第2課時光合作用的原理和應用1.通過對光合作用過程的學習,能用物質與能量觀闡述光合作用過程中物質和能量的轉化過程。2.采用分析與綜合的方法,歸納光反應和暗反應的區別與聯系。3.通過探究環境因素對光合作用影響的實驗,提高制訂并實施實驗方案的科學探究能力。4.通過對光照強度、溫度和CO2濃度對光合作用的影響的學習,形成分析與綜合的科學思維方式。目標素養知識概知識概覽一、光合作用的概念(1)主要場所:葉綠體。(2)能量來源:光能。(3)反應物:二氧化碳和水。(4)產物:有機物和氧氣。(5)實質:合成有機物,儲存能量。二、光合作用的原理1.探索光合作用原理的部分實驗

2.光合作用的過程

(1)填寫圖中序號所代表的物質或結構。①O2;②NADP+;③ADP+Pi;④C5。(2)圖示中Ⅰ過程是光反應階段。①場所:⑤類囊體的薄膜。②條件:光、色素和酶等。③物質變化:a.將H2O分解為O2和H+,其中H+與NADP+結合形成NADPH。b.使ADP和Pi反應形成

ATP。④能量變化:光能轉化為儲存在ATP和NADPH中的化學能。(3)圖示中Ⅱ過程是暗反應階段。①場所:葉綠體基質。②條件:酶、NADPH、ATP。③具體過程:④能量變化:NADPH、ATP中活躍的化學能轉變為有機物中穩定的化學能。微思考

在適宜光照條件下葉綠體中NADPH和ADP的移動方向分別是怎樣的?提示:NADPH從類囊體薄膜移向葉綠體基質,ADP從葉綠體基質移向類囊體薄膜。微判斷1基于對光合作用原理的認識,判斷下列表述是否正確。1.暗反應包括CO2的固定和C3的還原,兩個階段都在葉綠體基質中進行。()2.整個光合作用過程中,能量的轉化是光能→ATP和NADPH中活躍的化學能→有機物中穩定的化學能。(

)3.光合作用釋放的O2都來自水。()4.光反應和暗反應都必須在光照條件下才能進行。()√√√×微訓練

下列反應過程在葉綠體基質中完成的有(

)①2H2O 4H++4e+O2

②ATP→ADP+Pi+能量③2C3→(CH2O)+C5

④CO2+C5→2C3A.①②③ B.①③④C.②③④ D.①②④答案:C解析:在葉綠體基質中完成的是暗反應,有②③④。三、光合作用原理的應用1.光合作用的強度(1)概念:植物在單位時間內通過光合作用制造糖類的數量。(2)表示方法:用一定時間內原料消耗或產物生成的數量來定量表示。2.探究環境因素對光合作用強度的影響(1)實驗步驟:(2)實驗現象與結果分析:通常,光照越強,燒杯內圓形小葉片浮起的數量越多,說明在一定范圍內,隨著光照強度的不斷增強,光合作用強度不斷增強。四、化能合成作用1.概念利用體外環境中的某些無機物氧化時所釋放的能量來制造有機物的合成作用。2.舉例硝化細菌能將土壤中的氨氧化成亞硝酸,進而將亞硝酸氧化成硝酸,這兩個化學反應中釋放出的化學能被硝化細菌用來將CO2和H2O合成糖類,供自身利用。微判斷2基于光合作用原理的應用,判斷下列表述是否正確。1.光照強度是通過影響光反應來影響光合速率的。()2.在一定范圍內,隨著光照強度的增大,光合速率也逐漸增大。()3.光照強度影響光合作用,而光質不影響光合作用。(

)4.溫度只影響暗反應,因為只有暗反應需要酶的催化。()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.葉綠體中可進行CO2的固定,但不能合成ATP。(

