2020版高中生物 第五章 第4节 第2课时 光合作用的原理和应用学案 新人教版必修1

2020版高中生物 第五章 第4节 第2课时 光合作用的原理和应用学案 新人教版必修1

第2课时　光合作用的原理和应用 ‎1．了解光合作用及对它的探究历程。‎ ‎2．阐明光合作用的过程和实质。(重难点)‎ ‎3．明确光合作用过程中的物质变化和能量变化。(重点)‎ ‎4．会分析影响光合作用强度的环境因素。(重点)‎ 光 合 作 用 的 探 究 历 程 ‎1．光合作用的概念 ‎(1)场所：绿色植物的叶绿体。‎ ‎(2)能量来源：光能。‎ ‎(3)反应物：CO2和H2O。‎ ‎(4)产物：有机物和O2。‎ ‎2．光合作用的探究历程(连线)‎ 15‎ 提示：a－②－Ⅰ　b－③－Ⅱ　c－①－Ⅲ　d－⑥－Ⅳ　e－⑦－Ⅴ　f－④－Ⅵ　g－⑤－Ⅶ ‎[合作探讨]‎ 探讨1：萨克斯实验中，实验前先要把植物在黑暗中放置一段时间，其目的是什么？遮光组和曝光组哪一组为实验组？哪一组为对照组？此实验除了能证明光合作用的产物有淀粉外，还能说明什么问题？‎ 提示：实验前先要把植物在黑暗中放置一段时间的目的是消耗掉叶片中的淀粉，以免影响实验结果；实验中改变条件的是实验组，因此曝光组为对照组，遮光组为实验组；此实验还能说明光合作用需要光照。‎ 探讨2：鲁宾和卡门实验采用的实验方法是什么？第一组和第二组有没有实验组和对照组的区别？‎ 提示：同位素标记法　没有实验组和对照组的区分，属于相互对照。‎ 探讨3：卡尔文往小球藻培养液中通入14CO2后，分别给予小球藻不同时间的光照 ，然后用热酒精杀死小球藻，分别测定不同光照时间下，小球藻中的放射性物质，结果如下：‎ 实验组别 光照时间(s)‎ 放射性物质分布 ‎1‎ ‎2‎ 三碳化合物 ‎2‎ ‎20‎ ‎12种磷酸化糖类 ‎3‎ ‎60‎ 除上述12种磷酸化糖类外，还有氨基酸、有机酸等 ‎(1)卡尔文用热酒精杀死小球藻的目的是什么？‎ 提示：目的是使酶失活，终止小球藻的光合作用及其他代谢过程。‎ ‎(2)根据实验结果分析光合作用过程中CO2首先固定在哪一种化合物中？‎ 提示：三碳化合物。‎ ‎(3)光合作用产生的糖类物质还能转化为哪些物质？‎ 15‎ 提示：氨基酸、有机酸等。‎ ‎[思维升华]‎ ‎1．普利斯特利的实验 ‎(1)实验过程及现象：‎ 密闭玻璃罩＋绿色植物＋ ‎(2)实验分析：‎ ‎①缺少空白对照，实验结果说服力不强，应将点燃的蜡烛和小鼠分别单独置于玻璃罩内，作为空白对照。‎ ‎②没有认识到光在植物更新空气中的作用，而将空气的更新归因于植物的生长。‎ ‎③由于当时科学发展水平的限制，没有明确植物更新气体的成分。‎ ‎2．萨克斯的实验 ‎(1)实验过程及现象：‎ 黑暗中饥饿处理的绿叶 ‎(2)实验分析：‎ ‎①设置了自身对照，自变量为光照，因变量是叶片颜色变化。‎ ‎②实验的关键是饥饿处理，以使叶片中的营养物质消耗掉，增强了实验的说服力。‎ ‎③本实验除证明了光合作用的产物有淀粉外，还证明了光是光合作用的必要条件。‎ ‎3．鲁宾和卡门的实验 ‎(1)实验过程及结论：‎ ‎(2)实验分析：设置了对照实验，自变量是标记物质(HO和C18O2)，因变量是O2的放射性。‎ ‎1．历经一个多世纪，经过许多科学家的实验，才逐渐发现光合作用的场所、条件、原料和产物，在下面几个著名实验中，相关叙述不正确的是(　　)‎ ‎【导学号：19040236】‎ A．普利斯特利的实验证明了植物可以更新空气 B．萨克斯的实验也可证明光是光合作用的必要条件 C．恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量 D．鲁宾和卡门的实验中，用18O分别标记H2O和CO2，证明了光合作用产生的氧气来自于H2O而不是CO2‎ ‎【解析】　本题考查光合作用的探究历程。恩格尔曼的实验能够证明氧气由叶绿体释放出来，叶绿体是进行光合作用的场所，而没有定量分析光合作用生成的氧气量。‎ 15‎ ‎【答案】　C ‎2．鲁宾和卡门用HO和CO2作为原料进行光合作用实验，下列符合实验结果的是(　　)‎ A．释放的氧气全是O2‎ B．释放的氧气一部分是O2，一部分是18O2‎ C．释放的氧气全是18O2‎ D．