高一上学期生物人教版（2019）必修一5.4 光合作用与能量转化 课件（50张）

(共50张PPT)
第4节 光合作用与能量转化
第5章 细胞的能量供应和利用
？
问题探讨
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。
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。
一、捕获光能的色素和结构
思考：“白化苗”能持续正常地生长吗？
光合作用与细胞中的色素有关。
思考：细胞哪些结构含有色素？
液泡：花青素
叶绿体：多种光合色素
不能进行光合作用，不能持续正常地生长。
只有叶绿体中的
色素可以捕获光能。
实验原理：
1、绿叶中色素的提取：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。
2、绿叶中色素的分离：绿叶中的色素都能溶解在层析液中，不同的色素溶解度不同，溶解度越高的色素随层析液在滤纸上扩散速度越快。
绿叶中色素的提取和分离
探究·实践
方法步骤：
称取5g左右的鲜叶，剪碎，放入研钵中。加少许的二氧化硅（使研磨充分）和碳酸钙(防止
色素被破坏)与10ml无水乙醇。在研钵中迅速、充分地研磨。将研磨液进行过滤（单层尼龙布），及时用棉塞将试管口塞严。
1、提取绿叶中的色素
2、制备滤纸条
将干燥的定性滤纸剪成宽度略小于试管直径、长度略小于试管长度的滤纸条，再将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端底部1cm处用铅笔画一条细的横线。
思考：①为什么要剪去两角？
②能否用圆珠笔画细线？
使层析液同步到达滤液细线
不能；圆珠笔油墨会影响实验结果
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。待滤液干后，再重画一到两次。
思考：为什么要待滤液干后才能重画？
为了要获得整齐而又不重叠的四条色素带
4、分离绿叶中的色素
思考：滤液细线是否能触及层析液？
不能；滤纸上的滤液细线如果触到层析液，滤液细线中的色素就会被层析液溶解，而不能在滤纸上扩散，实验就会失败。
插滤纸条
层析液
培养皿
纸层析法
5、观察与记录
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
排序从上到下：
叶绿素a色素带最宽，胡萝卜素色素带最窄说明绿叶中四种色素的含量不同，叶绿素a最多，胡萝卜素最少。
含量：叶绿素ａ＞叶绿素ｂ＞叶黄素＞胡萝卜素
类胡萝卜素
叶绿素
胡萝卜素色素带扩散距离最远，说明溶解度最高。
实验表明：叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，而类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
叶绿素的吸收光谱
叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射回来，叶片呈现绿色。
（二）叶绿体的结构适于进行光合作用
吸收光能的四种色素就分布在类囊体薄膜上。
与有氧呼吸有关的酶分布在类囊体薄膜上和叶绿体基质中。
想一想：
叶绿体内有如此多的基粒和类囊体，有什么作用？
极大地扩展了受光的面积。
吸收、传递、转化光能。
色素的功能？
内膜
外膜
基粒
类囊体腔
基质
现象：装片中需氧细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中。
现象：装片中需氧细菌分布在叶绿体所有受光的部位。
结论：氧气是由叶绿体释放出来的，叶绿体是光合作用的场所。
1880年，恩格尔曼的实验（一）
现象：用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
结论：叶绿体中的色素主要通过吸收红光和蓝紫光来进行光合作用。
蓝紫光
红光
1880年，恩格尔曼的实验（二）
思考·讨论
2、恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
4、综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？
实验材料选择水绵和需氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察，用需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，等等。
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
练习与应用（P101）
一、概念检测
(1)叶绿体中只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。（ ）
(2)叶绿体的类囊体上有巨大的膜面积，有利于充分吸收光能。（ ）
(3)植物叶片之所以呈现绿色，是因为叶片中的叶绿体吸收了绿光。（ ）
×
√
×
2.下列关于高等植物细胞内色素的叙述，错误的是（ ）
A.所有植物细胞中都含有4种色素
B.有些植物细胞的液泡中也含有色素
C.叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收光能
D.植物细胞内的光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素两大类
A
1、有关。不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身的颜色是反射出来的光所形成的，即红藻反射出红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色的光。水对红、橙光的吸收比对蓝、绿光的吸收要多，即到达深水层的光线是短波长的光，因此，吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方。
2、与传统生产方式相比，植物工厂生产蔬菜可以精确控制植物的生长周期、生长环境、上市时间等，但同时面临技术难度大、操控要求高、需要掌握各种不同蔬菜的生理特性等问题。
二、海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象与光能的捕获有关吗
5.4.2 光合作用的原理和应用
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。
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
（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。
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
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。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叫希尔反应
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+ + 2H2O 4Fe2+ + 4H+ + O2
光能
叶绿体
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。
结论：光合作用释放的氧来自水。
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。
H2O O2 + 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+Pi ATP
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的去向，称为卡尔文循环。
