高中生物北师大版必修3第三章生物群体的动态平衡(3.1.2种群数量的变动)学案

第2课时种群数量的变动[目标导读]1.阅读教材P72，分析大肠杆菌数量增长的过程，建立种群数量指数增长的数学模型。2.结合教材P73～74的探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化，尝试建构种群逻辑斯蒂增长的数学模型。3.通过对“S”型曲线的分析，学会用种群增长模型分析实际问题，并指导实践。[重难点击]根据实例建构种群增长的“J”型、“S”型数学模型，并据此解释种群数量的变化和指导实践。1．请在下图中填写影响种群密度(数量)的因素2．根据达尔文的自然选择学说，生物都有过度繁殖的倾向，但物种内的个体数却能保持稳定，这是由于资源是有限的，个体间、个体与环境间存在生存斗争的缘故。3．数学模型是用来描述一个系统或它的性质的数学形式，它可对生命现象进行量化，以数量关系进行描述，再运用逻辑推理、求解和运算等方法，研究生命现象及规律。4．种群研究的核心问题是种群数量的变化。试结合提供的材料思考下面的问题：(1)图1中环卫工人正在捕捞水葫芦，水葫芦是外来物种，由于环境适宜，没有天敌，水葫芦的数量急剧增长。(2)由于过度捕捞，目前海洋渔业资源正在枯竭，图2的现象已不多见。我国已制定休渔区和休渔期政策，以恢复鱼群数量，保护渔业资源。(3)图3中若牧民为取得经济利益而增加放牧量，可能造成草场退化，甚至沙漠化，所以一定要合理放牧，保护草原。课堂导入2013年8月9日湖南省林业厅发布信息：受持续晴热干旱天气影响，从7月中旬至8月初，长沙、益阳、常德、邵阳、娄底等多地发生竹蝗灾害，受灾面积从23万亩增加至31万亩，并有进一步扩散蔓延趋势，灾害对竹产业造成一定影响。目前，湖南已采取三大措施遏制蝗虫病害：诱杀成蝗；重点地区组织化学防治；加强监测，调查产卵地，为明年防治打好基础。有效遏制蝗虫灾害需要研究蝗虫种群数量的变化规律，这节课我们共同学习种群数量的变动。探究点一种群的指数增长如图所示，在自然界中，种群的数量由于受到各种因素的影响总是变动着的。试结合下面的材料，阅读教材，探讨种群在理想条件下的数量变化规律。1．若细菌的营养和生存空间没有限制，请你仔细观察细菌分裂繁殖的规律，完善下表：时间(min)020406080100120180繁殖代数n(代)01234569细菌数量N(个)1248163264512(1)观察上表中细菌数量(N)和繁殖代数(n)之间的关系，写出相应的方程式：_N＝2n。这种增长，我们称为指数增长。(2)根据所得到的方程式，在给出的坐标系中画出细菌种群数量增长的曲线。答案(3)上述得到的方程式和曲线图，实际上是在用某种恰当的数学形式来表达种群数量的变化实质。请思考同数学方程式相比，曲线图有什么优点？答案同数学方程式相比，曲线图能更直观地反映出种群数量的增长趋势。(4)在一个培养基中，细菌的数量会一直按照上述数学模型增长吗？为什么？如何验证你的观点？答案不会。因为培养基中的营养物质有限，空间等也有限，细菌不可能无限繁殖。可以用实验计数法来检验或修正。2．在20世纪30年代，人们将环颈雉(如图甲)引入美国的一个岛屿，下图乙是在1937～1942年期间该种群数量的增长曲线图。(1)从图乙看出，自然界确实有类似细菌在理想条件下种群数量增长的形式，即在理想条件下种群增长的曲线为“J”型。(2)类比前述细菌种群数量模型构建过程，若在食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害等条件下，某种群的起始数量为N0，并且第二年的数量是第一年的λ倍(该种群每年的增长倍数都保持不变)，则：①一年后种群数量N1＝N0×λ，两年后种群数量N2＝N0×λ2，t年后群数量Nt＝N0×λt(用t为时间，Nt表示t年后该种群的数量)②若λ>1，请绘出数学方程式Nt＝N0λt中种群数量Nt随t的变化曲线图。