細(xì)胞呼吸和光合作用相關(guān)實(shí)驗設(shè)計與分析屬于必考點(diǎn)，難度中等。命題時常以文字信息結(jié)合實(shí)驗設(shè)計進(jìn)行考查，主要考查實(shí)驗設(shè)計思路和文字語言表達(dá)能力，旨在考查學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。深化提素養(yǎng)1．(2021·廣東高考)秸稈的纖維素經(jīng)酶水解后可作為生產(chǎn)生物燃料乙醇的原料。生物興趣小組利用自制的纖維素水解液(含5%葡萄糖)培養(yǎng)酵母菌并探究其細(xì)胞呼吸(如圖)。下列敘述正確的是

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)A．培養(yǎng)開始時向甲瓶中加入重鉻酸鉀以便檢測乙醇生成B．乙瓶的溶液由藍(lán)色變成紅色，表明酵母菌已產(chǎn)生了CO2C．用甲基綠溶液染色后可觀察到酵母菌中線粒體的分布D．實(shí)驗中增加甲瓶的酵母菌數(shù)量不能提高乙醇最大產(chǎn)量解析：檢測乙醇的生成，應(yīng)取甲瓶中的濾液2mL注入試管中，再向試管中加入0.5mL溶有0.1g重鉻酸鉀的濃硫酸溶液，使它們混合均勻，觀察試管中溶液顏色的變化，A錯誤；CO2可以使溴麝香草酚藍(lán)水溶液由藍(lán)變綠再變黃，因此乙瓶的溶液不會變成紅色，B錯誤；

健那綠染液是專一性染線粒體的活細(xì)胞染料，可使活細(xì)胞中的線粒體呈現(xiàn)藍(lán)綠色，而細(xì)胞質(zhì)接近無色，因此用健那綠染液染色后可觀察到酵母菌中線粒體的分布，C錯誤；乙醇最大產(chǎn)量與甲瓶中葡萄糖的量有關(guān)，因甲瓶中葡萄糖的量是一定的，故實(shí)驗中增加甲瓶的酵母菌數(shù)量不能提高乙醇最大產(chǎn)量，D正確。答案：D

2．(2023·全國甲卷)某同學(xué)將從菠菜葉中分離到的葉綠體懸浮于緩沖液中，給該葉綠體懸浮液照光后有糖產(chǎn)生?；卮鹣铝袉栴}。(1)葉片是分離制備葉綠體的常用材料，若要將葉肉細(xì)胞中的葉綠體與線粒體等其他細(xì)胞器分離，可以采用的方法是__________(答出1種即可)。葉綠體中光合色素分布在__________上，其中類胡蘿卜素主要吸收________(填“藍(lán)紫光”“紅光”或“綠光”)。(2)將葉綠體的內(nèi)膜和外膜破壞后，加入緩沖液形成懸浮液，發(fā)現(xiàn)黑暗條件下葉綠體懸浮液中不能產(chǎn)生糖，原因是___________________________。(3)葉片進(jìn)行光合作用時，葉綠體中會產(chǎn)生淀粉。請設(shè)計實(shí)驗證明葉綠體中有淀粉存在，簡要寫出實(shí)驗思路和預(yù)期結(jié)果。解析：(1)一般采用差速離心法分離細(xì)胞器。葉綠體中吸收光能的色素分布在類囊體薄膜上。葉綠素主要吸收紅光和藍(lán)紫光，類胡蘿卜素主要吸收藍(lán)紫光。(2)糖是在光合作用的暗反應(yīng)階段產(chǎn)生的，暗反應(yīng)的進(jìn)行需要光反應(yīng)提供ATP和NADPH，而黑暗條件下，光反應(yīng)不能正常合成NADPH和ATP，因此不能正常合成糖。(3)淀粉遇碘顯藍(lán)色。葉綠體呈綠色，要證明葉綠體中有淀粉存在，需要將葉綠體進(jìn)行脫色處理，之后用碘液進(jìn)行檢測，實(shí)驗設(shè)計思路及結(jié)果詳見答案。答案：(1)差速離心法類囊體薄膜(或基粒)藍(lán)紫光(2)黑暗條件下不能產(chǎn)生還原三碳化合物所需要的還原型輔酶Ⅱ(NADPH)和ATP

