一種實(shí)驗(yàn)裝置在探究光合作用和呼吸作用中的應(yīng)用及解析

光合作用和呼吸作用歷來是眾多高中生難以掌握的知識內(nèi)容之一。尤其是當(dāng)知識與圖形聯(lián)系、與實(shí)驗(yàn)探究聯(lián)系時(shí)。以實(shí)驗(yàn)探究為例，題目中經(jīng)常會(huì)遇見一種實(shí)驗(yàn)裝置，當(dāng)變換相關(guān)條件或?qū)嶒?yàn)材料，即可在測定光合作用強(qiáng)度和呼吸作用強(qiáng)度之間變化自如。

例1：某生物興趣小組為探究某植物光合強(qiáng)度和呼吸強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了如圖裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。假設(shè)實(shí)驗(yàn)期間均處于適宜且相對穩(wěn)定的環(huán)境條件下。請分析回答有關(guān)問題：

（1）實(shí)驗(yàn)一：測定植物呼吸作用強(qiáng)度時(shí)，向燒杯中加入________（NaHCO3/NaOH溶液）。將裝置置于____________條件下。1小時(shí)后裝置中紅墨水滴向左移動(dòng)，原因是________________。讀取移動(dòng)刻度為2 cm。

（2）實(shí)驗(yàn)二：測定植物凈光合作用強(qiáng)度時(shí)，向燒杯中加入______（NaHCO3/NaOH溶液）。將裝置置于_____條件下。1小時(shí)后裝置紅墨水滴移動(dòng)的方向是______，移動(dòng)刻度為10 cm。

（3）根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)。假設(shè)紅墨水滴每移動(dòng)1 cm，植物體內(nèi)的O2增加或減少1 g，且晝夜溫度控制相等，那么該植物的呼吸作用速率是________ g/小時(shí)；給予光照12小時(shí)，黑暗12小時(shí)，則24小時(shí)葡萄糖的積累量是________ g。

【解析】：（1）測定植物呼吸強(qiáng)度時(shí)應(yīng)避免光合作用產(chǎn)生或消耗氣體對密閉容器中氣體體積變化的影響，需要將裝置放在黑暗環(huán)境中。由于呼吸作用吸收氧氣，放出二氧化碳，且二者體積相等，因此，只要吸收掉產(chǎn)生的二氧化碳即可表示出吸收的氧氣的量。給定的溶液中NaOH就可以吸收二氧化碳。從而內(nèi)部氣體減少導(dǎo)致墨水滴左移，其刻度可以表示氧氣消耗量。

（2）測定光合作用強(qiáng)度時(shí)，則需要將液體換成二氧化碳的緩沖液（給定溶液中的NaHCO3）。光合作用產(chǎn)生氧氣導(dǎo)致容器內(nèi)氣體體積增加，從而液滴右移，右移的刻度即可表示氧氣釋放量，進(jìn)而表示凈光合速率。

（3）由（1）可知，該植物有氧呼吸時(shí)吸收的氧氣為2g/小時(shí)。由（2）可知該植物凈光合釋放的氧氣為10g/小時(shí)。光照12小時(shí)的凈積累量-黑暗12小時(shí)的消耗量=一天24小時(shí)最終的積累量。根據(jù)數(shù)據(jù)，可得表達(dá)式：12×12-2×12=96g氧氣，經(jīng)換算，為3moL。根據(jù)反應(yīng)式C6H12O6～6O2，消耗葡萄糖0.5moL，質(zhì)量為180×0.5=90g。

【參考答案】：（1）NaOH溶液、遮光（黑暗）且密閉、植物在黑暗下呼吸作用，吸收氧氣，釋放CO2，釋放的CO2被NaOH溶液吸收，氣體體積減小。（2）NaHCO3溶液、光照充足且密閉、向右。（3）2、90 。

【點(diǎn)評】：（1）上述裝置測定植物呼吸速率時(shí)，表示呼吸速率的指標(biāo)是單位時(shí)間內(nèi)液滴左移的體積。其原因是由于植物進(jìn)行細(xì)胞呼吸吸收氧氣，釋放二氧化碳，二氧化碳被NaOH溶液吸收，使容器內(nèi)氣壓下降，毛細(xì)管內(nèi)的水滴左移。

（2）上述裝置測定植物凈光合速率時(shí)，表示凈光合速率的指標(biāo)是單位時(shí)間內(nèi)液滴右移的刻度。其原因是由于燒杯中盛有的NaHCO3溶液保證了容器中二氧化碳濃度的恒定，給予適宜的光照強(qiáng)度，植物的光合作用強(qiáng)度大于呼吸作用強(qiáng)度，植物釋放氧氣，使容器內(nèi)氣壓增大，毛細(xì)管內(nèi)的液滴右移。但是若實(shí)驗(yàn)過程中給予的光照強(qiáng)度比較弱，則液滴將左移。

例2：某同學(xué)為了測定某種植物種子的呼吸作用類型，（假設(shè)呼吸底物只有葡萄糖且不考慮外界條件的影響），某同學(xué)設(shè)計(jì)甲乙兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖，兩裝置中種子等量。請完善下面的結(jié)果預(yù)測：

（1）若甲液滴左移，乙液滴不動(dòng)，則 。

（2）若甲液滴不動(dòng)，乙液滴右移，則 。

（3）若甲液滴左移，乙液滴右移，則 。

【提示】：（1）所測生物只進(jìn)行有氧呼吸時(shí)有氧呼吸產(chǎn)生CO2與消耗O2量相等；（2）所測生物只進(jìn)行無氧呼吸時(shí)無氧呼吸只產(chǎn)CO2，不消耗O2；（3）所測生物既進(jìn)行有氧呼吸又進(jìn)行無氧呼吸時(shí)，兩種呼吸作用共存時(shí)呼吸放出的CO2量應(yīng)高于O2消耗量。

【參考答案】：（1）該發(fā)芽種子只有有氧呼吸。（2）該發(fā)芽種子只有無氧呼吸。（3）該發(fā)芽種子既進(jìn)行有氧呼吸，又進(jìn)行無氧呼吸。

擴(kuò)充：裝置的氣壓變化，也可能是由溫度等物理因素導(dǎo)致。為使測定結(jié)果更準(zhǔn)確，應(yīng)設(shè)置對照試驗(yàn)，以校正物理因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的誤差。此時(shí)，對照實(shí)驗(yàn)裝置與原呼吸裝置相同，但應(yīng)將所測生物滅活，如滅活的植物、煮熟的種子，而其他不變（包括給定的溶液，所用種子數(shù)量，裝置瓶及玻璃管的規(guī)格等）。