答案eq\x(小贴士1种群增长率指在一段时间内，结束时种群数量相对于初始种群数量的增加部分占初始数量的比例。,2“J型”曲线中年增长率公式可表示为种群增长率＝Nt－Nt－1/Nt－1＝λ－1，由于λ是个定值，则种群增长率也是个定值。若λ＝1，种群数量不变；0<λ<1，种群数量则减小；λ＝0，雌体没有繁殖，种群在下一代中灭亡。)归纳提炼“J”型曲线解读项目“J”型曲线条件无限环境的理想条件模型假设①食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害等，增长率不随种群密度的变化而变化；②没有迁入和迁出。一生只繁殖一次，世代不相重叠(即子代产生时，亲代已死亡)图像模型种群增长率增长特点①连续增长；②增长率：种群数量连续增长，第二年是第一年的λ倍(注：Nt＝N0λt)，λ＞1活学活用1．下图表示在良好的生长环境下，小球藻分裂繁殖中的个体数量、鸡产蛋数量(每天一个)和竹子自然生长的高度，这三种现象与时间的关系依次是()A．乙、甲、丁B．甲、丙、丁C．丙、甲、乙D．丁、乙、丙问题导析答案C解析小球藻是分裂繁殖，速度快，生长环境良好，说明资源充足，所以呈“J”型曲线增长；鸡每天产一个蛋，所以随时间(天数)的增加，蛋数增长如图甲；竹子自然生长的高度，受到遗传因素(基因)的控制，所以长高到一定程度不再长高，因而呈“S”型曲线增长。探究点二种群的逻辑斯蒂增长指数增长是理想条件下细菌数量增长的特点。在自然界中，种群的数量变化情况是怎样的呢？试结合教材实验进行探究。1．探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化(1)提出问题培养液中酵母菌种群的数量是怎样变化的？(2)作出假设酵母菌的种群数量变化可能是加速增长、减速增长和波动这三种形式不同顺序的组合。(3)探究步骤①将10mL无菌马铃薯培养液或肉汤培养液加入试管中；②将酵母菌接种到试管中的培养液里；③将试管放在25_℃条件下培养；④每次取材料的时间间隔要相等(例如1h)，用显微镜计数。并将实验结果填入自己设计的记录表中。⑤分析数据，画出曲线。进行数形转换，以时间为横坐标，酵母菌数量为纵坐标，画出坐标曲线图，分析曲线走向，揭示酵母菌种群数量变化规律。2．思考与讨论(1)从试管中吸出培养液进行计数之前，为什么要轻轻振荡几次？使酵母菌均匀分布，计数准确。(2)该探究需要设置对照及重复实验吗？不需要设置对照实验，但需要重复实验。随着时间的延续，酵母菌种群数量的变化在时间上形成前后自身对照，所以无需设置对照实验。但要获得准确的实验数据，必须重复实验，求得平均值。(3)若一个小方格内酵母菌过多，难以数清，应采取的措施是什么？增大稀释倍数后再计数。(4)对于压在小方格界线上的酵母菌，怎样计数？只计算相邻两边及其顶角的酵母菌。3．将实验结果绘制成曲线如下，请分析：(1)该模型曲线类似于英文字母S，因此称为“S”型曲线。该曲线大致分为四个阶段：①ab—调整期：最初阶段，酵母菌到了新环境有一个适应的过程，增长缓慢。②bc—加速增长期：酵母菌适应了环境，这时种群数量少，营养、空间充足，出生率显著大于死亡率，增长加快。③cd—减速增长期：种群数量增加，对食物和空间的争夺加剧，出生率下降，死亡率上升，增长变缓。④de—稳定期：增长速度继续变缓，最终出生率等于死亡率，种群的数量不再增加，达到动态平衡。此时种群的数量达到最大值K。