（新人教）生物必修一课件：5.4.2光合作用的原理和应用 第1课时(共41张PPT)

(共41张PPT)
二 光合作用的原理与应用
第1课时 光合作用的原理
一、光合作用概念和反应式
1.概念:绿色植物通过_______,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_____的过程。
2.反应式:__________________________。
必备知识·自主学习
叶绿体
氧气
CO2+H2O (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_____。
2.1928年:甲醛不能通过光合作用转化成___。
3.1937年,英国希尔:离体叶绿体在适当条件下可产生_____。
4.1941年,鲁宾和卡门:研究了光合作用中_____的来源。
5.1954年,美国阿尔农:光照下,叶绿体可合成____;1957年:这一过程总是与水的
光解相伴随。
甲醛
氧气
氧气
ATP
糖
三、光合作用的过程
1.写出图中序号代表的物质或过程:
①______②____③___④______⑤_______⑥_______
NADPH
ATP
CO2
(CH2O)
光反应
暗反应
2.光合作用中物质和能量的变化:
填一填:根据对光反应和暗反应的理解,填空:
(1)光反应:
①物质变化:
②能量变化:将_____转变为活跃的_______。
光能
化学能
(2)暗反应:
①物质变化:
②能量变化:____中活跃的化学能转变为有机物中_____________。
ATP
稳定的化学能
　 【问·答】 ——教材二次开发:
教材【思考·讨论】 在无光条件下,暗反应能否持续进行
提示:在无光条件下,光反应不能进行,光反应的产物ATP和NADPH减少,不能满足暗反应的需求,暗反应将停止进行。
关键能力·合作学习
　知识点一 光合作用的探究历程
年份、 科学家 实验过程或依据 实验结论
19世纪末　　　　　 在光合作用中,CO2分子的C和O被分开,O2被释放,C与H2O结合成甲醛,然后甲醛分子缩合成糖
1928年 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
1937年希尔 在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂,在光照下可以释放氧气 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
1941年鲁宾和卡门 C18O2+H2O →植物→O2 +CO2→植物→18O2 光合作用产生的O2全部来自水
1954年、1957年阿尔农　　 光照下,叶绿体可合成ATP,并总是与水的光解相伴随
特别提醒:
①鲁宾和卡门设计实验的对照方法:相互对照。
②鲁宾和卡门实验的自变量为被标记的C18O2和 ,因变量是产生O2的情况 。
【思考探究】
1.拓展探究:希尔实验说明水光解可以产生氧气,是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧全部来自水 为什么 (科学思维)
提示:不能。叶绿体内还有其他含有氧元素的物质,不能确定氧元素全部来自水。
2.拓展探究:结合光合作用过程的分析,你认为早晨锻炼好还是傍晚好 (科学思维)
提示:傍晚锻炼好。因为植物在白天进行光合作用,吸收CO2产生O2;晚上只进行细胞呼吸,吸收O2释放CO2,所以傍晚时空气中O2含量比早晨多。
　【典例示范】
下面表示较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量相等的条件下,小球藻进行光合作用的实验示意图。一段时间后,以下相关实验比较不正确的是 (　　)
A.Y2的质量大于Y3的质量
B.④中小球藻的质量大于①中小
球藻的质量
C.②中水的质量大于④中水的质量
D.试管①的质量大于试管②的质量
　【解题思维】解答本题需突破以下两个关键点:
【解析】选C。Y1和Y3是O2,Y2和Y4是18O2,因此Y2的质量大于Y3的质量;④中小球藻
中含有( )的有机物,而①中小球藻含有(CH2O)的有机物,故④中小球藻的质
量大于①中小球藻的质量;④和②中的水都为 ,且含量相同,因此质量相等;
在试管①和②中原有质量相等的情况下,②中释放的是18O2,而①中释放的是O2,
故剩余质量①大于②。
【审答误区】本题常见错因有两种:
(1)不能找出自变量形成对照,①②形成对照,③④形成对照,同时①③可以形成对照,得出相应的结论。
(2)明确O的来源和去路,H2O中O的去路是形成O2,CO2中O的去路是形成有机物。
【母题追问】
(1)如果把试管中的小球藻换成叶绿体悬浮液,结果是否相同
提示: 相同,光合作用的场所是叶绿体。
(2)如果上述过程不提供CO2,只给予光照,O2是否会一直释放
