第三单元课时3 能量之源——光与光合作用

课时 3 能量之源 光与光合作用 见 自学听讲 P61 学科素养课程标准学习指导 1 生命观念 结构与功能观 叶绿体的结构特点与 其作为光合作用的场所相适应 物质与能量观 叶 绿体将太阳光能转化为细胞可利用的化学能储存 在有机物中 2 科学思维 归纳与概括 基于光合作用的探究历 程 概括光合作用的概念 过程 理解影响光合作 用的环境因素以及光合作用原理在生产实践中的 应用 模型与建模 建构光合作用的光反应和暗 反应的过程模型 理解二者之间的关系 3 科学探究 实验设计与方案实施 以及关于结果 的交流与讨论 完成提取和分离叶绿体色素实验 探究不同环境因素对光合作用强度的影响 4 社会责任 结合本地资源调查 收集提高光合作 用强度的措施 认识光合作用原理在农业生产中 的应用 1 说出叶绿体中色素的 种类和作用 2 说出叶绿体的结构和 功能 3 明确光合作用的概念 过程以及对光合作用的 探究历程 4 尝试探究影响光合作 用强度的环境因素 5 说出光合作用原理的 应用 1 通过实验 了解色素的种类 和颜色 2 分析光合作用过程图解 掌 握两个阶段的区别与联系 3 通过实验 理解环境因素对 光合作用强度的影响 4 构建环境因素对光合作用强 度和细胞呼吸的影响 光合作 用与细胞呼吸关系的曲线等模 型 注意图文或图图转换能力 计算能力以及理论联系实际能 力的培养 5 进行必要的 有针对性的训 练 总结各种题型的解题方法 捕获光能的色素及其提取和分离 1 捕获光能的色素 主要分布在叶绿体的 类囊体薄膜 上 可吸收 传递 转化光能 2 色素的提取 分离原理 1 提取 可以利用有机溶剂 无水乙醇 提取绿叶中的色素 在研磨时还应加入少许二 氧化硅和碳酸钙 其中前者有助于研磨充分 后者可防止研磨中色素被 破坏 2 分离 层析液是一种脂溶性很强的有机溶剂 色素在层析液中的溶解度不同 溶解度 高 的随层析液在滤纸上扩散得快 溶解度低的随层析液在滤纸上扩散得慢 因此 绿叶中 的色素就在扩散过程中被分开 3 层析结果 4 捕获光能的结构 叶绿体 b 由 类囊体堆叠 而成 分布有色素和与光反应有关的酶 c 含有与 暗反应 有关 的酶 恩格尔曼的实验结果 好氧细菌只分布于 叶绿体被光束照射的部位 周围 光合作用的过程 1 光合作用的化学反应式 CO2 H2O CH2O O2 2 光合作用过程的两个阶段 场所条件物质变化能量变化 光 反 应 叶绿体的类囊 体薄膜 光 色素 酶等 光合色素吸收光能 将水分解为 H 和 O2 将 ADP 和 Pi 合成 ATP 光能转化为储存在 ATP 中 的活跃的化学能 暗 反 应 叶绿体基质 多种酶 ATP H CO2的固定 1 个 CO2和 1 个 C5 结合形成 2 个 C3 C3的还原 C3在 H 和 ATP 的作用下生成有 机物或 CH2O 和 C5 ATP 中活跃的化学能转变为 糖类等有机物中稳定的化学能 光合作用过程的 一 二 三 四 光合作用原理的应用 1 光合作用强度 植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的量或固定 CO2的量或产生 O2的量 2 光合作用的测定 通过测定一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量地表示 3 影响光合作用强度的因素 1 光 直接影响 光反应 阶段 2 温度 主要影响 暗反应 阶段 3 CO2浓度 直接影响 暗反应 阶段 4 水 影响 气孔 的开闭 进而影响 CO2的吸收 5 无机盐 或矿质元素 主要影响 色素 酶 ATP 等与光合作用有关的物质的形成 化能合成作用 1 概念 某些细菌能够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 2 实例 硝化细菌能利用氨氧化时所释放的化学能 将水和二氧化碳合成糖类 3 与光合作用的比较 项目光合作用化能合成作用 实质都能将 CO2和 H2O 