2024-2025學年新教材高中生物第5章細胞的能量供應和利用第4節(jié)第2課時光合作用的原理和應用學案新人教版必修1

PAGE13-第2課時光合作用的原理和應用課標內容要求核心素養(yǎng)對接1.說明植物細胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量，這些能量在二氧化碳和水轉變?yōu)樘桥c氧氣的過程中，轉換并儲存為糖分子中的化學能。2．試驗：探究不同環(huán)境因素對光合作用的影響。1.科學思維——分析與綜合：分析光合作用光反應和暗反應過程，認同兩個階段既有區(qū)分又有聯(lián)系。2．科學探究——依據(jù)試驗目的，設計試驗探究光合作用的影響因素，會分析相關的試驗裝置。3．社會責任——能夠依據(jù)光合作用原理指導生產(chǎn)實踐。一、光合作用概念和反應式1．概念：綠色植物通過葉綠體，利用光能，將二氧化碳和水轉化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程。2．反應式：CO2＋H2Oeq\o(→,\s\up9(光能),\s\do7(葉綠體))(CH2O)＋O2。二、光合作用探究歷程1．19世紀末，科學界普遍觀點：C與H2O結合成甲醛。2．1928年：甲醛不能通過光合作用轉化成糖。3．1937年，英國希爾：離體葉綠體在適當條件下發(fā)生水的光解產(chǎn)生氧氣。4．1941年，魯賓和卡門：探討了光合作用中氧氣的來源(氧氣來源于H2O)。5．1954年，美國阿爾農(nóng)：在光照下，葉綠體可合成ATP；1957年：這一過程總是與水的光解相伴隨。三、光合作用原理1．填寫圖中序號所代表的物質或結構①O2；②NADP＋；③ADP＋Pi；④C5。2．圖示Ⅰ過程是光反應階段(1)場所：類囊體薄膜上。(2)條件：光、色素和酶等。(3)葉綠體中光合色素汲取光能的作用①將水分解為氧和H＋，氧干脆以氧分子形式釋放出去，H＋與NADP＋結合形成NADPH(還原型輔酶Ⅱ)。②在有關酶的作用下，供應能量促使ADP與Pi反應形成ATP，這樣光能就轉變?yōu)閮Υ嬖贏TP中的活躍的化學能。(4)NADPH的作用①作為活躍的還原劑，參加暗反應階段反應。②儲存部分能量供暗反應階段利用。3．圖示Ⅱ過程是暗反應階段(1)場所：葉綠體基質中。(2)條件：酶、NADPH、ATP。(3)詳細過程①CO2的固定，即綠葉通過氣孔汲取的CO2，在特定酶的作用下，與C5(一種五碳化合物)結合，形成C3分子。②在有關酶的催化作用下，C3接受ATP和NADPH釋放的能量，并且被NADPH還原。③一些接受能量并被還原的C3，在酶的作用下經(jīng)過一系列變更反應轉化為糖類；另一些接受能量并被還原的C3，經(jīng)過一系列變更，又形成C5，接著參加CO2的固定。四、光合作用原理的應用1．光合作用強度(1)概念：植物在單位時間內通過光合作用制造糖類的數(shù)量。(2)表示方法單位時間內光合作用eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(制造有機物的量,固定CO2的量,產(chǎn)生O2的量))(3)影響因素①光合作用的原料——水、CO2。影響CO2供應的因素：環(huán)境中CO2濃度和葉片氣孔開閉狀況等。②動力——光能。影響能量供應的因素：光照強度、光的波長等。③場所——葉綠體。影響葉綠體的形成和結構的因素：無機養(yǎng)分和病蟲害。④酶：影響酶活性的因素，如溫度。2．探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響(1)試驗原理①利用LED臺燈離試驗裝置的距離不同，產(chǎn)生不同的光照強度。②依據(jù)單位時間內圓形小葉片上浮的數(shù)量，推斷不同光照強度下光合作用強度的大小。