2024-2025学年新教材高中生物第5章细胞的能量供应和利用第4节第2课时光合作用的原理和应用学案新人教版必修1

PAGE13-第2课时光合作用的原理和应用课标内容要求核心素养对接1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。2．试验：探究不同环境因素对光合作用的影响。1.科学思维——分析与综合：分析光合作用光反应和暗反应过程，认同两个阶段既有区分又有联系。2．科学探究——依据试验目的，设计试验探究光合作用的影响因素，会分析相关的试验装置。3．社会责任——能够依据光合作用原理指导生产实践。一、光合作用概念和反应式1．概念：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。2．反应式：CO2＋H2Oeq\o(→,\s\up9(光能),\s\do7(叶绿体))(CH2O)＋O2。二、光合作用探究历程1．19世纪末，科学界普遍观点：C与H2O结合成甲醛。2．1928年：甲醛不能通过光合作用转化成糖。3．1937年，英国希尔：离体叶绿体在适当条件下发生水的光解产生氧气。4．1941年，鲁宾和卡门：探讨了光合作用中氧气的来源(氧气来源于H2O)。5．1954年，美国阿尔农：在光照下，叶绿体可合成ATP；1957年：这一过程总是与水的光解相伴随。三、光合作用原理1．填写图中序号所代表的物质或结构①O2；②NADP＋；③ADP＋Pi；④C5。2．图示Ⅰ过程是光反应阶段(1)场所：类囊体薄膜上。(2)条件：光、色素和酶等。(3)叶绿体中光合色素汲取光能的作用①将水分解为氧和H＋，氧干脆以氧分子形式释放出去，H＋与NADP＋结合形成NADPH(还原型辅酶Ⅱ)。②在有关酶的作用下，供应能量促使ADP与Pi反应形成ATP，这样光能就转变为储存在ATP中的活跃的化学能。(4)NADPH的作用①作为活跃的还原剂，参加暗反应阶段反应。②储存部分能量供暗反应阶段利用。3．图示Ⅱ过程是暗反应阶段(1)场所：叶绿体基质中。(2)条件：酶、NADPH、ATP。(3)详细过程①CO2的固定，即绿叶通过气孔汲取的CO2，在特定酶的作用下，与C5(一种五碳化合物)结合，形成C3分子。②在有关酶的催化作用下，C3接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原。③一些接受能量并被还原的C3，在酶的作用下经过一系列变更反应转化为糖类；另一些接受能量并被还原的C3，经过一系列变更，又形成C5，接着参加CO2的固定。四、光合作用原理的应用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)表示方法单位时间内光合作用eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(制造有机物的量,固定CO2的量,产生O2的量))(3)影响因素①光合作用的原料——水、CO2。影响CO2供应的因素：环境中CO2浓度和叶片气孔开闭状况等。②动力——光能。影响能量供应的因素：光照强度、光的波长等。③场所——叶绿体。影响叶绿体的形成和结构的因素：无机养分和病虫害。④酶：影响酶活性的因素，如温度。2．探究环境因素对光合作用强度的影响(1)试验原理①利用LED台灯离试验装置的距离不同，产生不同的光照强度。②依据单位时间内圆形小叶片上浮的数量，推断不同光照强度下光合作用强度的大小。(2)试验步骤取材eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(器材：打孔器,目的：制备30片圆形小叶片))↓排气eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(器材：注射器,目的：使圆形小叶片中的气体逸出))↓沉水eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(条件：放在黑暗处,缘由：细胞间隙充溢了水))↓分组：取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水、分别放入10片圆形小叶片↓光照：分别对这3个试验装置进行强、中、弱三种光照↓视察并记录：同一时间段内各试验装置中圆形小叶片浮起的数量3．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。