结论：光合产物中有机物的碳来自CO2
CO2
C3
(CH2O)
C5
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
O2
NADPH
ADP+Pi
酶
ATP
光、色素、酶、水
叶绿体的类囊体薄膜上
水的光解：
ATP的合成：
ADP＋Pi ＋ 能量 ATP
酶
场所：
条件：
能量变化
光能 ATP中活跃的化学能
H++NADP+ NADPH
酶
H2O NADPH【H】+ O2
光能
酶
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。
CO2
C5
固 定
2C3
NADPH
供氢、供能
酶
(CH2O)
淀粉、蔗糖
多种酶
参加催化
还原
酶
ATP
供能
ADP+Pi
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
叶绿体的基质中
ATP
NADPH
2C3 （CH2O) + 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
4、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+Pi
NADP+
C18O2
2C3
C5
（CH218O）
多种酶
参加催化
固
定
还
原
ATP
NADPH
光能
叶绿体
中的色素
18O2
水的光解
H218O
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;酶
2H2O ─→ 4H++O2↑
光解
ADP+Pi+能量─→ATP
酶
CO2+ C5 ─→ 2C3
酶
2C3 ─ ─→ (CH2O)+C5
ATP、[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+
四、课堂小结
叶绿体中
的色素
H2O
O2
水的光解
NADPH
供氢
光能
ATP
ADP + Pi
供能
CO2
2C3
（ CH2O ）
C5
多种酶
参加催化
还 原
光反应阶段
碳反应阶段
（类囊体的薄膜）
（叶绿体的基质）
叶绿体
固定
（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。
光合作用
产生O2
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。
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（避开大的叶脉）
2.将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出
3.将处理过圆形小叶片放入清水中，黑暗保存
4.取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液）
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
强光 中光 弱光
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
1 10片 20 mL 强 多
2 10片 20 mL 中 中
3 10片 20 mL 弱 少
6.观察并记录结果
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。
影响光合作用的因素
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。
光补偿点
光饱和点
AB段：光合<呼吸
BC段：光合>呼吸
D
D点：光饱和点，增加光照强度光合作用强度不再增加。
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
植物从外界吸收的CO2 量（净光合速率）
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
E
OE：
OA：
植物呼吸作用释放的CO2 量（呼吸速率）
总光合速率=
植物从外界吸收的CO2量
+植物呼吸作用释放的CO2量
= OE+OA=AE
（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（微生物分解产生CO2 ）
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
A
B
C
D
0
吸收CO2
释放CO2
CO2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
CO2
H2O
O2
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
（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+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
6CO2+12H2O C6H12O6+ 6O2+6H2O
能量
酶
新陈代谢
同化作用
异化作用
需氧型
厌氧型
酵母菌的异化作用属于
自养型
异养型
光能自养型
化能自养型
酵母菌的同化作用属于
酵母菌的新陈代谢类型：
异养兼性厌氧型
异养型
兼性厌氧型
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，未被还原的C3上升
　　C. 绿光，NADPH下降
　　D. 绿光，C5上升
C
2. 图示适宜条件下，甲、乙两种植物叶片的CO2净吸收速率与CO2浓度的关系，下列说法正确的是（　　　）
A. CO2浓度大于a时，甲才能进行光合作用
B. 适当增加光照强度，a点将左移
C. CO2浓度为b时，甲、乙总光合作用强度相等
D. 甲植物体内[H]的含量在CO2浓度为b时比在a时高
B
3、下图是夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图并回答：
（1）7～10时的光合作用强度不断增强原因：
（2）12时左右的光合作用强度明显减弱原因：
（3）14～17时的光合作用强度不断减弱原因：
（4）从图中看出，限制光合作用的因素有：
光照不断减弱，光合作用强度不断减弱。
光照不断增强，光合作用强度不断增强。
温度很高，蒸腾作用很强，气孔关闭，
二氧化碳供应减少，光合作用强度明显减弱。
A
B
D
C
E
时间
光
合
作
用
速
率
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
光照强度、温度。
⑶若该植物叶面积为10dm2，在光照强度为25Klx条件下光照1小时，则该植物进行光合作用时叶绿体吸收CO2 ____mg。　　
4、下图是在一定的CO2浓度和温度下，某阳生植物CO2的吸收量和光照强度的关系曲线，据图回答：
5
10
15
20
25
30
35
5
10
20
15
光照强度（Klx）
25
CO2吸收量 mg/dm2·h
b
c
d
-5
⑴该植物的呼吸速率为每小时释放CO2___mg/dm2
⑵b点表示 。
5
光合作用与呼吸作用速率相等
250
⑷若白天光照强度较长时期为b该植物能否正常生长？为什么？　
不能正常生长。白天光照强度为b时，无有机物积累，而夜间消耗有机物，从全天来看，有机物的消耗多于积累，不能正常生长。
4、下图是在一定的CO2浓度和温度下，某阳生植物CO2的吸收量和光照强度的关系曲线，据图回答：
5
10
15
20
25
30
35
5
10
20
15
光照强度（Klx）
25
CO2吸收量 mg/dm2·h
b
c
d
-5
⑷若白天给予强度为25Klx的光照，则一昼夜光照时间应不低于 小时，植物才能正常生长。
4.8
光合作用积累的有机物>呼吸作用消耗的有机物。植物才能正常生长。
25X-5×24>0