2020年高考生物二轮专项提升专题4.1 光合作用和呼吸作用(疑难突破)(原卷版)

专题4.1 光合作用和呼吸作用疑难突破
1．(2015·全国Ⅰ，29)为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。

各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135 s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。

处理方法和实验结果如下：A组：先光照后黑暗，时间各为67.5 s；光合作用产物的相对含量为50%。

B组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5 s；光合作用产物的相对含量为70%。

C组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75 ms(毫秒)；光合作用产物的相对含量为94%。

D组(对照组)：光照时间为135 s；光合作用产物的相对含量为100%。

回答下列问题：
(1)单位光照时间内，C组植物合成有机物的量________(填“高于”“等于”或“低于”)D组植物合成有机物的量，依据是__________________________________；C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要________，这些反应发生的部位是叶绿体的________。

(2)A、B、C三组处理相比，随着____________________________________________________
的增加，使光下产生的________________能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。

2.(2018·全国Ⅱ，30)为了研究某种树木树冠上下层叶片光合作用的特性，某同学选取来自树冠不同层的A、B两种叶片，分别测定其净光合速率，结果如图所示。

据图回答问题：
(1)由图可知，A叶片是树冠________(填“上层”或“下层”)的叶片，判断依据是________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。

(2)光照强度达到一定数值时，A叶片的净光合速率开始下降，但测得放氧速率不变，则净光合速率降低的
主要原因是光合作用的________反应受到抑制。

(3)若要比较A、B两种新鲜叶片中叶绿素的含量，在提取叶绿素的过程中，常用的有机溶剂是________。

3．(2017·全国Ⅱ，29)下图是表示某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。

据图回答下列问题：
(1)图中①、②、③、④代表的物质依次是____________、____________、____________、____________，
[H]代表的物质主要是______________________。

(2)B代表一种反应过程，C代表细胞质基质，D代表线粒体，则ATP合成发生在A过程，还发生在________(填“B和C”“C和D”或“B和D”)。

(3)C中的丙酮酸可以转化成酒精，出现这种情况的原因是_____________________________。

一、光合作用与细胞呼吸中物质和能量的转化关系
1.光合作用与细胞呼吸过程关系图
2.光合作用与细胞呼吸过程中ATP的来源、去路分析
3.绿色植物体内物质转化过程
4.绿色植物体内能量转移过程：
二、影响光合作用的因素及在生产实践上的应用
1.内部因素
(1)与植物自身的遗传性有关，如阴生植物、阳生植物。

(2)植物叶片的叶龄、叶面积指数也会制约光合作用。

2.外部因素
(1)光照强度
曲线分析：光合作用发生于叶绿体中，有氧呼吸主要发生于线粒体中，二者可同时进行，但随光照强度变化状况，叶绿体及线粒体中气体移动存在下列几种类型：
(2)CO2浓度
曲线分析：在一定范围内，随CO2浓度的增大，光合作用强度增加。

在A点时，光合作用吸收的CO2量等于细胞呼吸释放的CO2量，称为CO2补偿点。

在B点时光合作用强度达到最大值，称为CO2饱和点。

C3植物的CO2补偿点高于C4植物。

(3)温度
曲线分析：温度是通过影响与光合作用有关酶的活性而影响光合作用速率的。

应用：冬天，温室栽培可适当提高温度；夏天，温室栽培可适当降低温度。

白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用速率；晚上适当降低温室温度，以降低细胞呼吸，保证有机物的积累。

(4)必需矿质元素
曲线表述的含义：在一定浓度范围内，增大必需矿质元素的供应，可提高光合作用速率，但当超过一定浓度后，会因土壤溶液浓度过高而导致植物光合作用速率下降。

3.多因子影响
关键点的含义：P点时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随其因子的不断加强，光合速率不断提高。

