《探究環境因素對光合作用強度的影響》實驗研究

摘 要：用20mL的塑料注射器利用真空滲水法對波菜葉片進行排氣滲水處理，使圓形小葉片下沉到水底，從中總結出處理葉片最優的方法，通過探究影響光合作用強度的環境因素：光照強度、CO2濃度、溫度，從中找到各因素最適宜的條件為學生在課堂上探究該實驗成為可能。

關鍵詞：真空滲水法;上浮;探究實驗;光合作用強度

人教版高中生物必修1“探究環境因素對光合作用強度的影響”在高中開出率較低，這是一個重要的探究性實驗，按常規的教學進度安排該實驗時氣溫已較低，葉片上浮的時間變長造成實驗時間變長，時間緊一節課內難以完成。通過一些實驗條件和實驗方法的改變使該探究實驗能在一節課內完成。

一、實驗原理

用注射器進行真空滲水法排出圓形小葉片細胞間隙中的氣體，使水進入圓形小葉片細胞間隙，圓形小葉片密度變大葉片沉入水中。圓形小葉片在光合作用的過程中產生O2在葉片細胞間隙中積累或附著在圓形小葉片表面，使圓形小葉片的密度降低而上浮。通過比較同一時間內圓形小葉片浮起的數量，以此來判斷圓形小葉片光合作用的強度。

二、實驗器材和探究過程

（一）實驗器材

1.實驗材料。通過查找資料和預實驗菠菜葉片是較為理想的光合作用實驗材料。

2.實驗藥品和儀器。5W白色LED臺燈、直尺、0.6cm打孔器、20mL塑料注射器、鑷子、溫度計、50mL、100mL、500mL燒杯，質量分數梯度分別為0.5%、1%、1.5%、2%的NaHCO3溶液、清水、黑色紙盒，塑料水槽。

3.圓形小葉片的制作

（1）用打孔器打出圓形小葉片30片每次打出15片（避開大的葉脈）;選擇一片生長旺盛的菠菜葉放一張厚紙上，選擇直徑為0.6cm的打孔器并拔出打孔器推桿，用力向下按壓打孔器時并稍微旋轉打孔器使打下的圓形小葉片能附著在打孔器內腔中，避開大的葉脈連續打出15片圓形小葉片，這樣可以節省打孔時間。由于學生首次使用打孔器如用書本上操作方法不易掌握此方法，學生用這種方法可以降低制取圓形小葉片的難度。

（2）附著在打孔器內腔上的15片圓形小葉片連同打孔器伸入到20mL注射器中，用打孔器推桿把圓形小葉片推到注射器內，將注射器活塞推至5mL刻度處，然后拉動活塞至10mL刻度處使注射器吸入清水5mL。倒置注射器稍微震蕩使重疊的圓形小葉片分散開來并向前推動活塞排出里面殘留的氣體后，用手指堵住前端小孔并用力緩慢地拉動活塞至20mL刻度處約停留5秒時間，這期間盡量讓圓形小葉片接觸水面不要讓小葉片附著在注射器上方內壁，這一步驟重復3-4次（如果葉圓片下沉得不理想可增加這一步驟的次數），使圓形小葉片內細胞間隙間的氣體逸出，當放開堵住小孔的手指并豎起注射器時圓形小葉片能以較快的速度下沉到水低，說明經此處理過圓形小葉片達到效果。（如果有小部分圓形小葉片難以下沉要果斷放棄它）。

（3）將處理過的圓形小葉片連同里面的水倒入50mL燒杯中并罩上事先準備好的黑紙盒待用，依照上述的方法繼續制取剩余的15片圓形小葉片。

（二）探究過程

1.探究一不同光照強度對光合作用強度的影響

（1）取3只100mL燒杯編號為1、2、3，分別向這3只燒杯中加入40mL1%NaHCO3溶液為葉片光合作用提供CO2來源，如果NaHCO3溶液偏高圓形小葉片在清水可以下沉但在溶液中不易下沉。用鑷子夾取30片圓形小葉片平均放置于編號為1、2、3的燒杯中，要使小葉片均勻分散在燒杯底部并防止圓形小葉片重疊，如果重疊小葉片不容易上浮影響了實驗結論。

（2）由于做該實驗時基本上在每年的冬季，這時氣溫已經較低了，把1、2、3號燒杯放在水槽中進行水浴加熱，在水槽中加入1000mL30℃左右的溫水，由于水的散熱溫度會降低，可以通過加減熱水和冷水來使水槽中水的溫度保持30℃相對穩定。

（3）不同的光照強度是通過調節5W白色LED臺燈與實驗材料之間的距離來實現的，如把1號燒杯放在臺燈的正下方，2號、3號與1號燒杯呈一條直線排列，這樣臺燈照射到3號燒杯中的光線大部分被前面的燒杯壁反射，3號燒杯中的小葉片不易上浮，通過調節5WLED臺燈燈泡底部與小葉片之間距離，把1、2、3號燒杯排列成三角形排列（如圖1）。通過預實驗臺燈燈泡底部與小葉片之間在距離為10cm、12cm、14cm時實驗效果較理想。然后開啟臺燈開關對這3個實驗裝置進行強、中、弱三種不同光強的光照并計時。

