新教材高中生物人教版必修1学案第5章第4节光合作用与能量转化

第4节光合作用与能量转化知识点一绿叶中色素的提取和分离[新知导学]1．提取绿叶中的色素(1)原理：绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中。(2)步骤：2．分离绿叶中的色素(1)原理：不同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，反之则慢。(2)实验步骤：3．叶绿体中的色素和吸收光谱1．实验操作时，为什么要将滤纸条的一端剪去两角？画滤液细线的要求是细、直、齐，且要在干燥后重复画一两次，请分析这样做的原因是什么？提示：①剪去两角的目的是防止层析液在滤纸条的边缘扩散过快。②滤液细线要细、直、齐是使分离的色素不重叠，重复画线的目的是增加色素含量使分离的色素带清晰，便于观察。2．实验结束后，某同学的滤纸条上没有出现色素带，请探讨其实验失败的可能原因。提示：①忘记画滤液细线。②层析时滤液细线触及层析液。[重难探究]1．提取色素的材料、试剂及关键步骤2.分离色素的关键步骤3.滤纸条上色素的分布和对光的吸收(1)从色素带的位置可知，各种色素在层析液中溶解度的高低为：胡萝卜素>叶黄素>叶绿素a>叶绿素b。(记忆口诀：胡、黄、a、b)(2)从色素带的宽度可知，各种色素的含量一般情况下为：叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素。(1)分离色素的原理是利用色素在层析液中的溶解度不同，而不是色素含量的多少，溶解度高的色素含量不一定多。(2)叶绿体中的色素只吸收可见光，而对红外光和紫外光等几乎不吸收。[典题演练]1．学生利用新鲜菠菜叶进行绿叶中色素的提取和分离实验时，由于各组操作不同，出现了下列四种不同的层析结果。下列分析不合理的是(C)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未加入SiO2C．丙是正确操作得到的理想结果D．丁可能是因为研磨时未加入CaCO3解析：甲图中没有提取到任何色素，有可能是用蒸馏水作溶剂，而色素不溶于水；乙图中得到色素的比例是合适的，但量都较少，说明可能是没有加入SiO2，使研磨不够充分；丙图中提取色素的含量较高，但叶绿素的含量低于类胡萝卜素的含量，说明该材料有可能是发黄的叶片；丁图中有可能是破坏了叶绿素，导致叶绿素的含量下降。(1)题中的四幅图中，表示绿叶中各种色素的比例较为合理的是哪一个？提示：图乙，图示中从左到右依次为叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素，它们的含量为叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素。(2)出现图中丙实验结果的最可能原因是什么？提示：可能采用的实验材料为发黄的叶片。从实验结果分析，色素的含量高，但是类胡萝卜素的含量超过了叶绿素。2．四种光合色素中在滤纸条上扩散速度最快的和最慢的是(A)A．胡萝卜素和叶绿素bB．胡萝卜素和叶绿素aC．叶黄素和叶绿素bD．叶黄素和叶绿素a解析：在层析结果中滤纸条上四种光合色素由上到下的排列顺序为胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b，扩散最快的是胡萝卜素，最慢的是叶绿素b。知识点二叶绿体的结构和功能[新知导学]1．结构2．功能绿色植物进行光合作用的场所。3．温室或大棚种植蔬菜，应选用什么颜色的玻璃或塑料薄膜？提示：无色玻璃或塑料薄膜。4．从所含化学成分上分析，叶绿体能进行光合作用的原因是什么？提示：叶绿体中含有光合色素和与光合作用有关的酶。[重难探究]1．叶绿体的结构(1)基粒：由囊状结构堆叠而成，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的薄膜上。(2)基质：在基粒与基粒之间充满基质，基质中含有与光合作用有关的酶。