)√√××√×一

光合作用的過程問題探究下圖是光合作用的過程圖解,請結合圖解回答下列問題。(1)圖中①~⑦分別是什么物質?提示:①是葉綠體中的色素,②是O2,③是NADPH,④是ATP,⑤是C3,⑥是CO2,⑦是(CH2O)。(2)過程Ⅰ、Ⅱ分別表示什么階段?分別發生在什么場所?提示:Ⅰ是光反應,發生在葉綠體的類囊體薄膜上;Ⅱ是暗反應,發生在葉綠體基質中。(3)如果給植物提供14CO2,光合作用中放射性依次出現在哪些物質中?提示:放射性依次出現在CO2、C3、(CH2O)中。(4)請結合光合作用和細胞呼吸的原理分析,如果給植物提供H218O,光照下較長時間后,18O會出現在哪些物質中?提示:經光合作用后氧氣中含有18O,同時經過有氧呼吸,水、丙酮酸、二氧化碳等物質中也會含有18O,C18O2參與光合作用,C3和(CH2O)等物質中也會含有18O。因此18O會出現在氧氣、水、C3、二氧化碳、丙酮酸和(CH2O)等物質中。(5)若突然停止光照,光反應和暗反應如何變化?如何理解光合作用的光反應和暗反應是一個有機的整體?提示:若突然停止光照,光反應立即停止,暗反應仍能進行一小段時間,最終也停止。光反應為暗反應提供NADPH和ATP,暗反應為光反應提供ADP、Pi、NADP+;如果沒有光反應,則不能為暗反應提供光反應的產物ATP和NADPH,暗反應就不能進行;如果暗反應被抑制,則光反應產生的ATP和NADPH會大量積累,進而抑制光反應的進行,所以光反應和暗反應是一個有機的整體。比較項目光反應暗反應區別實質光能轉化為化學能,并放出O2固定CO2,形成有機物需要的條件色素、光照、酶等不需要色素和光,需要多種酶歸納總結1.光反應和暗反應的比較比較項目光反應暗反應區別能量變化光能→ATP和NADPH中活躍的化學能ATP和NADPH中活躍的化學能→有機物中穩定的化學能相應產物O2、ATP和NADPH葡萄糖等有機物比較項目光反應暗反應聯系①物質聯系:光反應生成的ATP和NADPH用于暗反應C3的還原,而暗反應為光反應提供了ADP、Pi和NADP+②能量聯系:光反應為暗反應提供了活躍的化學能,暗反應將活躍的化學能轉化為有機物中穩定的化學能2.光合作用中的幾種能量關系(1)光反應中光能轉換為化學能并非只儲存于ATP中,

NADPH中也含有能量。(2)光反應產生的ATP只用于C3的還原,不用于植物體的其他生命活動。(3)C3還原消耗的能量不只來自ATP,還可由NADPH提供。典例剖析【例1】

人工光合作用系統可利用太陽能合成糖類,相關裝置及過程如下圖所示,其中甲、乙表示物質,模塊3中的反應過程與葉綠體基質內糖類的合成過程相同。(1)該系統中執行相當于葉綠體中光反應功能的模塊是

,模塊3中的甲可與CO2結合,甲為

。

(2)若正常運轉過程中氣泵突然停轉,則短時間內乙的含量將

(填“增加”或“減少”)。若氣泵停轉時間較長,模塊2中的能量轉換效率也會發生改變,原因是

。

(3)在與植物光合作用固定的CO2量相等的情況下,該系統糖類的積累量

(填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是

。

(4)干旱條件下,很多植物光合作用速率降低,主要原因是

。人工光合作用系統由于對環境中水的依賴程度較低,在沙漠等缺水地區有廣闊的應用前景。

答案:(1)模塊1和模塊2五碳化合物(或C5)

(2)減少模塊3為模塊2提供的ADP、Pi和NADP+不足(3)高于人工光合作用系統沒有呼吸作用消耗糖類(或植物呼吸作用消耗糖類)