释放的氧气大部分是O2，少部分是18O2‎ ‎【解析】　鲁宾和卡门用HO和CO2作为原料进行光合作用实验，其目的是为了探究光合作用释放出的O2的来源，通过放射性检测，光合作用产生的O2全部来源于水。‎ ‎【答案】　C ‎3．某植物叶片不同部位的颜色不同，将该植物在黑暗中放置48 h后，用锡箔纸遮蔽叶片两面，如图所示。在日光下照光一段时间，去除锡箔纸，用碘染色法处理叶片，观察到叶片有的部位出现蓝色，有的没有出现蓝色。其中，没有出现蓝色的部位是(　　)‎ ‎【导学号：19040237】‎ A．a、b和d　　　　 B．a、c和e C．c、d和e D．b、c和e ‎【解析】　绿色植物光合作用合成淀粉，淀粉遇碘变蓝。a处黄白色，没有叶绿素，特别是没有叶绿素a，不能进行光合作用，b处有叶绿体和光，能进行光合作用，c、e处遮光，不能进行光合作用，d处有叶绿素和光，能进行光合作用。‎ ‎【答案】　B 光 合 作 用 的 过 程 ‎1．反应式 CO2＋H2O(CH2O)＋O2。‎ ‎2．过程分析 15‎ ‎[合作探讨]‎ 探讨1：为什么暗反应不能较长时间地在黑暗条件下进行？‎ 提示：因为光反应为暗反应提供的[H] 、ATP是有限的。‎ 探讨2：不给小球藻提供CO2，只给予光照，小球藻能独立地进行光反应吗？为什么？‎ 提示：不能，因为没有暗反应，光反应的产物积累，使光反应被抑制。‎ 探讨3：结合光反应和暗反应过程分析，若突然停止光照或停止CO2供应，叶绿体中C3和C5相对含量发生怎样的变化？‎ 提示：①停止光照：C3含量相对增加，C5含量相对减少。‎ ‎②停止CO2供应：C3含量相对减少，C5含量相对增加。‎ 探讨4：一天中是早晨空气中O2浓度高，还是傍晚空气中O2浓度高？‎ 提示：傍晚空气中O2浓度高。因为植物在白天进行光合作用，吸收CO2产生O2；晚上只进行细胞呼吸，吸收O2释放CO2。‎ ‎[思维升华]‎ ‎1．光反应与暗反应的比较 项目 光反应(准备阶段)‎ 暗反应(完成阶段)‎ 场所 叶绿体的类囊体薄膜上 叶绿体的基质中 条件 光、色素、酶、水、ADP、Pi 多种酶、[H]、ATP、CO2、C5‎ 物质变化 ‎①水的光解：‎ ‎2H2O4[H]＋O2‎ ‎①CO2固定：‎ CO2＋C5‎2C3‎ 15‎ ‎②ATP的形成：‎ ADP＋Pi＋能量ATP ‎②C3的还原：‎2C3(CH2O)‎ 能量变化 光能转变成ATP中活跃的化学能 ATP中活跃的化学能转变成贮存在(CH2O)中的稳定的化学能 相互联系 光反应产物[H]、ATP为暗反应提供还原剂和能量；暗反应产生的ADP、Pi为光反应形成ATP提供了原料 ‎2.光照和CO2浓度变化对光合作用物质含量变化的影响 当外界条件改变时，光合作用中C3、C5、[H]、ATP含量的变化可以采用如图分析：‎ 条件 C3‎ C5‎ ‎[H]和ATP 模型分析 光照由强 到弱CO2‎ 供应不变 增加 减少 减少或没有 光照由弱 到强CO2‎ 供应不变 减少 增加 增加 光照不变 CO2由充 足到不足 减少 增加 增加 光照不变 CO2由不 足到充足 增加 减少 减少 ‎(1)以上各物质的变化是相对含量的变化，不是合成速率，且是在条件改变后的短时间内发生的。‎ ‎(2)在以上各物质的含量变化中：C3和C5含量的变化是相反的，即C3增加，则C5减少；[H]和ATP的含量变化是一致的，都增加，或都减少。‎ ‎1．在进行光合作用的单细胞绿藻培养液中通入C18O2，一段时间后，产生的下列物质中不可能有18O标记的是(　　) ‎ ‎【导学号：19040238】‎ 15‎ A．O2　　　　　 B．葡萄糖 C．三碳化合物 D．五碳化合物 ‎【解析】　光合作用释放的O2来自水中的O元素。‎ ‎【答案】　A ‎2．甲图表示光合作用部分过程的图解，乙图表示改变光照后，与光合作用有关的五碳化合物和三碳化合物在细胞内含量的变化曲线，请据图回答问题。‎ ‎(1)甲图中A表示的物质是________，它是由______________产生的，其作用主要是_____________________________________________________。‎ ‎(2)甲图中ATP形成所需的能量最终来自于______________。