黑白瓶问题例析
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黑白瓶问题，实质上是对必修1《分子与细胞》模块光合作用与细胞呼吸这一主干知识的考查。在平常考试中，当学生遇到有关黑白瓶问题时，经常出现“绕着走”、犯迷糊等问题，其实是没有真正理解黑瓶、白瓶中测得的数据到底表示什么含义。为了帮助学生顺利解决上述问题，本文结合典型例题将黑白瓶问题常考查的角度进行初步归类，供读者复习时借鉴。
一、黑白瓶测实际光合量的原理
黑白瓶法，即氧气测定法，多用于水生生态系统初级生产量的测定。用三只玻璃瓶，其中一只用黑胶布包上，再包以锡箔，从待测的水体深度取水，保留一瓶（初始瓶）以测定水中原来的溶氧量，其余两瓶（黑、白瓶）再放回待测深度的水中。黑瓶中的浮游植物由于得不到光照只能进行呼吸作用，因此黑瓶中的溶氧量就会减少。而白瓶完全被曝晒在光下，瓶中的浮游植物可进行光合作用，因此白瓶中的溶氧量一般会增加。根据初始瓶、黑瓶、白瓶溶氧剩余量，即可求得净初级生产量（=净光合量）、呼吸量、总初级生产量（=实际光合量）。一般适用于湖泊、水库、池塘等静水水体以及水流缓和的河流水域中初级生产量的测定。
二、考查视角归类分析
视角1：以图表为载体，考查图文转化及数据处理能力
例1 采用黑白瓶法（黑瓶外包黑胶布和锡箔以模拟黑暗条件；白瓶为透光瓶）测定池塘各深度24小时内的平均氧气浓度变化，结果如下表，则该池塘一昼夜产生氧气的量是（ ）
A.8g/m3 B.14g/m3
C.22g/m3D.32g/m3
【解析】本题以表格为载体考查考生对净光合作用、呼吸作用、实际光合作用的理解以及数据的分析能力。池塘一昼夜产生氧气的量，实质上指的是各水层一昼夜产生的氧气量的总和。产生的氧气量，就是光合作用总量=白瓶中氧气增加量+黑瓶中氧气减少量。对于水深5m至水底范围内的生物来说，无论有无光照，黑瓶和白瓶中氧气的变化量都是相同的，说明此范围水域内的生物不进行光合作用。故该池塘一昼夜产生的氧气量为水深在1～4m范围内的生物产生的氧气量。由题表可知，水深在1～4m范围内生物产生的氧气量分别是9g/m3、7g/m3、4g/m3、2g/m3，总计22g/m3。
【答案】C
变式1 某同学研究甲湖泊某深度的水体中生物的光合作用和有氧呼吸。具体操作如下：取三只相同的透明玻璃瓶a、b、c，将a玻璃瓶瓶体先包以黑胶布，再包以锡箔。然后，用a、b、c三只玻璃瓶从待测深度的水体中取水，测定瓶中水的氧气含量。将a瓶、b瓶密封再沉入待测深度的水体中，经24小时取出，测定两瓶中水的氧气含量，结果如下图所示。则24小时待测深度的水体中，生物光合作用和有氧呼吸情况的有关描述正确的是（ ）
A.24小时待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是Vmol/瓶
B.24小时待测深度水体中生物光合作用实际产生的氧气量是Kmol/瓶
C.24小时待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是（K-V）mol/瓶
D.24小时待测深度水体中生物光合作用实际产生的氧气量是（K-V）mol/瓶
【解析】本题以柱状图为载体考查考生数形结合及图文转化能力。由题干及柱状图分析可知，c瓶中的氧气含量W为初始氧气量，a瓶中的氧气量V为进行24小时有氧呼吸后剩余氧气量，b瓶中氧气量K为24小时经过光合作用和呼吸作用后瓶中的氧气量，即呼吸消耗氧气量=W-V，K-W=净光合量，24小时待测深度水体中生物光合作用实际产生的氧气量是（K-V）mol/瓶。
