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光合作用和呼吸作用综合计算题的复习策略

2014-03-19  atom6967

光合作用和呼吸作用综合计算题的复习策略

文章发表在<<高考(理化生)>>2007年第11期

    摘要:本文从知识再现、例题与练习和对一道高考题答案的质疑三个方面谈光合作用和呼吸作用综合计算的复习策略;并提出解这类题的要点:一要读懂文字信息;二要读懂曲线或图表信息;三要会利用(1)公式:总光合量(速率)=净光合量(速率)+呼吸量(速率);(2)关系式:6CO C6H12O6 +6O2  和C6H12O6+6O2  6CO2进行C6H12O6、CO2和O2之间量的转换。

 

关键词:光合作用  呼吸作用   计算题   复习策略

 

以光合作用和呼吸作用知识为背景的试题历来是高考命题的重点和热点,分析近几年的高考生物试题(上海、广东、江苏卷),有关光合和呼吸作用的综合计算题经常出现。学生在做这类题时,常因概念分析不透,文字、图表、曲线等信息处理不清而出错。本文通过知识再现,例题与练习和对一道高考题答案的质疑,谈谈这类题的复习策略。

1 知识再现

1.1图解光合作用和呼吸作用的联系

叶绿体是光合作用场所,线粒体是呼吸作用场所,不同光照条件下,二者代谢强度不同。首先完成下面的图表。

光照

条件

图解(CO2、O2来路和去路)

含义

说明

光下

黑暗处

 

 

 

 

CO2

 

O2

CO2

 

 

O2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

没有叶绿体的植物细胞,只进行呼吸作用消耗有机物

绿色植物的非绿色部分,也称非同化器官(2005.上海高考36题)

 

 

黑暗

 

 

黑暗时,叶绿体不活动,细胞只进行呼吸作用,环境中O2减少量或CO2释放量代表呼吸速率

绿色植物之绿色部分。如叶肉细胞,测呼吸速率一般在黑暗条件下

弱光照

 

 

 

呼吸作用强度大于光合作用强度

天刚亮或近黄昏的一段时间

 

较强

光照

 

光合作用等于呼吸作用

一天中,早晨或傍晚的某一时刻

强光照

光合作用大于呼吸作用。光合所需CO2,一部分来自呼吸作用产生,一部分从外界环境中吸收。

白天大多数时间。是生长发育的基础。

 

1.2 明确光合作用和呼吸作用的相关概念

描述光合作用强度一般用光合速率表示,通常指单位时间单位面积有机物合成量(制造量、生产量),也可用单位时间单位面积CO2吸收量或O2释放量表示。如将叶绿体离体研究(图1),在光下,叶绿体合成有机物的量或CO2吸收量或O2释放量称为总光合量,又叫真正光合速率。

 

 

 

 

有机物

 

 

 

 


描述呼吸作用强度一般用呼吸速率表示。其大小指标可定义为单位时间单位面积有机物消耗量或O2吸收量或CO2释放量。如在黑暗条件下研究叶片(叶肉细胞)(图2),其与环境中O2和CO2的交换量(O2吸收量或CO2释放量)即为呼吸速率。                   O2   CO2

                 

 

 

 

 

图2

综合分析植物绿色部分的代谢活动,在光下,既有有机物的合成也有有机物的分解,既有CO2(O2)的吸收,也有O2(CO2)的产生,其差值称为净光合速率,有的资料上称表观光合速率,三者关系为:总光合速率—呼吸速率=净光合速率。可用如下坐标表示(图3)

 

 

 

 

 

光照强度

                                                                                  

 

 

 

                              图3

a为总光合曲线,起点为原点;b为净光合曲线,起点在原点之下。二者均可用“CO2吸收量”或“O2释放量”表示,但有“总”、“ 净”之分; c为实验条件下呼吸速率。

在解题时,通常要注意题干和问题的表述,正确提取解题信息:一要辨析清楚相关概念,一般“生产量”、“合成量”、 “制造量”、“实际值”、“叶绿体O2释放量”等词表示总光合作用量;“积累量”、“增加量”、“测得值”、“产量”、“叶片O2释放量”等词表示净光合作用量。二要读懂曲线表示的含义,包括曲线的起点、交叉点、最高点的含义,并能根据题意正确处理坐标系中横纵坐标所示数值。三要注意呼吸速率的大小及变化。一般认为在实验条件下,如果温度不变,呼吸速度在光下和黑暗处相等。事实上,相同温度下,光下与暗处呼吸速率相差很大,有时要专门考虑,做题时需具体分析。