若用放射性同位素‎14C标记CO2，则‎14C最终进入的物质是________。‎ ‎(3)乙图中曲线a表示的化合物是________，在无光照时，其含量迅速上升的原因是__________________________________________________________‎ ‎____________________________________________________________。‎ ‎(4)曲线b表示的化合物是________，在无光照时，其含量下降的原因是 ‎____________________________________________________________。‎ ‎【解析】　(1)光反应为暗反应提供的物质是[H]和ATP，由此可确定A是[H]，[H]是由H2O分解后经一系列过程产生的，其作用主要是用于三碳化合物的还原。(2)光反应中，光能转化为活跃的化学能储存于ATP中，14CO2的同化途径为14CO2→‎14C3(即三碳化合物)→(14CH2O)。(3)(4)题干中已明确a、b表示三碳化合物和五碳化合物的含量变化，光照停止后，光反应停止，[H]和ATP含量下降，三碳化合物的还原减弱直至停止，而CO2的固定仍在进行，因此三碳化合物含量相对升高，五碳化合物含量相对下降，即a表示三碳化合物，b表示五碳化合物。‎ ‎【答案】　(1)[H]　水在光下分解　用于三碳化合物的还原 ‎(2)光能　(CH2O)‎ ‎(3)三碳化合物　CO2与五碳化合物结合生成三碳化合物，而三碳化合物不能被还原 ‎(4)五碳化合物　五碳化合物与CO2结合生成三碳化合物，而三碳化合物不能被还原为五碳化合物 ‎[规律方法]‎ C3和C5含量变化的分析方法 ‎(1)光照强→弱CO2供应不变 15‎ →→(CH2O)合成量减少 ‎(2)光照不变减少CO2供应→‎ →→(CH2O)合成量相对减少 光 合 作 用 原 理 的 应 用 及 化 能 合 成 作 用 ‎1．光合作用强度 ‎(1)概念：单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。‎ ‎(2)表示方法：一定时间内原料的消耗或产物的生成数量。‎ ‎2．探究环境因素对光合作用强度的影响 ‎(1)影响因素：‎ ‎(2)探究光照强度对光合作用的影响：‎ 15‎ ‎3．化能合成作用 ‎(1)概念：某些细菌利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物的合成作用。‎ ‎(2)实例：硝化细菌能利用氧化NH3、HNO2释放的化学能，将CO2和H2O合成为糖类。‎ ‎(3)自养生物和异养生物 ‎①自养生物：绿色植物和硝化细菌都能将CO2和H2O合成糖类，因此属于自养生物。‎ ‎②异养生物：人、动物、真菌以及大多数细菌只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动，属于异养生物。‎ ‎[合作探讨]‎ 探讨1：炎热的夏季，成团的水绵为什么漂浮在水面上？‎ 提示：光合作用旺盛，释放氧气使水绵团上浮。‎ 探讨2：夏季中午，光照强、温度高，但植物的光合作用强度反而减弱，原因是什么？‎ 15‎ 提示：光照过强→气孔关闭→CO2供应不足→光合作用下降。‎ 探讨3：光照强度、CO2浓度分别直接影响光合作用的什么过程？‎ 提示：光照强度直接影响光合作用的光反应过程。CO2浓度直接影响光合作用的暗反应过程。‎ ‎[思维升华]‎ ‎1．探究光照强度对光合作用的影响 ‎(1)实验原理 叶片含有空气，叶片上浮。抽出气体后，细胞间隙充满水，叶片下降；光照后，叶片进行光合作用，释放O2，使细胞间隙又充满气体，叶片上浮。‎ ‎(2)实验中沉水叶片的制备 ‎①小圆形叶片的制备：用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出小圆形叶片。‎ ‎②沉水：用注射器抽出叶片内气体，放入黑暗处盛有清水的烧杯中，小圆形叶片全部沉到水底。‎ ‎(3)实验装置分析 ‎①自变量的设置：光照强度是自变量，通过调整台灯与烧杯之间的距离来调节光照强度的大小。