資源簡介

第五章 綠色植物與生物圈中的碳—氧平衡
3.5.1 光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣
生物的呼吸和燃料的燃燒都會消耗大氣中的氧氣，排出大量的二氧化碳。
1. 光合作用利用二氧化碳作為原料
光合作用的發現史：
①亞里士多德：
古希臘哲學家亞里士多德認為“植物的根是一張嘴，植物生活和生長所需的一切物質都是通過根吸收土壤汁得到的”
亞里士多德認為：植物增加的質量=土壤減少的質量
②海爾蒙特實驗:
比利時科學家海爾蒙特曾經做過一個著名的實驗，他把一顆2.5千克的柳樹苗種在木桶里，每天用雨水澆灌。5年后，柳樹質量增加了70多千克，而土壤只減少了不到100克。海爾蒙特認為這是因為柳樹除吸收了土壤中少量無機鹽外，還吸收了大量的水，水是合成柳樹體內有機物的原料。想一想，他是否忽略了其他因素呢？
海爾蒙特認為：推測植物生長所需要物質主要來源于水
海爾蒙特實驗局限性：關注了水的因素卻忽略了氣孔可以吸收二氧化碳、還有無機鹽或蒸騰作用散失的水的因素
③黑爾斯實驗：
1727年，英國植物學家黑爾斯在重復海爾蒙特的實驗時做了進一步量化，他推斷空氣可以被植物吸收，是用于制造其生長所需要物質的原料
黑爾斯認為：推測空氣是光合作用的原料
④普利斯特利實驗：
1771年，英國化學家普利斯特利設計的實驗。
實驗步驟：
甲圖：他把一只點燃的蠟燭放到密閉的玻璃罩里，蠟燭不久就熄滅了。
乙圖：他把一只小白鼠放到密閉的玻璃罩里，小白鼠很快也死去了
丙圖：他把一盆植物和一只點燃的蠟燭一同放到一個密閉的玻璃罩里。他發現蠟燭沒有熄滅
丁圖：他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到一個密閉的玻璃罩里。他發現小白鼠也能夠正常地活著
實驗講解：
第一組：
哪組能形成對照實驗？甲和丙
對照組是哪組？甲
實驗組是哪組？丙
單一變量是什么？綠色植物
結論：綠色植物可以更新由于蠟燭燃燒而變污濁的空氣
第二組：
哪組能形成對照實驗？乙和丁
對照組是哪組？乙
實驗組是哪組？丁
單一變量是什么？綠色植物
結論：綠色植物可以更新由于動物呼吸而變污濁的空氣
因此，該實驗結論是：綠色植物可以更新由于蠟燭燃燒或者動物呼吸而變污濁的空氣
普利斯特利實驗局限性：光在植物更新空氣中的作用；限于當時發展水平的限制，沒有明確植物更新的氣體是什么，現在我們知道氧氣是光合作用的產物。
⑤化學家們發現氧氣
⑥英格豪斯的實驗：
荷蘭科學家英格豪斯發現綠色植物只有在光下才能夠更新空氣，而且也只有植物的綠色部分才有這種作用。1779年，他出版了《植物實驗：發現植物在陽光下凈化空氣的巨大能力以及夜間和陰天對這種能力的破壞》，奠定了之后光合作用研究的基礎
英格豪斯發現：光合作用的條件是光
⑦塞內比爾的實驗：
瑞士牧師塞內比爾通過實驗確證二氧化碳是光合作用必需的原料，他在1782年提出，植物在光照下吸收二氧化碳的同時會放出氧氣
塞內比爾證明：光合作用吸收二氧化碳的同時釋放氧氣
⑧索緒爾實驗：
1804年，瑞士科學家索緒爾發現，植物光合作用后增加的質量大于植物吸收二氧化碳和放出氧氣的質量差，由此推斷水也是光合作用的原料