当到Q点时，横坐标所表示的因素不再是限制光合速率的因子，要想提高光合速率，可采取适当措施提高图示的其他因子。

三、影响细胞呼吸的因素及其在生产、生活实践中的应用
1.内部因素
根本原因是受自身的遗传物质所决定的，表现为：
(1)不同植物呼吸速率不同。

(2)同一植物不同部位呼吸速率不同。

(3)同一植物不同生长发育期呼吸速率不同。

2.外部因素
(1)呼吸速率与温度的关系(如图)
温度影响酶的活性，进而影响细胞呼吸。

最适温度时，细胞呼吸最强，超过最适温度，呼吸酶活性降低，甚至变性失活，呼吸受抑制；低于最适温度，酶活性下降，呼吸受抑制。

(2)呼吸速率与O2浓度的关系(如图)
原理：O2浓度为零时只进行无氧呼吸，浓度大于零但在m以下，既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸，浓度为m以上，只进行有氧呼吸。

(3)呼吸速率与含水量的关系(如图)
原理：在一定范围内，细胞呼吸强度随含水量的增加而加强，随含水量的减少而减弱。

四、细胞呼吸作用、光合作用的测定装置及相关实验设计
1.细胞呼吸作用的测定装置及相关实验设计
(1)测定装置
测定细胞呼吸作用或呼吸类型常采取U型管液面升降或玻璃管液滴移动的观察法，即在广口瓶或锥形瓶内放入被测生物(活种子或植物或动物)，通过生物呼吸过程中释放CO2或吸收O2引起的气压变化，而推测或计算生物的呼吸状况，装置如图所示。

由于生物呼吸时既产生CO2又消耗O2，前者可引起装置内气压升高，而后者则引起装置内气压下降，为便于测定真实呼吸情况。

应只测其中一种气体变化情况。

为此，测定过程中，往往采用NaOH或KOH溶液吸收掉呼吸所产生的CO2，这样，整个装置中的气压变化，只能因吸收O2所引起，从而排除CO2对气压的干扰。

(2)对照实验的设计
①物理误差的校正：由于装置的气压变化，也可能会由温度等物理因素所引起，为使测定结果更准确，应设置对照实验，以校正物理膨胀等因素对实验结果造成的误差。

此时，对照实验装置与呼吸装置相比，应将所测生物灭活，如将种子煮熟，而其他各项处理应与实验组完全一致(包括NaOH溶液，所用种子数量，装置瓶及玻璃管的规格等)。

②呼吸类型的确认：欲测定与确认某生物的呼吸类型，应设置两套呼吸装置。

两套呼吸装置中设置单一变量，即用等量的蒸馏水取代实验组的NaOH，其他所有项目均应一致，加蒸馏水的装置内气压变化应由CO2与O2共同决定。

两套装置可如图所示，当然，此时仍有必要设置另一组作误差校正之用。

③结果与分析
a.若装置1液滴左移，装置2液滴不动，则表明所测生物只进行有氧呼吸(因有氧呼吸产生CO2与消耗O2量相等)。

b.若装置1液滴不动，装置2液滴右移，则表明所测生物只进行无氧呼吸(因无氧呼吸只产CO2，不消耗O2)。

c.若装置1液滴左移，装置2液滴右移，则表明该生物既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸(因两种呼吸作用共存时呼吸放出的CO2量应高于O2消耗量)。

(3)注意事项
①校正物理误差时应将生物处死，但测呼吸类型时应用活生物(如两组装置均用活种子)，只是将单一变量改为是否用NaOH溶液吸收掉CO2。

②用植物进行呼吸测定时，应避免光合作用吸收CO2与释放O2对装置气压的干扰，因而有必要对整个装置进行遮光处理，以防光合作用的影响。

③若乳酸菌进行呼吸，则既不耗O2，也不产生CO2。

④若用脂肪含量高的种子如油菜种子做测定实验，则液滴移动更明显(因其耗O2量更大)。

⑤为防止微生物呼吸对实验结果的干扰，应将装置及所测种子进行消毒处理。

2.光合作用的测定装置及相关实验设计
(1)测定装置
植物光合作用速率的测定通常也选用上图测定细胞呼吸作用的装置，但需用绿色植物作为被研究的生物，且将NaOH溶液更换为NaHCO3溶液(持续提供CO2，保持空间CO2浓度相对稳定)，同时给予适宜的光照。