(2)实例：硝化细菌能利用NH3氧化释放的化学能将CO2和H2O合成糖类，供自身利用。推断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)1．光合作用的光反应和暗反应阶段在叶绿体的不同部位进行。 ()2．光合作用中光反应必需有光才可进行，暗反应没有光也可长时间进行。 ()3．光合作用制造的有机物中的氧来自水。 ()4．光合作用的光反应阶段完成了光能到活跃化学能的转换。 ()5．光合作用强度的影响因素有CO2浓度、温度和光照强度等外界因素。 ()6．光照强度对光合作用强度的影响试验中，可以通过调整台灯与试验装置的距离来调整光照强度。 ()7．温度对光合作用强度的影响主要是影响酶的活性。 ()8．探究试验中，圆形小叶片浮起是由叶片进行呼吸作用产生的二氧化碳导致的。 ()提示：1.√2．×暗反应须要光反应供应的[H]和ATP，没有光，暗反应不能长时间进行。3．×光合作用制造的有机物中的氧来自CO2。4．√5.√6.√7.√8．×圆形小叶片浮起的缘由是光合作用产生了氧气。光合作用的原理1．光反应与暗反应的比较(1)区分项目光反应(打算阶段)暗反应(完成阶段)场所叶绿体的类囊体薄膜上叶绿体的基质中条件光、色素、酶、水、ADP、Pi、NADP＋多种酶、NADPH、ATP、CO2、C5物质变更①水的光解：2H2Oeq\o(→,\s\up9(光能))H＋＋O2H＋＋2e－＋NADP＋eq\o(→,\s\up9(酶))NADPH②ATP的形成：ADP＋Pi＋能量eq\o(→,\s\up9(酶))ATP①CO2固定：CO2＋C5eq\o(→,\s\up9(酶))2C3②C3的还原：2C3eq\o(→,\s\up9(NADPH、ATP),\s\do7(酶))(CH2O)＋C5能量变更光能转变成ATP中活跃的化学能和NADPH中的能量ATP中活跃的化学能和NADPH中的能量转变成贮存在(CH2O)中的稳定的化学能实质光能转化为化学能，并释放O2同化CO2，合成有机物(2)联系①光反应为暗反应供应两种重要物质：NADPH和ATP，NADPH既可作还原剂，又可供应能量；暗反应为光反应供应三种物质：ADP、Pi以及NADP＋。②暗反应有光无光都能进行。若光反应停止，暗反应可持续进行一段时间，但时间不长，故晚上一般认为只进行呼吸作用，不进行光合作用。2．光合作用过程中的物质变更(1)光合作用过程中C、O元素转移途径①Heq\o\al(\s\up1(18),\s\do1(2))Oeq\a\vs4\al(\o(→,\s\up9(光反应)))18O2eq\a\vs4\al(NADPH\o(→,\s\up9(暗反应))（CH2O）＋H2O)②14CO2eq\a\vs4\al(\o(→,\s\up9(固定)))eq\a\vs4\al(14C3→（14CH2O）)eq\a\vs4\al(14C3→14C5)(2)光合作用总反应式与C、H、O元素的去向3．光照和CO2浓度变更对光合作用物质含量变更的影响当外界条件变更时，光合作用中C3、C5、[H]、ATP含量的变更可以采纳如图分析：(1)eq\a\vs4\al(光照强→弱,CO2供应不变)eq\o(→,\s\up9(光反应减弱))eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(NADPH削减,ATP削减,O2产生量削减))eq\o(→,\s\up9(暗反应))eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(C3还原减弱,CO2固定仍,正常进行))→eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(C3含量上升,C5含量下降))→(CH2O)合成量削减(2)eq\a\vs4\al(光照不变，减,少CO2供应)eq\o(→,\s\up9(暗反应))eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(CO2固定减弱,C3还原仍正常进行))→eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(C3含量下降,C5含量上升))→eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(NADPH相对增加,ATP相对增加,O2产生量不变))→eq\b\lc\(\a\vs4\al\co1(（CH2O）合成,量相对削减))①以上各物质的变更是相对含量的变更，不是合成速率，且是在条件变更后的短时间内发生的。