索緒爾推斷：水也是光合作用的原料
⑨梅耶實驗：
1845年，德國科學家梅耶，根據能量轉化和守恒定律明確指出，植物在進行光合作用時，把光能轉化為化學能
梅耶認為：光能能轉化為化學能
⑩薩克斯實驗：
1864年，德國植物學家薩克斯的實驗證明了光合作用可以產生淀粉
步驟：暗處理→光照→酒精脫色→漂洗→碘蒸氣處理
薩克斯證明：綠葉在光下可以產生淀粉
暗處理作用：將植物中原有的有機物轉運或消耗掉
酒精作用：脫去葉片中的葉綠素
碘液作用：檢驗光合作用是否產生淀粉
碘液遇什么物質變藍？淀粉
恩格爾曼實驗：
1881年德國植物學家恩格爾曼開創了利用微生物研究植物光合作用的新方法，證明了光合作用的場所是葉綠體
恩格爾曼的水綿實驗：
實驗步驟：
將載有水綿和好氧細菌的臨時裝片放在沒有空氣的黑暗環境中；用極細的光束照射水綿
通過顯微鏡觀察好氧細菌集中在葉綠體被照亮部位，而這些沒有被極細的光束照亮的部位，是很少有這種細菌的
實驗結論：光合作用的場所是葉綠體，同時證明植物在光下能產生氧氣
魯賓和卡門實驗：
1941年，美國科學家魯賓和卡門利用同位素標記法進行探究，證明了光合作用的氧氣來自水
魯賓和卡門證明：光合作用釋放的氧氣來自水
卡爾文實驗：
美國科學家卡爾文通過同位素標記法標記二氧化碳中的碳元素，最終探明了二氧化碳在光合作用中轉化成有機物中碳的途徑，這一途徑被稱為卡爾文循環
卡爾文發現：光合作用中碳元素的途徑——卡爾文循環
探究二氧化碳是光合作用必須的原料嗎
探究實驗步驟：
提出問題：二氧化碳是光合作用必需的原料嗎？
作出假設：二氧化碳是光合作用必需的原料
制定計劃：
探究實驗的變量是？
如何設計對照實驗？
怎樣在實驗中去除二氧化碳？
如何驗證光合作用是否進行？
設計思路：
明確變量：二氧化碳（變量的選擇和探究的問題相聯系）
如何設計對照實驗：設計兩組裝置，一組有二氧化碳，一組沒有二氧化碳；其他條件都要保持一致（利用氫氧化鈉溶液能夠吸收二氧化碳的原理，設計變量為二氧化碳的對照實驗：探究二氧化碳是光合作用必需的原料嗎？）
去除二氧化碳：借鑒普利斯特利實驗控制空氣流動的方法，將植物用玻璃鐘罩罩起來，隔絕空氣，不讓二氧化碳進入實驗裝置內，放置氫氧化鈉溶液，這樣有一組實驗裝置中就形成了無二氧化碳的條件
如何驗證光合作用是否進行：參考“綠葉在光下制造有機物”的實驗方案
實驗裝置：甲：實驗組；乙：對照組
方法步驟：
取甲乙兩個玻璃鐘罩，放入兩盆品種漲勢一致的天竺葵，在甲裝置中放氫氧化鈉溶液（能吸收空氣中的二氧化碳），在乙裝置中放等量的清水（清水目的：作為對照）
把他們放在黑暗處一晝夜（暗室開綠色燈光），然后一起移到陽光下
幾小時后，各取一片葉片，標a，b，放在酒精中隔水加熱，脫去葉綠素
用清水漂洗葉片，把葉片分別放入培養皿中，向a，b葉片滴加碘液
稍等片刻，用清水沖掉碘液，觀察葉片發生了什么變化，如實記錄現象
實施計劃：
按照上述實驗方案做實驗，實驗過程中要認真觀察，如實記錄。
a葉片經過碘液處理后不變藍
b葉片經過碘液處理后變藍
說明：植物的光合作用需要二氧化碳
得出結論：二氧化碳是光合作用必需的原料
變形題：
