存在光合“午休〞现象，可能的原因是甲植株气孔导度没有减小，D正确。例4将一植株放在密闭玻璃罩内，置于室外一昼夜，获得实验结果如下图。以下有关说法错误的选项是()A．图甲中的光合作用开始于C点之前，结束于F点之后B．到达图乙中的d点时，玻璃罩内的CO2浓度最高C．图甲中的F点对应图乙中的g点D．经过这一昼夜之后，植物体的有机物含量会增加答案C解析图甲中的C、F点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率，根据相应的时间可知，与图乙中的d、h点相符，即C点对应d点，F点对应h点，故C错误。三、测定光合速率和呼吸速率的方法1．“装置图法〞测定光合速率与呼吸速率(1)测定装置(2)测定方法及解读①测定呼吸速率(装置甲)a．装置甲烧杯中放入适宜浓度NaOH溶液用于吸收CO2。b．玻璃钟罩遮光处理，以排除光合作用的干扰。c．置于适宜温度环境中。d．红色液滴向左移动(用红色液滴单位时间内向左移动的距离代表呼吸速率)。②测定净光合速率(装置乙)a．装置乙烧杯中放入适宜浓度的CO2缓冲液，用于保证容器内CO2浓度恒定，满足光合作用需求。b．必须给予较强光照处理，且温度适宜。c．红色液滴向右移动(用红色液滴单位时间内向右移动的距离代表净光合速率)。③根据“总(真正)光合速率＝呼吸速率＋净光合速率〞可计算得到总(真正)光合速率。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。2．叶圆片称重法测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量，如下图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。3．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，其中“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：规律1：有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量(或二氧化碳的增加量)为有氧呼吸量；白瓶中氧气的增加量(或二氧化碳的减少量)为净光合作用量；二者之和为总光合作用量。规律2：没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有量与黑瓶中测得的现有量之差即总光合作用量。4．半叶法如下图，将植物对称叶片的一局部(A)遮光，另一局部(B)那么留在光下进行光合作用(即不做处理)，并采用适当的方法阻止两局部的物质和能量转移。一定时间后，在这两局部叶片的对应部位截取同等面积的叶片，分别烘干称重，记为MA、MB，开始时二者相应的有机物含量应视为相等，照光后的叶片重量大于暗处的叶片重量，超过局部即为光合作用产物的量，再通过计算可得出光合速率。例5某兴趣小组设计了如下图的实验装置假设干组，室温25℃下进行了一系列的实验，对实验过程中装置条件及结果的表达错误的选项是()A．假设X溶液为CO2缓冲液并给予光照时，液滴移动距离可表示净光合作用强度大小B．假设要测真正光合强度，需另加设一装置遮光处理，X溶液为NaOH溶液C．假设X溶液为清水并给予光照，光合作用大于细胞呼吸时，液滴右移D．假设X溶液为清水并遮光处理，消耗的底物为脂肪时，液滴左移答案C解析清水既不吸收和释放氧气，也不吸收和释放二氧化碳，光合作用和细胞呼吸产生和释放的O2量和CO2量相等，液滴不移动，C错误。例6(2021·北京临川学校高一期末)某同学研究甲湖泊中某深度生物的光合作用和有氧呼吸强度。具体操作如下：取三个相同的透明玻璃瓶a、b、c，将a先包以黑胶布，再包以铅箔。用a、b、c三个瓶分别从待测深度的水体取水样，测定瓶中水体的氧含量。将a瓶、b瓶密封再沉入待测深度的水体，经24小时后取出，测两瓶中氧含量，结果如下图。那么24小时内待测深度水体中生物光合作用和有氧呼吸的情况是()A．24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是vmol/瓶B．24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是(w－v)mol/瓶C．24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量是kmol/瓶D．