②在以上各物质的含量变更中：C3和C5含量的变更是相反的，即C3增加，则C5削减；NADPH和ATP的含量变更是一样的，都增加或都削减。深化探究：1.若给植物供应Heq\o\al(\s\up1(18),\s\do1(2))O，一段时间后能否在植物体内的有机物中发觉18O？试说明缘由。提示：Heq\o\al(\s\up1(18),\s\do1(2))O参加有氧呼吸其次阶段，可形成C18O2，C18O2参加光合作用，可形成含有18O的有机物。2．光合作用中的还原剂和细胞呼吸中的还原剂是否相同？完成下表：光合作用过程中还原剂细胞呼吸过程中还原剂本质还原型辅酶Ⅱ(NADPH)还原型辅酶Ⅰ(NADH)来源________阶段无氧呼吸第________阶段、有氧呼吸第________、________阶段去向________有氧呼吸第________阶段提示：光反应一一二三碳化合物的还原三1．科学家用14C标记二氧化碳，A．二氧化碳→叶绿素→葡萄糖B．二氧化碳→ATP→葡萄糖C．二氧化碳→五碳化合物→葡萄糖、三碳化合物D．二氧化碳→三碳化合物→葡萄糖、五碳化合物D[二氧化碳用于光合作用的暗反应，首先二氧化碳和五碳化合物结合，一分子CO2被固定后，形成两分子的三碳化合物，然后三碳化合物在光反应供应的ATP和NADPH的作用下一部分还原成糖类等有机物，另一部分重新转变成五碳化合物。综上所述，D符合题意，A、B、C不符合题意。]2．如图为光合作用示意图。下列说法不正确的是()A.①表示O2，③表示还原型辅酶Ⅱ(NADPH)，④表示CO2B．暗反应中，CO2首先与C5结合生成C3，然后被还原为(CH2O)C．黑暗条件下，光反应停止，暗反应将持续不断地进行下去D．增加光照强度或降低二氧化碳浓度，C3的含量都将削减C[据图分析，类囊体薄膜上的光合色素汲取光能，将水光解，产生NADPH与氧气，①表示O2，③表示还原型辅酶Ⅱ(NADPH)；光合作用的暗反应阶段，场所是叶绿体基质，CO2被C5固定形成C3，④表示CO2，A正确。暗反应中，CO2首先与C5结合生成C3，然后被还原为(CH2O)，B正确。黑暗条件下，光反应停止，NADPH和ATP不再产生，暗反应将渐渐停止，C错误。增加光照强度，短时间内C3的生成速率不变，而光反应产生的ATP、NADPH增多，C3被NADPH、ATP还原为(CH2O)速率加快，因此C3的含量削减；降低二氧化碳浓度，CO2的固定减弱，生成的C3削减，短时间内C3的还原速率基本不变，所以C3的含量将削减，D正确。]探究环境因素对光合作用强度的影响1．试验原理叶片含有空气，叶片上浮。抽出气体后，细胞间隙充溢水，叶片下沉；光照后，叶片进行光合作用，释放O2，使细胞间隙又充溢气体，叶片上浮。2．试验中沉水叶片的制备(1)圆形小叶片的制备：用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出圆形小叶片。(2)沉水：用注射器抽出叶片内气体，放入黑暗处盛有清水的烧杯中，圆形小叶片全部沉到水底。3．试验装置分析(1)自变量的设置：光照强度是自变量，通过调整台灯与烧杯之间的距离来调整光照强度的大小。(2)中间盛水的玻璃柱的作用：汲取灯光的热量，避开光照对烧杯内水温产生影响。(3)因变量是光合作用强度，可通过观测单位时间内被抽去空气的小圆形叶片上浮的数量或浮起相同数量的叶片所用的时间长短来衡量光合作用的强弱。4．试验结果及结论(1)试验结果项目圆形小叶片加富含CO2的清水光照强度叶片浮起数量烧杯甲10片20mL强多烧杯乙10片20mL中中烧杯丙10片20mL弱少(2)试验结论在肯定范围内，随着光照强度不断增加，光合作用强度也不断增加(圆形小叶片中产生的O2多，浮起的多)。为完成“探究环境因素对光合作用强度的影响”试验，供应以下材料用具：菠菜叶、打孔器(直径1cm)、注射器、40W台灯、烧杯、4%NaHCO3溶液、蒸馏水、不同颜色的透亮薄膜等。(1)某同学选取其中一个因素进行探究，以下是试验结果：时间上浮的叶圆片数量(片)蒸馏水0.5%NaHCO31%NaHCO31.5%NaHCO32%NaHCO32min07111044min01516137①该试验的目的是____________________________________，试验检测指标是______________________________________。