一種實驗裝置在探究光合作用和呼吸作用中的應用及解析

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容之一。尤其是當知識與圖形聯(lián)系、與實驗探究聯(lián)系時。以實驗探究為例，題目中經(jīng)常會遇見一種實驗裝置，當變換相關條件或實驗材料，即可在測定光合作用強度和呼吸作用強度之間變化自如。

例1：某生物興趣小組為探究某植物光合強度和呼吸強度，設計了如圖裝置進行實驗。假設實驗期間均處于適宜且相對穩(wěn)定的環(huán)境條件下。請分析回答有關問題：

（1）實驗一：測定植物呼吸作用強度時，向燒杯中加入________（NaHCO3/NaOH溶液）。將裝置置于____________條件下。1小時后裝置中紅墨水滴向左移動，原因是________________。讀取移動刻度為2 cm。

（2）實驗二：測定植物凈光合作用強度時，向燒杯中加入______（NaHCO3/NaOH溶液）。將裝置置于_____條件下。1小時后裝置紅墨水滴移動的方向是______，移動刻度為10 cm。

（3）根據(jù)上述實驗。假設紅墨水滴每移動1 cm，植物體內的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；給予光照12小時，黑暗12小時，則24小時葡萄糖的積累量是________ g。

【解析】：（1）測定植物呼吸強度時應避免光合作用產(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。從而內部氣體減少導致墨水滴左移，其刻度可以表示氧氣消耗量。

（2）測定光合作用強度時，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)生氧氣導致容器內氣體體積增加，從而液滴右移，右移的刻度即可表示氧氣釋放量，進而表示凈光合速率。

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

【點評】：（1）上述裝置測定植物呼吸速率時，表示呼吸速率的指標是單位時間內液滴左移的體積。其原因是由于植物進行細胞呼吸吸收氧氣，釋放二氧化碳，二氧化碳被NaOH溶液吸收，使容器內氣壓下降，毛細管內的水滴左移。

（2）上述裝置測定植物凈光合速率時，表示凈光合速率的指標是單位時間內液滴右移的刻度。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，給予適宜的光照強度，植物的光合作用強度大于呼吸作用強度，植物釋放氧氣，使容器內氣壓增大，毛細管內的液滴右移。但是若實驗過程中給予的光照強度比較弱，則液滴將左移。

例2：某同學為了測定某種植物種子的呼吸作用類型，（假設呼吸底物只有葡萄糖且不考慮外界條件的影響），某同學設計甲乙兩個實驗裝置如圖，兩裝置中種子等量。請完善下面的結果預測：

（1）若甲液滴左移，乙液滴不動，則 。

（2）若甲液滴不動，乙液滴右移，則 。

（3）若甲液滴左移，乙液滴右移，則 。

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

擴充：裝置的氣壓變化，也可能是由溫度等物理因素導致。為使測定結果更準確，應設置對照試驗，以校正物理因素對實驗結果造成的誤差。此時，對照實驗裝置與原呼吸裝置相同，但應將所測生物滅活，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）。