装置中绿色植物光合作用产生的O2可使玻璃管内的小液滴右移。

实验过程中NaHCO3溶液持续释放CO2，排除了因空间CO2量的变化而对实验结果造成的干扰。

(2)对照实验的设计
①物理误差的校对
由于装置的气压变化，也可能会由温度等物理因素所引起，为使测定结果更趋准确，应设置对照实验，以校正物理膨胀等因素对实验结果造成的误差。

此时，对照组装置与实验组装置相比，应改用死的绿色植物，而其他各项处理应与实验组完全一致。

②呼吸速率误差校对
由于以上装置测得的为表观光合速率，所以，需对该植物的呼吸速率进行测定。

五、外界条件变化时，C5、C3、[H]、ATP等物质的量的变化模式图
1.光照强度的变化
2.CO2浓度变化
3.自然环境及密闭容器中植物光合作用曲线及分析（填空）
(1)自然环境中一昼夜植物光合作用曲线：
①开始进行光合作用的点：_________。

②光合作用与呼吸作用相等的点：______。

③开始积累有机物的点：______。

④有机物积累量最大的点：______。

(2)密闭容器中一昼夜植物光合作用曲线：
①光合作用强度与呼吸作用强度相等的点：_____________。

②该植物一昼夜表现为生长，其原因是_______________________，说明一昼夜密闭容器中CO2浓度_______，即_____________________________________，植物生长。

4.从光合速率与呼吸速率之间的关系角度分析
(1)图解光合速率与呼吸速率的关系：
总光合作用、净光合作用和细胞呼吸关系一点通
细胞呼吸强度是绿色植物组织在黑暗条件下测得的数值(O2消耗量，或CO2产生量，或有机物消耗量)；净光合作用是绿色植物组织在一定光照条件下测得的数值(O2释放量，或CO2吸收量，或有机物积累量)。

由图可知，总光合作用＝净光合作用＋细胞呼吸。

(2)图示分析：
①图1中三种速率的表示方法和测定方法：
②图2中面积与合成、消耗有机物的关系： S 1+S 3：呼吸作用消耗有机物量； S 2+S 3：光合作用产生有机物总量；
S 2-S 1：O —D 时，光合作用净积累有机物量。

六、光补偿点、光饱和点及其移动问题
1.光补偿点的两种生理状态
整个植株：光合作用强度=呼吸作用强度 叶肉细胞：光合作用强度>呼吸作用强度
2.环境条件改变与光补偿点、光饱和点移动方向的关系 (1)光补偿点的移动：
①呼吸速率增加，其他条件不变时，光补偿点应右移。

反之左移。

②呼吸速率基本不变，相关条件的改变使光合速率下降时，光补偿点应右移，反之左移。

(2)光饱和点的移动：相关条件的改变（如增大CO 2浓度）使光合速率增大时，光饱和点C 应右移（C’点右上移），反之左移（C’点左下移）。

七、叶圆片称重法
1.测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量，如图所示以有机物的变化量测定光合速率（S 为叶圆片面积）
净光合速率=__________________________。

呼吸速率=__________________________。

总光合速率=__________________________。

2.半叶法
将植物对称叶片的一部分（A）遮光，另一部分（B）则留在光下进行光合作用（即不做处理），并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。

一定时间后，在这两部分叶片的对应部位截取同等面积的叶片，分别烘干称重，记为M A、M B，开始时二者相应的有机物含量应视为相等，照光后的叶片重量大于暗处的叶片重量，超过部分即为光合作用产物的量，再通过计算可得出光合速率。

