《探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響》實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：用20mL的塑料注射器利用真空滲水法對(duì)波菜葉片進(jìn)行排氣滲水處理，使圓形小葉片下沉到水底，從中總結(jié)出處理葉片最優(yōu)的方法，通過(guò)探究影響光合作用強(qiáng)度的環(huán)境因素：光照強(qiáng)度、CO2濃度、溫度，從中找到各因素最適宜的條件為學(xué)生在課堂上探究該實(shí)驗(yàn)成為可能。

關(guān)鍵詞：真空滲水法;上浮;探究實(shí)驗(yàn);光合作用強(qiáng)度

人教版高中生物必修1“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”在高中開出率較低，這是一個(gè)重要的探究性實(shí)驗(yàn)，按常規(guī)的教學(xué)進(jìn)度安排該實(shí)驗(yàn)時(shí)氣溫已較低，葉片上浮的時(shí)間變長(zhǎng)造成實(shí)驗(yàn)時(shí)間變長(zhǎng)，時(shí)間緊一節(jié)課內(nèi)難以完成。通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方法的改變使該探究實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谝还?jié)課內(nèi)完成。

一、實(shí)驗(yàn)原理

用注射器進(jìn)行真空滲水法排出圓形小葉片細(xì)胞間隙中的氣體，使水進(jìn)入圓形小葉片細(xì)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(guò)程中產(chǎn)生O2在葉片細(xì)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(guò)比較同一時(shí)間內(nèi)圓形小葉片浮起的數(shù)量，以此來(lái)判斷圓形小葉片光合作用的強(qiáng)度。

二、實(shí)驗(yàn)器材和探究過(guò)程

（一）實(shí)驗(yàn)器材

1.實(shí)驗(yàn)材料。通過(guò)查找資料和預(yù)實(shí)驗(yàn)菠菜葉片是較為理想的光合作用實(shí)驗(yàn)材料。

2.實(shí)驗(yàn)藥品和儀器。5W白色LED臺(tái)燈、直尺、0.6cm打孔器、20mL塑料注射器、鑷子、溫度計(jì)、50mL、100mL、500mL燒杯，質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhǎng)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(shí)并稍微旋轉(zhuǎn)打孔器使打下的圓形小葉片能附著在打孔器內(nèi)腔中，避開大的葉脈連續(xù)打出15片圓形小葉片，這樣可以節(jié)省打孔時(shí)間。由于學(xué)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(xué)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(nèi)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(nèi)，將注射器活塞推至5mL刻度處，然后拉動(dòng)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(lái)并向前推動(dòng)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(dòng)活塞至20mL刻度處約停留5秒時(shí)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(nèi)壁，這一步驟重復(fù)3-4次（如果葉圓片下沉得不理想可增加這一步驟的次數(shù)），使圓形小葉片內(nèi)細(xì)胞間隙間的氣體逸出，當(dāng)放開堵住小孔的手指并豎起注射器時(shí)圓形小葉片能以較快的速度下沉到水低，說(shuō)明經(jīng)此處理過(guò)圓形小葉片達(dá)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(guò)的圓形小葉片連同里面的水倒入50mL燒杯中并罩上事先準(zhǔn)備好的黑紙盒待用，依照上述的方法繼續(xù)制取剩余的15片圓形小葉片。

（二）探究過(guò)程

1.探究一不同光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

（1）取3只100mL燒杯編號(hào)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(lái)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(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)論。

（2）由于做該實(shí)驗(yàn)時(shí)基本上在每年的冬季，這時(shí)氣溫已經(jīng)較低了，把1、2、3號(hào)燒杯放在水槽中進(jìn)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(huì)降低，可以通過(guò)加減熱水和冷水來(lái)使水槽中水的溫度保持30℃相對(duì)穩(wěn)定。

（3）不同的光照強(qiáng)度是通過(guò)調(diào)節(jié)5W白色LED臺(tái)燈與實(shí)驗(yàn)材料之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如把1號(hào)燒杯放在臺(tái)燈的正下方，2號(hào)、3號(hào)與1號(hào)燒杯呈一條直線排列，這樣臺(tái)燈照射到3號(hào)燒杯中的光線大部分被前面的燒杯壁反射，3號(hào)燒杯中的小葉片不易上浮，通過(guò)調(diào)節(jié)5WLED臺(tái)燈燈泡底部與小葉片之間距離，把1、2、3號(hào)燒杯排列成三角形排列（如圖1）。通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)燈燈泡底部與小葉片之間在距離為10cm、12cm、14cm時(shí)實(shí)驗(yàn)效果較理想。然后開啟臺(tái)燈開關(guān)對(duì)這3個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行強(qiáng)、中、弱三種不同光強(qiáng)的光照并計(jì)時(shí)。

觀察并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，強(qiáng)、中、弱光照射下編號(hào)為1、2、3燒杯內(nèi)圓形小葉片在相同時(shí)間（13分鐘內(nèi)）上浮數(shù)量分別為10片、7片、4片。