等无机物合成有机物 动力 光能 氧化反应中的无机物 释放的能量 代表生物绿色植物 蓝藻 硝化细菌 1 光合作用过程易错点 1 氧气是水光解的产物 在叶绿体类囊体薄膜上产生 淀粉在叶绿体基质中产生 2 暗反应在有光 无光的条件下都可以进行 但需要光反应提供物质和能量 即提供 H 和 ATP 因此自 然条件下暗反应不能在无光环境中 如夜晚 长时间进行 3 光合作用光反应产生的 ATP 只用于暗反应阶段 不能用于其他生命活动 其他生命活动所需 ATP 只 能来自细胞呼吸 CO2中的 C 进入 C3但不进入 C5 最后进入 CH2O 可用放射性同位素标记法证明 4 光合作用中产生的 H 为 NADPH 细胞呼吸中产生的 H 为 NADH 两种 H 不是同一种物质 5 色素吸收 传递 转换能量过程中不需要酶的催化 而 ATP 的合成 CO2的固定 C3的还原离不 开酶的催化 6 叶绿体离开细胞 保持适宜条件仍可进行光合作用 离体的叶绿体基质中添加 ATP NADPH 和 CO2 后 也可完成暗反应 7 同一植物总光照时间相同时 持续光照条件下 光照与黑暗交替条件下 前者制造的有机物较少 因为 光照与黑暗交替条件下 光照刚停止时 光反应产生的 H 和 ATP 仍能在短时间内维持暗反应所需 因此后者 暗反应进行的时间较长 而有机物是暗反应的产物 所以前者制造的有机物较后者少 2 叶绿体中色素的提取与分离实验应注意的问题 应选取鲜嫩 颜色深绿的叶片 以保证含有较多的色素 研磨要迅速 充分 且加入各物质的量要成比例 以保证提取到较多的色素 制备滤纸条剪去两角 以保证色素在滤纸上扩散均匀 整齐 便于观察实验结果 否 则 会形成弧形色素带 画滤液细线要细 直 且干燥后重复画一两次 使滤液细线既有较多的色素 又使各色 素扩散的起点相同 滤液细线不要触及层析液 否则滤液细线中的色素将溶解到层析液中 滤纸条上得不到色 素带 3 光合速率与呼吸速率的分析 1 光合速率 将植物置于光下 测定单位时间内容器中 O2增加量 CO2减少量或有机物的增加量 测定 的结果表示净光合速率 真正光合速率即实际光合速率 净光合速率 呼吸速率 常用单位时间内 单位面积 叶片的 O2产生量 CO2固定量或有机物的产生量来表示 2 呼吸速率 将植物置于黑暗中 单位时间内测定容器中 CO2增加量 O2减少量或有机物的减少量 测 定的结果表示呼吸速率 3 外界条件改变时 CO2 光 补偿点的移动规律 若导致呼吸速率增加 则 CO2 光 补偿点右移 反之则左移 若条件改变后 呼吸速率基本不变 但光合速率下降时 CO2 光 补偿点右移 反之则左移 阴生植物与阳生植物相比 CO2 光 补偿点左移 4 影响光合速率的因素 1 内因 植物种类 器官类型 叶片的发育程度 叶绿体的数量 色素含量 酶的活性等 2 环境因素 光照强度和光的颜色 温度 CO2浓度 水 矿质元素等 3 光照时间不影响光合速率 但在光合速率不变的情况下 光照时间越长光合作用合成的有机物的总量 越多 4 光照时间不同于光合时间 光合时间是指光合作用进行的时间 如农田中不种植农作物 即使是白天也 不能合成有机物 光合面积不等于种植面积 光合面积是指能进行光合作用的器官的面积 主要是指叶面积 密植能提高光合面积 但种植密度过高会因遮光 空气流通减慢等导致光合速率减慢 因此要合理密植 光 合时间 光合面积不影响光合速率 但影响光合作用产物的量 农业上常通过轮种 延长光合时间 合理密 植等提高粮食产量 见 自学听讲 P63 光照 CO2浓度对光合作用中各物质含量变化的影响 光照和 CO2浓度变化对光合作用中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 的含量及有机物的合成量变化可以 采用下图进行分析 分析如下表 条件过程变化C3C5 H 和 ATP CH2O 合成量 模型分析 光照 强度 由强 到弱 CO2 供应 不变 过程减弱 过程减 弱 过程正 常进行 增加减少减少减少 光照 强度 由弱 到强 CO2 供应 