‎ ‎②中间盛水的玻璃柱的作用：吸收灯光的热量，避免光照对烧杯内水温产生影响。‎ ‎③因变量是光合作用强度，可通过观测单位时间内被抽去空气的小圆形叶片上浮的数量或者是浮起相同数量的叶片所用的时间长短来衡量光合作用的强弱。‎ ‎(4)实验结果及结论 ‎①实验结果。‎ ‎②实验结论。‎ 15‎ 在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强(小圆形叶片中产生的O2多，浮起的多)。‎ ‎2．影响光合作用的因素 ‎(1)光照强度 ‎①光照强度与光合作用强度的关系曲线分析 A点：光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，释放的CO2量可表示此时细胞呼吸的强度。‎ AB段：随光照强度增强，光合作用强度也逐渐增强，CO2释放量逐渐减少，这是因为细胞呼吸释放的CO2有一部分用于光合作用，此时细胞呼吸强度大于光合作用强度。‎ B点：细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合作用强度等于细胞呼吸强度(光照强度只有在B点以上时，植物才能正常生长)。‎ BC段：表明随着光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，到C点以后不再加强。限制C点以后光合作用强度不再增加的内部因素是色素含量、酶的数量和最大活性，外部因素是CO2浓度等除光照强度之外的环境因素。‎ ‎②应用：阴雨天适当补充光照，及时对大棚除霜消雾。‎ ‎(2)CO2浓度 ‎①曲线分析：A点是进行光合作用所需的最低CO2浓度，B点是CO2饱和点；B点以后，随着CO2浓度的增加光合作用强度不再增加。‎ ‎②应用：温室中适当增加CO2浓度，如投入干冰等，大田中“正其行，通其风”，多施有机肥来提高CO2浓度。‎ ‎(3)温度 ‎①B点是最适温度，此时光合作用最强，高于或低于此温度光合作用强度都会下降，因为温度会影响酶的活性。‎ ‎②应用：温室栽培时白天适当提高温度，夜间适当降低温度。‎ 15‎ ‎1．取某种植物生长状态一致的新鲜叶片，用打孔器打出若干圆片，圆片平均分成甲、乙、丙三组，每组各置于一个密闭装置内，并分别给予a、b、c三种不同强度的光照，其他条件一致。照光相同时间后，测得各装置内氧气的增加量如图所示，下列叙述错误的是(　　)‎ ‎ ‎ ‎【导学号：19040239】‎ A．装置内增加的氧气来自于水 B．光照强度为a时，光合作用停止 C．丙组装置内的CO2含量照光后比照光前低 D．该图反映了光合作用强度与光照强度的关系 ‎【解析】　光合作用光反应阶段主要发生ATP的合成和H2O的光解，其中H2O光解为[H]和O2。若装置中氧含量增加，说明光合作用正在进行。丙组产生O2量最多，消耗的CO2量最多，因此，丙组装置内的CO2含量照光后比照光前低。‎ ‎【答案】　B ‎2．植物光合速率受多种环境因素的影响。如图表示在不同环境条件下某植物的光合速率变化情况，有关叙述正确的是(　　)‎ A．光照强度为1时，植物光合速率极低，细胞中ATP的含量几乎为0‎ B．光照强度和CO2浓度一定时，植物光合速率随着温度升高而不断加快 C．光照强度在5～6时，植物光合速率随光照强度增大而升高 D．光照强度一定时，CO2浓度对光合速率的影响比温度的影响明显 ‎【解析】　光照强度为1时，光合作用极弱，产生的ATP极少。但此时细胞呼吸较强，产生的ATP较多。光照强度和CO2浓度一定时，光合速率在一定范围内随温度升高而不断加快，但超过酶的最适温度后，光合速率随温度升高逐渐降低。由图可知，光照强度在5～6时，光合速率不再随光照强度升高而升高。当同处于‎15℃‎时，高浓度CO2与低浓度CO2相比，光合速率明显较大；而同处于低浓度CO2或高浓度CO2时，温度由‎15℃‎升高为‎25℃‎，光合速率略有提高，说明光照强度一定时，CO2浓度对光合速率的影响比温度对光合速率的影响更明显。‎ 15‎ ‎【答案】　D ‎3．光合作用和化能合成作用的相同之处是(　　)‎ ‎ 【导学号：19040240】‎ A．都以太阳能作为能源 B．都需要环境中的物质氧化释放的能量 C．