1.3 计算公式

   光合作用和呼吸作用的过程不同,但二者通过CO2、O2、有机物和水密切联系在一个细胞中,互为原料和产物。假定光合产物和呼吸底物都以葡萄糖计,则依据其反应式计算:             

光合作用:6 CO2+12H2          C6H12O6+6O2+6H2O

                        叶绿体

可简化为关系式:6 CO    C6H12O6+6O2……(1)

呼吸作用:C6H12O6+6 O2+6H2O → 6 CO2+12H2O

可简化为关系式:C6H12O6+6O     6 CO2……(2)

根据上述关系式(1)、(2)可计算CO2、C6H12O6 O2三者之间在光合作用和呼吸作用中量的变化 。

例题与练习

   例题1  将某绿色植物放在特定的实验装置内,研究温度对光合作用和呼吸作用的影响(其余的实验条件是理想条件),实验以CO2的吸收量和释放量为指标。实验结果如下表所示。

温度(0℃)

   

10     

15     

20    

25   

30   

35  

光照下吸收CO2(mg/h)

1.00   

1.75    

2.5 0   

3.25  

3.75 

3.50 

3.00 

黑暗下释放CO2(mg/h)

0.5 0  

0.75    

1.00    

1.50  

2.25  

3.00 

3.00 

   下列对该表分析正确的是(    

A、昼夜不停地光照,温度在35℃时该植物不能生长。

B、 昼夜不停地光照,该植物生长的最适温度是30℃。

C、每天交替进行12小时光照,12小时黑暗,温度均保持在20℃条件下,

该植物积累的有机物最多。

D、每天交替12小时光照,12小时黑暗,温度在30℃时,该值物积累的有

机物是温度在10℃的2倍。

解析

文字信息:光照下吸收CO2的量为不同温度下实验测得值,表示净光合量;黑

暗下释放CO2的量为相应温度的呼吸速率。

读准上述两点关键信息,就有了正确解题思路:昼夜不停光照,35℃时,植物净光合量为吸收CO2  3.00mg/h,大于0,该植物能生长;昼夜不停照,25℃该植物净光合量最大(3.75mg/h),最适于生长发育;每天交替12小时光照,12小时黑暗,20℃时净积累有机物最多:(3.25—1.50)×12=21mg,其它温度下有机物净积累量均可算出;同样条件下,30℃时该植物积累有机物与10℃时积累有机物的比为:

 

 

  

(3.5-3.0)×12         1

 

(1.75-0.75)×12          2

正确答案:C

练习1  对某植物测得数据如下表

30℃

15℃

一定强度光照10小时

黑暗下5小时

黑暗5小时

CO2减少880mg

O2mg减少160mg

O2减少80mg

若该植物处于白天均温30℃,晚上均温15℃,有效日照15小时环境下,请预测该植物一天中积累的葡萄糖为(      

A、315mg   B、540mg   C、765mg   D、1485mg

参考答案:C

例题2 (2004·上海)如图1表示某绿色植物光合作用中光强度和氧气释放速度的关系。图2表示该植物在不同温度(15℃和25℃)下,某一光强度时氧气释放量和时间的关系。请据图回答:

(1)当图2纵坐标分别表示光合作用所产生氧气的净释放量和总量时,则它们分别是在光强度为________和__________千勒克司下的测定值。

(2)若该植物的呼吸商(呼吸商=呼吸放出的CO2量 / 呼吸消耗的O2量)为0.8,在25℃条件下,1小时内呼吸作用放出的CO2量为_________毫升。

 

 

 

 

 

 

 