不变 过程增强 过程增 强 过程正 常进行 减少增加增加增加 光照 不变 CO2 量由 充足 到不 足 过程减弱 C3减少 过程减弱 过程正常进 行 减少增加增加减少 光照 不变 CO2 量由 不足 到充 足 过程增强 C3增加 过程增强 过程正常进 行 增加减少减少增加 1 以上各物质的变化是相对含量的变化 而不是合成速率的变化 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 例 1 右图表示在夏季晴朗的白天植物细胞内 C3和 C5的相对含量随一种环境因素的改变的变化情况 下 列对这一环境因素改变的分析正确的是 A 突然停止光照 B 突然增加 CO2浓度 C 降低环境温度 D 突然增加光照强度 解析 突然停止光照 光反应产生的 H 和 ATP 减少 被还原的 C3减少 生成的 C5减少 而 CO2被 C5固 定形成 C3的过程不变 故 C3的相对含量将增加 C5的相对含量将减少 A 项错误 突然增加 CO2浓度 CO2 被 C5固定形成 C3的量增加 消耗的 C5量增加 C3还原速率不变 植物细胞内 C3相对含量增加 C5相对含量 减少 B 项错误 降低环境温度 CO2固定速率和 C3还原速率均下降 C5的相对含量不会大幅度地增加 C 项错 误 突然增加光照强度 光反应产生的 H 和 ATP 增多 被还原的 C3增多 生成的 C5增多 而 CO2被 C5固定形 成 C3的过程不变 故 C3的相对含量将减少 C5的相对含量将增加 D 项正确 答案 D 例 2 2017 年天津卷 某突变型水稻叶片的叶绿素含量约为野生型的一半 但固定 CO2酶的活性显著 高于野生型 下图显示两者在不同光照强度下的 CO2吸收速率 下列相关叙述错误的是 A 光照强度低于P时 突变型的光反应强度低于野生型 B 光照强度高于P时 突变型的暗反应强度高于野生型 C 光照强度低于P时 限制突变型光合速率的主要环境因素是光照强度 D 光照强度高于P时 限制突变型光合速率的主要环境因素是 CO2浓度 解析 突变型水稻叶片叶绿素含量低于野生型 光照强度低于P时 对光照的吸收能力低于野生型 则光 反应强度低于野生型 A 项正确 突变型水稻叶片固定 CO2酶的活性显著高于野生型 光照强度高于P时 突 变型的 CO2吸收速率大于野生型 则暗反应强度高于野生型 B 项正确 光照强度低于P时 由于突变型水稻 叶片叶绿素含量低 则限制其光合速率的因素主要是光照强度 C 项正确 光照强度高于P时 由于突变型水 稻叶片固定 CO2酶的活性高 则限制其光合速率的因素是除 CO2浓度外的其他因素 D 项错误 答案 D 光合作用与有氧呼吸的区别和联系 1 光合作用和有氧呼吸的区别与联系 针对真核生物 项目光合作用有氧呼吸 物质变化无机物合成有机物 有机物被分解成无机 物 能量变化 光能 稳定的化学 能 稳定的化学能 热能 ATP 中活跃的化学 能 实质 合成有机物 储存 能量 分解有机物 释放能 量 供细胞利用 场所叶绿体细胞质基质和线粒体 区 别 条件只在光下进行时刻都在进行 联系 2 光合作用和有氧呼吸中的元素及相关物质转化 元素元素去向及其相关的化合物转换 C CO2C6H12O6C3H4O3CO2 O H2OO2H2O H H2O H C6H12O6 H H2O 3 光合作用和有氧呼吸中的能量转化途径 例 3 2018 年郑州一模 下图 1 表示的是八月份某一晴天 一昼夜棉花植株 CO2的吸收和释放曲线 图 2 表示棉花叶肉细胞两种细胞器的四种生理活动状态 则图 1 中时间a b c d发生的生理活动最可 能依次对应于图 2 中的 A 1 2 3 4 B 3 2 4 1 C 4 3 2 1 D 4 3 1 1 解析 图 1 曲线中横坐标以上表示光合速率大于呼吸速率 横坐标以下表示光合速率小于呼吸速率或 只有呼吸作用 曲线与横坐标的交点处表示光合速率等于呼吸速率 图 2 中 1 表示光合速率大于呼吸速率 2 表示光合速率等于呼吸速率 3 表示光合速率小于呼吸速率 