(2)K的含义及其应用①当种群数量N小于K/2时，种群快速增长；当种群数量N达到K/2时，种群增长速度最大；当种群数量N大于K/2时，种群开始减速增长；当N接近于K时，出生率等于死亡率，此时种群的增长速率为零，种群数量趋于稳定，种群不再增长。②同一种群的K值是固定不变的吗？同一物种的不同种群的K值一定相同吗？影响K值大小的因素有哪些？答案不是；不一定；生物自身的遗传特性和所生存的环境条件。③K值在实际生产生活中有着重要的指导意义，请分析：a．大熊猫栖息地遭到破坏后，食物和活动范围缩小，K值变小，而建立自然保护区，改善其栖息环境，可以提高K值，从根本上保护大熊猫。b．若要控制鼠害，我们可采取什么具体措施以便降低K值？答案养殖或释放天敌、打扫卫生、硬化地面、将食物储存在安全处。c．若要持续从池塘中获得鱼类资源，则应该使捕捞后鱼类的数量维持在K/2，原因是K/2时，种群增长速率最大，这样既可获得最大利用量，又可保持种群的可持续性发展。(3)已知种群增长速率是指单位时间内种群数量的变化率(即时间—种群数量曲线的斜率)，请绘出上述曲线的种群增长速率随时间的变化曲线，并思考：答案①t2时种群数量为K/2，t2时该种群的年龄结构为增长型。②t3时种群数量为K，t2～t3该种群数量的变化为增加。归纳提炼“J”型和“S”型曲线总结活学活用2．如图所示为某种群的数量变化曲线，判断下列说法的正误：(1)B、b点种群增长速率最大，种群数量在K/2左右，此时种内斗争也最激烈()(2)c点种群增长速率明显减小只是由种内斗争引起的()(3)处理好这种生物与环境的协调与平衡，需要考虑K值的大小()(4)当这种生物与环境达到协调与平衡后，在E点达到K值，K值将固定不变()(5)进行海洋渔业捕捞后，鱼类的数量应维持在b点()(6)C～D段种群数量仍在增长()答案(1)×(2)×(3)√(4)×(5)√(6)√解析种群增长速率最快的点是在种群数量K/2左右，之后，食物、空间、生存条件、天敌等多方面因素导致种内斗争更加剧烈，出生率下降、死亡率升高，在K值时二者相等，最后种群数量呈现波动状态。海洋渔业捕捞应保持可持续发展策略，使捕捞后鱼类的数量维持在eq\f(K,2)能使种群数量迅速恢复。1．下列关于种群数量变化的叙述中，不正确的是()A．在理想条件下，种群数量增长可用一定的数学模型表示B．一个物种引入新的地区后，一定呈指数增长C．对家鼠等有害动物的控制，要尽量降低其K值D．研究一个呈“S”型曲线增长的种群的增长速率可预测其K值答案B解析一个物种引入新的地区后，当地环境可能不适宜其生长繁殖，故其增长也不一定是指数增长。呈“S”型曲线增长的种群，其增长速率最大值一般出现在K/2时，只要统计此时的种群密度就可估算出K值。2．下列对探究酵母菌种群数量变化规律实验的叙述，正确的是()A．用血球计数板计数酵母菌个数时，取适量培养液直接滴加到计数室内B．对于压在一个方格界限上的酵母菌的处理方法是计数四条边及其顶角的酵母菌数C．已知血球计数板的方格为2mm×2mm，若盖玻片下经稀释10倍的培养液厚度为0.1mm，计数时观察值为M，则10mL培养液中酵母菌的总数约为2.5M×105个D．与一般的生物实验一样，该探究实验也需要单独设置对照组答案C解析培养液应加在盖玻片边缘，让培养液自行渗入，并非直接滴加到计数室内；在统计血球计数板每格内的酵母菌数时，压在边上的个体只计数相邻两边及其顶角的个体；C项所述的计算结果是eq\f(10cm3,0.2cm×0.2cm×0.01cm)×10M＝2.5M×105；该实验不需要单独设置对照组，只要分组重复实验，结果取平均值即可。3．在有0.5mL培养液的培养瓶中放入5只大草履虫，然后每隔一天统计一次大草履虫的数量。经过反复实验，得出如图所示的结果，对这一结果的分析，错误的是()A．大草履虫的生长呈现出指数增长B．从大草履虫放入瓶内第一天起进入指数增长期C．