(4)葉片氣孔開放程度降低,CO2的吸收量減少解析:(1)分析圖示可知,模塊1為將光能轉化為電能的過程,模擬的是色素吸收光能的過程,模塊2模擬的是水分解為氧和H+,并合成ATP的過程,因此兩個模塊模擬的是光反應過程。模塊3則模擬的是暗反應過程。(2)模塊3模擬暗反應過程,氣泵泵入的是CO2,其中甲表示C5,乙表示C3。若正常運轉過程中氣泵突然停轉,則輸入暗反應系統中的CO2濃度下降,CO2的固定減少,C3的還原暫時不變,則C3的含量會減少。若氣泵停轉的時間較長,則暗反應為光反應提供的ADP、Pi和NADP+不足,會導致模塊2中的能量轉換效率下降。(3)在與植物光合作用固定的CO2量相等的情況下,該系統糖類的積累量與植物體內糖類的制造量相等,由于該系統不會通過呼吸作用消耗糖類,而植物會發生呼吸作用,因此該系統積累的糖類多于植物。(4)干旱條件下,植物的光合作用速率降低的主要原因是植物為了防止水分散失會關閉氣孔,葉片氣孔開放程度降低,CO2吸收量減少。學以致用1.下圖表示光合作用的過程,其中Ⅰ、Ⅱ表示光合作用的兩個階段,a、b表示相關物質。下列相關敘述正確的是(

)A.階段Ⅰ表示暗反應B.階段Ⅱ表示光反應C.物質a表示NADPH D.物質b表示C3答案:C解析:Ⅰ、Ⅱ分別表示光反應和暗反應,A、B兩項錯誤。光反應為暗反應提供ATP和NADPH,所以圖中的a表示NADPH,b表示ATP,C項正確,D項錯誤。二

探究光照強度對光合作用強度的影響問題探究下圖是生物小組進行“探究環境因素對光合作用強度的影響”的實驗流程圖。請據圖思考并回答下列問題。(1)在實驗中,葉片抽氣后下沉水底的原因是什么?光照后葉片上浮的原因是什么?提示:抽出氣體后,細胞間隙充滿水,葉片下降。光合作用產生O2,導致葉片上浮。(2)處理后的葉片,在進行實驗前應如何處理?目的是什么?提示:應放于黑暗處盛有清水的燒杯中。目的是避免葉片因受到光照而進行光合作用。(3)本實驗中影響葉片上浮的外界因素主要是什么?實驗中可通過觀察什么指標來判斷影響的程度?提示:影響葉片上浮的外界因素主要是光照。單位時間內葉片浮起的數量。歸納總結1.實驗原理2.實驗操作要點分析

實驗操作操作目的用直徑為0.6cm的打孔器打出圓形小葉片30片,平分為3組①圓形小葉片的大小為無關變量②進行平行重復實驗,減少實驗誤差排出細胞間隙中的氣體①防止實驗前細胞間隙中的氣體對實驗結果造成影響②將上浮圓形小葉片數量作為觀測指標實驗操作操作目的將圓形小葉片放入黑暗處防止葉片進行光合作用質量分數為1%~2%的NaHCO3溶液提供二氧化碳通過調整小燒杯與光源的距離來調節光照強度控制實驗的自變量3.實驗裝置分析(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節光照強度的大小。(2)因變量是光合作用強度,可通過觀測單位時間內圓形小葉片上浮的數量或者是浮起相同數量的葉片所用的時間長短來衡量光合作用的強弱。(3)可在臺燈與燒杯之間放置盛水玻璃柱吸收燈光的熱量,避免燒杯內水溫變化對光合作用造成影響。典例剖析【例2】

某同學為探究光照強度對光合作用強度的影響,設計實驗如下:摘取外形正常、生長旺盛的綠葉若干,在綠葉上避開大的葉脈用打孔器打出直徑為0.6cm的圓形小葉片40片;用適當方法使圓形小葉片內部的氣體全部逸出,放入黑暗處盛有清水的燒杯中待用,此時葉片全部沉在水底。(1)實驗中圓形小葉片下沉的原因是

