資源簡介

5.4.2 光合作用的原理和應用學案
【學習目標】
1.了解光合作用的研究歷史。
2.說明光合作用以及對它的認識過程。
3.解釋光合作用的光反應、暗反應過程及相互關系。
4.舉例說明光合作用原理的應用。
5.嘗試探究影響光合作用的環境因素。
6.簡述化能合成作用。
【學習重難點】
1、教學重點：（1）葉綠體適用于光合作用的結構特點
（2）光合作用的原理
2、教學難點：（1）光合作用過程中物質和能量的變化及相互關系
（2）探究影響光合作用強度的環境因素
【預習新知】
光合作用的原理
1．光合作用的概念和反應式
(1)概念：綠色植物通過葉綠體，利用光能，將二氧化碳和水轉化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程。
(2)反應式：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。
2．光合作用的探究歷程
(1)19世紀末，科學界普遍認為：C與H2O結合成甲醛。
(2)1928年：甲醛不能通過光合作用轉化成。
(3)1937年，英國希爾：離體葉綠體在適當條件下發生水的光解、產生氧氣。
(4)1941年，魯賓和卡門：研究了光合作用中氧氣的來源(氧氣來源于H2O)。
(5)1954年，美國阿爾農：光照下，葉綠體可合成ATP；1957年，他發現這一過程總是與水的光解相伴隨。
3．光合作用的過程
(1)光反應階段
①場所：葉綠體的類囊體薄膜。
②條件：、色素和有關的。
③物質變化
Ⅰ.水的光解：H2OO2＋2NADPH
Ⅱ.ATP的合成：ADP＋Pi＋能量ATP。
④能量變化：將光能轉變為活躍的化學能。
(2)暗反應階段
①場所：葉綠體基質中。
②條件：的催化。
③物質變化
Ⅰ.CO2的固定：CO2＋C52C3
Ⅱ.C3的還原：C3(CH2O)
C3C5
④能量變化：ATP中活躍的化學能轉變為有機物中穩定的化學能。
光合作用原理的應用
(一)光合作用強度：
(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產生量的數量來定量表示。
(二)實驗：探究光照強度對光合作用強度的影響
(1)原理：抽去圓形小葉片中的氣體后，葉片在水中 ，光照下葉片進行光合作用產生 ，充滿細胞間隙，葉片又會 。光合作用越強，單位時間內圓形小葉片上浮的數量 。
(2)變量：自變量：不同 控制自變量：調節 與 的距離進行對照實驗
因變量： 強度 檢測因變量： 浮起數量 無關變量：葉片大小、溶液的量
(3)流程：取材→排氣→沉水→分組→光照→觀察并記錄
(4)結果：在一定范圍內，臺燈與實驗裝置的距離越近，浮起的圓形小葉片也越多。
(5)結論：在一定范圍內，隨著光照強度不斷增強，光合作用也增強(單位時間內圓形小葉片中產生的O2越多，浮起的圓形小葉片也越多)。
提示：臺燈發光同時也會使溫度發生改變，在臺燈與燒杯之間加盛水玻璃柱排除溫度對實驗現象的影響。
(6) 本實驗每組圓形小葉片 （可以、不可以）由30片改為3片。理由：
(三)影響光合作用強度的因素：
1．內因：葉綠體的數量、葉綠素的含量、_ _的含量和活性、葉齡等。
2．外因：光照強度、光照時間、光的成分、CO2濃度、溫度、水和礦質元素等。
(1)原料：CO2、水。動力：光能。例如：環境中CO2濃度、葉片氣孔開閉情況。
(2)影響葉綠體(光合作用場所)的形成和結構。如無機營養、病蟲害也會影響光合作用強度。
(3)溫度、pH。光合作用需要酶參與，溫度、pH影響酶活性。
3．外因分析：
(1)光照：
a.①凈光合速率表示法：綠色植物光下，一定時間內O2 量、CO2 量或糖類（有機物）的 量
②上圖中光照強度大于C時，OA段表示植物 速率，OF段表示植物 速率，則真正光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率
b曲線與圖形分析：
1、A點光照強度為0，此時只進行 ，無 作用。細胞內的代謝特點如圖2所示。
