课程基本信息

学科

生物

年级

高一

学期

春季

课题

5.4  光合作用与能量转化 二、  光合作用的原理和应用

教科书

书  名：生物学必修一

出版社：人民教育出版社               出版日期：2019年6月

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学习目标

1.   通过探索光合作用原理的部分实验，说明光合作用过程。（科学探究）

2.从物质与能量观阐明光合作用原理，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的。（生命观念）。

3.设计并实施实验，探究环境因素对光合作用强度的影响。（科学探究）

4.关注光合作用原理的应用，引导学生尝试应用所学知识解决生产生活中实际问题。（社会责任）

课前学习任务

提示：请同学们认真阅读课本第102-104页，用笔标划出核心概念和关键词，并完成下列问题。

1、光合作用的原理

1. 光合作用是指绿色植物通过        ，利用        ，把         和       转化成储存着能量的          ，并且释放出       的过程。
2. 探索光合作用原理的部分实验

年代	科学家	实验设计思路及现象
1928年		甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。
1937年	希尔	离体叶绿体的悬浮液中加入        或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出        。离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生氧气的化学反应称作             。
1941年	鲁宾和卡门	实验方法是             ，即分别向植物提供 H2O和C18O2→现象：释放的氧气全部都是        ； H218O和CO2→现象：释放的氧气全部都是           。
1954年	阿尔农	光照下，叶绿体可以合成     。 这一过程总是与水的光解伴随发生。

3. 光合作用过程

根据是否需要光能，将光合作用分为          和          两个阶段。

（1）光反应阶段

①光合作用第一阶段的化学反应，必须有      才能进行。

②光反应阶段在               上进行的。

③水分解为     和      ，氧直接以氧分子的形式释放出去，     与氧化型辅酶Ⅱ       结合，形成             （NADPH）。NADPH作为活泼的还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，同时也储存部分能量供         阶段利用。

④在有关酶的催化作用下，提供能量促使ADP与Pi反应形成          。 这样，        转化为储存在ATP中的           。这些ATP将参与第二阶段合成有机物的化学反应。

（2） 暗反应阶段

①光合作用第二阶段的化学反应，          光都能进行。又被成为        和             。

②暗反应阶段在              进行的 。

③CO2的固定：绿叶通过气孔从外界吸收       ，在特定     的作用下，与      结合的过程。

④C3的还原：一分子的CO2被固定后，很快形成两个     分子。在有关酶的催化作用下，    接受       和         释放的能量，并且被         还原。

⑤一些接受能量并被还原的C3，在酶的作用下经过一系列的反应转化为        ；另一些接受能量并被还原的C3，经过一系列变化，又形成    。这些      又可以参与CO2的固定。

4. 意义

光合作用产生的有机物，不仅供植物体自身利用，还养活了包括你我在内的所有异养生物。

二、探究环境因素对光合作用强度的影响

1. 光合作用强度是指绿色植物在            通过光合作用制造          的数量。
2. 根据光合作用的反应式知道，光合作用的原料—       、         ，动力—        ，都是影响光合作用强度的因素。因此，只要影响到原料、能量的供应，都可能是影响光合作用强度的因素。例如，环境中的            ，叶片         开闭情况，都会影响CO2的供应量而影响光合作用的进行。叶绿体是光合作用的场所，影响叶绿体的形成和结构的因素，如          、        ，也会影响光合作用强度。此外，光合作用需要众多的酶参与，因此，影响酶活性的因素（如        ），也是影响因子。
3. 探究光照强度对光合作用强度的影响

（1）实验原理：

叶片含有空气上浮         叶片下沉                      充满细胞间隙，叶片上浮。

（2）实验步骤：

（3）实验现象：光照越强，烧杯内圆形小叶片浮起的数量        。

（4）实验结论：一定范围内，随着光照强度的不断增加，光合作用强度不断          。 

三、化能合成作用

1. 概念：少数种类的细菌，细胞内没有叶绿素，不能进行光合作用，但是却能利用体外环境中的某些           氧化时所释放的能量来制造            。
2. 实例：土壤中的硝化细菌能将土壤中的       氧化成        进而氧化成       。           两个化学反应中释放出的化学能，就被硝化细菌用来将          和      合成            ，供硝化细菌维持自身的生命活动。

课上学习任务

【学习任务一】光合作用的原理

1.希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全都来自水？是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？

2.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。

【典例1】科学是在实验和争论中前进的，光合作用原理的探究历程就是如此。下面几个探索光合作用原理的实验中，相关叙述不正确的是(　 　)