(2)試驗步驟取材eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(器材：打孔器,目的：制備30片圓形小葉片))↓排氣eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(器材：注射器,目的：使圓形小葉片中的氣體逸出))↓沉水eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(條件：放在黑暗處,緣由：細胞間隙充溢了水))↓分組：取3只小燒杯，分別倒入富含CO2的清水、分別放入10片圓形小葉片↓光照：分別對這3個試驗裝置進行強、中、弱三種光照↓視察并記錄：同一時間段內各試驗裝置中圓形小葉片浮起的數(shù)量3．化能合成作用(1)概念：利用體外環(huán)境中的某些無機物氧化時所釋放的能量來制造有機物。(2)實例：硝化細菌能利用NH3氧化釋放的化學能將CO2和H2O合成糖類，供自身利用。推斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)1．光合作用的光反應和暗反應階段在葉綠體的不同部位進行。 ()2．光合作用中光反應必需有光才可進行，暗反應沒有光也可長時間進行。 ()3．光合作用制造的有機物中的氧來自水。 ()4．光合作用的光反應階段完成了光能到活躍化學能的轉換。 ()5．光合作用強度的影響因素有CO2濃度、溫度和光照強度等外界因素。 ()6．光照強度對光合作用強度的影響試驗中，可以通過調整臺燈與試驗裝置的距離來調整光照強度。 ()7．溫度對光合作用強度的影響主要是影響酶的活性。 ()8．探究試驗中，圓形小葉片浮起是由葉片進行呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳導致的。 ()提示：1.√2．×暗反應須要光反應供應的[H]和ATP，沒有光，暗反應不能長時間進行。3．×光合作用制造的有機物中的氧來自CO2。4．√5.√6.√7.√8．×圓形小葉片浮起的緣由是光合作用產(chǎn)生了氧氣。光合作用的原理1．光反應與暗反應的比較(1)區(qū)分項目光反應(打算階段)暗反應(完成階段)場所葉綠體的類囊體薄膜上葉綠體的基質中條件光、色素、酶、水、ADP、Pi、NADP＋多種酶、NADPH、ATP、CO2、C5物質變更①水的光解：2H2Oeq\o(→,\s\up9(光能))H＋＋O2H＋＋2e－＋NADP＋eq\o(→,\s\up9(酶))NADPH②ATP的形成：ADP＋Pi＋能量eq\o(→,\s\up9(酶))ATP①CO2固定：CO2＋C5eq\o(→,\s\up9(酶))2C3②C3的還原：2C3eq\o(→,\s\up9(NADPH、ATP),\s\do7(酶))(CH2O)＋C5能量變更光能轉變成ATP中活躍的化學能和NADPH中的能量ATP中活躍的化學能和NADPH中的能量轉變成貯存在(CH2O)中的穩(wěn)定的化學能實質光能轉化為化學能，并釋放O2同化CO2，合成有機物(2)聯(lián)系①光反應為暗反應供應兩種重要物質：NADPH和ATP，NADPH既可作還原劑，又可供應能量；暗反應為光反應供應三種物質：ADP、Pi以及NADP＋。②暗反應有光無光都能進行。若光反應停止，暗反應可持續(xù)進行一段時間，但時間不長，故晚上一般認為只進行呼吸作用，不進行光合作用。2．光合作用過程中的物質變更(1)光合作用過程中C、O元素轉移途徑①Heq\o\al(\s\up1(18),\s\do1(2))Oeq\a\vs4\al(\o(→,\s\up9(光反應)))18O2eq\a\vs4\al(NADPH\o(→,\s\up9(暗反應))（CH2O）＋H2O)②14CO2eq\a\vs4\al(\o(→,\s\up9(固定)))eq\a\vs4\al(14C3→（14CH2O）)eq\a\vs4\al(14C3→14C5)(2)光合作用總反應式與C、H、O元素的去向3．