【高中生物】光合作用与能量转化+课件+高一上学期生物人教版必修1

第4节光合作用与能量转化第五章细胞的能量供应和利用问题探讨植物工厂

你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密的控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分条件下，生产蔬菜和其他植物。有的蔬菜工厂完全依赖LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色光源。讨论1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？1、靠人工光源生产蔬菜有什么好处？

用人工光源可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成的减产。同时，人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。

二氧化碳浓度、营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态。2、为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？问题探讨

在植物工厂里，人工光源可以为植物的生长源源不断地提供能量。在自然界，则是万物生长靠太阳。太阳光能的输入、捕获和转化是生物圈得以维持运转的基础。光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。那么植物捕获光能的特定物质和结构是什么？问题探讨第一课时捕获光能的色素和结构第4节光合作用与能量转化

玉米中有时会出现白化苗，白化苗由于不能进行光合作用，待种子中的营养成分消耗完后就会死亡，这说明光合作用离不开色素的作用。那么，绿叶中与光合作用有关的色素和结构有哪些呢？它们有什么特点和功能呢？一、捕获光能的色素1.实验原理①.绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以用无水乙醇可提取叶绿体中色素（萃取法）。②.色素都能溶解在层析液中，但不同的色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸条上的扩散得快，反之则慢。因此，绿叶中的色素随层析液在滤纸条上的扩散速度不同，将不同的色素分离（纸层析法）。探究•实践（一）实验——绿叶中色素的提取与分离新鲜的绿叶（深绿，色素含量高。如菠菜的绿叶）无水乙醇（可用体积分数95%的乙醇，加入适量无水碳酸钠，除去乙醇中水分）层析液（石油醚∶丙酮∶苯=20∶2∶1）二氧化硅和碳酸钙（研磨充分/防止研磨中色素被破坏）2.实验材料用具（一）实验——绿叶中色素的提取与分离3.1提取色素3.实验步骤称取5g鲜叶，剪碎，放入研钵中加少许的二氧化硅和碳酸钙与10ml无水乙醇，迅速研磨将研磨液倒入玻璃漏斗中进行过滤(单层尼龙布)将滤液收集到试管中，用棉塞塞严(防止溶剂挥发和色素分子被氧化)（一）实验——绿叶中色素的提取与分离3.2制备滤纸条将干燥的定性滤纸剪成宽度小于试管直径、长度小于试管长度的滤纸条，将滤纸条的一端剪去两个角（减少边缘效应，使滤液同时到达滤液细线），并在距这端1cm处用铅笔画一条细的横线。1cm铅笔线要剪去两角3.实验步骤3.3画滤液细线用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线。等滤液干后再画一到两次。3.实验步骤3.4分离色素将适量的层析液倒入烧杯中，将滤纸条(有滤液细线的一端朝下)轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口（防止层析液挥发）。注意：不能让滤液细线接触层析液（防止色素溶解在层析液中）层析液培养皿3.实验步骤3.5观察与记录胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b3.实验步骤4.实验结果叶绿素类胡萝卜素（含量约3/4）（含量约1/4）叶绿素a（蓝绿色）叶绿素b（黄绿色）胡萝卜素（橙黄色）叶黄素（黄色）绿叶中的色素功能：吸收、传递和转化光能（一）实验——绿叶中色素的提取与分离5.注意事项1.因丙酮和层析液都是易挥发且有一定毒性的有机溶剂，所以研磨要快，收集的滤液要用棉塞塞住，层析时要加盖，尽量减少有机溶剂的挥发。2.在研磨时要加少许二氧化硅，目的是为了研磨充分，有利于色素的提取；加少许碳酸钙的目的是为了防止研磨过程中，叶绿体中的色素受到破坏。3.分离色素时，一定不要让滤纸条上的滤液细线接触到层析液，这是因为色素易溶解在层析液中，导致色素带不清晰，影响实验效果。（一）实验——绿叶中色素的提取与分离（一）捕获光能的色素1.色素的种类：叶绿素a和叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素3.光谱和色素的吸收光谱2.色素的功能：吸收、传递、转化光能太阳光穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带称为光谱。分别让不同颜色的光照射色素溶液，可以得到色素的吸收光谱。一、捕获光能的色素叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱叶绿素a和叶绿素b主要吸收