A.希尔发现离体的叶绿体在适当条件下可发生水的光解                         

B.鲁宾和卡门在实验中，用18O分别标记H2O和CO2，证明了光合作用产生的氧气来自CO2而不

是H2O

C.阿尔农发现在光照下，叶绿体可合成ATP，且这一过程总是与水的光解相伴随              

D.卡尔文利用同位素示踪法探明了CO2中碳是如何转化为有机物中的碳的

【学习任务二】光合作用过程及光反应和暗反应的区别和联系

项目	光反应	暗反应（卡尔文循环）
场所	叶绿体	叶绿体
条件	光、色素、酶、	多种酶、CO2、        和
物质变化	①水的光解： 2H2O      O2+4H+ （H+与NADP+结合形成NADPH） ②ATP的形成 ADP+Pi+光能       ATP	①CO2的          ： CO2+C5       2C3 ②C3的还原 2C3       （CH2O）+C5
能量变化	光能→             和             中 活跃的化学能	和         中活跃的化学能 →            中稳定的化学能
联系	①光反应为暗反应提供ATP和NADPH；暗反应为光反应提供                    。 ②没有光反应，暗反应无法进行，没有暗反应，光反应最终也会停止。

【典例2】如图是光合作用示意图，下列说法错误的是(　 　)

1. 物质②和物质③均可为C3的还原供能
2. 当物质④供应停止时，物质①的生成速率将下降
3. 当温度适当升高时，暗反应速率可能升高，而光反应不受影响
4. 为叶肉细胞提供H218O，一段时间后在（CH2O）中能检测到18O

【学习任务三】探究环境因素对光合作用强度的影响

1. 影响光合作用的因素

（1）  光照强度

①A点：光照强度为0，此时只进行             ，单位时间内

释放的CO2量表示                 。

②AB段（不包含B点）：随光照强度不断增大，光合作用的强度

逐渐增大，CO2释放量逐渐减少，此段光合作用的强度       细

胞呼吸的强度。

③B点：称为光补偿点，此时细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作

用，即光合作用强度           细胞呼吸强度。

④BC段（不包含B点）：随光照强度不断增大，光合作用的强度不断增大，达到C点后不再增大了，此段光合作用的强度           细胞呼吸的强度。

⑤D点：称为光饱和点，此时光照强度增加，光合作用强度不再增加。

⑥面积识别：纵坐标为CO2的量，在细胞呼吸强度不变的情况下分析

1. 面积S1：在OB段，有机物积累量为负值；
2. 面积S2：B点以后，有机物的积累量即净光合速率；
3. 面积S2+S3：光合作用制造的有机物总量即总光合速率；
4. 面积S1+S3：细胞呼吸消耗有机物总量即呼吸速率。

（2）  CO2浓度

①右图表示在一定范围内，光合作用强度随CO2浓度的增大而

        ，但当CO2浓度增大到一定范围后，光合作用强度不再增大。

②A点：称为CO2补偿点，即光合作用速率       细胞呼吸速率时的

CO2浓度。

③B点：称为CO2饱和点。

（3）  温度

①影响原理：温度通过影响               来影响光合作用强度。

②B点：对应的温度是              ，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。

（4）  水分或矿质元素

①植物缺水导致萎蔫，水分还能影响气孔开闭，进而影响CO2进入植物体内，影响光合作用。

②矿质元素通过影响与光合作用有关化合物的形成，如Mg影响叶绿素的合成，进而影响光合作用；矿质元素超过一定浓度后，导致植物渗透失水影响光合作用。

【典例1】如图曲线a表示某种植物在最适温度和CO2浓度

恒定的条件下，光合作用强度随光照强度变化的曲线，若在

B点时改变某种条件，结果发生了如曲线b所示的变化，则

改变的环境因素是（     ）

1. 适当提高温度        B. 增大光照强度       C. 适当增加CO2浓度     D. 增加酶的数量

2. 据下图分析，当光照强度由强到弱，CO2供应不变，C3、C5、NADPH和ATP以及（CH2O）含量如何变化？当光照强度不变，CO2供应由充足到不足，这几种物质含量又是如何变化的？

[归纳总结]模型构建法分析环境因素骤变引起的物质含量动态变化：

（1）在绘制光合作用模式简图的基础上借助图形进行分析。

（2）需从物质的生成和消耗两个方面综合分析

①来路去路处于动态平衡，物质含量相对稳定。

②来路不变，去路增加，或来路减少，去路不变，则物质含量减少。

③来路不变，去路减少，或来路增加，去路不变，则物质含量增加。

【典例2】在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是（    ）

1. 红光，ATP下降                          B. 红光，未被还原的C3上升

C. 绿光，NADPH下降                       D. 绿光，C5上升

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