光合作用与能量转化高一上学期生物人教版必修1

5.4光合作用与能量转化

第一课时

捕获光能的色素和结构问题探讨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？

用人工光源生产蔬菜，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。

影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件，也有外界环境条件。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。你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。（一）捕获光能的色素正常玉米植株（绿色）白化玉米植株（白色）对于高等植物来说，叶片是进行光合作用的主要器官。这些植物的叶片大多数是绿色的，说明其中含有绿色的色素。在玉米地里，有时可以看到叶片中不含绿色色素的白化苗。这样的白化苗待种子中贮存的养分耗尽就会死去。由此可见：叶片中的色素可能与光能的捕获有关。绿叶中究竟有哪些色素呢？实验：绿叶中色素的提取和分离1．提取色素的原理是什么？提取色素时加入CaCO3和SiO2的目的是？分离色素的原理是？制备滤纸条时，剪去两角的作用是什么？色素分离时，为何要注意层析液不能没及滤液细线？画滤液细线为什么要求细、齐、直，且待滤液干后重画1~2次？实验：绿叶中色素的提取和分离原理：色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以，可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。（1）称取5g新鲜绿叶→剪碎，放于研钵中步骤：1．提取色素实验：绿叶中色素的提取和分离（2）加入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入5~10mL无水乙醇，迅速、充分地进行研磨。二氧化硅有助于研磨得充分碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。（3）将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤，将滤液收集到试管中、及时用棉塞将试管口塞严。2．分离色素：方法：纸层析法原理：绿叶中的色素不只一种，它们都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同，溶解度高的色素分子随层析液在纸条上的扩散得快，溶解度低的色素分子随层析液在滤纸条上的扩散得慢，因而可用层析液将不同的色素分离。实验：绿叶中色素的提取和分离（1）制备滤纸条剪去两角铅笔线1CM使层析液同步到达滤液细线，防止色素带不整齐实验：绿叶中色素的提取和分离2．分离色素步骤：（2）画滤液细线要求：①细、齐、直；②待滤液干后，再重画1~2次原因：防止色素带重叠而影响分离效果。原因：积累更多的色素（3）分离绿叶中的色素层析液培养皿滤液细线注意：不能让滤液细线触及层析液，否则滤液细线中的色素会被层析液溶解，而不能在滤液上扩散。观察与记录（橙黄色）（黄色）（蓝绿色）（黄绿色)胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b类胡萝卜素含量约占四分之一叶绿素含量约占四分之三实验：绿叶中色素的提取和分离2．分离色素：色素的分离和提取实验中可能出现的异常现象的原因分析：

实验：绿叶中色素的提取和分离色素带较浅的可能原因？1、研磨不充分；或者未加二氧化硅，导致色素未能充分提取出来2、制备色素所用的材料过少或者无水乙醇过多，导致色素浓度过小3、画滤液细线时画的次数太少，没有积累足够的色素色素带没有出现的可能原因？1、没有画滤液细线2、滤液细线接触层析液时间过长，导致色素溶解在了层析液中叶绿素a和叶绿素b色素带较浅或者没有的原因？1、没有加入碳酸钙，导致研磨过程中色素被破坏2、色素提取液制备完以后放置时间过长，导致叶绿素被分解3、选取的叶片不是新鲜的叶片，而是老叶或者黄叶

色素带出现重叠的原因？滤纸条没有经干燥处理；或滤液细线没有画的细直，导致色素扩散不一致（一）捕获光能的色素绿叶中的色素主要吸收蓝紫光和红光。阳光通过三棱镜，不同波长的光会散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。如果在阳光和三棱镜之间放置色素溶液，发现照射出来的光谱与无色素溶液的光谱有一定区别通过叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱我们可以发现：叶绿素主要吸收：_____________类胡萝卜素主要吸收：________蓝紫光、红光蓝紫光①②④⑤③外膜内膜基质基粒叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为类囊体。吸收光能的四种色素就分布在类囊体薄膜上，每个基粒都含有两个以上的类囊体，多的可达100个以上。叶绿体内如此众多的基粒和类囊体极大地扩展了受光面积。类囊体（二）叶绿体的结构适于进行光合作用叶绿体的功能极细光束照射完全光照黑暗，无空气讨论：1.恩格尔曼第一个实验的结论是什么？氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。2.恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？选材上面，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；好氧细菌可确定释放氧气多的部位；没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果。（二）叶绿体的结构适于进行光合作用3.在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。4.综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。（二）叶绿体的结构适于进行光合作用叶绿体的功能恩格尔曼的实验直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。