；胡萝卜素和叶黄素主要吸收

。蓝紫光和红光蓝紫光（二）色素吸收的光谱1、温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？选无色透明的塑料薄膜；大棚内照明灯在功率相同的情况下，最好选蓝紫光和红光。2、叶片呈现绿色的原因绿叶中的色素对绿光吸收最少，绿光反射进入眼睛的量最多，所以叶片看起来是绿色的。与生活的联系3、秋季为什么变黄了？秋季温度降低，叶绿素分子在低温下被破坏，而类胡萝卜素较稳定，所以显出类胡萝卜素的颜色。二、叶绿体的结构适于进行光合作用外膜内膜基粒基质类囊体类囊体薄膜上类囊体薄膜和基质色素分布：酶分布：1.叶绿体结构

极细光束

均匀光照极细光束照射完全曝光好氧细菌集中于叶绿体被光束照射的部位好氧细菌分布于叶绿体所有受光部位水绵好氧细菌黑暗无空气恩格尔曼的实验一2、叶绿体的功能结论：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是光合作用的场所。三棱镜好氧细菌聚集在红光和蓝紫光的区域照射水绵结论：叶绿体主要吸收红光和蓝紫光综合得出：叶绿体是光合作用的场所恩格尔曼的实验二2、叶绿体的功能1、恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？水绵：叶绿体呈螺旋式带状，便于观察好氧细菌：确定释放氧气多的部位无空气黑暗环境：排除氧气和光的干扰极细光束：叶绿体上可分为光照多和光照少的部位（对比实验）暴露于光下：验证实验结果问题探究2、在实验二中，为什么大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域？因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光照射下，叶绿体释放氧气多，适于好氧细菌在此区域分布3、光合作用的场所只能是叶绿体吗？

蓝藻、光合细菌等没有叶绿体也能进行光合作用问题探究光合作用与能量转化绿叶中色素的提取和分离叶绿体的结构适于进行光合作用实验原理实验过程实验结论无水乙醇，层析液叶绿素类胡萝卜素红光蓝紫光蓝紫光色素叶黄素胡萝卜素叶绿素a叶绿素b（蓝绿色）（黄绿色）（橙黄色）（黄色）含量约占3/4含量约占1/4形态:

结构:

功能:

叶绿体是进行光合作用的场所

课堂小结：

1、如果在圆形滤纸的中央点开始，对叶绿体的色素进行层析，会看到什么现象？会出现四个同心圆的色素带，从外往里依次为：胡萝卜素(橙黄色)、叶黄素(黄色)、cha(蓝绿色)、chb(黄绿色)。巩固练习2.四位同学，利用新鲜绿色菠菜叶进行叶绿体中色素的提取和分离实验时，得到了四种不同的层析结果。下列分析错误的是A.甲可能误用蒸馏水作提取液和层析液B.乙可能是因为研磨时加入无水乙醇过多C.丙可能是正确操作得到的理想结果D.丁可能是研磨时未加入CaCO3巩固练习3.分别在A、B、C三个研钵中加2克剪碎的新鲜菠菜绿叶，并按下表所示添加试剂，经研磨、过滤得到三种不同颜色的溶液，即：深绿色、黄绿色、几乎无色。处理ABCSiO2（少量）+++CaCO3（少量）－++95%乙醇（10mL）+－+蒸馏水（10mL）－+－注：“+”表示加；“－”表示不加。巩固练习试回答：（1）A处理得到的溶液颜色是________，原因是____________________。（2）B处理得到的溶液颜色是__

______，原因是________________________。（3）C处理得到的溶液颜色是_

_______，原因是_______________________。黄绿色部分叶绿素受到破坏几乎无色叶绿素不溶于水深绿色大量叶绿素溶于乙醇中巩固练习第二课时光合作用的原理和应用第4节光合作用与能量转化

指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。1、光合作用的概念二、光合作用的原理和应用（一）光合作用CO2+H2O（CH2O)+O2

光能叶绿体2、光合作用的反应式（二）光合作用的原理探究光合作用原理的部分实验思考•讨论1、19世纪末，科学家普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C和H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。2、1928年，科学家发现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。CO2O2C+H2O甲醛(CH2O)（二）光合作用的原理探究光合作用原理的部分实验思考•讨论3、1937年，希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。希尔反应：离体的叶绿体在适当的条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应。结论：水的光解产生氧气。氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。4Fe3++2H2O4Fe2++4H++O2

