戚智河 溫金環(huán) 蘇金燕 黃活靈

（1 廣州市從化區(qū)城郊中學(xué) 廣東廣州 510925 2 廣州市從化區(qū)第五中學(xué) 廣東廣州 510920）

植物進(jìn)行光合作用時(shí)，原料是CO2和水，需要光和適宜的溫度，場所是葉綠體，及產(chǎn)物是有機(jī)物和O2等。在人教版7年級教材中，將光合作用的多個(gè)要素分成3 個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，即“綠葉在光下制造有機(jī)物”“CO2是光合作用必需的原料”和“光合作用能產(chǎn)生O2”［1］。其中，前2 個(gè)是學(xué)生實(shí)驗(yàn)，后1 個(gè)是教師演示實(shí)驗(yàn)。這3 個(gè)實(shí)驗(yàn)的方法、材料和裝置都不盡相同，并且有的實(shí)驗(yàn)操作有一定的難度，容易出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)失誤。

筆者對實(shí)驗(yàn)室固液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的發(fā)生裝置進(jìn)行改裝，使其成為探究植物光合作用的實(shí)驗(yàn)裝置。改裝后的裝置將發(fā)生裝置和收集裝置合二為一。利用該裝置進(jìn)行光合作用的實(shí)驗(yàn)，可將上述多個(gè)實(shí)驗(yàn)整合在一起，也可單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

1 實(shí)驗(yàn)策略與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)策略 首先，在溫度和光照良好的條件下，設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)：增加和減少養(yǎng)殖沉水植物黑藻（Hydrilla verticillata）的水中的CO2含量，探究光合作用產(chǎn)生氣泡的速度是否相同？如果增加水中CO2的含量，光合作用產(chǎn)生氣泡的速度加快，說明CO2是光合作用的原料。水中的CO2是否會被吸收利用而減少甚至消失？如果是，則再次證明CO2是光合作用的原料［2］。

其次，在光照下，當(dāng)沉水植物的莖、葉或根的斷截面連續(xù)不斷地排出氣泡時(shí)（沉水植物的根、莖、葉內(nèi)存在著輸送氣體的通道），將裝置移至陰暗處；如果觀察到排出氣泡的速度減慢甚至停止，再將實(shí)驗(yàn)裝置移回光照下；如果沉水植物又恢復(fù)連續(xù)不斷地排出氣泡，且重復(fù)操作亦然，即可證明光合作用需要光。

再次，將收集實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氣泡，用帶火星的木條進(jìn)行檢驗(yàn)。如果帶火星的木條復(fù)燃，則說明光合作用產(chǎn)生的氣泡是O2。

最后，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取黑暗組、光下對照組和實(shí)驗(yàn)組中沉水植物的一段帶葉的、長約5 cm的莖，放入小燒杯中，加入無水乙醇，隔水加熱，除去葉綠素的干擾。取出葉片，滴入碘液。如果黑暗組的莖和葉片都不變藍(lán)色，光下對照組的都變淺藍(lán)色或藍(lán)色，而實(shí)驗(yàn)組的都變藍(lán)色，則證明綠葉在光下能制造有機(jī)物淀粉［3］。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

材料與試劑：新鮮的沉水植物黑藻（250 g；涼開水、自來水、澄清石灰水、無水乙醇、碘液、500 mL CO2、火柴等。

儀器：500 mL 錐形瓶2 只、帶玻璃導(dǎo)管的雙孔活塞2 個(gè)，30 mL 長頸漏斗2 只、500 mL 礦泉水瓶1 只、500 mL 和100 mL 量筒各1 只、溫度計(jì)、500 mL 燒杯、小燒杯、酒精燈、石棉網(wǎng)、三腳架、剪刀、小試管、30 mL 針筒、玻璃棒等。

實(shí)驗(yàn)裝置由一個(gè)500 mL 錐形瓶和帶導(dǎo)管的雙孔活塞，長頸漏斗，帶玻璃珠的橡皮管、玻璃導(dǎo)管等組成（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

組裝如圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置，用帶玻璃珠的橡皮管與2 個(gè)玻璃導(dǎo)管連接好，注意導(dǎo)管不要伸入瓶內(nèi)，確保瓶內(nèi)氣體全部排出。長頸漏斗要伸到瓶的底部，防止實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的氣體被排出。然后塞上帶導(dǎo)管和長頸漏斗的活塞，檢查氣密性并確保氣密性良好后，按以下實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

①將250 g 新鮮的沉水植物黑藻放黑暗處用水培養(yǎng)24 h，使葉片中原有的有機(jī)物淀粉消耗掉。實(shí)驗(yàn)前將水草的莖剪斷成為長10～15 cm的小段后，放回黑暗處備用。②用石灰石與稀鹽酸反應(yīng)制取500 mL CO2，用向上排空氣法收集滿一礦泉水瓶。加入100 mL 自來水，密封后振蕩，使CO2充分溶于水形成100 mL 碳酸水飽和溶液。在常溫常壓下，CO2溶于水的體積比為1∶1。將100 mL 飽和碳酸水溶液倒入裝有400 mL自來水的大燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻，配制成500 mL 碳酸水稀溶液，即CO2與水的體積比為1∶5。③用油性筆在2 個(gè)500 mL 錐形瓶中標(biāo)記A 和B。然后分別加入經(jīng)過暗處理并被剪斷的水草50～100 g。將A 瓶加滿涼開水，B 瓶加滿碳酸水稀溶液，然后用手拍打瓶身產(chǎn)生震動(dòng)，或用玻璃棒挑動(dòng)水草，排除瓶內(nèi)空氣氣泡。④分別塞上帶導(dǎo)管和長頸漏斗的活塞。這時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)是一小段空氣，長頸漏斗內(nèi)是一段水柱，而瓶內(nèi)沒有空氣。⑤將A、B 2 個(gè)裝置移至光下照射4～5 h。當(dāng)長頸漏斗內(nèi)被溶液填滿后，用30 mL 針筒抽去溶液，共4 次。請按表1中的“實(shí)驗(yàn)方法與步驟”完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表中。