2．叶绿体功能的验证实验(1)实验过程及现象：eq\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(水绵,好氧细菌))eq\o(→,\s\up17(黑暗),\s\do5(无空气))eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(极细光束照射→好氧细菌集中,于叶绿体被光束照射的部位,完全暴露在光下→好氧细菌分,布于叶绿体所有受光部位))(2)实验结论：氧气是叶绿体释放的，叶绿体是光合作用的场所。(3)实验分析。①水绵：叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察。②好氧细菌：可以确定放出氧气的部位和放出氧气的多少。③没有空气的黑暗环境：排除了氧气和光的干扰。叶绿体和光合色素的存在部位(1)并不是所有的植物细胞都含有叶绿体，只有进行光合作用的细胞才含有叶绿体。(2)光合作用的色素只分布于叶绿体的类囊体薄膜上，而液泡中的色素是不能进行光合作用的。[典题演练]3.如图为叶绿体结构示意图，下列叙述不正确的是(C)A．1具有选择透过性B．吸收光能的色素分布在2上C．与光合作用有关的酶只分布在3中D．叶绿体具有双层膜解析：叶绿体是由双层膜构成的，它们具有选择透过性，吸收光能的色素分布在类囊体薄膜上；与光合作用有关的酶分布在基粒上和基质中。4．科学家设计了一个实验研究光合作用的光谱。他将棱镜产生的光谱投射到丝状的水绵体上，并在水绵的悬液中放入好氧细菌，观察细菌的聚集情况(如图)，他得出光合作用在红光区和蓝光区最强。这个实验的思路是(B)A．细菌对不同的光反应不一，细菌聚集多的地方，水绵光合作用强B．好氧细菌聚集多的地方，O2浓度高，水绵光合作用强，则在该种光照射下植物光合作用强C．好氧细菌聚集多的地方，水绵光合作用产生的有机物多，则在该种光照射下植物光合作用强D．聚集的好氧细菌大量消耗光合作用产物——O2，使水绵的光合作用速度加快，则该种光有利于光合作用解析：普通白光经棱镜折射后，分散成不同色彩的光，在图b中由左到右光谱是按照红橙黄绿青蓝紫分布，好氧细菌的特性是分布在氧气浓度较高的环境中，图a中好氧细菌分布多的地方，氧气浓度高，氧气来自光合作用中的光反应，因此好氧细菌的分布体现出光合作用强度的不同。知识点三光合作用的探究历程和过程[新知导学]1．光合作用概念(1)主要场所：叶绿体。(2)能量来源：光能。(3)反应物：二氧化碳和水。(4)产物：有机物和氧气。(5)实质：合成有机物，储存能量。2．光合作用的化学反应式CO2＋H2Oeq\o(→,\s\up17(光能),\s\do15(叶绿体))(CH2O)＋O2。3.光合作用过程(1)填写图中序号所代表的物质。a：O2b：C3c：CO2d：(2)光反应。Ⅰ过程eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(场所：叶绿体的类囊体薄膜上,外界条件：光照,物质变化\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(①H2O\o(→,\s\up17(光))[H]＋O2,②ADP＋Pi＋能量\o(→,\s\up17(酶))ATP)),能量变化：光能\o(→,\s\up17(酶))ATP中活跃的化学能))(3)暗反应。Ⅱ过程eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(场所：叶绿体的基质,物质变化\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(①CO2\o(→,\s\up17(酶))C3\o(→,\s\up17(酶))CH2O,②ATP\o(→,\s\up17(酶))ADP＋Pi＋能量)),能量变化：ATP中活跃的化学能→有机物,中稳定的化学能))5．