光能叶绿体（二）光合作用的原理探究光合作用原理的部分实验思考•讨论4、1941年，鲁宾和卡门用同位素示踪法，研究了光合作用中氧气的来源。CO2H218O光照射下的小球藻悬液C18O2H2O18O2O2结论：光合作用释放的氧来自水。（二）光合作用的原理探究光合作用原理的部分实验思考•讨论5、1954年，美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验：在给叶绿体照光时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi等物质时，体系中就会有ATP出现。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。

结论：在光照时，叶绿体中生成了ATP。H2OO2+2H+

+能量光照叶绿体尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系：ADP+PiATP（二）光合作用的原理探究光合作用原理的部分实验思考•讨论6、1946年开始，美国的卡尔文等用放射性同位素14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，探明了CO2中的C是如何转化为有机物中的碳的。光合作用过程是否需要光能划分：光反应和暗反应（碳反应）。（二）光合作用的原理1、光反应阶段光合作用第一阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。叶绿体中的色素光能H2O

水在光下分解O2NADPHADP+Pi酶ATP光、色素、酶、水叶绿体的类囊体薄膜上水的光解：2H2O4NADPH+O2光能ATP的合成：ADP＋Pi＋能量ATP酶场所：条件：物质变化能量变化光能ATP中活跃的化学能1、光反应阶段2、暗反应阶段光合作用第二阶段的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。CO2C5

固定2C3NADPH供氢酶(CH2O)淀粉、蔗糖多种酶参加催化还原酶ATP供能ADP+PiCO2的固定：CO2＋C52C3酶C3的还原：叶绿体的基质中ATPNADPH、ADP+Pi2C3CH2O)+H2O+C5酶NADPH、ATP、酶、CO2场所：条件：物质变化能量变化

ATP中活跃的化学能有机物中稳定的化学能2、暗反应阶段3、光合作用过程图解光反应阶段（叶绿体类囊体薄膜）暗反应阶段（叶绿体基质）ADP+PiNADP+CO22C3C5（CH2O）多种酶参加催化固定还原ATPNADPH光能叶绿体中的色素O2水的光解H2O4、光反应与暗反应的区别和联系暗反应光反应比较项目能量变化联系物质变化条件场所类囊体薄膜上叶绿体的基质需光,色素和酶不需光,色素;需酶2H2O─→4H++O2↑光解ADP+Pi+能量─→ATP酶CO2+C5─→2C3酶2C3─

─→(CH2O)+C5ATP、[H]酶稳定的化学能光能活跃的化学能光反应为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP+1、NADPH和ATP的移动途径是什么？从类囊体薄膜到叶绿体基质；2、NADP+和ADP的移动途径呢？从叶绿体基质到类囊体薄膜；3、NADPH的作用？①.活泼的还原剂；②.储存部分能量供暗反应阶段利用；思考•讨论4、光合作用中元素的转移①H的转移：H2O→NADPH→(CH2O)②C的转移：CO2→C3→（CH2O）③O的转移：CO2→C3→（CH2O）H2O→O2

思考•讨论6CO2+12H2O光能叶绿体C6H12O6+6H2O+6O2（三）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数量。探究光照强弱对光合作用强度的影响探究•实践一、实验原理：

叶片含有空气，上浮抽气叶片下沉；O2充满细胞间隙，叶片上浮。根据单位时间小圆形叶片浮起的数量的多少，探究光照强度与光合作用强度的关系。光合作用产生O2探究光照强弱对光合作用强度的影响探究•实践二、方法步骤：1.打孔：用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片探究光照强弱对光合作用强度的影响探究•实践二、方法步骤：2.将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出探究光照强弱对光合作用强度的影响探究•实践二、方法步骤：3.将处理过圆形小叶片放入清水中，黑暗保存探究光照强弱对光合作用强度的影响探究•实践二、方法步骤：4.取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液）探究光照强弱对光合作用强度的影响探究•实践二、方法步骤：5.向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片，分别置于强、中、弱光下

