《探究环境因素对光合作用强度的影响》实验研究

摘 要：用20mL的塑料注射器利用真空渗水法对波菜叶片进行排气渗水处理，使圆形小叶片下沉到水底，从中总结出处理叶片最优的方法，通过探究影响光合作用强度的环境因素：光照强度、CO2浓度、温度，从中找到各因素最适宜的条件为学生在课堂上探究该实验成为可能。

关键词：真空渗水法;上浮;探究实验;光合作用强度

人教版高中生物必修1“探究环境因素对光合作用强度的影响”在高中开出率较低，这是一个重要的探究性实验，按常规的教学进度安排该实验时气温已较低，叶片上浮的时间变长造成实验时间变长，时间紧一节课内难以完成。通过一些实验条件和实验方法的改变使该探究实验能在一节课内完成。

一、实验原理

用注射器进行真空渗水法排出圆形小叶片细胞间隙中的气体，使水进入圆形小叶片细胞间隙，圆形小叶片密度变大叶片沉入水中。圆形小叶片在光合作用的过程中产生O2在叶片细胞间隙中积累或附着在圆形小叶片表面，使圆形小叶片的密度降低而上浮。通过比较同一时间内圆形小叶片浮起的数量，以此来判断圆形小叶片光合作用的强度。

二、实验器材和探究过程

（一）实验器材

1.实验材料。通过查找资料和预实验菠菜叶片是较为理想的光合作用实验材料。

2.实验药品和仪器。5W白色LED台灯、直尺、0.6cm打孔器、20mL塑料注射器、镊子、温度计、50mL、100mL、500mL烧杯，质量分数梯度分别为0.5%、1%、1.5%、2%的NaHCO3溶液、清水、黑色纸盒，塑料水槽。

3.圆形小叶片的制作

（1）用打孔器打出圆形小叶片30片每次打出15片（避开大的叶脉）;选择一片生长旺盛的菠菜叶放一张厚纸上，选择直径为0.6cm的打孔器并拔出打孔器推杆，用力向下按压打孔器时并稍微旋转打孔器使打下的圆形小叶片能附着在打孔器内腔中，避开大的叶脉连续打出15片圆形小叶片，这样可以节省打孔时间。由于学生首次使用打孔器如用书本上操作方法不易掌握此方法，学生用这种方法可以降低制取圆形小叶片的难度。

（2）附着在打孔器内腔上的15片圆形小叶片连同打孔器伸入到20mL注射器中，用打孔器推杆把圆形小叶片推到注射器内，将注射器活塞推至5mL刻度处，然后拉动活塞至10mL刻度处使注射器吸入清水5mL。倒置注射器稍微震荡使重叠的圆形小叶片分散开来并向前推动活塞排出里面残留的气体后，用手指堵住前端小孔并用力缓慢地拉动活塞至20mL刻度处约停留5秒时间，这期间尽量让圆形小叶片接触水面不要让小叶片附着在注射器上方内壁，这一步骤重复3-4次（如果叶圆片下沉得不理想可增加这一步骤的次数），使圆形小叶片内细胞间隙间的气体逸出，当放开堵住小孔的手指并竖起注射器时圆形小叶片能以较快的速度下沉到水低，说明经此处理过圆形小叶片达到效果。（如果有小部分圆形小叶片难以下沉要果断放弃它）。

（3）将处理过的圆形小叶片连同里面的水倒入50mL烧杯中并罩上事先准备好的黑纸盒待用，依照上述的方法继续制取剩余的15片圆形小叶片。

（二）探究过程

1.探究一不同光照强度对光合作用强度的影响

（1）取3只100mL烧杯编号为1、2、3，分别向这3只烧杯中加入40mL1%NaHCO3溶液为叶片光合作用提供CO2来源，如果NaHCO3溶液偏高圆形小叶片在清水可以下沉但在溶液中不易下沉。用镊子夹取30片圆形小叶片平均放置于编号为1、2、3的烧杯中，要使小叶片均匀分散在烧杯底部并防止圆形小叶片重叠，如果重叠小叶片不容易上浮影响了实验结论。

（2）由于做该实验时基本上在每年的冬季，这时气温已经较低了，把1、2、3号烧杯放在水槽中进行水浴加热，在水槽中加入1000mL30℃左右的温水，由于水的散热温度会降低，可以通过加减热水和冷水来使水槽中水的温度保持30℃相对稳定。

（3）不同的光照强度是通过调节5W白色LED台灯与实验材料之间的距离来实现的，如把1號烧杯放在台灯的正下方，2号、3号与1号烧杯呈一条直线排列，这样台灯照射到3号烧杯中的光线大部分被前面的烧杯壁反射，3号烧杯中的小叶片不易上浮，通过调节5WLED台灯灯泡底部与小叶片之间距离，把1、2、3号烧杯排列成三角形排列（如图1）。通过预实验台灯灯泡底部与小叶片之间在距离为10cm、12cm、14cm时实验效果较理想。然后开启台灯开关对这3个实验装置进行强、中、弱三种不同光强的光照并计时。