           图1                                    图2

(3)若该植物的呼吸商为0.8,在25℃、4千勒克司光强度下,该植物进行光合作用除完全利用呼吸所产生的CO2外,每小时还应从外界吸收CO2_____毫升。

(4)在4千勒克司光强度下,25℃时该植物每小时光合作用所产生的葡萄糖量是15℃时的________倍,这主要是因为____________________。

解析:

1、曲线信息:图1两曲线起点均为0点以下,因此它们分别表示15℃、25℃时不同光照强度下净光合曲线。还能读出如下信息:15℃时,植物呼吸速率为10毫升/小时;光补偿点0.5千勒克司。达到最大光合强时,净光合速率为每小时释放O2  40毫升;25℃时,植物呼吸速率为20毫升/小时,光补偿点为1千勒克司。

2、文字信息:图1数值×时间=图2数值

 

        呼吸放出的CO2

呼吸商=                         

        呼吸消耗的O2

 

3、做题:

(1)如果图2表示O2的净释放量,则15℃时:40毫升/小时,25℃时:50毫升/小时,从图1读出相应的光照强度为4千勒克司;如果图2表示O2的总释放量,则根据总光合速率=净光合速率+呼吸速率,计算出15℃时,净光合量:40-10=30毫升/小时,25℃时,净光合量:50-20=30毫升/小时,从图1读出相应的光照强度为2.5千勒克司。

(2)从图1可知25℃下1小时呼吸作用吸收氧气20ml,据呼吸商定义可得放出CO2量为20×0.8=16升。

(3)在25℃、4千勒克司光强度下,由图1可知: 光合作用O2净释放量为50ml,则总释放量为70ml,消耗CO2总量为70ml,此时由(2)知呼吸作用提供CO216ml,则需从外界再吸收70-16=54mlCO2.

(4) 在4千勒克司光强度下,25℃时该植物每小时光合作用所产生的O2总量是50+20=70ml,15℃时则为40+10=50ml,前者是后者的1.4倍。这样的差异是由于温度影响光合作用中酶的活性的不同。

答案:

(1)4;2.5;   (2)16;    (3)54;    (4)1.4;温度影响光合作用中酶的活性(暗反应的酶活性)。

练习2  (1999年广东)将某种绿色植物的叶片,放在特定的实验装置中,研究在10℃、20℃、的温度下,分别置于5000勒克斯、20000勒克斯光照和黑暗条件下的光合作用和呼吸作用。结果如图所示:

 

 

 

              

 

 

(1)该叶片的呼吸速度在20℃下是10℃的_______倍。

(2)该叶片在10℃、5000勒克斯的光照条件下,每小时光合作用所产生的氧气量是_______mg。

(3)该片在20℃、20000勒克斯的光照条件下,如果光合作用合成的有机物都是葡萄糖,每小时产生的葡萄糖为_______mg。

答案与提示:

1、曲线信息:左图纵坐标数值 ∕ 横坐标数值表示植物叶片不同温度下的呼吸速率,右图纵坐标数值 ∕ 横坐标数值表示相应温度下的净光合速率。

2、文字信息:(2)题求总光合量;(3)题也是求总光合量,需换算。

3、答案:(1)3;  (2)4;  (3)7.03

例题3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-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、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   

文字信息:叶绿体的光合作用速率指总合速率。题干给出的“测得叶片的叶

              3y-2z-x 

绿体光合作用速率=            g.cm-2.h-1” 就是实验目的要测定的总光合速率。

6

我们知道,总光合速率=净光合速率+呼吸速率,净光合速率是在光下测定的,呼吸速率是在暗处测得的。上午10时至下午4时的实验条件未给出,可能是光照

                                y-x

也可能是遮光,其有机物量的变化值为:       g·cm-2·h-1,则M处的有机物

                                  6

量的变化值为:

 

3y-2z-x     y-x    y - z

-            g·cm-2·h-1

              3

分析数值,对照选项,M处应是测呼吸速率,答案选A。

练习3  将状况相同的某种绿叶分成四等组,在不同温度下分别暗处理1H,再光照1h(光照相同),测其重量变化。得到如下表的数据。可以得出的结论是( )