(3)實(shí)驗思路：將照光和黑暗處理的葉綠體懸浮液離心得到葉綠體，分別記為A組和B組，之后將得到的葉綠體進(jìn)行脫色處理，向經(jīng)脫色處理的葉綠體滴加碘液，觀察顏色變化。預(yù)期結(jié)果：A組葉綠體變?yōu)樗{(lán)色，B組葉綠體不變色。3．(2019·全國卷Ⅱ，節(jié)選)通常，對于一個水生生態(tài)系統(tǒng)來說，可根據(jù)水體中含氧量的變化計算出生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物的總初級生產(chǎn)量(生產(chǎn)者所制造的有機(jī)物總量)。若要測定某一水生生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物的總初級生產(chǎn)量，可在該水生生態(tài)系統(tǒng)中的某一水深處取水樣，將水樣分成三等份，一份直接測定O2含量(A)；另兩份分別裝入不透光(甲)和透光(乙)的兩個玻璃瓶中，密閉后放回取樣處，若干小時后測定甲瓶中的O2含量(B)和乙瓶中的O2含量(C)。據(jù)此回答下列問題。在甲、乙瓶中生產(chǎn)者呼吸作用相同且瓶中只有生產(chǎn)者的條件下，本實(shí)驗中C與A的差值表示這段時間內(nèi)____________________；C與B的差值表示這段時間內(nèi)_____________________；A與B的差值表示這段時間內(nèi)______________________。解析：單位時間生產(chǎn)者制造有機(jī)物的量等于生產(chǎn)者積累有機(jī)物的量和呼吸量的總和。題述測量的三份水樣中A為對照，B為生產(chǎn)者進(jìn)行呼吸作用后剩余的氧氣量，C為生產(chǎn)者進(jìn)行光合作用和呼吸作用后玻璃瓶中的氧氣量；C與A的差值表示該段時間內(nèi)生產(chǎn)者凈光合作用的放氧量(或積累有機(jī)物的量)，A與B的差值表示該段時間內(nèi)生產(chǎn)者進(jìn)行呼吸作用消耗氧氣的量(或消耗有機(jī)物的量)，所以，C與B的差值[(C－A)＋(A－B)]表示該段時間內(nèi)生產(chǎn)者光合作用的總放氧量(或制造有機(jī)物的量)。答案：生產(chǎn)者凈光合作用的放氧量生產(chǎn)者光合作用的總放氧量生產(chǎn)者呼吸作用的耗氧量細(xì)胞呼吸和光合作用的實(shí)驗?zāi)康牟煌捎玫膶?shí)驗設(shè)計方法也不同。常見的實(shí)驗類型及方法主要有以下五種。(一)氣體體積變化法——測定光合作用O2增加的體積或CO2消耗的體積1．甲裝置在黑暗條件下植物只進(jìn)行細(xì)胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2，所以單位時間內(nèi)紅色液滴左移的距離表示植物的O2吸收速率，可代表呼吸速率。2．乙裝置在光照條件下植物進(jìn)行光合作用和細(xì)胞呼吸，由于NaHCO3溶液保證了容器內(nèi)CO2濃度的恒定，所以單位時間內(nèi)紅色液滴右移的距離表示植物的O2釋放速率，可代表凈光合速率。3．真正光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率。[提醒]物理誤差的校正：為防止氣壓、溫度等物理因素所引起的誤差，應(yīng)設(shè)置對照實(shí)驗，即用死亡的綠色植物分別進(jìn)行上述實(shí)驗，根據(jù)紅色液滴的移動距離對原實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行校正。[針對訓(xùn)練]1．下圖是某生物興趣小組探究不同條件下光合作用和呼吸作用過程中氣體產(chǎn)生情況的實(shí)驗示意圖，裝置中的NaHCO3溶液可維持瓶內(nèi)CO2濃度的恒定。下列幾種實(shí)驗結(jié)果中(給予相同的環(huán)境條件)，不可能出現(xiàn)的是

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)A．甲、乙裝置水滴都左移B．甲、乙裝置水滴都右移C．甲裝置水滴不動，乙裝置水滴左移D．甲裝置水滴右移，乙裝置水滴左移解析：乙裝置內(nèi)的NaOH吸收細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2，紅色液滴左移的距離表示青蛙的O2吸收速率，青蛙只進(jìn)行細(xì)胞呼吸而不進(jìn)行光合作用，故乙裝置內(nèi)的水滴只能左移，不能右移。答案：B

———————(二)黑白瓶法——測溶氧量的變化—————————1．“黑瓶”不透光，測定的是有氧呼吸量；“白瓶”給予光照，測定的是凈光合作用量。總光合作用量(強(qiáng)度)＝凈光合作用量(強(qiáng)度)＋有氧呼吸量(強(qiáng)度)。2．有初始值的情況下，黑瓶中O2的減少量(或CO2的增加量)為有氧呼吸量；白瓶中O2的增加量(或CO2的減少量)為凈光合作用量；二者之和為總光合作用量。3．在沒有初始值的情況下，白瓶中測得的現(xiàn)有量－黑瓶中測得的現(xiàn)有量＝總光合作用量。[針對訓(xùn)練]2．下表是采用黑白瓶(不透光瓶—可透光瓶)測定的夏季某池塘不同深度水體中初始平均氧濃度與24小時后平均氧濃度，并進(jìn)行比較計算后的數(shù)據(jù)。下列有關(guān)分析正確的是