②有哪些措施可以削减试验误差？______________________________________________________________。(至少写出2项)③有同学认为叶片之所以浮起，是因为呼吸作用消耗了有机物且产生了CO2导致叶片上浮。依据试验结果推断该观点是否正确并说明理由：___________________________________________。(2)利用以上材料，还可以探究的环境因素有________________。(答出2个)[解析](1)①由表格看出试验的自变量是不同浓度的NaHCO3溶液，NaHCO3溶液的浓度不同，供应的CO2浓度不同，因此该试验探讨的是不同浓度的CO2对光合作用的影响。试验视察的指标是单位时间内上浮的叶圆片的数量。②削减试验误差就要平衡无关变量，重复试验求平均值。③叶片上浮的缘由是光合作用大于呼吸作用，叶片中氧气增多，叶圆片密度变小。说明叶圆片上浮的缘由不是呼吸作用消耗了有机物且产生了CO2，应从蒸馏水中叶圆片没有上浮来论述。(2)利用上述试验材料，还可探究光照强度或不同的光质对光合作用的影响。[答案](1)①探讨CO2浓度(或NaHCO3浓度)对叶片光合速率的影响相同时间内烧杯中叶圆片浮起的数量②用打孔器打出的叶圆片数量足够多；每组试验重复几次，记录的数据取平均值(合理即可)③该同学的观点是错误的，因为在蒸馏水的那组试验中，叶片一样进行了呼吸作用，却没有叶片浮起，叶片上浮的缘由是光合作用强度大于呼吸作用强度，叶片内氧气增多(2)光照强度、光的性质(合理即可)光合作用原理的应用1．光照强度(1)光照强度与光合作用强度的关系曲线分析A点：光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，释放的CO2量可表示此时细胞呼吸的强度。AB段：随光照强度增加，光合作用强度也渐渐增加，CO2释放量渐渐削减，这是因为细胞呼吸释放的CO2有一部分用于光合作用，此时细胞呼吸强度大于光合作用强度。B点：细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合作用强度等于细胞呼吸强度(光照强度只有在B点以上时，植物才能正常生长)，B点对应的光照强度为光补偿点。BC段：表明随着光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，到C点以后不再加强。C点对应的光照强度D为光的饱和点。限制C点以后光合作用强度不再增加的内部因素是色素含量、酶的数量和最大活性，外部因素是除光照强度之外的环境因素，如CO2浓度等。(2)应用：阴雨天适当补充光照，刚好对大棚除霜消雾。2．CO2浓度(1)原理：CO2浓度通过影响暗反应阶段，制约C3的生成进而影响光合作用强度。(2)曲线：关键点ACO2的补偿点：光合速率等于呼吸速率时的CO2浓度A′进行光合作用所需的最低CO2浓度B和B′CO2饱和点走势分析图1和图2肯定范围内，光合作用强度随CO2浓度的增大而增加，但当CO2达到肯定的浓度时，光合作用强度不再增加(3)应用：温室中适当增加CO2浓度，如投入干冰等，大田中“正其行，通其风”，多施有机肥来提高CO2浓度。3．温度(1)B点是最适温度，此时间合作用最强，高于或低于此温度光合作用强度都会下降，因为温度会影响酶的活性。(2)应用：温室栽培时白天适当提高温度，夜间适当降低温度。4．水及无机养分对光合作用的影响(1)原理①N、Mg、Fe等是叶绿素合成的必需元素，若这些元素缺乏，会影响叶绿素的合成从而影响光合作用。②水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的介质，水还会影响气孔的开闭，从而影响CO2进入植物体。(2)应用①合理施肥；②预防干旱，合理浇灌。实践应用：各种环境因素同时对植物的光合作用产生影响，试分析冬季早晨和夏季早晨限制光合作用的因素分别是什么。提示：冬季早晨温度较低，温度是限制光合作用的主要因素；夏季早晨温度较高，光照较弱，光照是限制光合作用的主要因素。1．已知某植物光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25℃和30℃。如图表示该植物在25℃时间合强度与光照强度的关系。若将温度提高到30℃的条件下(其他条件不变)，从理论上讲，图中相应点的移动应当是()A．