提示:不会,没有CO2,不能进行暗反应,光反应产物积累使光反应被抑制。
　 【类题精练】 　　　
如图所示,甲是绿色植物在有光照条件下进行光合作用,释放出O2的实验装置图;乙、丙、丁是另外三个实验装置图,则验证绿色植物是否在有光照条件下释放出O2的实验装置图和验证在有光照条件下是否由绿色植物释放出O2的实验装置图依次是(　　)
A.乙、丁　　B.乙、丙　　
C.丙、乙　　D.丙、丁
【解析】选B。根据题意和图示分析可以知道:(1)甲、乙构成一组对照实验,自变量是光照,得出的结论是:光照是绿色植物产生氧气的条件;(2)甲、丙构成一组对照实验,自变量是绿色植物,得出的结论是:氧气是绿色植物进行光合作用产生的。(3)丁没有植物,也没有光照,不能直接与甲进行对照。所以B选项是正确的。
【补偿训练】
　　美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用18O分别标记H2O和CO2中的氧,进行光合作用实验。该实验证明了 (　　)
A.光合作用制造了有机物
B.光合作用需要利用根系吸收的水分
C.光合作用生成的氧来自水
D.光合作用吸收的二氧化碳来自大气
【解析】选C。美国科学家鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2中的氧,进行光合作用实验。实验过程中,发现如果用18O标记H2O,光合作用释放的氧气中含有18O;用18O标记CO2,光合作用释放的氧气中没有18O。科学家通过相互对照实验,证明了光合作用生成的O2中的氧来自H2O。
　知识点二 光合作用的过程
1.光反应与暗反应的比较:
(1)区别:
项　目 光反应 暗反应(碳反应)
实　质 光能转化为化学能,并释放O2 同化CO2,合成有机物
需要条件 外界条件:光照; 内部条件:色素、酶 有光无光均可;
内部条件:酶
反应场所 叶绿体类囊体的薄膜上 叶绿体基质内
物质变化 ①水的光解:水分解成NADPH和O2 ②ATP的合成:在相关酶的作用下,ADP和Pi形成ATP ①CO2的固定:CO2+C5 2C3
②C3的还原:2C3 (CH2O)+C5
能量变化 光能→活跃的化学能 活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
相应产物 O2、ATP和NADPH 糖类等有机物
(2)联系:
①光反应为暗反应提供两种重要物质:NADPH和ATP,NADPH既可作还原剂,又可提供能量;暗反应为光反应提供三种物质: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。
特别提醒:
①光合作用光反应产生的ATP只被暗反应利用,呼吸作用产生的ATP可被各项生命活动所利用。
②叶绿体离开细胞,保持适宜条件仍可进行光合作用;离体的叶绿体基质添加ATP、NADPH和CO2后,也可完成暗反应。
③色素吸收、传递、转化光能过程中不需要酶的催化,而ATP的合成、CO2的固定、C3的还原离不开酶的催化。
2.光合作用过程中元素的转移途径:
(3)光合作用总反应式与C、H、O元素的去向:
3.光照和CO2浓度变化对细胞中C3、C5含量的影响:
(1)理论依据:细胞中C3的含量取决于C3的生成速率和C3的消耗速率。C3的生成通过CO2的固定实现,C3的消耗通过C3的还原实现,如图所示:由C5+CO2→2C3可知,细胞中C3、C5的含量变化相反。
(2)实例分析:
外界条件变化 分　析 结　果
光照:强→弱 光反应减弱,NADPH和ATP减少,C3还原减弱,C3消耗减少, C5产生减少 C3含量增多,
C5含量减少
CO2浓度: 高→低 CO2固定减弱,C3产生减少,C5消耗减少 C3含量减少,
C5含量增多
特别提醒:
①各物质的变化是相对含量的变化,不是合成速率,而且是在条件改变后短时间内的变化。
②细胞中C3、C5、NADPH和ATP的含量取决于它们的生成速率和消耗速率。
【思考探究】
1.教材二次开发:教材【思考·讨论】拓展: 如果给予植物相同时间的光照,只是一组持续光照,另一组光照和黑暗间隔处理,积累的有机物是否相同 (科学思维)
提示:不同。如果总光照时间相同,光照和黑暗间隔处理比一直光照处理积累的有机物多,因为间隔光照时NADPH、ATP基本不积累,利用充分,但一直光照会造成NADPH、ATP的积累,利用不充分。
2.拓展探究:若给植物提供 ,一段时间后能否在植物体内的有机物中发现18O
试说明原因。(生命观念)
提示:能。 参与有氧呼吸第二阶段,可形成C18O2,C18O2参与光合作用,可形成含
有18O的有机物。
【知识拓展】
　　卡尔文循环
C3途径是所有植物进行光合碳同化所共有的基本途径,包括3个主要的阶段:CO2的固定(羧化阶段)、还原阶段、RuBP再生阶段。
【典例示范】
如图是绿色植物光合作用过程示意图。下列与此图相关的说法错误的是 (　　)
A.如果A代表某结构,则A为类囊体