光合作用還能產生氧氣（注意光下才能進行）
探究：光合作用產生氧氣
觀察老師做的演示實驗，注意觀察實驗裝置里的金魚藻，看它在陽光下是否放出了氣泡。
等氣體充滿試管容積的1/2左右時，老師會取出試管，迅速將快要熄滅的衛生香（或竹簽）伸進試管口內，這時請你注意觀察衛生香（或竹簽）的燃燒情況
討論：光合作用產生了什么氣體？
實驗講解：
原理：氧氣不易溶于水，可以用排水法收集，氧氣既有的助燃性可以將要熄滅的衛生香/木條復燃。
【注意】實驗用溫水。在一定范圍內，溫度越高，植物光合作用越強，釋放氧氣越快越多。
金魚藻在光下制造的氣體可使帶火星的木條復燃，則說明？
（提示：氧氣有助燃的作用；在氧氣充足的條件下，燃燒會更加劇烈）
快要熄滅的衛生香（或竹簽），遇到金魚藻在光下釋放的氣體，立刻燃燒起來。這是氧氣助燃的特性。這個實驗如果在黑暗中進行，則看不到這一現象。說明金魚藻只有在光下才能夠產生氧氣。
實驗結論：氧氣是光合作用的產物
光合作用實質：
綠色植物通過葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉化成儲存能量的有機物（如淀粉），并且釋放出氧氣（把無機物轉變為有機物）
光合作用部位：植物的所有綠色部分都可進行光合作用
光合作用公式：
水通過導管運輸；有機物通過篩管運輸
變形后：右圖光合作用的原料是③水④二氧化碳；產物是①有機物②氧氣；A是光合作用場所：葉綠體；光合作用的主要器官：葉
原料：二氧化碳、水
場所：葉綠體
條件：光照
產物：有機物、氧氣
實質：將無機物變為有機物，儲存能量
【注意】光照最強，光合作用不一定最強。例如夏季中午光照最強時，由于氣孔關閉，使光合作用強度降低。
物質變化：無機物 有機物
能量變化：光能 化學能
光合作用原理在農業生產上的應用
提高光合作用速率的4種方法：
①光照越強，光合作用越強，但光照到一定程度，光合作用不再加強，中午由于氣孔關閉，光合作用反而減弱
②提高二氧化碳濃度；濃度越大，作物光合作用就越強，增施有機肥料，利用微生物分解有機物釋放氧氣
③適當提高溫度；在一定范圍內，溫度越高，作物光合作用越強
應用：
①增加光照利用率合理密植；間作、輪作等
②增加二氧化碳濃度：施用氣肥或有機肥
③增加溫度：溫室大棚
綠色植物直接或間接地為其他生物提供物質和能量，并對維持大氣中碳—氧平衡起重要作用
光合作用還能產生氧氣，所以不能增加產物的做法：增加產物的量（如氧氣×）
變形題
①：水溫對光合速率的影響
②晚上，將金魚藻放在盛有水的試管中，將試管先后放在離白熾燈不同距離處，觀察試管中產生的氣泡數目，
分析：
金魚藻和光源的距離遠近與其產生的氣泡數量之間有什么關系？從中可以得出什么結論？
離光源越遠，產生氣泡越多，光照越強，光合作用越強
如果將這個試管放在黑暗中，你能預測出實驗結果嗎？
不能進行光合作用，沒有氣泡產生
③探究綠色植物的生理活動
分析：左側既能進行光合作用也能進行呼吸作用，右側只能進行呼吸作用；所以暗處理再光照后，甲處光合作用產生氧氣，所以打開橡皮塞后放入帶火星的木條后木條能復燃，說明由氧氣產生；乙處植物呼吸作用產生二氧化碳打開②后，澄清石灰水變渾濁；取下葉片A，B，滴加碘液處理，只有A變藍，說明綠色植物的光合作用產生淀粉