光照和CO2濃度變更對光合作用物質含量變更的影響當外界條件變更時，光合作用中C3、C5、[H]、ATP含量的變更可以采納如圖分析：(1)eq\a\vs4\al(光照強→弱,CO2供應不變)eq\o(→,\s\up9(光反應減弱))eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(NADPH削減,ATP削減,O2產(chǎn)生量削減))eq\o(→,\s\up9(暗反應))eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(C3還原減弱,CO2固定仍,正常進行))→eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(C3含量上升,C5含量下降))→(CH2O)合成量削減(2)eq\a\vs4\al(光照不變，減,少CO2供應)eq\o(→,\s\up9(暗反應))eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(CO2固定減弱,C3還原仍正常進行))→eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(C3含量下降,C5含量上升))→eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(NADPH相對增加,ATP相對增加,O2產(chǎn)生量不變))→eq\b\lc\(\a\vs4\al\co1(（CH2O）合成,量相對削減))①以上各物質的變更是相對含量的變更，不是合成速率，且是在條件變更后的短時間內發(fā)生的。②在以上各物質的含量變更中：C3和C5含量的變更是相反的，即C3增加，則C5削減；NADPH和ATP的含量變更是一樣的，都增加或都削減。深化探究：1.若給植物供應Heq\o\al(\s\up1(18),\s\do1(2))O，一段時間后能否在植物體內的有機物中發(fā)覺18O？試說明緣由。提示：Heq\o\al(\s\up1(18),\s\do1(2))O參加有氧呼吸其次階段，可形成C18O2，C18O2參加光合作用，可形成含有18O的有機物。2．光合作用中的還原劑和細胞呼吸中的還原劑是否相同？完成下表：光合作用過程中還原劑細胞呼吸過程中還原劑本質還原型輔酶Ⅱ(NADPH)還原型輔酶Ⅰ(NADH)來源________階段無氧呼吸第________階段、有氧呼吸第________、________階段去向________有氧呼吸第________階段提示：光反應一一二三碳化合物的還原三1．科學家用14C標記二氧化碳，A．二氧化碳→葉綠素→葡萄糖B．二氧化碳→ATP→葡萄糖C．二氧化碳→五碳化合物→葡萄糖、三碳化合物D．二氧化碳→三碳化合物→葡萄糖、五碳化合物D[二氧化碳用于光合作用的暗反應，首先二氧化碳和五碳化合物結合，一分子CO2被固定后，形成兩分子的三碳化合物，然后三碳化合物在光反應供應的ATP和NADPH的作用下一部分還原成糖類等有機物，另一部分重新轉變成五碳化合物。綜上所述，D符合題意，A、B、C不符合題意。]2．如圖為光合作用示意圖。下列說法不正確的是()A.①表示O2，③表示還原型輔酶Ⅱ(NADPH)，④表示CO2B．暗反應中，CO2首先與C5結合生成C3，然后被還原為(CH2O)C．黑暗條件下，光反應停止，暗反應將持續(xù)不斷地進行下去D．增加光照強度或降低二氧化碳濃度，C3的含量都將削減C[據(jù)圖分析，類囊體薄膜上的光合色素汲取光能，將水光解，產(chǎn)生NADPH與氧氣，①表示O2，③表示還原型輔酶Ⅱ(NADPH)；光合作用的暗反應階段，場所是葉綠體基質，CO2被C5固定形成C3，④表示CO2，A正確。