【答案】D
变式2 用等体积的三只玻璃瓶甲、乙、丙，同时从某池塘水深0.5m处的同一位置取满水样，立即测定甲瓶中的氧气含量，并将乙、丙瓶密封后沉回原处。一昼夜后取出玻璃瓶，分别测定两瓶中的氧气含量，结果如下表（不考虑化能合成作用）。有关分析合理的是（ ）
A.丙瓶中浮游植物细胞产生[H]的场所是线粒体内膜
B.在一昼夜内，丙瓶生物细胞呼吸消耗的氧气量约为1.1mg
C.在一昼夜后，乙瓶水样的pH比丙瓶的低
D.在一昼夜内，乙瓶中生产者实际光合作用释放的氧气量约为0.4mg
【解析】本题考查光合作用和细胞呼吸的相关知识，意在考查考生能否运用所学知识与观点，通过比较、分析与综合等方法对某些生物学问题进行解释、推理，进而做出合理的判断或得出正确结论的能力。本实验中氧气含量甲瓶-丙瓶=1.1mg，可表示一昼夜该瓶中生物细胞的呼吸量；乙瓶-甲瓶=0.7mg，可表示一昼夜乙瓶中生物释放的氧气量，因此乙瓶中生物实际光合作用产生的氧气量=1.1+0.7=1.8mg，B项正确，D项错误；丙瓶中浮游植物细胞产生[H]的场所有细胞质基质、线粒体基质，A项错误；一昼夜后，乙瓶水样中的CO2含量下降，因此其pH上升，而丙瓶中只进行细胞呼吸，CO2含量上升，pH下降，乙瓶水样的pH比丙瓶的高，C项错误。
【答案】B
【备考建议】上述变式都是以数学模型的形式考查考生图文转化能力和提取信息以及数据处理和分析能力。在每年的高考题中，都会涉及光合作用与细胞呼吸这一主干知识的考查，一方面要加大该部分内容的复习力度，另一方面要变换形式加以强化训练，帮助考生掌握解题技巧以攻破这一难点。考生遇到表格题或柱状图，一定不能着急，先找到题干中的重要信息进行转化，如：“黑瓶=只呼吸”“白瓶测得量为光合产生量与呼吸消耗量的差值”，再将具体数值代入即可得出答案。即黑瓶测得的数据=呼吸作用消耗的氧气剩余量；白瓶测得的数据=净光合作用；对照瓶用来消除实验误差；放置于同一水样深度一定时间后，测得各瓶的氧气含量变化，求初级生产量，即真光合作用量（光合作用总量）=白瓶中氧气增加量+黑瓶中氧气减少量。
视角2：以探究实验为依托，考查实验设计及推理分析能力
例2 测定水生生态系统的总初级生产量可采用黑白瓶法，方法如下：
第一步：用化学滴定法或电子检测器测定池塘中某一水层的溶氧量，记为a。
第二步：从池塘的同一水层取水样，装在一黑一白一对样瓶中并密封。白瓶是透光瓶，黑瓶是不透光瓶。将这对样瓶放回原水层。
第三步：24h后取出样瓶，再次用化学滴定法或电子检测器测定黑瓶和白瓶中的溶氧量，分别记为b和c。
第四步：数据分析。
（1）请用上述字母回答，总初级生产量为。
（2）在一次实验中，早春季节测量某温带落叶林中的一个淡水池塘的净初级生产量（总初级生产量除去生产者自身的呼吸量，即为净初级生产量），结果如右图所示：
从曲线可以看出，随水深增加，净初级生产量呈下降趋势，A～B段数值大于0，表明该段；若一个生态系统较长时间处于C点所示状态，则该系统（填“能”或“不能”）处于稳定状态。
（3）取水样2L，摇匀后等量分装在黑、白两只瓶中。测得12h内黑瓶氧气下降量为2mg，1天内白瓶氧气增加量为6mg，不计温度影响，则一天内藻类实际产氧量为 mg/L。