④探究水是光合作用的原料嗎？
某植物一片葉的主葉脈切斷（圖甲），另一片葉兩面都貼上不透光的錫箔紙（圖乙），黑暗中放置24小時后光照4小時，取下兩片葉經脫色后用碘液處理，發現A部位呈棕色，B部位呈藍黑色，C部位不呈藍黑色，此實驗證明光合作用需要水和光照
分析：A和B比，A缺少水分；B和C比，C缺少光照，故對照實驗為兩組：A和B，B和C。B為對照組，A和C為實驗組
⑤綜合題
甲的生理過程：光合作用
乙的生理過程: 呼吸作用
丙的生理過程：蒸騰作用
1代表氧氣；2代表水；3代表二氧化碳
能在白天進行的：甲乙丙
能在晚上進行的：乙和丙
維持碳-氧平衡的：甲
⑥提升題
圖為綠色植物在夏季晴朗一天24中二氧化碳的變化情況：
6-18點是白天；同時進行光合作用和呼吸作用。光合作用吸收二氧化碳、呼吸作用釋放二氧化碳；圖中二氧化碳濃度減少，說明：6-18時光合作用強度大于呼吸作用強度
有機物積累最多的點：C點（18時）
甲圖A：呼吸作用B：蒸騰作用C：光合作用
乙圖為在晴朗的夏季一天24小時內呼吸作用和光合作用的變化曲線。
Ⅰ代表光合作用；
Ⅱ代表呼吸作用。Ⅰ處中午下降的地方是在進行光合午休，此時可把蔬菜大棚的塑料薄膜掀開，目的：增加二氧化碳濃度
3.5.2 綠色植物的呼吸作用
生命活動需要能量的供應。綠色植物通過光合作用制造的有機物，除了用于構建植物體，還有另外一個重要作用——為植物的生命活動提供能量
1.綠色植物呼吸作用的過程
種子萌發，生命活動活躍起來，需要供給能量。下面就以種子的萌發為例，探討植物通過呼吸作用分解有機物釋放能量的過程
①演示實驗：甲：實驗組；乙：對照組（形成對照）
在上課的前一天，老師用兩個暖水瓶裝種子，甲瓶中裝的是萌發的種子，乙瓶中裝的是煮熟的種子。往瓶中各插入一支溫度計。現在請你觀察兩支溫度計顯示的溫度有什么不同。
【注意】
用暖水瓶原因：如果用普通瓶子熱量會通過瓶子散失，導致實驗現象不明顯
用萌發的種子原因：能進行呼吸作用。種子不能進行光合作用，若用綠色植物應在遮光條件下進行。
用煮熟種子的原因：沒有活性，不能進行呼吸作用。
還有，溫度計不要貼在瓶壁上，否則測量的就是保溫瓶壁的溫度
現象：甲瓶溫度計顯示溫度升高，乙瓶溫度計顯示溫度不變
討論：種子萌發過程中發生了能量變化嗎？種子萌發，分解有機物，釋放能量
種子在萌發過程中，其中的有機物發生了變化，釋放出能量，一部分能量用于種子萌發，還有一部分能量以熱能的形式散失了（如：長成幼苗的部分腐爛了）
結論：呼吸作用釋放能量（能量來源于光合作用時貯存在有機物中的能量）
萌發的種子中的有機物最終轉變成了什么物質 在轉變過程中還需要哪些物質的參與呢？看下一個實驗。
②演示實驗：
瓶中是萌發的種子（瓶內的種子也可用新鮮的豆苗代替）。實驗開始時閥門是關閉的。過一段時間以后，往瓶子里注入清水，打開閥門，使瓶內的氣體進入試管。觀察澄清石灰水發生了什么變化。
（向漏斗內倒入清水的原因：將瓶內氣體壓入試管；如果換成綠色植物，應在黑暗條件下進行）
現象：試管中澄清石灰水變渾濁
討論：種子在萌發過程中放出了什么氣體？二氧化碳