2、AB段：細胞呼吸強度 光合作用強度(圖3),凈光合速率 0，植物不能 ，長時間處于此種狀態，植物將死亡。
3、B點：光合作用強度 細胞呼吸強度(圖4)。B點所示光照強度稱為 。凈光合速率 0，植物不能生長。
4、BC段：凈光合速率 0，植物因積累有機物而正常生長。(圖5)
5、C點所示光照強度稱為 點。AD段限制因素： DE段限制因素： 濃度等
c應用：①適當 光照強度； 光合作用時間；增加光合作用面積—— 合理密植 ；溫室大棚用_________的塑料或玻璃。
(北方夏季中午時，光照強度很強，植物的光合作用強度將 。原因：光照強度過 ，溫度 ，導致氣孔 ，細胞CO2供應 ，光合作用強度 )
(2)CO2濃度：
(3)溫度:①溫度通過影響酶的 來影響光合作用強度。
②應用：適時播種；溫室栽培時白天適當 溫度，以提高光合作用速率；夜間適當 溫度，以降低細胞呼吸，保證植物有機物的積累。
(4)水及礦質元素
①N、Mg、Fe等是葉綠素合成的必需元素，若這些元素缺乏，會影響 的合成從而影響光合作用。
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 關閉，從而影響CO2進入植物體，間接影響光合作用。
【易錯提示】
（1）光反應的場所是葉綠體中的類囊體薄膜，光反應產生的O2、ATP和NADPH都用于暗反應（ ）
（2）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（ ）
（3）整個光合作用過程中，能量的轉化是光能→ATP中活躍的化學能→有機物中穩定的化學能（ ）
（4）光合作用釋放的O2都來自水（ ）
答案：（1）×（2）√（3）√（4）√
【鞏固訓練】
1.下列關于葉綠體內色素提取和分離實驗的敘述，錯誤的是( )
A.實驗中需要加入SiO2進行研磨，以破碎細胞和葉綠體
B.在研磨過程中加入CaCO3的目的是防止葉綠素被破壞
C.紙層析法分離色素后濾紙條上的色素帶從上至下第三條呈藍綠色
D.色素帶的寬度反映了色素在層析液中溶解度的大小
2.在20℃時，水稻植株的光合作用強度與光照強度的關系如圖所示，下列分析錯誤的是( )
A.在a點時，水稻葉肉細胞不能進行光合作用
B.在b點時，水稻葉肉細胞的光合作用強度等于其呼吸作用強度
C.在a~b段，水稻的光合作用強度小于其呼吸作用強度
D.在c~d段，水稻的光合作用強度不再增大可能受溫度限制
3.下圖表示某油料植物種子萌發為幼苗過程中測得的 CO2釋放、O2吸收相對速率的變化。有關敘述錯誤的是 ( )
A.第Ⅰ階段產生 CO2的主要場所是細胞質基質
B.第Ⅰ階段 CO2釋放速率上升的內因之一是酶活性增強
C.第Ⅲ階段 CO2釋放速率上升的內因之一是線粒體增多
D.第Ⅲ階段氣體變化速率 O2大于 CO2是因為植物進行光合作用
4.葉綠素是由谷氨酸分子經過一系列酶的催化作用，在光照條件下合成的，其頭部和尾部分別具有親水性和親脂性。下列說法正確的是( )
A.葉綠素的元素組成體現了無機鹽能維持正常生命活動
B.尾部對于葉綠素分子在類囊體膜上的固定起重要作用
C.將葉綠素提取液放在光下，可檢測到有氧氣產生
D.葉綠素a和葉綠素b在紅光區的吸收峰值相同
5.下列關于綠葉中色素的提取和分離的敘述錯誤的是( )
A.根據濾紙條上色素帶的條數可確定某環境因素對色素種類的影響
B.黑暗條件下生長的幼苗葉片中也有色素,可在濾紙上形成色素帶
C.若層析的結果是只有兩條黃色色素帶,說明葉片研磨時沒加CaCO3
D.層析時間長短直接影響實驗結果,若出現色素帶重疊可能是層析時間短
6.科學種植,規范管理等措施能有效提高農業產量。下列相關敘述錯誤的是( )
A.通過增強紅外光照射農作物，增大光合作用效率來積累有機物
B.合理延長大棚蔬菜的光照時間，增加植物制造的有機物的總量
C.施肥的同時合理灌溉,有利于無機鹽的吸收和在植物體內的運輸
D.在陰雨天氣降低溫室大棚內白天和晚上的溫度,減少有機物的消耗量