试利用同位素示踪法，分析光合作用过程中各元素的转移途径。(1)用放射性同位素分别标记H2O中的H和O，则能在光合作用的哪些物质中检测到放射性？(2)若标记CO2中的14C(3)试总结光合作用各元素的去向。提示：(1)O可在释放的氧气中检测到；H可在产生的糖类中检测到。(2)14CO2＋C5→2C3(只有一个14C)→C5＋(14CH2(3)光合作用总反应式及各元素去向：6．结合光反应和暗反应过程分析，若突然停止光照或停止CO2供应，叶绿体中C3和C5相对含量发生怎样的变化？提示：①停止光照：C3含量相对增加，C5含量相对减少。②停止CO2供应：C3含量相对减少，C5含量相对增加。[重难探究]1．光合作用探究的实验分析(1)鲁宾和卡门实验①探究方法：同位素标记法。②实验过程及结论：③实验分析设置对照实验，自变量为标记物质(被标记的C18O2或Heq\o\al(18,2)O)，因变量是O2是否带有同位素标记。(2)卡尔文循环①探究方法：同位素标记法。用14C标记CO2，追踪检测放射性，探明了CO2②实验结论碳的转化途径：14CO2＋C5eq\o(→,\s\up17(酶))14C3eq\o(→,\s\up17(酶))(14CH2O)2．重要图示分析——光合作用中光反应和暗反应图示分析：(1)光反应阶段过程分析图示：分析：项目光反应实质光能转化为化学能，并释放出O2时间长短短促需要条件外界条件：光照；内部条件：色素、酶反应场所叶绿体类囊体的薄膜上物质变化①水的光解：水分解成[H]和O2②ATP的合成：在相关酶的作用下，ADP和Pi形成ATP能量变化光能→活跃的化学能相应产物O2、ATP和[H](2)暗反应阶段过程分析图示：分析：项目暗反应实质同化CO2形成有机物时间长短较缓慢需要条件外界条件：不需要光照；内部条件：酶反应场所叶绿体基质内物质变化①CO2的固定：CO2＋C5eq\o(→,\s\up17(酶))2C3②C3的还原：2C3eq\o(→,\s\up17(酶))(CH2O)＋C5能量变化ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能相应产物糖类等有机物(3)光反应和暗反应之间的联系①物质联系：光反应阶段产生的[H]用于暗反应中C3的还原。②能量联系：光反应阶段产生的ATP，在暗反应阶段转化为储存在糖类等有机物中的化学能；同时，暗反应为光反应提供ADP和Pi用于ATP的合成。有关光反应和暗反应的几点问题(1)叶绿体的内膜既不参与光反应，也不参与暗反应。(2)光反应阶段为暗反应提供ATP、[H]，ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质。而暗反应则为光反应提供ADP和Pi，ADP从叶绿体基质移向类囊体薄膜。(3)光反应阶段必须是在有光条件下进行，而暗反应阶段有光无光都能进行，但需光反应提供的[H]和ATP，故暗反应不能长期在无光环境中进行。(4)在自然条件下，光反应阶段和暗反应阶段同时进行，不分先后。[典题演练]5．如图为光能在叶绿体中转换的示意图，U、V、W、X、Y代表参与光能转换的物质。下列选项中，错误的是(D)A．U在光合作用里的作用是吸收和传递光能B．V吸收光能后被激发，使H2O分解，产生电子流C．W作为还原剂，其能量是稳定化学能来源之一D．U至Y的能量转换在叶绿体囊状结构薄膜上进行解析：此题的图是课本上的图的再现，略有改变。首先要识图弄清U、V、W、X、Y代表参与光能转换的物质分别是除少数特殊状态的叶绿素a的其他色素、少数特殊状态的叶绿素a、NADPH、NADP＋、糖类。结合光能在叶绿体中转换过程(光能先转换为电能，然后转换为活跃的化学能，而后转换为稳定的化学能)可知，选项A、B、C正确。其中光能先转换为电能，然后转换为活跃的化学能为光反应过程，在叶绿体囊状结构薄膜上完成，活跃的化学能而后转换为稳定的化学能则是暗反应过程，在叶绿体的基质中完成，故选项D错。6．光合作用的过程可分为光反应和暗反应两个阶段，下列说法正确的是(D)A．