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)A.水深1m處白瓶中水生植物24小時制造的O2為3g/m3B．水深2m處白瓶中水生植物不能進(jìn)行水的光解但能進(jìn)行C3的還原C．水深3m處白瓶中水生植物產(chǎn)生ATP的細(xì)胞器是葉綠體和線粒體D．水深4m處白瓶和黑瓶中的水生植物均不進(jìn)行光合作用水深/m1234白瓶中O2濃度/(g/m3)＋3＋1.50－1黑瓶中O2濃度/(g/m3)－1.5－1.5－1.5－1.5解析：黑瓶中所測得的數(shù)據(jù)表示瓶內(nèi)水生植物有氧呼吸耗氧量，為1.5g/m3，白瓶中所測得的數(shù)據(jù)表示凈光合作用放氧量。由分析可知，在水深1m處，白瓶中水生植物24小時制造的O2量為3＋1.5＝4.5(g/m3)，A錯誤；水深2m處白瓶中水生植物能進(jìn)行光合作用，也能進(jìn)行水的光解和C3的還原，B錯誤；水深3m處白瓶中水生植物凈光合作用為0，因此產(chǎn)生ATP的細(xì)胞器是葉綠體和線粒體，C正確；在水深4m處，白瓶中水生植物24小時制造的O2量為－1＋1.5＝0.5(g/m3)，能進(jìn)行光合作用，D錯誤。答案：C

———————(三)半葉法——測定光合作用有機(jī)物的產(chǎn)生量————1．本方法又叫半葉稱重法，即檢測單位時間、單位葉面積干物質(zhì)產(chǎn)生總量，常用于大田農(nóng)作物的光合速率測定。2．在測定時，葉片一半遮光，一半曝光，分別測定兩半葉的干物質(zhì)重量，進(jìn)而計算葉片的真正光合速率、呼吸速率和凈光合速率。[針對訓(xùn)練]3.如圖所示，將對稱葉片左側(cè)遮光，右側(cè)曝光，并采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄗ柚箖刹糠种g的物質(zhì)轉(zhuǎn)移。在適宜光照下照射6小時后，從兩側(cè)截取同等面積的葉片，烘干稱重，分別記為a和b。下列相關(guān)敘述正確的是

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)A．a(chǎn)/6所代表的是該葉片的呼吸速率B．b/6所代表的是該葉片的光合速率C．(b＋a)/6所代表的是該葉片的凈光合速率D．(b－a)/6所代表的是該葉片的真正光合速率解析：根據(jù)題意可知，左側(cè)葉片遮光，則左側(cè)葉片只進(jìn)行呼吸作用，假設(shè)被截取同等面積的葉片重為x，a代表遮光6小時后被截取的葉片烘干后的重量，則該葉片的呼吸速率為(x－a)/6，A錯誤；該葉片的光合速率是指真正光合速率，b－x表示該段時間內(nèi)該葉片的凈光合作用，其凈光合速率為(b－x)/6，而真正光合速率＝呼吸速率＋凈光合速率＝(x－a)/6＋(b－x)/6＝(b－a)/6，B、C錯誤，D正確。答案：D

———————(四)葉圓片稱重法——測定有機(jī)物的變化量—————1．操作圖示本方法通過測定單位時間、單位面積葉片中淀粉的生成量，如圖所示以有機(jī)物的變化量測定光合速率(S為葉圓片面積)。2．結(jié)果分析凈光合速率＝(z－y)/2S；呼吸速率＝(x－y)/2S；總光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。[針對訓(xùn)練]4．某同學(xué)欲測定植物葉片葉綠體的光合速率[單位：g/(cm2·h)，不考慮取葉圓片后對葉片生理活動的影響和溫度微小變化對葉片生理活動的影響]，做如圖所示實(shí)驗：在葉柄基部做環(huán)剝處理(僅限制葉片有機(jī)物的輸入和輸出)，于不同時間分別在同一葉片上陸續(xù)取下面積為1cm2的葉圓片烘干后稱其重量，M處的實(shí)驗條件是16時后將整個實(shí)驗裝置遮光3h。則測得葉片葉綠體的光合速率是

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)A．(3y－2z－x)/6 B．(3y－2z－x)/3C．(2y－x－z)/6 D．(2y－x－z)/3解析：分析題意可知，10時到16時之間的6h，植物既進(jìn)行光合作用，也進(jìn)行呼吸作用，因此其重量變化表示的是凈光合作用量，則凈光合速率＝凈光合作用量/6＝(y－x)/6；而M處的實(shí)驗條件是16時后將整個實(shí)驗裝置遮光3h，此時葉片只進(jìn)行呼吸作用，因此可以計算出呼吸速率＝(y－z)/3；因此總光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率＝(y－x)/6＋(y－z)/3＝(3y－2z－x)/6。答案：A

———————(五)間隔光照法——比較有機(jī)物的合成量———————1．光反應(yīng)和暗反應(yīng)在不同酶的催化作用下相對獨(dú)立進(jìn)行，由于催化暗反應(yīng)的酶的催化效率和數(shù)量都是有限的，因此在一般情況下，光反應(yīng)的速率比暗反應(yīng)快。2．持續(xù)光照，光反應(yīng)產(chǎn)生的大量的NADPH和ATP不能及時被暗反應(yīng)消耗，暗反應(yīng)限制了光合作用的速率，降低了光能的利用率。3．但若光照、黑暗交替進(jìn)行，則黑暗間隔有利于充分利用光照時積累的光反應(yīng)的產(chǎn)物，因此在光照強(qiáng)度和光照時間不變的情況下，制造的有機(jī)物相對多。[針對訓(xùn)練]5．科研人員利用“間隙光”來測定沙棘的光合作用，每次光照20