观察并记录实验数据，强、中、弱光照射下编号为1、2、3烧杯内圆形小叶片在相同时间（13分钟内）上浮数量分别为10片、7片、4片。

2.探究二不同CO2的浓度对光合作用强度的影响

编号为1、2、3的3只100mL烧杯，分别向这3只烧杯中加入40mL0.5%、1%、2%NaHCO3溶液，把30片的圆形小叶片平均分散在3个烧杯的底部。各个烧杯等距离放置在三只5WLED台灯正下方，并把三个烧杯置于30℃水槽中水浴保温，打开台灯开关并计时，观察记录相同时间内圆形小叶片上浮的数量。

通过观察得到1号、2号、3号烧杯内圆形小叶片在不同CO2的浓度条件下相同时间内（12分钟）上浮数量分别为4片、6片、10片。

3.探究三不同温度对光合作用强度的影响

取3只100mL烧杯编号为1、2、3，分别向这3只烧杯中加入40mL1%NaHCO3溶液，在每个烧杯的底部分别放置10片圆形小叶片。1号、2号、3号烧杯分别置于15℃、25℃、35℃水槽中水浴保温，烧杯底部距离5WLED台灯灯泡正下方12cm，同时打开台灯开关并计时，观察记录相同时间内圆形小叶片上浮的数量。

观察到的结果是1号、2号、3号烧杯内圆形小叶片在15℃、25℃、35℃温度下相同时间内（10分钟）上浮数量分别为2片、6片、10片。

三、结果分析

（一）不同光照强度对光合作用强度的影响

从探究一结果显示，在相同的时间内圆形小叶片离台灯越近，光照越强，上浮的数量越多，在一定范围内，随着光照强度的增强，光合作用强度越强。但随着距离的增大，光强下降迅速，用小烧杯与光源的距离来调节光照强度时距离不宜过远，否则小叶片不易上浮，直至不会上浮。

（二）不同的CO2浓度对光合作用强度的影響

用NaHCO3溶液作为CO2的来源，探究二实验数据得出2%NaHCO3溶液中圆形小叶片上浮数量最多，说明在一定CO2浓度内其它条件相同且适宜时，CO2浓度越高光合作用强度也越强。通过多次实验知当NaHCO3浓度达到3%以上时真空渗水法处理过的圆形小叶片很难下沉。因此在配制NaHCO3溶液浓度梯度时碳酸氢钠溶液浓度要小于3%。

（三）不同温度对光合作用强度的影响

从探究三观察到数据看出3号烧杯中的小叶片在10分钟内全部上浮而1号烧杯内只上浮2片，2号烧杯中上浮了6片小叶片，在适宜的温度范围内温度越高光合作用强度越强，这是由于温度能影响酶的活性而光合作用需要大量的酶参与，温度是影响光合作用强度的一个重要因素。

四、结论与反思

对该探究实验的研究为学生在课堂内能完成探究实验提供了理论的基础，用真空渗水法探究影响光合作用的环境因素所用的器材并不复杂且易得，但学生在制取圆形小叶片时由于操作的不熟练处理过的圆形小叶片很多不会下沉，教师应给予指导如何用打孔器快速打孔制取圆形小时片，并且要交待注意事项如注射器吸取的清水不能太多且注射器中残留气体要排尽，否则会增加抽气的次数且叶片不易下沉。通过指导可降低学生操作处理小叶片的难度，能较快处理可用的小叶片。

探究除CO2浓度对光合作用强度影响外，探究其它因素对光合作用影响时，提供CO2用1%NaHCO3浓度较适宜，虽然在一定NaHCO3浓度范围内，随着NaHCO3浓度升高光合作用强度也增强但NaHCO3浓度升高了溶液的密度也增大，处理过的圆形小叶片下沉的难度也加大。由于学生首次进行处理的圆形小叶片有可能在1%NaHCO3溶液中小叶片可以下沉但在2%NaHCO3浓度就不会下沉。

在一节课内学生难以完成对影响光合作用三个环境因素的探究，可将学生分成三大组每一大组分为若干个小组，每一大组探究其中一个因素，最后每一大组结合本大组出现的问题和解决方法及得出的结论派代表在班上作汇报总结及分享实验结果，如果在探究过程中出现新的问题如“处理后圆形小叶片在注射器能下沉到水底但倒入装清水的小烧杯后会出现上浮”这些现象又可能激发学生好奇心理，排除操作中的问题后，通过仔细观察和查找资料并分析讨论，有可能小叶片上附着有小气泡，如用摄子把附着在小叶片表面的小气泡弄掉并把小叶片按入到水中后放开摄子，小叶片有可能又可以下沉了。学生在小组合作过程中既能培养合作探究精神又能感悟到科学探究的乐趣，该探究实验虽然用时长但现象也很明显，给学生带来了视觉上震撼容易获得成就感，增强了学习的自信心。

参考文献

[1]朱正威、赵占良、何奕騉.普通高中教科书生物学必修1分子与细胞[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]黄丽娟.“CO2浓度对光合作用强度影响”的实验改进[J].教育与装备研究，2019（06）：36-39

[3]刘莉.用真空渗水法探究环境因素对光合作用的影响[J].生物学教学，2013（12）：52-53

作者简介：林允杰（1970-）.男，汉族，福建闽侯，一级生物教师。主要从事生物实验教学与研究。