组 

温度/℃

27

28

29

30

暗处理后重量变化/mg

-1

-2

-3

-1

光照后与暗处理前重量变化/mg

+3

+3

+3

+1

A、该植物光合作用的最适温度约是27℃

B、该植物呼吸作用的最适温度约是29℃

C、27~29℃下的净光合速率相等

D、30℃下的真正光合速率为2mg/h

答案与提示:

文字信息:暗处理1h测得数据为该温度下的呼吸速率;真正光合速率即总光合速率;光照后与暗处理前的重量变化是2小时的变化量。图表中信息可转换成下表

 

组别

27℃

28℃

29℃

30℃

呼吸速率(mg/h)

1

2

3

1

净光光合速率(mg/h)

4

5

6

2

总光合速率(mg/h)

5

7

9

3

答案:B

对一道高考题答案的质疑

如图是在一定的CO2浓度和温度条件下,某阳性植物和阴性植物的受光强度和光合作用合成量(用CO2吸收量表示)的关系图,请据图回答:

(1)曲线B所示的是_______植物的受光强度和光合作用合成量的关系。

(2)a、b表示__________________。

(3)叶面积为25cm2的阳性植物叶片在         

光照强度为Y时每小时光合作用合成量为______mg。

(4)将该阳性植物叶片先在光照强度为X的条件下放置若干时间,然后放于暗处,(光照强度为Q)12小时,要使此叶的干物质与照射前一样,则需要光照_____小时。

解析:本题为1998年上海高考题,一直被各种资料选作例题或训练题。题目给出的标准答案是:(1)阴性;  (2)阳性植物和阴性植物光合作用合成量与呼吸作用所消耗的有机物量相等;(3)3; (4)6。

我们质疑的是第(3)小题的答案。从所给答案分析其解题思路是:光照为Y时,阳生植物CO2吸收量为12mg / 100cm2/h,25 cm2阳性植物叶片每小时光合作用合成量为:12×1/4=3 mg,求的是净光合量。

通过审题,本小题应该求“总光合量”。先分析⑵小题答案:a点表示阳性植物光合作用合成量与呼吸作用所消耗的有机物量相等。此处光合作用合成量指总光合量,⑶小题所求与此一字不差也应求总光合量。再分析题干中“光合作用合成量(用CO2吸收量表示)”这句话,其意思应是指:总光合作用合成量用CO2总吸收量表示,净光合作用合成量用CO2净吸收量表示。而图中曲线正好为净光合曲线,造成本题误解。实际上净光合曲线和总光合曲线是异曲同义,表示的都是总光合量和净光合量、呼吸量三者之间的关系。从图中读出,光照为Y时,净光合量=12mg / 100cm2/h,呼吸量=4 mg / 100cm2/h,⑶题答案为:(12+4)×1/4=4 mg。

通过分析,我们认为光合作用合成量有总合成量和净合成量之分,CO2吸收量也有总吸收量和净吸收量之分,真实含义应具体分析。同一曲线可读出不同含义,例如本题图中的曲线起点在原点(O)之下,显然是净光合作用曲线,纵坐标所示的数值是CO2净吸收量。由于从图中可读出呼吸作用速率,因此,可间接读出阳性植物总光合量(CO2总吸收量)与光强度之间的关系,如图(起点为0)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

光强度(弱→强)

 

 

可见,题干表述并无不当之处,只是概念分析不到位才给出值得商榷的答案。

多年来,有很多老师在质疑这道题的答案。如陈允飞主编《高中生物教与学整体设计》(第一册)2002年版P.135将该题答案改为: 4 ;任志鸿主编《十年高考分类解析与应试策略》(生物)2005年版P.160将题目加一个“净”字: (3)“……光合作用净合成量为_______mg。”

训练题   如图,在光照强度为30klx时,若曲线I所示的植物每平方米叶面积在一天中有10小时光照,且光合作用产物全部为葡萄糖,则该植物每平方米叶面积一天可增加葡萄糖_________g。

 

 

 

 

 

 

答案与提示:从以下计算过程体会解题思路。

6CO2             ~             C6H12O6  +6O2

6×44                              180

(15×10-14×5)×10-6×3600×44    x

      80×10-6×3600×44×180

x =                         =8.64(g)

6×44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献:

《十年高考分类解析与应试策略略》任志鸿主编  2005年.

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