暗反應中，CO2首先與C5結合生成C3，然后被還原為(CH2O)，B正確。黑暗條件下，光反應停止，NADPH和ATP不再產(chǎn)生，暗反應將漸漸停止，C錯誤。增加光照強度，短時間內C3的生成速率不變，而光反應產(chǎn)生的ATP、NADPH增多，C3被NADPH、ATP還原為(CH2O)速率加快，因此C3的含量削減；降低二氧化碳濃度，CO2的固定減弱，生成的C3削減，短時間內C3的還原速率基本不變，所以C3的含量將削減，D正確。]探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響1．試驗原理葉片含有空氣，葉片上浮。抽出氣體后，細胞間隙充溢水，葉片下沉；光照后，葉片進行光合作用，釋放O2，使細胞間隙又充溢氣體，葉片上浮。2．試驗中沉水葉片的制備(1)圓形小葉片的制備：用打孔器在生長旺盛的綠葉上打出圓形小葉片。(2)沉水：用注射器抽出葉片內氣體，放入黑暗處盛有清水的燒杯中，圓形小葉片全部沉到水底。3．試驗裝置分析(1)自變量的設置：光照強度是自變量，通過調整臺燈與燒杯之間的距離來調整光照強度的大小。(2)中間盛水的玻璃柱的作用：汲取燈光的熱量，避開光照對燒杯內水溫產(chǎn)生影響。(3)因變量是光合作用強度，可通過觀測單位時間內被抽去空氣的小圓形葉片上浮的數(shù)量或浮起相同數(shù)量的葉片所用的時間長短來衡量光合作用的強弱。4．試驗結果及結論(1)試驗結果項目圓形小葉片加富含CO2的清水光照強度葉片浮起數(shù)量燒杯甲10片20mL強多燒杯乙10片20mL中中燒杯丙10片20mL弱少(2)試驗結論在肯定范圍內，隨著光照強度不斷增加，光合作用強度也不斷增加(圓形小葉片中產(chǎn)生的O2多，浮起的多)。為完成“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”試驗，供應以下材料用具：菠菜葉、打孔器(直徑1cm)、注射器、40W臺燈、燒杯、4%NaHCO3溶液、蒸餾水、不同顏色的透亮薄膜等。(1)某同學選取其中一個因素進行探究，以下是試驗結果：時間上浮的葉圓片數(shù)量(片)蒸餾水0.5%NaHCO31%NaHCO31.5%NaHCO32%NaHCO32min07111044min01516137①該試驗的目的是____________________________________，試驗檢測指標是______________________________________。②有哪些措施可以削減試驗誤差？______________________________________________________________。(至少寫出2項)③有同學認為葉片之所以浮起，是因為呼吸作用消耗了有機物且產(chǎn)生了CO2導致葉片上浮。依據(jù)試驗結果推斷該觀點是否正確并說明理由：___________________________________________。(2)利用以上材料，還可以探究的環(huán)境因素有________________。(答出2個)[解析](1)①由表格看出試驗的自變量是不同濃度的NaHCO3溶液，NaHCO3溶液的濃度不同，供應的CO2濃度不同，因此該試驗探討的是不同濃度的CO2對光合作用的影響。試驗視察的指標是單位時間內上浮的葉圓片的數(shù)量。②削減試驗誤差就要平衡無關變量，重復試驗求平均值。③葉片上浮的緣由是光合作用大于呼吸作用，葉片中氧氣增多，葉圓片密度變小。說明葉圓片上浮的緣由不是呼吸作用消耗了有機物且產(chǎn)生了CO2，應從蒸餾水中葉圓片沒有上浮來論述。(2)利用上述試驗材料，還可探究光照強度或不同的光質對光合作用的影響。