八、高考常考的4个经典实验分析
1.普利斯特利实验：缺乏对照实验，实验结果说服力不强。

应将点燃的蜡烛和小鼠分别单独置于含同一种但却死亡的植物的玻璃罩内，作为空白对照。

2.普利斯特利没有认识到光在植物更新空气中的作用。

3.萨克斯实验：①对照类型为自身对照，自变量为光的有无，因变量为颜色变化(有无淀粉生成)，实验组是遮光处理组，对照组为曝光处理组。

②该实验的关键是要进行饥饿处理，以使叶片中的营养物质消耗掉，增强实验的说服力。

4.恩格尔曼实验中
①将临时装片放在黑暗和无空气的环境中是为了排除环境中光线和O2的影响。

②设置细光束和好氧菌的好处：能够准确判断出水绵细胞中产生氧气的部位。

5.鲁宾和卡门实验中
①应用同位素标记法追踪CO2和H2O中的O元素在光合作用中的转移途径。

②此实验设置了对照，自变量是标记物质即H182O和C18O2，因变量是释放的O2有无放射性。

九、叶绿体中色素的提取和分离实验
1.注意事项及操作目的归纳
2.在滤纸纸条一端剪去两角的目的
防止层析液在滤纸条的边缘扩散过快而形成弧形色素带。

3.叶绿体色素提取分离实验异常现象分析
(1)收集到的滤液绿色过浅的原因分析
①未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。

②使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)太少。

③一次加入大量的无水乙醇，提取浓度太低(正确做法：分次加入少量无水乙醇提取色素)。

④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。

(2)滤纸条色素带重叠
滤纸条上的滤液细线接触到层析液。

(3)滤纸条看不到色素带
①忘记画滤液细线。

②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。

(4)滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带。

忘记加碳酸钙致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶”
4.(1)从色素带的宽度可推知色素含量的多少；
(2)从色素带的位置可推知色素在层析液中溶解度的大小；
(3)在滤纸上距离最近的两条色素带是叶绿素a与叶绿素b，距离最远的两条色素带是胡萝卜素与叶黄素。

十、酵母菌细胞呼吸方式的探究
1.装置及相关解读
2.实验成功关键点分析
①实验装置：甲组探究酵母菌的有氧呼吸，乙组探究酵母菌的无氧呼吸。

②a瓶内液体是质量分数为10%的NaOH溶液，其作用是吸收空气中的CO2，以排除其对实验结果的干扰。

③图中可检测到CO2的为c、e，相比而言，c中CO2产生量既多又快。

④图中可检测到酒精的只有d。

⑤实验现象
⑥实验结论：酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。

在有氧条件下产生的CO2多且快，在无氧条件下进行细胞呼吸能产生酒精，还产生少量CO2。

3.细胞呼吸探究实验成功的关键点
进行探究酵母菌的呼吸方式实验时，实验前必须检验装置的气密性，一般情况下，实验失败的原因就
是装置封闭不严，导致细胞呼吸产生的CO2不能全部通入澄清石灰水中。

1．(2019·潍坊模拟)有一瓶含有酵母菌的葡萄糖培养液，当通入不同浓度的O 2时，其产生的酒精和CO 2的物质的量如图所示。

据图中信息推断，错误的是( )
A ．当O 2浓度为a 时，酵母菌没有有氧呼吸，只有无氧呼吸
B ．当O 2浓度为b 和d 时，酵母菌细胞呼吸的过程有所不同
C ．当O 2浓度为c 时，有2/5的葡萄糖用于酵母菌的酒精发酵
D ．a 、b 、c 、d 不同氧浓度下，细胞都能产生[H]和ATP
ATP↓，ADP↑，C3↑，C5↓，分析如下：
不再产生
ATP仍继续分解，直至全⇒ADP积累，含量增加；例3．(2019·山西大学附属中学模拟)如图表示某植物叶片暗反应中
C 3和C 5微摩尔浓度的变化趋势，该植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下，Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度或者降低CO 2浓度中的某一项。