觀察并記錄實驗數據，強、中、弱光照射下編號為1、2、3燒杯內圓形小葉片在相同時間（13分鐘內）上浮數量分別為10片、7片、4片。

2.探究二不同CO2的濃度對光合作用強度的影響

編號為1、2、3的3只100mL燒杯，分別向這3只燒杯中加入40mL0.5%、1%、2%NaHCO3溶液，把30片的圓形小葉片平均分散在3個燒杯的底部。各個燒杯等距離放置在三只5WLED臺燈正下方，并把三個燒杯置于30℃水槽中水浴保溫，打開臺燈開關并計時，觀察記錄相同時間內圓形小葉片上浮的數量。

通過觀察得到1號、2號、3號燒杯內圓形小葉片在不同CO2的濃度條件下相同時間內（12分鐘）上浮數量分別為4片、6片、10片。

3.探究三不同溫度對光合作用強度的影響

取3只100mL燒杯編號為1、2、3，分別向這3只燒杯中加入40mL1%NaHCO3溶液，在每個燒杯的底部分別放置10片圓形小葉片。1號、2號、3號燒杯分別置于15℃、25℃、35℃水槽中水浴保溫，燒杯底部距離5WLED臺燈燈泡正下方12cm，同時打開臺燈開關并計時，觀察記錄相同時間內圓形小葉片上浮的數量。

觀察到的結果是1號、2號、3號燒杯內圓形小葉片在15℃、25℃、35℃溫度下相同時間內（10分鐘）上浮數量分別為2片、6片、10片。

三、結果分析

（一）不同光照強度對光合作用強度的影響

從探究一結果顯示，在相同的時間內圓形小葉片離臺燈越近，光照越強，上浮的數量越多，在一定范圍內，隨著光照強度的增強，光合作用強度越強。但隨著距離的增大，光強下降迅速，用小燒杯與光源的距離來調節光照強度時距離不宜過遠，否則小葉片不易上浮，直至不會上浮。

（二）不同的CO2濃度對光合作用強度的影響

用NaHCO3溶液作為CO2的來源，探究二實驗數據得出2%NaHCO3溶液中圓形小葉片上浮數量最多，說明在一定CO2濃度內其它條件相同且適宜時，CO2濃度越高光合作用強度也越強。通過多次實驗知當NaHCO3濃度達到3%以上時真空滲水法處理過的圓形小葉片很難下沉。因此在配制NaHCO3溶液濃度梯度時碳酸氫鈉溶液濃度要小于3%。

（三）不同溫度對光合作用強度的影響

從探究三觀察到數據看出3號燒杯中的小葉片在10分鐘內全部上浮而1號燒杯內只上浮2片，2號燒杯中上浮了6片小葉片，在適宜的溫度范圍內溫度越高光合作用強度越強，這是由于溫度能影響酶的活性而光合作用需要大量的酶參與，溫度是影響光合作用強度的一個重要因素。

四、結論與反思

對該探究實驗的研究為學生在課堂內能完成探究實驗提供了理論的基礎，用真空滲水法探究影響光合作用的環境因素所用的器材并不復雜且易得，但學生在制取圓形小葉片時由于操作的不熟練處理過的圓形小葉片很多不會下沉，教師應給予指導如何用打孔器快速打孔制取圓形小時片，并且要交待注意事項如注射器吸取的清水不能太多且注射器中殘留氣體要排盡，否則會增加抽氣的次數且葉片不易下沉。通過指導可降低學生操作處理小葉片的難度，能較快處理可用的小葉片。

探究除CO2濃度對光合作用強度影響外，探究其它因素對光合作用影響時，提供CO2用1%NaHCO3濃度較適宜，雖然在一定NaHCO3濃度范圍內，隨著NaHCO3濃度升高光合作用強度也增強但NaHCO3濃度升高了溶液的密度也增大，處理過的圓形小葉片下沉的難度也加大。由于學生首次進行處理的圓形小葉片有可能在1%NaHCO3溶液中小葉片可以下沉但在2%NaHCO3濃度就不會下沉。

在一節課內學生難以完成對影響光合作用三個環境因素的探究，可將學生分成三大組每一大組分為若干個小組，每一大組探究其中一個因素，最后每一大組結合本大組出現的問題和解決方法及得出的結論派代表在班上作匯報總結及分享實驗結果，如果在探究過程中出現新的問題如“處理后圓形小葉片在注射器能下沉到水底但倒入裝清水的小燒杯后會出現上浮”這些現象又可能激發學生好奇心理，排除操作中的問題后，通過仔細觀察和查找資料并分析討論，有可能小葉片上附著有小氣泡，如用攝子把附著在小葉片表面的小氣泡弄掉并把小葉片按入到水中后放開攝子，小葉片有可能又可以下沉了。學生在小組合作過程中既能培養合作探究精神又能感悟到科學探究的樂趣，該探究實驗雖然用時長但現象也很明顯，給學生帶來了視覺上震撼容易獲得成就感，增強了學習的自信心。

參考文獻

[1]朱正威、趙占良、何奕騉.普通高中教科書生物學必修1分子與細胞[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]黃麗娟.“CO2濃度對光合作用強度影響”的實驗改進[J].教育與裝備研究，2019（06）：36-39

[3]劉莉.用真空滲水法探究環境因素對光合作用的影響[J].生物學教學，2013（12）：52-53

作者簡介：林允杰（1970-）.男，漢族，福建閩侯，一級生物教師。主要從事生物實驗教學與研究。