真空渗水法“探究影响光合作用的因素”的实验装置设计

戴 赟 汪婷婷 黄建书

(1上海市闵行区教育学院 上海 200241； 2上海市闵行第三中学 上海 200240)

“探究影响光合作用的因素”是上海市高中生命科学教材第1册第4章第2节中的实验，属于课标要求的唯一一个C级水平的学生探究实验。教材提出了两个可参考的实验方案——真空渗水法和溶解氧传感器测定法。在实际的教学中，真空渗水法因设备要求低而被教师广泛采用。其方案的主要思路是： 利用注射器负压逐出叶肉细胞间的空气使叶圆片下沉，然后叶圆片置烧杯中进行光合作用而上浮，上浮所需时间越短则光合作用越强。但真空渗水法方案用于引导学生实验探究，尤其是设计多组实验，常常遇到实验仪器、试剂的准备工作量大，实验中操作步骤多、变量控制难、实验耗时长等问题，给教师组织实验教学和学生实施实验带来一定的困扰。为此，本文设计了一套便于实验探究的装置，辅助学生便捷地运用真空渗水法方案设计和实施实验。

1 实验装置设计简介

1.1 光源的设置——LED灯 白炽灯作为光源易发热而造成温度干扰，从而影响实验结果。探究实验装置使用冷光源的LED灯(40 W或40 W以上)，能更好地控制温度变量，使实验结果更有说服力。

1.2 容器的归并——注射器 教材方案中，10 mL的玻璃注射器用于真空渗水法使叶圆片下沉，100 mL烧杯作为光合作用使叶圆片上浮的容器。在实际的操作中，注射器内下沉的叶圆片需要倒出后再一个个夹入烧杯。若设计多组实验，这个步骤必然消耗较多时间。同时，10 mL的玻璃注射器较易破碎，存在一定的安全隐患。

本探究实验装置设计使用20 mL的塑料注射器(图1)，兼具教材中10 mL的玻璃注射器和100 mL烧杯的功能，即用20 mL的塑料注射器使叶圆片下沉后，无需更换容器，直接在该注射器内进行叶圆片光合作用上浮实验。其优势在于： ①缩短实验操作时间；

图1 20 mL注射器及尺寸

②相比100 mL的烧杯需倒入30～40 mL的NaHCO3溶液，20 mL的注射器只要使用15 mL即可，能成倍减少试剂使用量；③利用注射器的活塞即可轻松排出原溶液并定量吸取所需要的溶液，使更换溶液轻而易举；④塑料材质的注射器不易碎，即使碎了也不易对学生造成危险；⑤相比玻璃注射器，塑料注射器便宜不少，在价格上颇具优势。

经试验，注射器针筒直径太小(如10 mL的注射器)，叶圆片易重叠而造成较大的实验误差。注射器太大(如50 mL的注射器)，则负压抽气比较困难。故20 mL的注射器是较好的选择。图2显示叶圆片正在20 mL的塑料注射器中上浮。

图2 20 mL注射器内叶圆片上浮

1.3 便于探究的实验架设计 实验架设计既要考虑放置注射器和光源，还要尽量满足相关实验方案实施的需要。本文设计的实验架包括： 上圆盘、下圆盘和支撑柱三部分(图3)。下圆盘半径为23 cm，圆心处设计了LED灯的灯座，可根据需要更换LED灯；4根支撑柱的高度为25 cm，正好能确保注射器内放置叶圆片的部分与光源处于同一水平面，且能清晰观察叶圆片上浮情况(图4)。上圆盘半径与下圆盘等同，并在其半径为10 cm、15 cm、20 cm的三个同心圆(分别记作内圈、中圈和外圈)上设置3圈放置注射器的小孔，每圈6个，共18个小孔。小孔的孔径为2.25 cm，正好能轻松插入一个筒外径为2.1 cm的20 mL的注射器。各圈小孔均匀分布，且呈镶嵌状排列不互相遮挡从圆心LED灯发出的光(图5)。