B.形成C、D的过程需要能量,而产生B的过程不需要能量
C.突然降低环境中的CO2浓度,B的产生速率下降
D.C3中不仅有来自CO2中的碳,也有来自CO2中的氧
【解题思维】解答本题需突破以下两个关键点:
【解析】选B。结构A是叶绿体的类囊体,A上发生的反应是光合作用的光反应,A正确;叶绿体的类囊体上的色素吸收的光能一部分用于水的光解形成氧气和H+,H+与NADP+结合形成NADPH,一部分用于形成ATP,B错误;突然降低环境中的CO2浓度,则暗反应减弱,光反应也随之减弱,所以氧气产生速率下降,C正确;二氧化碳中的碳和氧均参与了三碳化合物的合成,D正确。
【审答误区】常见以下两种错误:
(1)色素吸收光能的去路: 一部分用于水的光解,一部分用于合成ATP。
(2)CO2中C、O的去路: ,O进入(CH2O)。
　【方法规律】光合作用中条件改变引起的物质变化规律
(1)判断规律:改变某一条件,有利于光合作用则有机物含量增加,不利于光合作用则有机物含量下降。
(2)变化趋势:
①C3和C5含量的变化是相反的,即C3增加,C5减少。
②NADPH和ATP的含量变化是一致的,都增加或都减少。
　　【类题精练】
在其他条件适宜的情况下,在供试植物正常进行光合作用时突然停止光照,并在黑暗中立即开始连续取样分析,在短时间内叶绿体中C3和C5含量的变化是 (　　)
A.C3和C5都迅速减少
B.C3和C5都迅速增加
C.C3迅速增加,C5迅速减少
D.C3迅速减少,C5迅速增加
【解析】选C。由题意知,在其他条件适宜的情况下,在供试植物正常进行光合作用时突然停止光照后,光反应停止,NADPH和ATP下降,C3的还原减弱直至停止,而CO2的固定则继续进行,但由于缺少NADPH和ATP,C3不能被还原而积累,使C3迅速增加;C5是植物体细胞内具有一定数量且能循环利用的物质,当C3不能被还原再形成C5时,C5将迅速减少。所以,在供试植物正常进行光合作用时突然停止光照,并在黑暗中立即开始连续取样分析,此时叶绿体中C3迅速增加,C5迅速减少。
　【补偿训练】
　　在叶绿体中,ATP和ADP的运动方向是 (　　)
A.ADP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ATP则向相反方向运动
B.ATP与ADP同时由类囊体薄膜向叶绿体基质运动
C.ATP与ADP同时由叶绿体的基质向类囊体薄膜运动
D.ATP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ADP的运动方向则正好相反
【解析】选D。叶绿体是进行光合作用的场所,光反应在叶绿体类囊体薄膜上进行,此过程中消耗来自叶绿体基质的ADP,产生ATP,供暗反应阶段C3的还原,所以叶绿体中ATP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ADP则由叶绿体的基质向类囊体薄膜运动。
光合作用探索历程
物质变化
能量变化
反应场所
19世纪末
CO2→C+O2
C+H20→甲醛→糖
1928年
甲醛对植物有毒害作用
1937年
希尔反应
1941年
O2来自水
1954年：叶绿体合成ATP与水光解同步
光合作用过程
光反应
暗反应
光能
活跃的化学能
稳定的化学能
CO2+C5→C3
C3→(CH2O)+C5
叶绿体类囊体薄膜
叶绿体基质
CO2+H2O (CH2O)+O2
光能
叶绿体
水→O2+NADPH
ADP+Pi→ATP
光合作用反应式
归纳
概括
依据
1.【实验情境】景天科植物有一种很特殊的CO2同化方式:夜间气孔开放,吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中的苹果酸经脱羧作用释放出CO2用于光合作用。
探究:
(1)景天科植物夜间能吸收CO2,却不能合成葡萄糖,原因是什么 (科学思维)
提示:由于夜晚没有光照,不能进行光反应,无法为暗反应提供ATP、NADPH,因此景天科植物夜晚能吸收CO2,却不能合成葡萄糖。
核心素养·情境探究
(2)气孔开闭的特点与其生活的环境相适应,推测景天科植物生活的原始生活环境是什么 (科学思维)
提示:景天科植物夜晚气孔开放,而白天气孔关闭,说明其可能生活在炎热干旱的环境中。
2.【生产情境】在甘蔗、玉米等植物的叶肉细胞中,叶绿体固定CO2的最初产物是含4个碳的草酰乙酸,然后转化为苹果酸进入维管束鞘细胞的叶绿体中释放CO2(简称C4途径),再进行卡尔文循环(C3途径)。C4途径起到CO2泵的作用,提高了C4植物利用CO2的能力。
如图所示:
探究:
(1)甘蔗、玉米等植物中CO2固定形成的产物是什么 (科学思维)
提示:CO2首先进入叶肉细胞的叶绿体中,经固定形成初步产物:含4个碳的草酰乙酸,CO2通过C4途径后进入C3途径,固定形成三碳化合物。
(2)在炎热的夏季,C4植物有哪些优势 (科学思维)
提示:利用CO2的能力强,光合作用速率高等。