24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量是(k－w)mol/瓶答案B解析24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量为初始瓶溶解氧(w)－a瓶溶解氧(v)，是(w－v)mol/瓶，A错误、B正确；24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量为净光合量＋呼吸量，是(k－v)mol/瓶，C、D错误。1.(2021·哈密市第八中学高一期末)如图表示绿色植物体内某些代谢过程中物质的变化，A、B、C分别表示不同的代谢过程。以下表述正确的选项是A.水参与C中第二阶段的反响B.B在叶绿体类囊体薄膜上进行C.A中产生的O2，参与C的第二阶段D.X代表的物质从叶绿体的基质移向叶绿体的类囊体薄膜答案A解析B为光合作用的暗反响，发生在叶绿体基质中，B错误；A光合作用的光反响中产生的O2，参与有氧呼吸的第三阶段，C错误；X代表的物质为ATP，光合作用光反响产生的ATP能供给暗反响，所以能从叶绿体的类囊体薄膜移向叶绿体的基质，D错误。2.(2021·黑龙江哈尔滨市第六中学高一开学考试)如果将一株绿色植物栽培在含H218O的完全培养液中，给予充足的光照，经过一段时间后，以下物质中可能含18O的是①周围空气中的氧气②周围空气中的二氧化碳③周围空气中的水分子④光合作用产生的葡萄糖A.①B.①③C.①②③D.①②③④答案D解析水的光解产生氧气，周围空气中的氧气含有18O，①正确；水参与呼吸作用，与丙酮酸分解产生二氧化碳释放到空气中，②正确；植物吸收的水大多数用于蒸腾作用散失到空气中，③正确；由于周围空气中的二氧化碳有18O，二氧化碳是光合作用的原料，光合作用生成的葡萄糖也有18O，④正确。综上，正确的选项有①②③④，D正确。3.(2021·河南高一开学考试)研究者选取西瓜幼苗进行实验，结果如图。不考虑无氧呼吸，由此推断正确的选项是A.A点时叶肉细胞中合成ATP的细胞器只有线粒体B.B点时叶片单位时间内光合作用制造的有机物等于呼吸作用消耗的有机物C.温室栽培该植物，持续光照时，为获得最大经济效益，应控制的最低温度为20℃左右D.光合酶对温度的敏感度比呼吸酶对温度的敏感度要低答案C解析图示中O2的消耗速率可表示呼吸速率，CO2的吸收速率可表示净光合速率，A点时叶肉细胞既进行光合作用，也进行呼吸作用，因此产生ATP的细胞器有叶绿体和线粒体，A错误；B点表示净光合速率等于呼吸速率，即光合作用制造有机物的速率大于呼吸速率，B错误；据图分析，在一定范围内，温度升高时净光合作用速率增长比呼吸作用快，且温度升至30℃左右时光合速率降低，故光合酶对温度的敏感度比呼吸酶高，D错误。4.(2021·四川成都市成都外国语学校高一开学考试)如图是密闭大棚内番茄在24小时测得的CO2含量和CO2吸收速率的变化曲线图，以下有关表达错误的选项是A.a点CO2释放量减少可能是由于温度降低使细胞呼吸减弱B.d点时光合速率虽有所下降，但仍大于呼吸速率C.如果N点低于M点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量增加D.番茄通过光合作用制造有机物的时间是ce段答案D解析a点之后CO2的释放量又增加，可推测a点是温度降低导致细胞呼吸减弱，CO2释放量减少，A正确；d时气温高，蒸腾作用过强导致气孔导度下降，CO2供给缺乏，光合速率下降，但净光合速率仍大于0，即光合速率仍大于呼吸速率，B正确；如果N点低于M点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量增加，C正确；番茄通过光合作用制造有机物的时间是bf段，ce段属于有机物的积累阶段，D错误。5.(2021·四川成都外国语学校高一开学考试)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10mg/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，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，以下说法不正确的选项是光照强度(klx)0abcde白瓶溶氧量(mg/L)31016243030黑瓶溶氧量(mg/L)333333，该深度湖水中所有生物在晚上8h内呼吸消耗O2的量为7/3mgB.光照强度为aklx时，该水层生物产氧量与生物耗氧量可维持动态平衡C.当水层中的溶氧量到达30mg/L时，光照强度不再成为限制溶氧量增加的主要因素D.假设将eklx光照下的白瓶置于bklx光照下，瓶中光合生物细胞的