结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论。随堂练习1、植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述，错误的是（）A.氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰D.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高，随层析液在滤纸上扩散得越慢A、叶绿素的元素组成是C、H、O、N、Mg，所以氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素，A正确；B、光反应的场所是类囊体的薄膜，需要光合色素吸收光能，所以叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上，B正确；C、类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，所以用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰，C正确；D、叶绿体中色素分离的原理是不同色素在层析液中溶解度不同，溶解度大的扩散得快，在滤纸条的最上方；溶解度小得扩散得慢，在滤纸条的最下方。因此，叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高，随层析液在滤纸上扩散得速度越快，D错误。D随堂练习2、德国科学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的吸收光谱。他将三棱镜产生的散射光投射到丝状水绵体上，并在水绵悬液中放入需氧细菌，观察细菌的聚集情况(如图所示)。他由实验结果得出光合作用在红光区和蓝紫光区最强。这个实验的思路是()A.细菌对不同的光反应不一，细菌聚集多的地方，细菌光合作用强B.需氧细菌聚集多的地方，O2浓度高，水绵光合作用强C.需氧细菌聚集多的地方，产生的有机物多，水绵光合作用强D.需氧细菌大量消耗O2，使水绵的光合速率大幅度加快B5.4光合作用与能量转化

第二课时

光合作用的原理光合作用的原理和应用1.概念：光合作用时指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将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CO2+H2O（CH2O)+O2

光能叶绿体2.用反应式可表示为：探究光合作用原理的部分实验CO2O2C+H2O甲醛(CH2O)1、19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，二氧化碳的C和O被分开，氧气被释放，C与水结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。到1982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2、1937年，英国科学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有水，没有二氧化碳），在光照下可以释放出氧气。像这样：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希尔反应只有H2O没有CO2离体的叶绿体悬浮液O2探究光合作用原理的部分实验3、1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记水和二氧化碳。然后进行了以下两组实验：甲组给植物提供H2O和C18O2,乙组提供H218O和CO2

，最终发现：甲组释放的氧气都是O2，乙组释放的都是18O2结论：光合作用产生的O2来自于H2O。CO2H2O

C18O2H218O18O2O2甲组乙组光照射下的小球藻悬液探究光合作用原理的部分实验4、1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP，1957年，阿尔农又发现这一过程总是与水的光解相伴随。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探究光合作用原理的部分实验上述实验表明，光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，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。

光合作用过程划分依据:反应过程是否需要光能光反应阶段暗反应阶段（碳反应）光合作用的第二阶段，有没有光都可以进行。光合作用的第一阶段，必须有光才能进行。类囊体薄膜上的色素ADP+PiATPH2OO2NADP+酶吸收H+NADPH酶（氧化型辅酶Ⅱ）（还原型辅酶Ⅱ）光解可见光光反应阶段1.场所：叶绿体的类囊体薄膜上2.条件：光、色素、酶3.物质变化：色素、酶水的光解：2H2OO2+4H+光酶NADPH的合成：

NADP++H+

NADPHATP的合成：ADP+Pi+能量（光能)

ATP酶4.能量变化：光能ATP和NADPH中活跃的化学能糖类是如何合成的呢?20世纪50年代，卡尔文及其同事利用小球藻研究光合作用的暗反应。在实验中提供给小球藻提供14CO2，然后迅速倾入煮沸的乙醇溶液中杀死细胞，使酶失活。最后利用双向层析技术和放射性自显影技术分析中间产物。ADP+PiATPNADP+C52C3多种酶(CH2O)糖类CO2固定还原酶NADPH酶暗反应阶段卡尔文循环1.场所：叶绿体的基质中2.条件：有光无光都可，多种酶3.物质变化：4.能量变化：CO2的固定：C3的还原：酶CO2＋C52C32C3

酶ATP、NADPH(CH2O)+C5ATP、NADPH中活跃的化学能有机物中稳定的化学能类囊体薄膜上的色素C52C3ADP+PiATPH2OO2H+多种酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定还原光反应暗反应NADP+NADPH酶可见光光合作用全过程①C的转移：CO2→C3→（CH2O）②O的转移：H2O→O2

CO2+H2O光能叶绿体（CH2O）+O2光合作用过程中元素的转移光反应和暗反应区别和联系

光反应阶段暗反应阶段（碳反应）场所条件物质变化能量变化联系项目叶绿体类囊体薄膜上叶绿体基质光、色素、酶有光无光都可，多种酶光能→ATP、NADPH中活跃的化学能ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定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、Pi、NADP+等原料过程

色素、酶2H2OO2+4H+光ADP+Pi+能量ATP酶酶NADP++H+

NADPH酶CO2＋C52C32C3(CH2O)+C5酶ATP、NADPH类囊体薄膜上的色素C52C3ADP+PiATPH2OO2H+多种酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定还原NADP+NADPH酶可见光条件光照减弱