叶绿体的类囊体薄膜上进行光反应和暗反应B．叶绿体的类囊体薄膜上进行暗反应，不进行光反应C．叶绿体基质中可进行光反应和暗反应D．叶绿体基质中进行暗反应，不进行光反应解析：光反应是在叶绿体类囊体的薄膜上进行的，该过程必须在有光的条件下才能进行；暗反应是在叶绿体内的基质中进行的，该过程有光无光均可。故选D。知识点四影响光合作用的因素[新知导学]1．光合作用强度(1)概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。(2)表示方法：用一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量表示。(3)影响因素：2．探究光照强弱对光合作用强度的影响3.应用控制光照的强弱和温度的高低，适当增加作物环境中二氧化碳浓度来提高光合作用强度。4．化能合成作用(1)概念：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的合成作用。(2)实例：硝化细菌eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(能量来源：将氨氧化成硝酸释放的能量,反应物：水和二氧化碳,产物：糖类))(3)自养生物和异养生物：7．下图为夏季晴朗的白天，植物光合作用强度曲线图，据图思考问题：(1)在12时左右光合作用强度明显减弱的原因是什么？(2)C点与B点相比，C3和C5化合物含量发生怎样的变化？提示：(1)光照过强→气孔关闭→CO2供应不足→光合作用下降。(2)与B点相比，C点C3含量相对下降，C5含量相对上升。8．从物质合成和能量转换角度，比较光合作用与化能合成作用的异同。提示：相同点：合成有机物，储存能量；不同点：合成有机物时利用的能量不同。[重难探究]1．光照强度(1)曲线分析。①关键点：A点光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，单位时间内释放的CO2量表示呼吸速率。B点细胞呼吸释放的CO2量和光合作用吸收的CO2量相等，此时的光照强度称为光补偿点。C点时已经达到了光饱和点，此时光照强度增加，光合作用强度不再增加。②关键线段：AB段光合作用的强度小于细胞呼吸的强度；BC段光合作用的强度大于细胞呼吸的强度。(2)应用。①适当提高光照强度：如阴雨天适当补充光照，及时对大棚除霜消雾等。②合理密植和间作种植：阴生植物的光补偿点和光饱和点低，因此间作套种农作物可以充分利用光照。2．CO2浓度(1)曲线分析。①走势分析：图1和图2都表示在一定范围内，光合作用速率随CO2浓度的增大而增大，但当CO2浓度增加到一定值后，光合作用速率不再增加。②关键点分析：图1中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点；图2中的A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。图1和图2中的B和B′点都表示CO2饱和点。(2)应用：在农业生产上可以通过“正其行，通其风”、增施农家肥等方式增大CO2浓度，提高光能利用率。3．温度(1)影响原理。温度通过影响酶的活性来影响光合作用强度。(2)曲线分析：①AB段：随着温度升高，光合作用增强。②B点：光合作用最适温度。③BC段：随着温度升高，光合作用减弱。④温度过高时，酶失活，光合作用完全停止。(3)应用。①适时播种。②温室栽培时白天适当提高温度，夜间适当降低温度。(1)光的补偿点是光合作用强度等于细胞呼吸强度时的光照强度，此时植物不能正常生长，只能维持生存。(2)CO2的饱和点是指在其他条件如温度、光照强度等都适宜的情况下进行的，光合作用速率达到最大值时所需的CO2浓度。[典题演练]7．夏季晴朗的一天，甲乙两株同种植物在相同条件下CO2吸收速率的变化如下图所示。下列说法正确的是(D)A．甲植株在a点开始进行光合作用B．乙植株在e点有机物积累量最多C．曲线b～c段和d～e段下降的原因相同D．