在第四天至第六天中，种群的出生率约等于死亡率D．该瓶中大草履虫种群的K值约为400答案B解析根据图像可看出，这是典型的“S”型曲线。大草履虫放入瓶内第一天产生的新个体很少，这是因为大草履虫要对新环境有一个短暂的调整或适应过程。从第2天开始，草履虫进入到指数增长期。4、5、6天由于食物减少、空间不充足，大草履虫的种内斗争加剧，种群数量相对稳定。4．如图为种群在不同环境条件下的增长曲线，据图回答问题。(1)A曲线呈“J”型，表示种群在______________中的增长。(2)B曲线呈“S”型，表示种群在______________中的增长，阴影部分表示___________。用达尔文进化理论解释，这是____________________的结果。(3)若“S”型曲线表示某个鼠群迁入一个新的生态系统后的增长曲线，那么，K点以后曲线保持不变的原因是_________________________________________________________________________________________________________________________。(4)根据种群变动的曲线，解释投药灭鼠在短期内能控制鼠害，但很快又会鼠灾泛滥的原因是________________________________________________________________________________________________。对此，应采取哪些有效措施？___________________。答案(1)无环境阻力(2)有环境阻力由于环境阻力，导致种群个体数实际增长与理论值的差异生存斗争(3)由于食物短缺等因素的限制，种群在达到环境容纳量以后在一段时间内相对稳定(4)①老鼠种群的抗药性增强；②毒杀一部分个体，剩余的个体数目在环境容纳量以下很快又恢复到原来数量原则上是降低环境负载能力，无污染，具可行性。如：①严密封储粮食；②清除生活垃圾；③生物防治，保护老鼠天敌等(其他方法符合以上原则也可)基础过关知识点一种群的指数增长1．下列图中，表示种群在无环境阻力状况下增长的是()答案B解析种群在无环境阻力状况下的增长是指在空间无限、资源无限和不存在任何天敌的情况下的增长。在这样的条件下，种群会呈指数增长，B图符合。2．搁置一段时间的洗碗水，在其他条件都适宜的情况下，碗内微生物数量变化在开始一段时间内最可能的是呈()A．指数增长B．逻辑斯蒂增长C．指数增长或逻辑斯蒂增长D．无规律增长答案A解析碗内微生物在开始一段时间内，其生活的空间和资源可以认为是无限的，因此其增长曲线最可能是“J”型曲线。知识点二种群的逻辑斯蒂增长3．自然条件下，种群增长曲线呈“S”型。假设种群的K值为200，N表示种群数量，据表分析不正确的是()曲线上的点S1S2S3S4S5N2050100150180(K－N)/K0.900.750.500.250.10A.环境阻力对种群增长的影响出现在S4点之后B．防治蝗虫应在蝗虫数量达到S3点之前进行C．渔业捕捞后需控制剩余量在S3点D．(K－N)/K值为0.50时，种群增长速率最大答案A解析S3点N值为K/2，该点种群增长速率最大，防治蝗虫应在该点之前进行；渔业捕捞后，需控制剩余量在S3点；环境阻力对种群增长的影响出现在S1点后。4．如图为鱼塘中鱼的数量增长曲线，为了使鱼塘的总产量达到最大值，应该做到适时捕捞。下列做法中正确的是()A．超过T4时捕捞，使剩余量保持在KB．超过T3时捕捞，使剩余量保持在3K/4C．超过T2时捕捞，使剩余量保持在K/2D．超过T1时捕捞，使剩余量保持在K/4答案C解析一般将动植物种群的数量控制在K值的一半，即K/2值时，此时种群数量增长速度最快，可提供的资源数量也最多，而又不影响资源的再生，当种群数量大于K/2值时，种群增长的速度将开始下降。