【解析】本题以黑白瓶测氧量的实验设计及曲线呈现形式考查光合作用与细胞呼吸的原理及相互关系，难度较大。（1）（a-b）为呼吸消耗氧气量；（c-a）为净光合量；总初级生产量=净光合量+呼吸消耗量=（c-a）+（a-b）=c-b。（2）曲线中随水深增加，光照强度减弱，净光合量减少；当水深为25m时净光合量为0（C点时），即光合作用产生的氧气量等于呼吸消耗的氧气量；若长期处于净光合量为0的状态，则不利于生态系统的稳定。水深浅于25m，即A～B段光合作用产生的氧气量大于呼吸作用消耗的氧气量。（3）呼吸消耗氧气的速率为2/12mg/L・h，白瓶中氧气增加速率即净光合速率为6/24mg/L・h；实际光合速率=净光合速率+呼吸速率=6/24+2/12=10/24mg/L・h，即24小时（1天）内藻类实际产氧量为10mg/L。
【答案】（1）c-b （2）光合作用大于呼吸作用 不能 （3）10
变式1 某研究小组从当地一湖泊的某一深度取得一桶水样，分装于六对黑白瓶中，剩余的水样测得初始溶解氧的含量为10mg/L，白瓶为透明玻璃瓶，黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。将它们分别置于六种不同的光照条件下，24小时后实测，获得六对黑白瓶中溶解氧的含量，记录数据如下：
（1）黑瓶中溶解氧的含量降低为3mg/L的原因是；24小时内该瓶中所有生物细胞呼吸消耗的O2量为mg/L。
（2）当水层光照强度为c时，24小时内白瓶中植物产生的氧气量为mg/L。光照强度至少为（填字母）时，该水层产氧量才能维持生物正常生活耗氧量所需。当光照强度为（填字母）时，再增加光照强度，瓶中溶解氧的含量也不会增加。
【解析】由于初始氧气量为10mg/L，黑瓶溶氧量一直为3mg/L，随着光照强度的增加呼吸消耗氧气量不变均为7mg/L；在其他各光照强度下根据白瓶中净光合生成量可求得真光合生成氧气量，见下图：
【答案】（1）黑瓶中植物不能进行光合作用产生氧气，而生物呼吸消耗氧气 7 （2）21 a d
变式2 为了调查太湖是否有自养生物存在，及其产氧量能否维持本层水体生物呼吸耗氧所需，可用黑白瓶法测定该水层生物昼夜平均代谢率来判定。白瓶为透明玻璃瓶，其水体溶解O2的昼夜变化值为水中生物光合作用产生的O2与呼吸消耗的O2的差值（以WDO表示）；黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶，瓶中水体溶解O2的昼夜变化值为水中生物呼吸消耗的O2（以BDO表示）。请完成下列实验。
（1）实验步骤：
①用采样器取该层水样，分别注满500mL黑、白瓶并密封，剩余水样测；
②将黑、白瓶；
（2）设计记录所测数据的表格。
（3）预测实验结果并分析。
【解析】实验的检测指标是密封在黑、白瓶中水体的溶氧变化值，而要得出此值就必须先测得水体的初始溶氧量和24小时后瓶中溶氧量，设计实验步骤和数据记录表格如下。要探究的问题即反应指标有两个：该水层是否有自养生物，若有自养生物，其产氧量能否满足本层水体生物呼吸作用消耗的氧气量。
【答案】（1）①初始溶解氧浓度 ②挂回原水层 ③24h后取出黑、白瓶并测量溶解氧浓度
（2）黑、白瓶溶解氧浓度变化记录表（mg/L）
（3）若WDO-BDO>0，则有自养生物；若WDO-BDO=0，则无自养生物；若WDO≥0，则该水层产氧量能维持生物耗氧量所需。