项目

烧杯

小圆形叶片加富含CO2的清水光照强度叶片浮起数量110片20mL强多210片20mL中中310片20mL弱少6.观察并记录结果探究光照强弱对光合作用强度的影响探究•实践二、方法步骤：三、实验结论：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。第三课时影响光合作用的因素第4节光合作用与能量转化2、影响光合作用的因素（三）光合作用原理的应用光：光照强度、光质、光照时间CO2的浓度、H2O矿质元素（Mg合成叶绿素）温度外因：内因：酶的种类、数量色素的含量叶龄不同（1）光照强度A点：只进行细胞呼吸，CO2释放量表明此时的呼吸强度。B点：光补偿点，即光合作用强度=细胞呼吸强度。C点：光合作用强度最大。C点之前限制光合作用因素是光照强度，C点之后限制因素是CO2、温度等光补偿点光饱和点AB段：光合<呼吸BC段：光合>呼吸DD点：光饱和点，增加光照强度光合作用强度不再增加。1.间作(几种作物同时期播种)、套种(几种作物不同时期播种)2.轮作(几种作物轮换种植)3.合理密植,增加光合作用面积4.温室大棚,使用无色透明玻璃应用：光补偿点光饱和点D（1）光照强度（2）CO2浓度C点：CO2补偿点（表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度）；D点：CO2饱和点（两组都表示在一定范围内CO2浓度达到该点后，光合作用强度不再随CO2浓度增加而增加）。应用：1.多施有机肥或农家肥2.温室栽培植物时还可使用CO2发生器等.3.大田中还要注意通风透气.B点

：进行光合作用所需CO2的最低浓度ABCD0吸收CO2释放CO2CO2浓度（3）温度最适温度下植物光合作用最大，植物体内的酶最适温度在40~50℃之间。温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减弱。应用：1.适时播种2.温室中,白天适当提高温度,

晚上适当降温3.植物“午休”现象CO2H2OO2一天的时间O光合作用强度121311ABCDE91015161714

夏季晴天的中午气温高，植物为防止蒸腾失水而关闭气孔，CO2吸收减少，进而降低光合速率。“午休”现象：P106页光照强度N：光合酶及NADP+和ATP的重要组分P：NADP+和ATP的重要组分K：促进光合产物向贮藏器官运输Mg：叶绿素的重要组分（4）矿质元素应用：合理施肥

（5）水

1.水是光合作用的原料2.水是体内各种化学反应的介质3.水直接影响气孔的开闭,间接影响CO2进入应用：预防干旱合理灌溉练习.在密闭容器内，受光照等环境因素的影响，某植物净光合速率的变化如图所示。请回答下列问题(不考虑O2浓度变化对呼吸速率的影响)：(1)t0→t1，密闭容器内CO2浓度将________(2)在t2时，叶肉细胞内合成ATP的场所有__________________。(3)t3→t4，净光合速率下降的主要环境因素是________。(4)在t4后的短时间内，叶绿体中ATP含量将________(5)t5→t6，限制光合作用的主要环境因素是________。增加细胞质基质.线粒体.叶绿体CO2浓度减少温度1.光合作用速率：一定时间内、单位面积CO2等原料的消耗量或O2、(CH2O)等产物生成量来表示。植物在进行光合作用的同时，还进行呼吸作用。实际测量到的光合作用指标是净光合作用速率，称为表观光合速率。

单位时间、单位面积积累的有机物的量。

单位时间、单位面积释放的O2的量。

单位时间、单位面积吸收的CO2的量。（四）光合作用速率的测定

2.测定方法：①先将植物置于黑暗中，测量呼吸速率

。②在有光条件下，测定表观光合速率。③计算：实际(真正)光合速率＝表观光合速率＋呼吸速率。（四）光合作用速率的测定光照强度012345O2释放例如：根据O2的变化量测定光合速率O2释放量0O2吸收量光照强度光补偿点光饱和点···ABC呼吸速率净光合速率总光合速率（五）化能合成作用1、异养生物：只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。例如人、动物、真菌及大多数的细菌。2、自养生物：以无机物转变成为自身的组成物质。光能自养生物：以光为能源，以CO2和H2O（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。例如：绿色植物。化能自养生物：利用环境中某些无机物氧化时释放的能量将CO2和H2O（无机物）合成糖类（有机物）。例如：硝化细菌。硝化细菌能够利用体外环境中的NH3氧化时所释放的能量来制造有机物。2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量硝化细菌2HNO2+O22HNO3+能量硝化细菌6CO2+12H2OC6H12O6+6O2+6H2O能量酶新陈代谢同化作用异化作用需氧型厌氧型红螺菌的同化作用属于兼性营养型酵母菌的异化作用属于兼性厌氧型自养型异养型光能自养型化能自养型归纳总结1.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（）

A.红光，ATP下降

B.红光，未