所以，在开发动植物资源时，种群数量大于K/2值时就可以猎取一定数量的该生物资源，而且获得最大量，当过度猎取会导致种群数量小于K/2值，种群的增长速度将减慢，获取的资源数量将减少，而且还会影响资源的再生。5．如图表示某物种迁入新环境后，种群增长速率随时间的变化关系。在第10年时，经调查该种群数量为200只，估算该种群在此环境中的环境容纳量约为()A．100只B．200只C．300只D．400只答案D解析要注意题中纵坐标为种群增长速率，所以第10年时增长速率最大，相当于“S”型曲线的K/2的水平，所以K值为2×200＝400。知识点三种群增长曲线的比较和应用6．如图所示为种群在理想环境中呈指数增长，在有环境阻力条件下，呈逻辑斯蒂增长。下列关于种群在某环境中数量增长曲线的叙述，正确的是()A．当种群数量达到e点后，种群数量增长速率为0B．种群增长过程中出现环境阻力是在d点之后C．图中阴影部分表示克服环境阻力生存下来的个体数量D．若该种群在c点时数量为100，则该种群的K值为400答案A解析当种群数量到达e点后，种群数量不再增加，因此增长速率为0；环境阻力在d点之前就已出现；阴影部分表示被淘汰的个体数量；该种群的K值为200。7．2007年6月下旬，栖息在洞庭湖400多万亩湖区中的约20亿只东方田鼠，随水位上涨部分内迁，所到之处，它们四处打洞，啃食庄稼。地方政府组织群众展开一场“人鼠大战”。在灭鼠时，若杀死老鼠总量的一半，过一段时间后，会发现()A．很快恢复到原来的数量B．数量会继续下降C．保持数量不变D．数量先增加，然后快速下降答案A解析若杀死老鼠总数的一半，则相当于老鼠的数量还有K/2，此时种群增长速率最快，所以很快又会恢复到原来的数量。8．种群在理想和自然条件下分别表现出指数和逻辑斯蒂增长。下列有关种群增长曲线的叙述中，正确的是()A．在种群指数增长模型(Nt＝N0·λt)中，λ表示该种群的增长速率B．在自然条件下，种群的环境容纳量(即K值)是固定不变的C．在鱼类养殖中，在接近K值时进行捕捞有利于该种群的可持续发展D．在“S”型曲线中，种群密度不同时可能具有相同的种群增长速率答案D解析在Nt＝N0·λt中，λ表示该种群数量是一年前种群数量的倍数，并不等同于种群的增长速率；种群的K值受环境因素影响，在优越环境中，K值将增大；在鱼类养殖中，使捕捞后的剩余量接近K/2时，种群的增长速率最大，有利于该种群的可持续发展；在“S”型曲线中，种群增长速率先快后慢，最后为0，故处于不同的种群密度下可以具有相同的增长速率。能力提升9．如图所示种群数量增长曲线，下列叙述正确的是()A．当种群数量达到e点后，种群数量不再发生变化B．种群增长过程中出现环境阻力是在d点之后C．防治蝗灾应在害虫数量达到c点时进行D．K值会因环境条件的改变而改变答案D解析当种群数量达到K值时，种群密度趋于稳定，但是种群数量会有一定的波动，故A项错误、D项正确；环境阻力在d点时比较明显，但在d之前环境阻力就已经出现了，故B项错误；c点时种群的增长最快，不利于防治蝗灾，故C项错误。10．假定当年种群数量是一年前种群数量的λ倍，如图表示λ值随时间变化的曲线示意图。下列相关叙述错误的是()A．0～a年，种群数量不变，其年龄结构为稳定型B．a～c年，种群数量下降，其年龄结构为衰退型C．b～d年，种群数量增加，种群呈指数增长D．d～e年，种群数量增加，种群呈“J”型曲线增长答案C解析当λ小于1时，种群的数量是逐渐减少的，所以a～c年，种群的数量应该是逐渐减少的，c年时种群的数量最小，故C项错误。11．右图表示出生率、死亡率和种群密度的关系，据此分析得出的正确表述是()A．在K/2时，控制有害动物最有效B．