[答案](1)①探討CO2濃度(或NaHCO3濃度)對葉片光合速率的影響相同時間內燒杯中葉圓片浮起的數(shù)量②用打孔器打出的葉圓片數(shù)量足夠多；每組試驗重復幾次，記錄的數(shù)據(jù)取平均值(合理即可)③該同學的觀點是錯誤的，因為在蒸餾水的那組試驗中，葉片一樣進行了呼吸作用，卻沒有葉片浮起，葉片上浮的緣由是光合作用強度大于呼吸作用強度，葉片內氧氣增多(2)光照強度、光的性質(合理即可)光合作用原理的應用1．光照強度(1)光照強度與光合作用強度的關系曲線分析A點：光照強度為0，此時只進行細胞呼吸，釋放的CO2量可表示此時細胞呼吸的強度。AB段：隨光照強度增加，光合作用強度也漸漸增加，CO2釋放量漸漸削減，這是因為細胞呼吸釋放的CO2有一部分用于光合作用，此時細胞呼吸強度大于光合作用強度。B點：細胞呼吸釋放的CO2全部用于光合作用，即光合作用強度等于細胞呼吸強度(光照強度只有在B點以上時，植物才能正常生長)，B點對應的光照強度為光補償點。BC段：表明隨著光照強度不斷加強，光合作用強度不斷加強，到C點以后不再加強。C點對應的光照強度D為光的飽和點。限制C點以后光合作用強度不再增加的內部因素是色素含量、酶的數(shù)量和最大活性，外部因素是除光照強度之外的環(huán)境因素，如CO2濃度等。(2)應用：陰雨天適當補充光照，剛好對大棚除霜消霧。2．CO2濃度(1)原理：CO2濃度通過影響暗反應階段，制約C3的生成進而影響光合作用強度。(2)曲線：關鍵點ACO2的補償點：光合速率等于呼吸速率時的CO2濃度A′進行光合作用所需的最低CO2濃度B和B′CO2飽和點走勢分析圖1和圖2肯定范圍內，光合作用強度隨CO2濃度的增大而增加，但當CO2達到肯定的濃度時，光合作用強度不再增加(3)應用：溫室中適當增加CO2濃度，如投入干冰等，大田中“正其行，通其風”，多施有機肥來提高CO2濃度。3．溫度(1)B點是最適溫度，此時間合作用最強，高于或低于此溫度光合作用強度都會下降，因為溫度會影響酶的活性。(2)應用：溫室栽培時白天適當提高溫度，夜間適當降低溫度。4．水及無機養(yǎng)分對光合作用的影響(1)原理①N、Mg、Fe等是葉綠素合成的必需元素，若這些元素缺乏，會影響葉綠素的合成從而影響光合作用。②水既是光合作用的原料，又是體內各種化學反應的介質，水還會影響氣孔的開閉，從而影響CO2進入植物體。(2)應用①合理施肥；②預防干旱，合理澆灌。實踐應用：各種環(huán)境因素同時對植物的光合作用產(chǎn)生影響，試分析冬季早晨和夏季早晨限制光合作用的因素分別是什么。提示：冬季早晨溫度較低，溫度是限制光合作用的主要因素；夏季早晨溫度較高，光照較弱，光照是限制光合作用的主要因素。1．已知某植物光合作用和呼吸作用的最適溫度分別為25℃和30℃。如圖表示該植物在25℃時間合強度與光照強度的關系。若將溫度提高到30℃的條件下(其他條件不變)，從理論上講，圖中相應點的移動應當是()A．a(chǎn)點上移，b點左移，m點上移B．a(chǎn)點不移，b點左移，m點不移C．a(chǎn)點下移，b點右移，m點下移D．a(chǎn)點下移，b點不移，m點上移C[溫度由25℃上升到30℃，對于呼吸作用而言，達到最適溫度，呼吸速率增大；對于光合作用而言，超過最適溫度，光合速率下降。因此，a點因呼吸作用加強而往下移。b點為光補償點，一方面呼吸作用加強，需較強的光照強度才能產(chǎn)生與呼吸作用消耗量相當?shù)挠袡C物，另一方面光合速率下降，產(chǎn)生有機物的速率也下降，也需較強的光照強度才能產(chǎn)生與原來等量的有機物，所以b點右移；因溫度超過光合作用最適溫度，酶活性下降，光合作用強度降低，m點下移，故選C。]2．某植物凈光合速率的變更趨勢如圖所示。據(jù)圖回答下列問題：(1)當CO2濃度為a時，高光強下該植物的凈光合速率為________。