。

(2)欲研究光照強度對光合作用強度的影響,在實驗室只有一種40W燈泡的情況下,可以通過

來達到目的。

(3)在此實驗基礎上給予

等條件,觀察實驗現象。

(4)本實驗的檢測指標為

。答案:(1)葉片的細胞間隙充滿了水(2)調節光源與燒杯間的距離(3)適宜溫度和CO2濃度(4)相同時間內圓形小葉片浮起的數量或全部圓形小葉片上浮所需時間解析:(1)用適當方法使圓形小葉片內的氣體逸出,細胞間隙中充滿水,因此圓形小葉片會沉入水底。(2)可通過改變光源與燒杯的距離來調節光照強度。(3)探究光照強度對光合作用強度的影響時,光照強度為自變量,光合作用強度為因變量;其他條件為無關變量,應保持一致且適宜。(4)本實驗中相同時間內葉片浮起來的數量或全部葉片上浮所需時間可以用來判斷光合速率的大小,從而觀察光照強度對光合作用強度的影響。學以致用2.圖甲為研究光合作用的實驗裝置。用打孔器在某植物的葉片上打出多個圓形小葉片,再用氣泵抽出圓形小葉片內的氣體直至葉片沉入水底,然后將等量的圓形小葉片轉至含有不同濃度的NaHCO3溶液中,給予一定的光照,測量每個培養皿中圓形小葉片上浮至液面所用的平均時間(見圖乙),以研究光合速率與NaHCO3溶液濃度的關系。下列有關分析正確的是(

)A.在AB段,隨著NaHCO3溶液濃度的增加,光合速率逐漸減小B.在BC段,單獨增加光照、溫度或NaHCO3溶液濃度,都可以縮短圓形小葉片上浮至液面的時間C.在C點以后,NaHCO3溶液濃度過高,使葉肉細胞失水,代謝水平下降D.因配制的NaHCO3溶液中不含O2,所以整個實驗過程中葉片不能進行細胞呼吸C解析:在AB段,隨著NaHCO3溶液濃度的增加,圓形小葉片上浮至液面所用的平均時間變短,表明光合速率逐漸增大。在BC段,單獨增加光照或溫度可以縮短圓形小葉片上浮至液面所用的時間,但單獨增加NaHCO3溶液濃度不一定能縮短圓形小葉片上浮至液面所用的時間。在C點以后,NaHCO3溶液濃度過高,使葉肉細胞失水,代謝水平下降。凡是活細胞都能進行細胞呼吸。三

影響光合作用的因素及在生產中的應用問題探究光合作用強度直接關系農作物的產量,多種環境因素影響光合作用強度。科學家研究光照強度、CO2濃度和溫度對同一植物光合速率的影響,得到的實驗結果如下圖所示。請思考并回答下列問題。(1)請結合曲線Ⅰ,依據光合作用的過程,分析光照強度是如何影響光合作用的。提示:光照是光合作用光反應的條件,主要影響光反應。在一定光照強度范圍內,光照強度增加,NADPH和ATP生成速率增大,光合速率增大,當達到飽和點后,光合速率不再增大。(2)光照強度大于b時,曲線Ⅰ和Ⅱ出現明顯差異的原因是什么?光照強度為a時,曲線Ⅰ和Ⅱ重合說明了什么?提示:光照強度大于b時,造成曲線Ⅰ和曲線Ⅱ出現明顯差異的原因是溫度不同。光照強度為a時,曲線Ⅰ和Ⅱ重合,說明此時溫度不是光合作用強度的限制因素,光照強度才是光合作用強度的限制因素。(3)若要提高曲線Ⅲ的光合速率,可采取的措施有哪些?提示:提高CO2濃度,提高溫度。(4)在北方的冬暖大棚中施用有機肥為什么能提高大棚蔬菜的產量?提示:有機肥中的有機物被土壤中的微生物分解,釋放出熱量和CO2,提高了大棚內的溫度和CO2濃度,有利于光合作用的進行。另外,還生成各種無機鹽,增加了土壤的肥力。(5)若曲線Ⅱ因外界條件突然改變,變成曲線Ⅲ的狀態,則短時間內葉綠體中C3、C5、ATP、NADPH的量如何變化?提示:曲線Ⅱ變為曲線Ⅲ是因為CO2濃度下降,葉綠體中C3減少,C5、ATP、NADPH均增多。歸納總結1.光照強度(1)曲線分析:①關鍵點:A點時,光照強度為0,此時只進行細胞呼吸,單位時間內釋放的CO2量表示呼吸速率;B點時,細胞呼吸釋放的CO2量和光合作用吸收的CO2量相等,此時的光照強度稱為光補償點;C點對應的光照強度為光飽和點,C點后光照強度增加,光合作用強度不再增加。②關鍵線段:AB段光合作用強度小于呼吸作用強度;BC段光合作用強度大于呼吸作用強度。(2)應用:陰雨天適當補充光照,及時對大棚除霜消霧。2.CO2濃度(1)曲線分析:①走勢分析:下圖表示在一定范圍內,光合速率隨CO2濃度的增大而增大,但當CO2濃度增加到一定范圍后,光合速率不再增大。②關鍵點分析:圖中A點表示光合速率等于呼吸速率時的CO2濃度,即CO2補償點;圖中的B點對應的CO2濃度是CO2飽和點。(2)應用:溫室中適當增大CO2濃度,如投入干冰等;大田中“正其行,通其風”;通過多施有機肥來提高CO2濃度。3.溫度(1)曲線分析:①影響原理:溫度通過影響酶的活性來影響光合作用強度。②曲線分析:B點對應的溫度是最適溫度,此時光合作用強度最強,高于或低于此溫度,光合作用強度都會下降。(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.水及無機營養對光合作用的影響(1)原理:①N、Mg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,進而影響光合作用。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,合理灌溉。規律總結分析當光照強度與CO2濃度發生驟變時,C3、C5、NADPH和ATP的變化條件C3C5NADPH和ATP(CH2O)合成量光照強度由強到弱(或停止光照),CO2供應不變增加減少減少減少CO2由充足到不足(或停止CO2供應),光照強度不變減少增加增加減少典例剖析【例3】下圖曲線表示在適宜溫度、水分和一定的光照強度下,甲、乙兩種植物葉片的CO2吸收速率與CO2濃度的關系。下列分析正確的是(