【备考建议】上述习题都是以实验设计形式考查考生实验探究及推理分析能力。《考试说明》中明确指出要注重实验探究以及获取信息能力的考查。在平时的备考中，教师一方面要多角度精心挑选试题，训练考生熟练的应试能力；另一方面在讲解习题时要更加注重“解题切入点”“解题技巧”的渗透。考生首先要熟练掌握光合作用及细胞呼吸的基本原理，始终把握“净光合量=总光合量-呼吸量”这一基本解题策略；其次在遇到此种类型的习题时，在认真分析题意的基础上，将题干中的有效信息进行有机结合；最后将探究实验中测得的数据进行归纳整理，找出哪些是总光合数据，哪些是呼吸作用的数据，代入即可求得。
同步训练
1.采用黑白瓶法测定池塘群落各深度一昼夜代谢的平均氧浓度变化，结果如下表。请据表分析，该池塘单位体积内一昼夜制造的氧气量和消耗的氧气量分别是（ ）
A.7，11B.13，11
C.7，6D.13，6
2.某同学为研究某池塘（溶氧充足）中2米深处生物的光合作用和有氧呼吸，设计了黑白瓶实验：取三只大小相同、体积适宜的透明玻璃瓶，分别标号1、2、3，其中1号瓶用锡箔纸包住遮光。用三只瓶子在池塘2米深的相同位置取满水，测3号瓶的溶氧量，记为a。然后将1、2号瓶放回取水处，24h后取出，测1、2号瓶的溶氧量记作b、c。下列不正确的是（ ）
A.c-b可用来表示该处植物24h的光合作用净值
B.c-b可用来表示该处植物24h的光合作用总值
C.如果没有3号瓶，不能测出该处生物24h内呼吸作用氧气的消耗量
D.如果没有3号瓶，也可以计算出该处生物24h内光合作用产生的氧气量
3.生态学家研究了美国Mendota湖的能量流动，得到如下表数据（单位：kJ/cm2・y）。
以下是获得表中数据的某些测定方法。
黑白瓶法：取水样分2等份，密封在可透光瓶子内。1份遮光，1份透光。将样本放回取样处水层中。一定时间后，测其O2和CO2含量的变化，以数据推算样本中生物的光合作用量和呼吸作用量。
叶绿素测定法：取一定体积水样，过滤获得浮游生物，用丙酮提取其中叶绿素，用分光光度计测定叶绿素浓度，以此计算得浮游植物生物量。
在获取表中数据时，以下做法能得到准确数据的是（ ）
A.黑白瓶法测各水层光合作用和呼吸作用量，据此推算浮游植物生物量和呼吸量
B.叶绿素测定法直接测得各水层浮游植物生物量，取其平均值为浮游植物生物量
C.两法合用测得各水层光合作用量和植物生物量，据此推算动物摄食量
D.黑白瓶法测得CO2产生量，据此推算分解者分解量
4.下图是采用黑白瓶法测定某池塘夏季各深度24小时内的平均氧浓度变化曲线，纵轴表示水池深度，横轴表示瓶中O2的变化量（g/m2・h），请回答下列问题。
（1）光照适宜时，水深2m处每平方米的生产者一小时制造的O2约为g。
（2）水深3m时，该层自养生物产生的氧气为g/m2・h；水深1m时光合作用产生的氧气为g/m2・h。
【参考答案】
1.B
2.A 【解析】3号瓶溶氧量a为3只瓶中的初始溶氧量。1号瓶遮光只进行细胞呼吸，故（a-b）表示24h细胞呼吸耗氧量，故C项正确。2号瓶进行光合作用和细胞呼吸，其呼吸强度和1号瓶相同，由于24h后2号瓶溶氧量为c，则1号瓶和2号瓶的溶氧量的差代表24h光合作用的实际产氧量，为（c-b），故B项正确，A项错误。3号瓶起到计算细胞呼吸耗氧量作用，该处生物24h内光合作用产生的氧气量可直接通过1、2号瓶就能计算，故D项正确。
3.B 【解析】首先排除D项，因为CO2的产生量表示的只是代谢产生的CO2，包括了该环境的所有生物。其次排除C项，用这种方法不可能得出动物摄食量，因为题干没有给出明确的食物链。A项中浮游植物的单位呼吸量未知，因此以此法不可能测定浮游植物的生物量。因此B项正确，因为对于相同生物而言，其细胞器的量是一定的，因此可以以叶绿素的量作为参量，对生物体的总量进行定量分析。
4.（1）3 （2）1.5 4.5