两曲线b～d段不同的原因可能是甲植株气孔无法关闭解析：本题考查运用影响光合作用的因素分析曲线，获得信息，解决问题的能力。由图可知，CO2吸收速率代表净光合作用速率，a点的含义为光合作用速率等于呼吸作用速率，开始进行光合作用的时间是在a点以前水平线转折点；e点代表此刻开始光照消失，只进行呼吸作用，而有机物积累最多时，应发生在傍晚时光合作用速率等于呼吸作用速率时，据图应在18时；18时以后，呼吸作用强于光合作用；夏季晴朗的中午，乙植物在bc段，为了减少水分蒸发，有些气孔关闭，从而使CO2供应不足，光合作用速率降低，而甲植物无此现象，可能是与自身气孔无法关闭有关；b～d段随时间的进行，光照强度逐渐降低，从而使光合作用速率逐渐降低。故选D。8．下图分别表示两个自变量对光合速率的影响情况，除各图中所示因素外，其他因素均控制在最适范围。下列分析错误的是(D)A．甲图中a点的限制因素可能是叶绿体中酶的数量B．乙图中d点与c点相比，相同时间内叶肉细胞中C3的生成量多C．图中M、N点的限制因素是光照强度，P点的限制因素是温度D．丙图中，随着温度的升高，曲线走势将稳定不变解析：A项甲图中光照强度对光合速率的影响，当达到最大值时，限制其不再增加的外部因素有CO2含量、温度等，内部因素有酶的数量、色素的含量等；B项乙图中d点与c点相比，d点光照较强，生成的[H]、ATP较多，所以暗反应中C3的还原过程加强，消耗的C3较多，从而使CO2的固定过程加强，相同时间内d点比c点生成的C3总量多；D项丙图中，温度对光合速率的影响是通过影响酶的活性来实现的，其曲线走势应为抛物线形，而不是稳定不变的。课题调研：坐标曲线图类题目——光合作用过程中相关物质浓度变化[典范例题]在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势如图，回答问题：(1)图中物质A是________(C3、C5)。(2)在CO2浓度为1%的环境中，物质B的浓度比A低，原因是_________________________；将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后，物质B浓度升高的原因是___________________。(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中，暗反应中C3和C5浓度达到稳定时，物质A的浓度将比B的________(低、高)。[解题技巧]生物坐标曲线题的类型很多，有单曲线、双曲线和多曲线，无论曲线多么复杂，关键是数和形，数是坐标曲线上的点，形是曲线的变化趋势，或者说是将来的动态变化。抓住关键后，还必须有一个正确的解题思路，即：(1)“识标”——理解图中纵、横坐标的含义，找出纵、横坐标的关系。(2)“明点”——明确曲线上的特殊点(始点、终点、转折点、交叉点、最高点和最低点等)所表示的生物学含义。(3)“析线”——分析曲线的变化趋势(上升、下降、水平、先升后降、先升后稳、先降后升等)，揭示各段曲线变化的含义和原因。若为“多重变化曲线”，则应先确定某一自变量来分析，然后再多重综合考虑。一、选择题1．下列有关光合作用的叙述中，错误的是(A)A．叶绿体离开叶肉细胞便不能进行光合作用B．温度降到0℃C．叶绿素吸收的光能要转移给ADP形成ATPD．光反应和暗反应都有许多酶参与催化作用解析：叶绿体是进行光合作用的基本单位，进行光合作用所需要的色素和全部的酶都在叶绿体中，科学家在研究叶绿体的结构和光合作用过程时都是通过离体叶绿体进行的，离体叶绿体是能够进行光合作用的，故A错；植物进行光合作用的最低温度、最适温度和最高温度，不同的植物是不一样的，这与植物的原始地理分布有关，分布在热带地区的植物正常生长发育所需要的温度较高，但在寒冷地区分布的植物，进行光合作用所需的温度就较低，特别是分布在北极圈内的植物和高原植物，是能够在0℃2．下列关于光合作用和呼吸作用的叙述，正确的是(B)A．光合作用和呼吸作用总是同时进行B．