4 表示只有呼吸作用 但图 1 曲线反应的是 整个植株的光合速率与呼吸速率的关系 而图 2 反应的只是其叶肉细胞的光合速率与呼吸速率的关系 因此 a 点 只进行细胞呼吸 对应图 2 4 仅从题中信息不能准确判断 b 点时叶肉细胞的生理活动 可能对应图 2 的 1 2 或 3 c 点 植株净光合速率等于 0 但叶肉细胞的净光合速率大于 0 对应图 2 1 d 点 植株净光合速 率和叶肉细胞的净光合速率均大于 0 对应图 2 1 答案 D 例 4 2019 年池州质检 下列有关光合作用和细胞呼吸的叙述 错误的是 A 有氧呼吸过程中生成的 H 可在线粒体内与氧结合生成水 B 有氧呼吸过程中产生的能量大部分储存在 ATP 中 C 光反应阶段产生的 H 可作为暗反应的还原剂 D 向离体的叶绿体基质中添加 ATP H 和 CO2后 可完成暗反应 解析 真核细胞内 有氧呼吸过程前两个阶段生成的 H 在线粒体内膜上与氧结合生成水 A 项正确 有 氧呼吸过程中 每分解 1 mol 葡萄糖释放 2870 kJ 的能量 其中只有 1161 kJ 的能量储存在 ATP 中 B 项错 误 光反应阶段产生的 H 用于暗反应阶段 C3的还原 C 项正确 叶绿体基质是进行暗反应的场所 向离体的叶 绿体基质中添加 ATP 和 H 以及 CO2等 暗反应仍可进行 D 项正确 答案 B 光合作用与细胞呼吸的相关计算 1 呼吸速率的测定方法 净光合速率和总光合速率 1 呼吸速率 将植物置于黑暗环境中 测定实验容器内 CO2增加量 O2减少量或有机物减少量 2 净光合速率 常用在光照条件下测得的一定时间内 O2的增加量 CO2的减少量或有机物的增加量来 表示 3 总光合速率 常用一定时间内 O2的产生量 CO2的固定量或有机物的产生量来表示 2 总光合速率 净光合速率和呼吸速率的实验测定 1 装置中溶液的作用 在测细胞呼吸速率时 NaOH 溶液可吸收容器中的 CO2 在测净光合速率时 NaHCO3溶液可提供 CO2 保证了容器内 CO2浓度的恒定 2 测定原理 在黑暗条件下甲装置中的植物只进行细胞呼吸 由于 NaOH 溶液吸收了细胞呼吸产生的 CO2 所以单 位时间内红色液滴左移的距离表示植物的 O2吸收速率 可代表呼吸速率 在光照条件下乙装置中的植物进行光合作用和细胞呼吸 由于 NaHCO3溶液保证了容器内 CO2浓度 的恒定 所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的 O2释放速率 可代表净光合速率 总光合速率 净光合速率 呼吸速率 3 测定方法 将植物 甲装置 置于黑暗中一定时间 记录红色液滴移动的距离 计算呼吸速率 将同一植物 乙装置 置于光下一定时间 记录红色液滴移动的距离 计算净光合速率 根据呼吸速率和净光合速率可计算得到总光合速率 4 物理误差的校正 为防止气压 温度等物理因素所引起的误差 应设置对照实验 即用死亡的绿色植物 分别进行上述实验 根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正 3 光合速率与呼吸速率的关系 1 光合作用产生的 O2量 实测的 O2释放量 细胞呼吸消耗的 O2量 2 光合作用固定的 CO2量 实测的 CO2吸收量 细胞呼吸释放的 CO2量 3 光合作用产生的葡萄糖量 葡萄糖的积累量 增重部分 细胞呼吸消耗的葡萄糖量 4 以净光合速率的大小来判断植物能否正常生长 持续光照条件下 1 净光合速率 0 时 植物积累有机物而正常生长 2 净光合速率 0 时 植物因无有机物积累而不能生长 3 净光合速率乙 B 甲 乙 C 甲 乙 D 无法确定 解析 小球藻会进行光合作用释放氧气 吸收二氧化碳形成有机物 由图可知 乙中释放出去的氧气相 对分子质量大 而甲中吸收的二氧化碳相对分子质量大 甲和乙是指释放出去的物质 应该是指水光解形成的 氧气 故乙大于甲 故 A C D 项错误 B 项正确 答案 B 5 叶绿体是光合作用的场所 有关光合作用过程的叙述 