(1) 侧面图

(2) 俯视图(示上圆盘)

图4 实验架平视结构图

图5 实验架小孔设计图

经手机“照度测量仪APP”和“实时温度计APP”分别测试各圈光照强度和温度，结果显示，由内至外各圈层光照强度递减明显，同时温度一致。因此，本探究实验装置能较好地控制实验条件。

2 本套实验装置在光合作用影响因素实验中的运用

2.1 探究光照强度对光合作用的影响 要探究光照强度对光合作用的影响，利用本装置，可以将注射器置于上圆盘的内圈、中圈和外圈以获得3种不同的光照强度，如图6左图中①②③小孔处相互对照，同时确保各注射器内放置有等量相同的叶圆片和等量一定浓度的NaHCO3溶液(或煮沸后迅速冷却的水)。利用起整个圆盘的小孔，最多可以设置6个重复，取均值以减小误差。若需要研究更多种强度的光照，可以增加圈层数，或在①②③小孔间打通成孔槽以设置多个、连续的光照强度(图7)，只要确保各注射器不互相遮挡光线即可。

2.2 探究CO2浓度对光合作用的影响 要探究CO2浓度对光合作用的影响，可以在注射器内吸取等量不同浓度的NaHCO3溶液，分别置于上圆盘的同一圈层中，确保各实验组光照强度以及温度一致。本装置最多可以设置6个浓度的NaHCO3溶液(图8)。可满足常规探究实验中浓度梯度的需求。相比其他圈，置于内圈小孔能相对较快地看到叶圆片上浮的现象。

图6 光照强度对光合作用影响的探究实验分组设计图和实物图 图7 获得多个、连续变化的光照强度的上圆盘设计

2.3 探究光质或温度对光合作用的影响 要探究光质对光合作用的影响，可以将LED灯更换成能产生不同光质光源的灯，1个实验架用1种光质，几个实验架几种装置相互对照，分别置于暗箱中进行实验。为确保光照强度一致，每个实验架中的注射器应置于相同圈层的小孔中。

同样，若探究温度对光合作用的影响，可以在使用原LED灯的情况下，1个实验架1个温度，多个实验架分别置于不同的温度环境中，每个装置除了温度有别外，其他无关变量都保持一致，如确保每个实验架中的注射器置于相同圈层的小孔使光照强度一致。

图8 探究CO2浓度对光合作用影响的探究实验分组设计

图9 探究光照强度和CO2浓度对光合作用影响的探究实验分组设计图

2.4 用于双因素探究实验的设计 利用改进的实验装置设计双因素实验，可以同时探究光照强度、光质、CO2浓度、温度以及叶龄等因素中的2种。以探究光照强度和CO2浓度对光合作用的影响为例，若需要设置3种光照强度和3种CO2浓度，可以按表1设计9个注射器，分别置于如图9所示的上圆盘①～⑨小孔中。若设置6个梯度浓度的NaHCO3溶液，则需要使用整个上圆盘的18个小孔。

表1 探究光照强度和CO2浓度对光合作用影响的探究实验分组设计表

3 结语

改进后的实验装置更为经济、安全、操作便捷。实验中无需准备数量众多的烧杯，试剂量也减少，能大大减轻实验员在实验前后准备和整理的负担。

教师可通过轻松换用不同瓦数的LED灯或增减NaHCO3溶液的浓度等方法在一定程度上调控学生完成实验的时间，通常20 mL的注射器抽4下可以使4个直径为5 mm左右的叶圆片下沉，叶圆片上浮的时间则基本可以控制在10～20 min之内，为教师组织其他教学活动匀出了宝贵的时间，例如可用于组织学生讨论实验中各种误差的控制：注射器上标签纸的粘贴位置，叶圆片是否重叠，注射器带刻度一侧是否遮挡光线等。