都可以将无机物转变为有机物 D．都是高等生物的代谢类型 ‎【解析】　光合作用是绿色植物利用光能把CO2和H2O转化为有机物的过程；化能合成作用是某些微生物利用环境中的物质氧化释放的化学能，把CO2和H2O转变成有机物的过程。两者的不同点是，前者利用的能量是光能，后者利用的能量是化学能，两者的相同点：都是把无机物转变为有机物，从生物类型来看，前者是所有绿色植物都能进行的，而后者只有低等生物——硝化细菌等微生物才能进行。‎ ‎【答案】　C ‎1．2,6二氯酚靛酚是一种蓝色染料，能被还原剂还原成无色。从叶绿体中分离出类囊体，置于2,6二氯酚靛酚溶液中，对其进行光照，发现溶液变成无色，并有氧气释放。此实验证明 (　　)‎ A．光合作用在类囊体上进行 B．光合作用产物O2中的氧元素来自CO2‎ C．光反应能产生还原剂和O2‎ D．光合作用与叶绿体基质无关 ‎【解析】　溶液变成无色说明有还原剂产生。‎ ‎【答案】　C ‎2．如图表示植物光合作用的一个阶段，下列各项叙述正确的是(　　) ‎ ‎【导学号：19040241】‎ A．该反应的场所是类囊体的薄膜 B．C3生成C6H12O6需要[H]、ATP和多种酶 C．提高温度一定能促进C6H12O6的生成 D．无光条件有利于暗反应进行 ‎【解析】‎ 15‎ ‎　图示表示光合作用的暗反应过程，其反应场所是叶绿体基质，该过程有氧和无氧条件下均能进行，但需要多种酶催化、充足的CO2、光反应提供的[H]、ATP及适宜的温度等条件，适当提高温度可以提高酶的活性，加快反应速率，但超过一定的温度范围，再提高温度会使酶的活性降低，反应速率减慢。‎ ‎【答案】　B ‎3．下列关于光合作用的叙述正确的是(　　)‎ A．光合作用制造的有机物中的氧全部来自于水 B．光合作用中各种酶的活性与温度呈正相关 C．光反应阶段和暗反应阶段均有ATP的合成 D．光反应阶段为暗反应阶段提供了还原剂[H]‎ ‎【解析】　光合作用制造的有机物中的氧来自CO2，H2O光解产生O2释放到了外界环境中；温度过高时酶的活性会降低；光反应产生ATP，暗反应消耗ATP；光反应为暗反应提供还原剂[H]和ATP。‎ ‎【答案】　D ‎4．下图是某高等植物叶绿体进行光合作用的图解，请据图完成下列问题。‎ ‎(1)图中A表示的结构是由________堆叠而成的。若e为高能化合物，则b、c代表的物质名称依次是：__________________。‎ ‎(2)g与h反应生成i的过程称为____________，i与e、d反应称为________________。‎ ‎(3)图中能量变化过程是___________________________________________‎ 再到有机物中稳定的化学能。‎ ‎(4)光合作用分为光反应和暗反应两个阶段，其中暗反应为光反应提供____________。‎ ‎【解析】　(1)基粒是由类囊体堆叠而成的，e若表示的是ATP，则参与暗反应后就形成Pi和ADP；光反应生成ATP的同时还释放了O2。(2)h表示的是从外界吸收的CO2与C5(g)结合形成C3(i)，称为CO2的固定；C3(i)被还原形成C5和(CH2O)(f)。(3)光合作用过程中能量变化规律是光能转化成ATP中活跃的化学能再到有机物中稳定的化学能。(4)光反应为暗反应提供[H]、ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi。‎ ‎【答案】　(1)类囊体　O2、ADP　(2)CO2的固定　三碳化合物的还原(或C3的还原)　(3)光能转化成ATP中活跃的化学能　(4)ADP和Pi课堂小结：‎ 网络构建 核心回扣 15‎ ‎1.光合作用的反应式：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。‎ ‎2.光反应的场所是类囊体薄膜，产物是O2、[H]和ATP。‎ ‎3.暗反应的场所是叶绿体基质，产物是糖类等物质。‎ ‎4.光合作用中的物质转变：‎ ‎(1)14CO2―→‎14C3―→(14CH2O)；‎ ‎(2)HO―→18O2。‎ ‎5.光合作用的能量转变：光能―→ATP中活跃的化学能―→有机物中稳定的化学能。‎ 15‎