光照增强

CO2浓度减少

CO2浓度增加C3C5ATPNADPH增加减少减少增加减少增加增加减少减少增加增加减少减少增加增加减少随堂练习1.(多选)大气中的CO2需通过植物叶片内部结构最终扩散到叶绿体基质内进行光合作用，叶肉细胞可导致CO2传递受阻从而影响植物的光合作用，该现象称为叶肉限制；叶肉限制的大小可用叶肉导度（CO2从气孔到叶绿体内的扩散阻力的倒数）表示。下列说法错误的是（）A.植物细胞壁越厚，叶肉导度越大B.增加叶肉细胞生物膜的通透性，可以降低叶肉限制C.缺水条件下，叶肉限制可能会增大D.叶肉导度越大，光合速率越小A、细胞壁是全透的，其厚度应不影响二氧化碳从气孔到叶绿体的扩散，A错误；B、增加叶肉细胞生物膜的通透性，叶肉导度变大，CO2从气孔到叶绿体内的扩散阻力越小，可以降低叶肉限制，B正确；C、缺水条件下，气孔关闭，叶肉细胞导致CO2传递受阻增大，叶肉限制可能会增大，C正确；D、叶肉导度越大，CO2从气孔到叶绿体内的扩散阻力越小，CO2吸收量越大，光合速率越大，D错误。AD随堂练习2.(多选)下面是叶肉细胞在不同光照强度下叶绿体与线粒体的代谢简图,相关叙述正确的是()A.细胞处于黑暗环境中,该细胞单位时间释放的CO2量即为呼吸速率B.细胞没有与外界发生O2和CO2的交换,可断定此时光合速率等于呼吸速率C.细胞处在较强光照条件下,叶肉细胞光合作用所固定的CO2量为N1D.分析细胞可得出,此时的光照强度较弱且光合速率小于呼吸速率ABD随堂练习3.如图为叶绿体中光合作用过程示意图，其中A、B、C、D表示叶绿体的结构，①②③④⑤表示有关物质。下列说法错误的是（）A.图中A的存在可以增加叶

绿体内的膜面积B.与光合作用有关的酶主要

分布在A、C、D上C.光合作用过程中ADP和Pi从B向A处移动D.若突然停止光照，短时间

内④的含量会增加B5.4光合作用与能量转化

第三课时

光合作用原理的应用一、光合作用强度指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。表示方法：单位时间内通过光合作用制造或产生有机物（糖类）的量单位时间内通过光合作用固定二氧化碳的量单位时间内通过光合作用产生氧气的量二、环境因素对光合作用强度的影响1、光照强度图中A点的意义：光照强度为0时，细胞只进行呼吸作用黑暗中呼吸所放出的CO2光补偿点光饱和点CO2吸收量OCO2释放量光照强度···ABC·D图中B点的意义：光合作用和呼吸作用强度相等，也称为光补偿点。图中C点的意义：光合作用强度不再随光照强度增加而变化，此时对应的D点为光饱和点。净光合速率真正光合速率=呼吸速率—CO2吸收量O2释放量有机物积累量CO2固定量O2产生量有机物制造量CO2释放量O2消耗量有机物消耗量植物进行光合作用的同时进行着呼吸作用。

真正光合速率是指单位时间内植物在光下制造有机物(或吸收CO2)的量。净光合速率是指单位时间内植物在光下制造的有机物(或固定CO2)的量去掉在这一段时间中植物进行呼吸作用所消耗的有机物(或释放的CO2)后净增的有机物的量。CO2吸收量OCO2释放量光照强度黑暗中呼吸所释放的CO2光补偿点光饱和点ABCD净光合量真正光合量阴生植物消耗呼吸点移动问题解题技巧呼吸作用强度增强减弱AA光合作用条件变强减弱分散跑往回跑B(DE)B(DE)CO2吸收量OCO2释放量BC··A·DE··光照强度2.CO2浓度CO2吸收量OCO2浓度B·AC··CO2补偿点CO2饱和点CO2吸收量OCO2释放量CO2浓度·BC··A·DCO2饱和点CO2补偿点呼吸作用释放的CO2

3.温度光合作用是在

的催化下进行的，温度直接影响

从而影响光合作用速率。酶的活性酶白天：适当提高温度以___________________提高光合作用强度夜间：适当降低温度以___________________降低细胞呼吸强度0最适温度t/℃υ/mmol.s-14.水例如，Mg是叶绿素的组成元素

5.矿质元素①水是光合作用的_____，含水量越高，细胞代谢越旺盛。②植物缺水会导致__________,CO2供应不足，影响光合作用速率。原料气孔关闭矿质元素是参与光合作用的许多重要化合物的组成成分。6.光质白光蓝紫光红光绿光＞＞＞二、探究光照强度对光合作用强