CO2濃度在a～b之間時，曲線________表示了凈光合速率隨CO2濃度的增高而增高。(2)CO2濃度大于c時，曲線B和C所表示的凈光合速率不再增加，限制其增加的環(huán)境因素是_____________________________。(3)當環(huán)境中CO2濃度小于a時，在圖示的3種光強下，該植物呼吸作用產(chǎn)生的CO2量________(填“大于”“等于”或“小于”)光合作用汲取的CO2量。(4)據(jù)圖可推想，在溫室中，若要實行提高CO2濃度的措施來提高該種植物的產(chǎn)量，還應當同時考慮______這一因素的影響，并實行相應措施。[解析](1)依據(jù)曲線圖可知，當CO2濃度為a時，高光強下(曲線A)該植物的凈光合速率為0；分析坐標圖中曲線的走勢可以看出，當CO2濃度在a～b之間時，曲線A、B和C的凈光合速率都隨著CO2濃度的增高而增高。(2)由題圖可知，影響凈光合速率的因素為CO2濃度和光強。當CO2濃度大于c時，由于受光強的限制，光反應產(chǎn)生的[H]和ATP不足，暗反應受到限制，曲線B和C的凈光合速率不再增加。(3)當環(huán)境中的CO2濃度小于a時，在圖示的3種光強下，植物的凈光合速率小于0，說明該植物此時呼吸作用產(chǎn)生的CO2量大于光合作用汲取的CO2量。(4)據(jù)圖可推想，光強和CO2濃度都會影響植物的凈光合速率，因此若要實行提高CO2濃度的措施來提高該種植物的產(chǎn)量，還應同時考慮光強這一因素的影響。[答案](1)0A、B和C(2)光強(3)大于(4)光強[課堂小結]知識網(wǎng)絡構建核心語句歸納1.光合作用的反應式：CO2＋H2Oeq\o(→,\s\up9(光能),\s\do7(葉綠體))(CH2O)＋O2。2.光反應的場所是類囊體薄膜，產(chǎn)物是O2、NADPH和ATP。3.暗反應的場所是葉綠體基質，產(chǎn)物是糖類等物質。4.光合作用中的物質轉變：(1)14CO2→14C3→(14CH2O)；(2)Heq\o\al(\s\up1(18),\s\do1(2))O→18O2。5.光合作用的能量轉變：光能→ATP和NADPH中活躍的化學能→有機物中穩(wěn)定的化學能。6.光照強度：干脆影響光反應速率，光反應產(chǎn)物中[H]與ATP的數(shù)量會影響暗反應速率，這是最主要的因素。7.溫度：影響光合作用過程，特殊是暗反應中酶的催化效率，從而影響光合作用強度。8.CO2濃度：CO2是暗反應的原料，CO2的濃度干脆影響暗反應速率。1．下圖表示植物光合作用的一個階段，下列相關敘述錯誤的是()A．該階段的化學反應在葉綠體基質中完成B．C3生成(CH2O)須要NADPH、ATP和多種酶C．提高溫度肯定能促進(CH2O)的生成D．該過程為暗反應階段，包括CO2的固定和C3的還原C[圖示暗反應階段的化學反應在葉綠體基質中進行，A正確；C3還原生成(CH2O)的過程須要NADPH、ATP和多種酶，B正確；酶的活性受溫度的影響，提高溫度不肯定能提高酶的活性，若此時的光合作用在最適溫度下進行，提高溫度反而會削減有機物的生成，C錯誤；圖示暗反應階段包括CO2的固定和C3的還原，D正確。]2．如圖為光合作用過程示意圖，在相宜條件下栽培小麥，假如突然將c降低至極低水平(其他條件不變)，則a、b在葉綠體中含量的變更將會是()A．a(chǎn)上升、b下降 B．a(chǎn)、b都上升C．a(chǎn)、b都下降 D．a(chǎn)下降、b上升B[由題圖分析，c是CO2，a和b分別是NADPH、ATP，若在其他條件不變的狀況下，將c降低至極低水平，CO2的固定減弱，C3還原減慢，消耗NADPH和ATP削減，則a、b在葉綠體中含量都將會上升。]3．(2024·全國卷Ⅰ)將一株質量為20g的黃瓜幼苗栽種在