图示规律可作为控制人口增长的依据C．该图可用于实践中估算种群最大净补充量D．在K/2时，捕捞鱼类最易得到最大日捕获量答案C解析K/2时种群的增长速率最大，此时不利于对有害动物的控制，A选项不正确。控制人口数量的关键是控制出生率，B选项不正确。K/2时，捕捞得到的不是最大日捕获量，得到最大日捕获量应在K时，D选项不正确。根据该图可以估算种群最大净补充量，用于指导实际生产，C选项正确。12．某同学在进行“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”实验时，根据实验的结果绘制出了如图所示的酵母菌种群数量变化曲线图，下列有关实验分析错误的是()A．在酵母菌种群数量增长的不同阶段，可能具有相同的增长速率B．当种群数量达到K值时，其年龄结构为稳定型C．de段种群的增长速率为负值，其主要原因是营养物质的缺乏D．本实验中不存在对照，酵母菌个体数常用抽样检测法获得答案D解析增长速率是指单位时间内增加的个体数，在酵母菌种群数量增长的不同阶段，可能具有相同的增长速率；在K值时，种群数量相对稳定，种群的年龄结构为稳定型；de段种群个体数量下降，其主要原因是营养物质被过度消耗，此时种群的增长速率为负值；本实验在前后之间形成自身对照。13．如图所示为某种群在不同生态系统中的增长曲线模式图，请据图回答：(1)如果种群生活在一个理想的环境中，种群数量是按a曲线增长，但实际上，在自然环境中________和________都是有限的。种群达到一定数量后势必加剧____________，使种群数量增长受到影响，不能按a曲线方式增长。(2)在一定环境中，除上述影响外，种群数量还受其他环境因素的限制。如无机环境方面主要是__________________的影响。种群数量增长按b曲线方式增长，最多达到K点为止，此时种群增长速率为____________。(3)年龄结构是通过影响____________________而间接对种群动态变化起作用的。答案(1)生活资源(食物)空间种内斗争(2)阳光、温度、水分0(3)出生率和死亡率解析“J”型曲线是在食物和空间条件充足，气候适宜，没有敌害等理想条件下形成的，而在自然情况下，空间、食物、其他条件都是有限的，当种群达到一定数量后，必定加剧种内斗争，种群数量不会继续增加，而是在K值附近稳定地波动，此时种群的增长曲线呈现“S”型。年龄结构可以间接地影响出生率和死亡率进而影响种群数量。14．下图表示不同种群在不同环境中的增长曲线，据图回答下列问题：(1)图中曲线表示种内斗争最激烈的是________段，t3后种群数量不能无限增长的原因是__________________________________，同一种群的K值是固定不变的吗？请判断并说明：______________________________。(2)若此图表示池塘中某鱼类种群的增长曲线，希望长期获得较高的鱼产量，每次捕捞后该种鱼的数量需保持在________点左右，原因是_________________________________。(3)若此图表示某地老鼠种群数量变化，如果灭鼠时只采用杀死的办法，采取措施后老鼠的数量会很快恢复到原有的数量。请你依图提出更有效的控制鼠害的方案：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)现将酵母菌菌种培养在盛有无菌马铃薯培养液的固定容器中，若探究培养液中酵母菌种群数量的变化，利用血球计数板(2mm×2mm)、滴管、显微镜等器具，测定容器中酵母菌数量的方案是___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________