7.2021年，我國科研團隊設計了一種下圖所示的人造淀粉合成代謝路線（ASAP）。在高密度氫能的作用下，成功將CO2和H2轉化為淀粉。與自然界合成淀粉相比，明顯降低了復雜程度。下列說法錯誤的是( )
A.利用人工合成途徑，有利于緩解糧食短缺問題，降低空氣中CO2含量
B.人工合成淀粉的過程中，需要相關酶的參與
C.若固定的CO2量相等，人工合成淀粉的量與植物光合作用有機物的積累量相等
D.淀粉和酶都是以碳鏈為基本骨架形成的生物大分子
8.某研究小組將甲，乙兩組生理狀況基本一致的幼苗放置在如圖1所示的密閉裝置中培養，其中甲組的培養液為完全培養液（含有植物生長所需各種營養物質），乙組的培養液為缺Mg2+的完全培養液，給予兩裝置相同且適宜的恒定光照和溫度條件，容器中CO2濃度的變化如圖2所示。下列說法錯誤的是( )
A.曲線①代表乙組幼苗的實驗結果，曲線②代表甲組幼苗的實驗結果
B.兩組植物的光合速率均逐漸降低，原因是裝置內的CO2濃度逐漸降低
C.曲線②代表的植物在BC段有機物的積累量逐漸增加
D.曲線②代表的植物光合速率較曲線①代表的植物光合速率弱的原因是其光反應較弱
9.利用層析液分離提取的紫色鴨跖草葉中的色素，濾紙條上出現五條色素帶，如右圖所示。下列相關敘述正確的是( )
A.條帶1~4中的色素都能吸收藍紫光，1和2中的色素基本不吸收紅光
B.條帶5中的色素在層析液中溶解度極低，但能吸收和轉換光能
C.濾紙條上條帶的多少與層析時間無關，但與所含色素種類有關
D.若用水替換層析液，條帶5中的色素不會與其他色素分離
10.已知植物A和B光合作用的最適溫度為25℃呼吸作用的最適溫度為30℃，在25℃時，測定A、B兩植物光合速率和呼吸速率比值（P/R）隨光照強度的變化如圖所示。回答下列問題。
(1)據圖判斷更適宜在較弱光照條件下生長的是植物________________（填“A”或“B”）。
(2)光照強度為a時， 每日光照14h，植物B_______（填“能”或“不能”）正常生長，原因是_______。
(3)若將環境溫度提高至30℃，a點_______（填“左移”或“右移”）。
(4)在光照強度大于b時，植物B的P/R不再增加，限制其增加的主要環境因素是_______，農業生產中利用此環境因素來提高光合作用的措施有_______（寫出兩種）。
參考答案
1.答案：D
解析：A、實驗中需要加入SiO2進行研磨，以破碎細胞和葉綠體，使得色素釋放出來，A正確；
B、研磨過程中加入CaCO3的目的是防止色素（主要是葉綠素）被破壞，B正確；
C、不同色素在層析液中的溶解度不同，濾紙條從上到下依次是：胡蘿卜素（橙黃色）、葉黃素（黃色）、葉綠素a（藍綠色）、葉綠素b（黃綠色），即紙層析法分離色素后濾紙條上的色素帶從上至下第三條呈藍綠色，C正確；
D、色素帶的寬度反映了色素的含量，D錯誤。
故選D。
2.答案：B
解析：在b點時，水稻葉肉細胞的光合作用強度大于其呼吸作用強度，水稻葉肉細胞的光合作用強度等于水稻整個植株的呼吸作用強度。
3.答案：D
解析：A、第Ⅰ階段幾乎不吸收氧氣，主要進行無氧呼吸，所以產生CO2的主要場所是細胞質基質，A正確;B、第Ⅰ階段CO2釋放速率上升的內因是酶活性增強，無氧呼吸增強，B正確;C、第Ⅲ階段主要進行有氧呼吸，所以CO2釋放速率上升的內因之一是線粒體增多，C正確;D、有氧呼吸過程中，葡萄糖氧化分解時，吸收的O2量等于釋放的CO2量，所以第I階段氣體變化速率O2大于CO2是因為有脂肪氧化分解，D錯誤。
4.答案：B
解析：A、鎂是葉綠素分子的重要組成成分，說明無機鹽是復雜化合物的組成成分，A錯誤；
B、葉綠素的尾部具有親脂性特點，而生物膜的基本骨架由磷脂雙分子層構成，故葉綠素的尾部有利于固定在類囊體膜上，B正確；
C、僅有葉綠素只能吸收光能，無法將光能轉變成化學能，要想將光能轉變成化學能，需要色素和蛋白質結合形成復合物，共同完成光反應，所以將葉綠素提取液放在光下，無法檢測到有氧氣生成，C錯誤；