下列分析正确的是( ) A ．图中物质甲转变成乙需要消耗光反应提供的ATP B ．图中Ⅱ阶段所改变的环境条件是降低了光照强度 C ．Ⅱ阶段甲上升是因为叶绿体中[H]和A TP 的积累
D ．Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低
例4、(2018·全国卷Ⅲ)回答下列问题：
(1)高等植物光合作用中捕获光能的物质分布在叶绿体的______________上，该物质主要捕获可见光中的______________。

(2)植物的叶面积与产量关系密切。

叶面积系数(单位土地面积上的叶面积总和)与植物群体光合速率、呼吸速率及干物质积累速率之间的关系如图所示。

由图可知：当叶面积系数小于a 时，随叶面积系数增加，群体光合速率和干物质积累速率均________。

当叶面积系数超过b 时，群体干物质积累速率降低，其原因是___________________________________________________________________________________________。

(3)通常，与阳生植物相比，阴生植物光合作用吸收与呼吸作用放出的CO 2量相等时所需要的光照强度______(填“高”或“低”)。

1．(2019·全国Ⅰ，29)将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理，该植物根细胞中溶质浓度增大，叶片中的脱落酸(ABA)含量增高，叶片气孔开度减小。

回答下列问题： (1)经干旱处理后，该植物根细胞的吸水能力________。

(2)与干旱处理前相比，干旱处理后该植物的光合速率会________，出现这种变化的原因是_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。

(3)有研究表明：干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。

请以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料，设计实验来验证这一结论。

要求简要写出实验思路和预期结果。

【解题指导】光合作用相关实验大多结合光合作用的原料、产物、场所和条件展开。

解答此类题目时，要重点注意变量的控制。

(1)需要根据实验目的确定实验自变量
如“验证光合作用需要CO2”的实验中，自变量为CO2的有无，因此，需设置一组有CO2，另一组无CO2。

(2)依据不同的实验材料和方法确定因变量(观察对象)
如①水生植物可以用气泡的产生量或产生速率为观察对象；②离体叶片若事先沉入水底，可以用单位时间内上浮的叶片数目为观察对象；③植物体上的叶片，可以用指示剂(如碘液)处理后叶片颜色的变化为观察对象；④水绵作为实验材料时要借助显微镜，以好氧细菌的分布情况为观察对象。

(3)严格控制无关变量：除了自变量不同外，无关变量要保持相同且适宜。

2．(2017·全国Ⅰ，30)植物的CO2补偿点是指由于CO2的限制，光合速率与呼吸速率相等时环境中的CO2浓度。

已知甲种植物的CO2补偿点大于乙种植物的，回答下列问题：
(1)将正常生长的甲、乙两种植物放置在同一密闭小室中，适宜条件下照光培养，培养后发现两种植物的光合速率都降低，原因是_______________________________________________
_______________________________________________________________________________，甲种植物净光合速率为0时，乙种植物净光合速率________(填“大于0”“等于0”或“小于0”)。

(2)若将甲种植物密闭在无O2、但其他条件适宜的小室中，照光培养一段时间后，发现植物的有氧呼吸增强，原因是___________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。

【解题指导】原因原理分析类的长句解答题是近年全国卷考查的重要题型，难度较大，解答时不容易得全分。

主要失分在表达不全，逻辑不严谨，语言不规范等方面。

利用“因果搭桥法”可以避免这些问题：首先审题，找出因和果，也就是在什么条件下出现了什么现象，然后利用生物学知识顺序搭桥完整逻辑链条，类似于：“因为……，所以……；又因为……，所以……”，如例题中(1)题，结合题干信息可能给出的答案有：答案1：密闭小室中CO2的浓度降低(前后不搭，比较突兀，也就给1分)
答案2：光合作用吸收CO2使密闭小室中CO2的浓度降低(没有描述光合作用和呼吸作用的关系，最多给2分)
合理的解答思路是：分析“因”是“适宜条件下照光培养”，“果”是“植物的光合速率都降低”，结合“密闭小室”的条件组织思路进行搭桥：
得出满分答案：植物在适宜光照下，光合作用吸收CO2的量大于呼吸作用释放CO2的量，使密闭小室中CO2浓度降低，影响了光合作用的暗反应，光合速率也随之降低。