a点上移，b点左移，m点上移B．a点不移，b点左移，m点不移C．a点下移，b点右移，m点下移D．a点下移，b点不移，m点上移C[温度由25℃上升到30℃，对于呼吸作用而言，达到最适温度，呼吸速率增大；对于光合作用而言，超过最适温度，光合速率下降。因此，a点因呼吸作用加强而往下移。b点为光补偿点，一方面呼吸作用加强，需较强的光照强度才能产生与呼吸作用消耗量相当的有机物，另一方面光合速率下降，产生有机物的速率也下降，也需较强的光照强度才能产生与原来等量的有机物，所以b点右移；因温度超过光合作用最适温度，酶活性下降，光合作用强度降低，m点下移，故选C。]2．某植物净光合速率的变更趋势如图所示。据图回答下列问题：(1)当CO2浓度为a时，高光强下该植物的净光合速率为________。CO2浓度在a～b之间时，曲线________表示了净光合速率随CO2浓度的增高而增高。(2)CO2浓度大于c时，曲线B和C所表示的净光合速率不再增加，限制其增加的环境因素是_____________________________。(3)当环境中CO2浓度小于a时，在图示的3种光强下，该植物呼吸作用产生的CO2量________(填“大于”“等于”或“小于”)光合作用汲取的CO2量。(4)据图可推想，在温室中，若要实行提高CO2浓度的措施来提高该种植物的产量，还应当同时考虑______这一因素的影响，并实行相应措施。[解析](1)依据曲线图可知，当CO2浓度为a时，高光强下(曲线A)该植物的净光合速率为0；分析坐标图中曲线的走势可以看出，当CO2浓度在a～b之间时，曲线A、B和C的净光合速率都随着CO2浓度的增高而增高。(2)由题图可知，影响净光合速率的因素为CO2浓度和光强。当CO2浓度大于c时，由于受光强的限制，光反应产生的[H]和ATP不足，暗反应受到限制，曲线B和C的净光合速率不再增加。(3)当环境中的CO2浓度小于a时，在图示的3种光强下，植物的净光合速率小于0，说明该植物此时呼吸作用产生的CO2量大于光合作用汲取的CO2量。(4)据图可推想，光强和CO2浓度都会影响植物的净光合速率，因此若要实行提高CO2浓度的措施来提高该种植物的产量，还应同时考虑光强这一因素的影响。[答案](1)0A、B和C(2)光强(3)大于(4)光强[课堂小结]知识网络构建核心语句归纳1.光合作用的反应式：CO2＋H2Oeq\o(→,\s\up9(光能),\s\do7(叶绿体))(CH2O)＋O2。2.光反应的场所是类囊体薄膜，产物是O2、NADPH和ATP。3.暗反应的场所是叶绿体基质，产物是糖类等物质。4.光合作用中的物质转变：(1)14CO2→14C3→(14CH2O)；(2)Heq\o\al(\s\up1(18),\s\do1(2))O→18O2。5.光合作用的能量转变：光能→ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能。6.光照强度：干脆影响光反应速率，光反应产物中[H]与ATP的数量会影响暗反应速率，这是最主要的因素。7.温度：影响光合作用过程，特殊是暗反应中酶的催化效率，从而影响光合作用强度。8.CO2浓度：CO2是暗反应的原料，CO2的浓度干脆影响暗反应速率。1．下图表示植物光合作用的一个阶段，下列相关叙述错误的是()A．该阶段的化学反应在叶绿体基质中完成B．C3生成(CH2O)须要NADPH、ATP和多种酶C．提高温度肯定能促进(CH2O)的生成D．该过程为暗反应阶段，包括CO2的固定和C3的还原C[图示暗反应阶段的化学反应在叶绿体基质中进行，A正确；C3还原生成(CH2O)的过程须要NADPH、ATP和多种酶，B正确；酶的活性受温度的影响，提高温度不肯定能提高酶的活性，若此时的光合作用在最适温度下进行，提高温度反而会削减有机物的生成，C错误；图示暗反应阶段包括CO2的固定和C3的还原，D正确。]2．如图为光合作用过程示意图，在相宜条件下栽培小麦，假如突然将c降低至极低水平(其他条件不变)，则a、b在叶绿体中含量的变更将会是()A．a上升、b下降 B．a、b都上升C．a、b都下降 D．a下降、b上升B[由题图分析，c是CO2，a和b分别是NADPH、ATP，若在其他条件不变的状况下，将c降低至极低水平，CO2的固定减弱，C3还原减慢，消耗NADPH和ATP削减，则a、b在叶绿体中含量都将会上升。]3．(2024·全国卷Ⅰ)将一株质量为20g的黄瓜幼苗栽种在