)A.CO2濃度大于A時,甲才能進行光合作用B.適當增加光照強度,A點將左移C.CO2濃度為B時,甲、乙總光合作用強度相等D.甲、乙光合作用強度隨CO2濃度的增大而不斷增強答案:B解析:對于甲而言,A點時CO2吸收量為0,說明此時光合作用強度等于呼吸作用強度,在A點之前,甲已經開始進行光合作用,A項錯誤。適當增加光照強度,光合速率增大,A點將左移,B項正確。CO2濃度為B時,甲、乙的凈光合作用強度相等,而總光合作用強度=凈光合作用強度+呼吸作用強度,故甲、乙總光合作用強度不一定相等,C項錯誤。在一定范圍內,隨CO2濃度增大,甲、乙的光合作用強度增強,超過這一范圍,隨CO2濃度增大,光合作用強度不再變化,D項錯誤。學以致用3.下圖表示在光照下和黑暗中溫度對某種植物CO2吸收量和釋放量的影響。已知除了溫度變化之外,其他環境條件(如光照強度等)不變。下列說法正確的是(

)A.根據圖中曲線無法確定細胞呼吸的最適溫度B.光照下CO2的吸收量表示光合作用所同化的CO2量C.圖中A點表示光合作用強度與呼吸作用強度相等D.環境溫度超過25℃時,植物體內有機物的量會減少答案:A解析:據圖可知,在黑暗中,隨著溫度的上升,CO2的釋放量在逐漸增加,沒有出現最大值,A項正確。植物光合作用同化的CO2量包括光照下CO2的吸收量和細胞呼吸釋放的CO2量,B項錯誤。圖中A點表示凈光合作用強度與呼吸作用強度相等,總光合作用強度是呼吸作用強度的2倍,C項錯誤。環境溫度超過25

℃時,光照下CO2的吸收量仍大于0,即凈光合作用強度大于0,植物體內有機物的量仍在不斷積累,D項錯誤。1.光合作用過程中,能量轉化的正確途徑是(

)A.葉綠素→陽光→氫和氧B.陽光→葉綠素→ADP→(CH2O)C.葉綠素→陽光→ADP→C5D.陽光→葉綠素→ATP→(CH2O)答案:D解析:在光反應過程中,色素吸收了光能,用于水的光解和ATP的合成,這樣光能就轉化成ATP和NADPH中活躍的化學能。然后,NADPH和ATP參與暗反應,還原C