正确的是 A 光反应和暗反应都能转化光能 B 光反应过程消耗水 暗反应过程也消耗水 C 暗反应的减弱会影响光反应的进行 D 增加光照强度 H ATP 的量一定能增加 解析 光反应利用色素吸收的光能生成 ATP 将光能转化为 ATP 中活跃的化学能 暗反应消耗 ATP 还 原三碳化合物 生成有机物 将 ATP 中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能 A 项错误 光反应进行水 的光解 生成 H 和 O2 暗反应还原三碳化合物生成水 B 项错误 暗反应速率下降 消耗 H 和 ATP 的速率下降 抑制光反应 H 和 ATP 的生成 C 项正确 如果光反应已经饱和 即使增加光照强度 H ATP 也不再增加 D 项错误 答案 C 6 2019 年邢台月考 植物进行光合作用需要多种化合物的参与 下列化合物与植物光合作用的关系中 正确 的是 选项化合物主要生理作用 AH2O只参与 O2的生成 BATP参与 CO2的固定 C酶只催化暗反应过程的化学反应 D叶绿素捕获 吸收光能 解析 H2O 参与 O2的生成 同时也是各类反应的良好溶剂 A 项错误 ATP 参与 C3的还原 不参与 CO2 的固定 B 项错误 光反应 暗反应都需要相应的酶催化 C 项错误 叶绿素捕获 吸收光能 用于光合作用 D 项正确 答案 D 7 小麦植株在不同光照条件下 1 小时内 O2产生总量和 CO2释放量如下图所示 假设呼吸底物为糖类 以下 说法错误的是 A 光照强度为a时 植株只进行呼吸作用 不进行光合作用 B 光照强度为b时 植株的光合速率等于呼吸速率 C 光照强度为c时 植株 1 小时内通过光合作用固定的 CO2量为 6 个单位 D 光照强度为d时 植株 1 小时内向环境释放的 O2量为 2 个单位 解析 小麦植株能进行光合作用和呼吸作用 O2产生量代表的是总光合作用速率 CO2释放量代表的是 总光合作用速率与呼吸作用速率的差值 光照强度为a时 O2产生量为 0 说明植株只进行呼吸作用 不进行 光合作用 A 项正确 光照强度为b时 植株的光合作用速率是呼吸作用速率的一半 B 项错误 光照强度为 c时 植株 1 小时内 CO2释放量为 0 说明光合作用强度等于呼吸作用强度 即通过光合作用固定的 CO2量为 6 个单位 C 项正确 光合强度为d时 O2产生总量是 8 呼吸作用需要 6 个单位 O2 还会向环境释放 2 个单 位 O2 D 项正确 答案 B 8 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 平均分成四组 各置于相同的密闭装置内 其他条件相同且适宜 分别于四种不同温度下 t1 t2 t3 t4 测得装置内 O2的变化值 相对值 mg h 如表 下 列叙述错误的是 温度 气体变化值 t1t2t3t4 光照下 O2的增加 值 2 76 016 013 0 黑暗下 O2的消耗 值 2 04 08 013 0 A 在实验的温度范围内 呼吸作用随着温度的升高而增强 B 在t3温度条件下 该植物叶片的光合作用产生的 O2量是细胞呼吸消耗 O2量的 3 倍 C 光照条件下 t4温度时装置内 O2的生成量与细胞呼吸消耗的 O2量不相等 D 在四种温度条件下 若均给予 12 小时光照和 12 小时黑暗 植物叶片有机物的积累量均大于 0 解析 由表格显示 在实验的温度范围内 随着温度的升高 黑暗下 O2的消耗值增多 呼吸作用增强 A 项 正确 在t3实验条件下 该植物叶片的光合作用产生的 O2量的相对值为 16 8 24 是细胞呼吸消耗 O2量的 3 倍 B 项正确 表格显示 t4温度光照下 O2的增加值是净光合量 而不是生成量 其生成量大于细胞呼吸的消 耗量 C 项正确 在四种温度下 若均给予 12 小时光照和 12 小时黑暗 植物叶片有机物的积累量在t1 t2 t3 时均大于 0 而在t4时等于 0 D 项错误 答案 D 9 下图表示新鲜绿叶的四种光合色素在滤纸上分离的情