光合作用形成的糖类能在呼吸作用中被利用C．光合作用产生的ATP主要用于呼吸作用D．光合作用与呼吸作用分别在叶肉细胞和根细胞中进行解析：呼吸作用发生在一切活细胞内(包括叶肉细胞)，光合作用主要见于绿色植物的叶肉细胞，选项A、D错；光合作用光反应产生的ATP只用于暗反应阶段，选项C错。3．对某植物作如下处理：甲持续光照10分钟；乙光照5秒后再黑暗处理5秒，连续交替进行20分钟。若其他条件不变，则在甲、乙两种情况下植株所制造的有机物总量是(B)A．甲多于乙 B．甲少于乙C．甲和乙相等 D．无法确定解析：光合作用的过程分为光反应和暗反应两个过程，两者在不同的酶的催化作用下独立进行。在一般情况下，光反应的速度比暗反应快，光反应的产物ATP和[H]不能被暗反应及时消耗掉，原因是催化暗反应的酶的催化效率和数量都是有限的。持续光照，光反应产生的大量的[H]和ATP不能及时被暗反应消耗，暗反应限制了光合作用的速度，降低了光能的利用率。但中间间隔5秒钟无光，有利于充分利用前5秒钟的光反应的产物，从而提高了对光能的利用率。在光照强度和光照总时间不变的情况下，制造的有机物相对多一些。4.下图所示为叶绿体的结构与功能示意图，请据图判断下列说法中正确的是(B)A．叶片呈绿色是因为Ⅰ上只含有叶绿素B．Ⅰ、Ⅱ两部位酶的种类、功能不相同C．Ⅱ中含有将光能转变成储存在ATP中化学能的酶D．由于双层膜的存在增大了叶绿体内酶的附着面积解析：Ⅰ为类囊体膜，上面有各种光合色素，不是只含有叶绿素。Ⅱ为叶绿体基质，能进行暗反应，Ⅰ、Ⅱ两部位发生的反应不同，酶的种类、功能不相同。Ⅰ中含有将光能转变成ATP中化学能的酶。叶绿体类囊体增大了酶的附着面积。5．下列关于植物光合作用和细胞呼吸的叙述，正确的是(D)A．无氧和零下低温环境有利于水果的保鲜B．CO2的固定过程发生在叶绿体中，C6H12O6分解成CO2的过程发生在线粒体中C．光合作用过程中光能转变为化学能，细胞呼吸过程中化学能转变为热能和ATPD．夏季连续阴天，大棚中白天适当增加光照，夜晚适当降低温度，可提高作物产量解析：无氧条件下植物细胞无氧呼吸产生的酒精对水果细胞有毒害作用，零下低温易引起细胞内的水结冰，二者均不利于水果的保鲜；C6H12O6在细胞质基质中分解产生丙酮酸，丙酮酸进入线粒体中进一步分解产生CO2和H2O；光合作用过程包括光反应和暗反应两个阶段，可将光能转变为稳定的化学能，细胞呼吸过程是将有机物中稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学能和热能，故C项不确切；夏季连续阴天，限制光合作用的主要因素是光照，白天适当增加光照能够提高光合速率，夜间适当降低温度可降低呼吸速率，二者结合起来，可提高作物的产量。故选D。6．如图表示某同学做“绿叶中色素的提取和分离”实验的改进装置，下列与之有关的叙述中，错误的是(D)A．应向培养皿中倒入层析液B．应将滤液滴在a处，而不能滴在b处C．实验结果应是得到四个不同颜色的同心圆(近似圆形)D．实验得到的若干个同心圆中，最小的一个圆呈橙黄色解析：解答本题关键是从图中获取以下信息：①该层析为用圆形滤纸层析。②灯芯的作用是让层析液渗透到a处，与色素混合。③溶解度大的在滤纸的最外沿。本题主要考查“绿叶中色素的提取和分离”实验的迁移应用。分离色素时，应用层析液，但是色素不能直接溶于层析液中，而是在层析液扩散到滤液处后，色素才接触到层析液，溶于层析液中，随层析液的扩散而向四周扩散。结果应是出现四种颜色的同心圆，扩散得最慢的色素在最里面，因此接近圆心的应为黄绿色的叶绿素b。二、非选择题7．下图是表示某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。据图回答下列问题：(1)图中①、②、③、④代表的物质依次是O2、NADP＋、ADP＋Pi、C5，[H]代表的物质主要是NADH(或答：还原型辅酶Ⅰ)。(2)B代表一种反应过程，C代表细胞质基质，D代表线粒体，则ATP合成发生在A过程，还