D、葉綠素a比葉綠素b在紅光區的吸收峰值高，D錯誤。故選B。
5.答案：C
解析：濾紙條上色素帶的條數代表色素的種類,根據色素帶條數的多少可確定色素種類的變化,A正確;黑暗條件下生長的幼苗葉片中不能合成葉綠素,但能合成類胡蘿卜素,可在濾紙上形成兩條色素帶,B正確;若層析的結果是只有兩條黃色色素帶,說明葉片不含葉綠素,如果研磨時沒加CaCO3,會導致葉綠素的色素帶顏色變淺、變窄,C錯誤;層析時間長短直接影響實驗結果,即影響色素在濾紙條上的擴散.若出現色素帶重疊可能是層析時間短,色素沒有分開,D正確。
6.答案：A
解析：農作物不能吸收紅外光,A錯誤;延長光照時間可以延長光合作用制造有機物的時間,從而增加有機物的產量,B正確;施肥的同時進行灌溉,可促進無機鹽的溶解,成為離子狀態的無機鹽可被根系吸收并隨水運輸,C正確;陰雨天降低大棚溫度可降低細胞呼吸中有機物的消耗量,D正確。
7.答案：C
解析：A、根據題干信息可知，利用人工合成途徑，有利于緩解糧食短缺問題，降低空氣中CO2含量，A正確； B、酶能加快化學反應的速度，人工合成淀粉的過程中，需要相關酶的參與，B正確； C、人工合成淀粉，合成量=積累量，植物合成有機物的量細胞呼吸消耗量=積累量，故若固定的CO2量相等，人工合成淀粉的量大于植物光合作用有機物的積累量相等，C錯誤； D、淀粉和酶都是以碳鏈為基本骨架形成的生物大分子，D正確。
故選：C。
8.答案：C
解析：A、乙組是缺Mg的完全培養液，故乙組光合速率降低，容器中二氧化碳濃度降低的幅度小。甲組不缺Mg，故甲組光合速率比乙組高，容器中二氧化碳濃度降低的幅度大，因此曲線①代表乙組幼苗的實驗結果，曲線②代表甲組幼苗的實驗結果，A正確;B、兩組植物均在密閉裝置中培養，CO2是光合作用的原料，容器中CO2濃度降低導致光合速率降低，B正確;C、由于密閉容器內的CO2濃度逐漸降低，BC段光合速率等于呼吸速率，有機物積累量不會再增加，保持不變，C錯誤;D、曲線①代表甲組幼苗的實驗結果，曲線②代表乙組幼苗的實驗結果，乙組缺Mg，則合成的葉綠素少，故光反應速率較弱，從而導致光合作用強度弱，D正確。
9.答案：A
解析：A、條帶1為胡蘿卜素、條帶2為葉黃素、條帶3為葉綠素a、條帶4為葉綠素b，都能吸收藍紫光，1和2中的色素基本不吸收紅光，A正確；
B、條帶5中的色素在層析液中溶解度極低，屬于水溶性色素，不能吸收和轉換光能，B錯誤；
C、濾紙條上條帶的多少與層析時間和色素種類均有關，C錯誤；
D、花青素是水溶性的，葉綠素和類胡蘿卜素是脂溶性的，若用水替換層析液，條帶5中的色素會與其他色素分離，D錯誤。
故選A。
10.答案：(1)B
(2)不能；光照強度為a時，每天光照14小時沒有有機物的積累，黑暗中細胞呼吸仍需消耗有機物，故全天沒有有機物的積累，植物B不能正常生長
(3)右移
(4)CO2濃度；合理密植、正其行通其風、增施農家肥等
解析：(1)由圖判斷，與植物A相比，植物B的光補償點及光飽和點都較低，因此與植物A相比，植物B更適宜在弱光下生活。
(2)光照強度為a時，對于植物B而言，光合速率與呼吸速率的比值(P/R)為1，白天14小時沒有積累有機物，晚上進行呼吸作用消耗有機物，一晝夜干重減少，因此光照強度為a時，每日光照14h，植物B不能正常生長。
(3)植物B光合作用的最適溫度為25°C，呼吸作用的最適溫度為30°C，若將環境溫度提高至30°C，植物B的光合作用會減弱，呼吸作用會增強，所以其他條件不變，光合速率等于呼吸速率時需要更多的光照，故a點將右移。
(4)影響光合作用的外界因素主要是溫度、光照強度、CO2濃度，而b點為植物B的光飽和點，溫度為光合作用的最適溫度為25°C，因此在b點之后，限制人參P/R增大的主要外界因素是CO2濃度，因此可以通過合理密植、正其行通其風、增施農家肥等措施增加CO2濃度，來提高光合作用從而達到增產的目的。

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