2.探究二不同CO2的濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

編號(hào)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(gè)燒杯的底部。各個(gè)燒杯等距離放置在三只5WLED臺(tái)燈正下方，并把三個(gè)燒杯置于30℃水槽中水浴保溫，打開臺(tái)燈開關(guān)并計(jì)時(shí)，觀察記錄相同時(shí)間內(nèi)圓形小葉片上浮的數(shù)量。

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

3.探究三不同溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

取3只100mL燒杯編號(hào)為1、2、3，分別向這3只燒杯中加入40mL1%NaHCO3溶液，在每個(gè)燒杯的底部分別放置10片圓形小葉片。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)燒杯分別置于15℃、25℃、35℃水槽中水浴保溫，燒杯底部距離5WLED臺(tái)燈燈泡正下方12cm，同時(shí)打開臺(tái)燈開關(guān)并計(jì)時(shí)，觀察記錄相同時(shí)間內(nèi)圓形小葉片上浮的數(shù)量。

觀察到的結(jié)果是1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)燒杯內(nèi)圓形小葉片在15℃、25℃、35℃溫度下相同時(shí)間內(nèi)（10分鐘）上浮數(shù)量分別為2片、6片、10片。

三、結(jié)果分析

（一）不同光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

從探究一結(jié)果顯示，在相同的時(shí)間內(nèi)圓形小葉片離臺(tái)燈越近，光照越強(qiáng)，上浮的數(shù)量越多，在一定范圍內(nèi)，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，光合作用強(qiáng)度越強(qiáng)。但隨著距離的增大，光強(qiáng)下降迅速，用小燒杯與光源的距離來(lái)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度時(shí)距離不宜過(guò)遠(yuǎn)，否則小葉片不易上浮，直至不會(huì)上浮。

（二）不同的CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

用NaHCO3溶液作為CO2的來(lái)源，探究二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出2%NaHCO3溶液中圓形小葉片上浮數(shù)量最多，說(shuō)明在一定CO2濃度內(nèi)其它條件相同且適宜時(shí)，CO2濃度越高光合作用強(qiáng)度也越強(qiáng)。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)知當(dāng)NaHCO3濃度達(dá)到3%以上時(shí)真空滲水法處理過(guò)的圓形小葉片很難下沉。因此在配制NaHCO3溶液濃度梯度時(shí)碳酸氫鈉溶液濃度要小于3%。

（三）不同溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

從探究三觀察到數(shù)據(jù)看出3號(hào)燒杯中的小葉片在10分鐘內(nèi)全部上浮而1號(hào)燒杯內(nèi)只上浮2片，2號(hào)燒杯中上浮了6片小葉片，在適宜的溫度范圍內(nèi)溫度越高光合作用強(qiáng)度越強(qiáng)，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(qiáng)度的一個(gè)重要因素。

四、結(jié)論與反思

對(duì)該探究實(shí)驗(yàn)的研究為學(xué)生在課堂內(nèi)能完成探究實(shí)驗(yàn)提供了理論的基礎(chǔ)，用真空滲水法探究影響光合作用的環(huán)境因素所用的器材并不復(fù)雜且易得，但學(xué)生在制取圓形小葉片時(shí)由于操作的不熟練處理過(guò)的圓形小葉片很多不會(huì)下沉，教師應(yīng)給予指導(dǎo)如何用打孔器快速打孔制取圓形小時(shí)片，并且要交待注意事項(xiàng)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(huì)增加抽氣的次數(shù)且葉片不易下沉。通過(guò)指導(dǎo)可降低學(xué)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(duì)光合作用強(qiáng)度影響外，探究其它因素對(duì)光合作用影響時(shí)，提供CO2用1%NaHCO3濃度較適宜，雖然在一定NaHCO3濃度范圍內(nèi)，隨著NaHCO3濃度升高光合作用強(qiáng)度也增強(qiáng)但NaHCO3濃度升高了溶液的密度也增大，處理過(guò)的圓形小葉片下沉的難度也加大。由于學(xué)生首次進(jìn)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(huì)下沉。

在一節(jié)課內(nèi)學(xué)生難以完成對(duì)影響光合作用三個(gè)環(huán)境因素的探究，可將學(xué)生分成三大組每一大組分為若干個(gè)小組，每一大組探究其中一個(gè)因素，最后每一大組結(jié)合本大組出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法及得出的結(jié)論派代表在班上作匯報(bào)總結(jié)及分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果在探究過(guò)程中出現(xiàn)新的問(wèn)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(huì)出現(xiàn)上浮”這些現(xiàn)象又可能激發(fā)學(xué)生好奇心理，排除操作中的問(wèn)題后，通過(guò)仔細(xì)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(xué)生在小組合作過(guò)程中既能培養(yǎng)合作探究精神又能感悟到科學(xué)探究的樂(lè)趣，該探究實(shí)驗(yàn)雖然用時(shí)長(zhǎng)但現(xiàn)象也很明顯，給學(xué)生帶來(lái)了視覺(jué)上震撼容易獲得成就感，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的自信心。

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作者簡(jiǎn)介：林允杰（1970-）.男，漢族，福建閩侯，一級(jí)生物教師。主要從事生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究。