同样根据此方法完成例题中的(2)小题，可以避免遗漏“O2与有机物分解产生的[H]发生反应形成水是有氧呼吸的一个环节”这个要点。

3．(2015·海南高考)植物甲与植物乙的净光合速率随叶片温度(叶温)变化的趋势如图所示。

下列叙述错误的是()
A．植物甲和乙光合作用所需要的能量都来自于太阳能
B．叶温在36～50 ℃时，植物甲的净光合速率比植物乙的高
C．叶温为25 ℃时，植物甲的光合与呼吸作用强度的差值不同于植物乙的
D．叶温为35 ℃时，甲、乙两种植物的光合与呼吸作用强度的差值均为0
【解题指导】解答本题的关键是正确审读曲线信息，将曲线信息转换为文字信息。

由曲线可知36～50 ℃时，植物甲的净光合速率大于乙，叶温25 ℃植物甲的净光合速率小于乙，叶温为35 ℃时甲、乙的净光合速率均大于0，只要读懂这些信息，此题就会迎刃而解。

4．(2016·全国卷Ⅱ)BTB是一种酸碱指示剂。

BTB的弱碱性溶液颜色可随其中CO2浓度的增高而由蓝变绿再变黄。

某同学为研究某种水草的光合作用和呼吸作用，进行了如下实验：用少量的NaHCO3和BTB加水配制成蓝色溶液，并向溶液中通入一定量的CO2使溶液变成浅绿色，之后将等量的浅绿色溶液分别加入到7支试管中。

其中6支加入生长状况一致的等量水草，另一支不加水草，密闭所有试管。

各试管的实验处理和结果见下表。

*遮光是指用黑纸将试管包裹起来，并放在距日光灯100 cm的地方
若不考虑其他生物因素对实验结果的影响，回答下列问题：
(1)本实验中，50 min后1号试管的溶液是浅绿色，则说明2至7号试管的实验结果是由________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
引起的；若1号试管的溶液是蓝色，则说明2至7号试管的实验结果是____________(填“可靠的”或“不可靠的”)。

(2)表中X代表的颜色应为________(填“浅绿色”“黄色”或“蓝色”)，判断依据是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

(3)5号试管中的溶液颜色在照光前后没有变化，说明在此条件下水草________________________________________________________________________。

【解题指导】解答植物光合作用类问题时，要综合考虑光合作用和呼吸作用。

结合本题描述时要答出溶液颜色没有变化的原因是光合作用强度等于呼吸作用强度，CO2的吸收和释放量相等，含量没有发生变化。

5．(2019·南京、盐城5月模拟)图1表示某绿色植物叶肉细胞，其中a～d代表生理过程，①～④代表物质。

图2表示光合作用过程中产生过剩[H](NADPH)转运至细胞质基质的过程。

据图回答下列问题：
(1)图1中，过程a进行的场所是___________________________________________________，产生ATP的生理过程有__________(用图中字母表示)。

(2)图1中，物质③是________，液泡中的①参与过程d至少要穿过__________层磷脂分子层。

(3)据图2推测，磷酸甘油酸属于__________化合物，叶绿体中磷酸二羟丙酮的主要作用是______________________________。

(4)在适宜温度下用图3装置测定植物的实际光合速率。

在适宜光照条件下有色液滴右移，距离为m；黑暗
条件下有色液滴左移，距离为n，则该植物的实际光合速率可表示为__________(用字母表示)。

有同学认为，以上测量结果仍有误差，排除装置气密性、气压等因素外，还可能的原因有_________________________________________________________。

【解题指导】此题前三小题考查比较基础在人教版必修①教材P94“相关信息”中有明确解释，因此在复习中只有对教材知识全面复习才不至于形成知识空缺。

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