表1 沉水植物光合作用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖2 黑暗組、對照組和實(shí)驗(yàn)組沉水植物與碘反應(yīng)的變色情況

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，讓學(xué)生填寫以下內(nèi)容：通過實(shí)驗(yàn)探究得知，CO2是光合作用的原料；植物光合作用需要光；光合作用能產(chǎn)生O2；綠葉在光下會制造有機(jī)物淀粉；黑藻的體內(nèi)有輸送氧氣的通道；溫度會影響植物的光合作用。

為什么B 錐形瓶里的CO2會減少甚至完全消失？從光合作用的公式：6CO2+6H2OC6H12O6+6O2中得知，水中的CO2作為光合作用的原料被沉水植物吸收利用了，且在光合作用過程中，植物吸收CO2的體積與產(chǎn)生O2的體積是相等的。實(shí)驗(yàn)前，在B 瓶中加入100 mL 左右的CO2，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集到的O2也是100 mL 左右（CO2能溶于水，而O2不易溶于水），這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是合理的。如果一個(gè)教學(xué)班驗(yàn)證O2的實(shí)驗(yàn)需要15～20 mL 的O2，則100 mL 左右的O2可以滿足5～6 個(gè)教學(xué)班驗(yàn)證O2實(shí)驗(yàn)的需要。這樣，教師在課前無需再準(zhǔn)備多套相同的實(shí)驗(yàn)。

沉水植物在涼開水、自來水和碳酸水溶液中進(jìn)行光合作用5 h 消耗CO2和產(chǎn)生O2的情況見表2。

表2 沉水植物光合作用消耗CO2 產(chǎn)生O2 情況的比較

4 實(shí)驗(yàn)反思

反思1：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，A、B 2 個(gè)裝置內(nèi)收集到的O2分別為約5 mL 和110 mL，但如果用自來水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一天內(nèi)只能收集到15 mL 左右的O2。原因是涼開水、自來水和碳酸水溶液中所含有的CO2的量不同，且含量分別為基本無、很少和充足。因此，僅依靠沉水植物自身呼吸作用產(chǎn)生的CO2，或依靠天然水中含有的少量的CO2作為光合作用的原料制取氧氣，獲得氧氣的量必然很少。為了完成多班教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的任務(wù)，教師在課前需要準(zhǔn)備好多套的實(shí)驗(yàn)。因此，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和增加水中光合作用的原料CO2，能很好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的。

反思2：使用CO2作為原料進(jìn)行光合作用實(shí)驗(yàn)，優(yōu)于使用碳酸氫鈉或碳酸鈉。其一，前者是光合作用必需的原料，學(xué)生容易接受，后者不是光合作用必需的原料，學(xué)生不容易理解。其二，飽和的CO2水溶液為弱酸性，pH=4，且實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的是CO2與水的體積比為1 ∶5 的碳酸水稀溶液。這對植物的傷害不大，自然界中的水也含有CO2。但是，碳酸氫鈉和碳酸鈉的水溶液均為堿性，pH 值分別為8和11，隨著光合作用的進(jìn)行，碳酸氫根或碳酸根離子被吸收利用，而溶液的堿性會逐漸增強(qiáng)；并且它們的腐蝕性對沉水植物的傷害較大，不利于連續(xù)多日重復(fù)實(shí)驗(yàn)的需要［4-5］。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，400 mL 水與100 mL 飽和碳酸水溶液混合后（pH 值＞4），用于沉水植物黑藻的光合作用實(shí)驗(yàn)，對它的生長影響不大，且可多次重復(fù)使用。

是否CO2的含量越高就越好？答案是否定的。有資料顯示，在常溫常壓下，CO2溶于水的體積比為1∶1。CO2含量過高時(shí)，碳酸水溶液很不穩(wěn)定，易分解出CO2，導(dǎo)致收集到的O2氣體不純凈。如此導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，不能使帶火星的木條復(fù)燃。

反思3：實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黑藻的植株完整無損時(shí)，其根、莖和葉的表面均有氣泡排出。但當(dāng)其根、莖或葉被截?cái)鄷r(shí)，氣泡主要是從斷截口中排出的。因?yàn)槠涓⑶o、葉內(nèi)存在著輸送氣體的通道；輸氣通道既有單通道，也有雙通道（圖3）。將沉水植物的莖剪斷成10～15 cm 的小段，使沉水植物光合作用產(chǎn)生的O2集中在它的輸氣通道中“連續(xù)不斷地排出”，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，特別適合于“光合作用需要光”和“光合作用能產(chǎn)生O2”的探究實(shí)驗(yàn)。直觀性、可操作性和可重復(fù)性增強(qiáng)，同時(shí)增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

圖3 黑藻莖斷截面排出氣泡示意圖

反思4：用100 mL 無色的碳酸飲料與400 mL自來水混合配制成碳酸水稀溶液（pH 值＞4），代替實(shí)驗(yàn)室制取CO2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可以收到同樣的實(shí)驗(yàn)效果。但是，碳酸飲料中除了含有CO2之外，還含有糖、酸和其他物質(zhì)，這樣做會影響學(xué)生對光合作用的原料是CO2的判斷。