實驗結論：呼吸作用產生了二氧化碳（二氧化碳具有使澄清石灰水變渾濁的特性）。
上述實驗中澄清的石灰水變渾濁，說明種子萌發時放出了二氧化碳。科學實驗證明，二氧化碳來自種子里的有機物。有機物在徹底分解時不僅產生二氧化碳，還產生水。（例子：種子種下去蓋上地膜，深秋冬有很多水珠）
實驗局限性：無對照實驗
進一步細化實驗：
③演示實驗：
甲瓶中裝有萌發的種子，乙瓶裝有等量的煮熟的種子（甲瓶內可改用新鮮的豆苗，乙瓶內可改用經沸水燙過的豆苗），把甲、乙兩瓶同時放到溫暖的地方。24小時以后，觀察蠟燭在甲、乙兩瓶中的燃燒情況。
現象：甲瓶中蠟燭熄滅了，乙瓶中蠟燭能繼續燃燒
討論：為什么蠟燭在甲、乙兩瓶中的燃燒情況不一樣？甲瓶里的氧被萌發的種子吸收了。
實驗結論：呼吸作用消耗了氧氣
應用：臥室里不宜擺放過多綠植
【總結】有機物的這種變化不僅發生在種子萌發過程中， 而且發生在所有植物細胞內部（植物的所有器官都進行）
呼吸作用：
概念：細胞利用氧，將有機物分解成二氧化碳和水，并且將儲存在有機物中的能量釋放出來，供給生命活動的需要
場所：線粒體
實質：分解有機物，釋放能量
反應方程式：
變形題：光合作用和呼吸作用綜合題
A：二氧化碳 B：有機物 a：光合作用 b：呼吸作用
光合作用和呼吸作用反應式對比：
光合作用 呼吸作用
部位 葉綠體 線粒體（所有的活細胞）
條件 光 有無光均可
原料 二氧化碳、水 有機物、氧氣
產物 有機物、氧氣 二氧化碳、水
能量變化 制造有機物，儲存能量 分解有機物，釋放能量
聯系 如果沒有光合作用制造的有機物，呼吸作用就沒法進行
在不同的細胞，不同的生命時期，呼吸作用的強弱是有差別的。呼吸作用的強弱常常是生命活動強弱的標志，影響著植物體的生長發育，關系到農作物的產量和品質。（生命活動越旺盛，呼吸作用越強）
呼吸作用影響因素和應用：
影響因素：
在一定范圍內，溫度越高 呼吸作用越強
在一定范圍內，水分越充足 呼吸作用越強；不足 減弱
在一定范圍內，氧氣越充足 呼吸作用越強；不足 減弱
應用：
促進植物的呼吸：農田適時松土，遇到澇害時排水、使用粗糙的瓦盆種花，都是為了使植物的根得到充分的氧氣，保證呼吸作用的正常進行。
抑制細胞的呼吸：貯藏糧食時，保持干燥和低溫；貯藏水果、蔬菜時，降低溫度或氧濃度。冰箱、真空包裝
【特例】在特殊的情況下，細胞中的有機物沒有氧的參與也能分解，但是分解得不徹底，釋放出的能量也能量也比較少。（例如：過度運動肌肉酸痛，細胞無氧呼吸產生乳酸；釀酒：酵母菌無氧呼吸產生酒精）
幼嫩的葉比衰老的葉呼吸作用強，花比葉的呼吸作用強。為什么？因為幼嫩的葉和花中的線粒體數目更多
呼吸作用是生物共同的特征
綠色植物制造的有機物除了自身利用之外，還通過食物鏈進入其他生物體內，參與構建其他生物體，并為其他生物的生命活動提供能量。在這些生物體內，有機物分解，提供能量的方式是基本相似的，都是通過細胞的呼吸作用。也就是說，呼吸作用是生物的共同特征，其實質是有機物分解，釋放能量。任何活細胞都在不停地進行呼吸作用，一旦呼吸作用停止，就意味著生命的終結。
【注意】植物白天進行光合作用、呼吸作用和蒸騰作用；夜晚進行呼吸和蒸騰作用，無光合作用
綠色植物在維持生物圈碳—氧平衡中的作用
①二氧化碳來源：生物的呼吸作用；自然界中的有機物分解；人類的生活和生產正在大量消耗著各種各樣的燃料，以便獲得所需要的能量，而燃料在燃燒的過程中，消耗了大量的氧氣，放出了大量的二氧化碳。
然而，綠色植物通過光合作用，能不斷消耗大氣中的二氧化碳，又將氧氣排放到大氣中，對維持生物圈中二氧化碳和氧氣的相對平衡（簡稱碳—氧平衡起了重要作用）
②二氧化碳去向：綠色植物的光合作用。溫室效應后果：大氣中二氧化碳濃度不斷增加，對氣候的影響日益加劇，導致溫室效應愈演愈烈。例如：冰川加速融化，干旱、洪澇災害頻發，全球許多地方都出現氣候異常。
③維持碳—氧平衡措施，一方面應當保護現有森林，并大力植樹造林，充分發揮綠色植物消耗二氧化碳、制造氧氣的功能；另一方面，要開展國際合作，減少二氧化碳的排放。
我們應該做些什么？節約用紙；植樹造林
技能訓練：推理
甲乙兩地出產同一種甜瓜，甲地的甜瓜比乙地的含糖量高。經調查，在甜瓜生長季節，甲乙兩地的光照條件和栽培措施基本相同，而溫度條件差別較大，詳見下表：
平均溫度 甲地 乙地
白天 33 33
夜間 12 22
請根據以上資料分析：環境溫度對呼吸作用的強弱有什么影響？請將推理過程有順序的寫出來，與同學交流。
分析：這個實驗可以驗證降低呼吸作用的措施有降低溫度
白天溫度相同，兩地光合作用制造的有機物的量是基本相同的，甲瓜甜，說明甲消耗的有機物比乙少，只有呼吸作用消耗有機物，所以白天呼吸作用相同，夜晚甲的呼吸作用比乙弱，消耗有機物比乙少，積累的有機物多。因為甲乙其他條件相同，只有晝夜溫差差別大，環境溫度有影響，環境溫度越高，呼吸作用越強。
變形題：，興趣小組在大棚中選取長勢相同的菠菜苗若干，構建多套如圖裝置（注：密閉小室內氣體變化會引起裝置中液滴移動，氣體增多右移，氣體減少左移；CO 2 緩沖液能吸收、釋放CO 2 ，維持密閉小室CO 2 穩定）
第一組液滴移動的原因是？植物進行呼吸作用消耗氧氣，產生二氧化碳，二氧化碳緩沖液能吸收二氧化碳，瓶內氣體減少，氣壓變小
本探究活動需在適宜溫度下進行，理由是？溫度過高或過低都會影響呼吸作用強度
A光合作用開始E光合作用結束
C光合午休，光照太強溫度太高，部分氣孔關閉，光合蒸騰作用減弱
B之前 光合作用小于呼吸作用
B 光合作用等于呼吸作用
BD之間 光合作用大于呼吸作用，有機物開始積累
D光合作用等于呼吸作用，有機物積累最多
D之后 光合作用小于呼吸作用
a 光合作用最強點
AB只呼吸
B開始光合
BC光合小于呼吸
C光合等于呼吸，開始積累有機物
D光合午休
E光合等于呼吸，有機物積累最多
F只呼吸
A只呼吸
B光合小于呼吸
C光合等于呼吸
D光合大于呼吸
3.6愛護植被，綠化祖國
我國主要的植被類型：草原、熱帶雨林、荒漠、針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林
植被中，占據主體的是森林
對我國植被資源，破壞性最大的是：過度利用、毀林開荒、亂砍濫伐
我國植樹節：3月12日

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