高中生物人教版（2019）必修一5.4.2光合作用的原理和应用（学案）

第五章 细胞的能量供应和利用
第四节 光合作用与能量转化
二 光合作用的原理和应用
【学习目标】
1.说明光合作用过程中物质和能量的变化。
2.掌握影响光合作用速率的环境因素以及光合作用原理的应用。
【基础梳理】
一、光合作用的原理
1.光合作用的概念和反应式
（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： 。
2.探索光合作用原理的部分实验
（1）19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛 通过光合作用转化成糖。
（2）1937年，英国植物学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有水，没有二氧化碳），在光照下可以释放出氧气。像这样，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 。
（3）1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成和C18O2。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。
（4）1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
（5）20世纪40年代，美国的卡尔文利用 法最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。
3.光合作用的过程
光反应 暗反应（碳反应）
实质 光能转化为化学能，并释放 同化CO2，合成
需要条件 外界条件：光照内部条件：色素、酶 外界条件：无需光照内部条件：酶
反应场所 叶绿体类囊体的薄膜上 叶绿体的基质中
物质变化 ①水的光解：水分解成NADPH和O2②ATP的合成：在相关酶的作用下，ADP和Pi形成ATP ①CO2的固定： ②C3的还原：
①光反应为暗反应提供两种重要物质：NADPH和ATP， 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： 。
②暗反应有光无光都能进行。若光反应停止， 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。
二、光合作用原理的应用
1.光合作用的强度
（1）概念：植物在 内通过光合作用制造 的数量。
（2）影响光合作用的因素：影响光合作用的环境因素主要有 、 、 。
2.探究环境因素对光合作用强度的影响
（1）实验原理：抽去小圆形叶片中的气体后，叶片在水中 ，光照下叶片进行光合作用产生氧气，充满细胞间隙，叶片又会 。光合作用越强，单位时间内小圆形叶片上浮的数量越多。
（2）实验流程
打出小圆形叶片（30片）：用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出（直径＝0.6cm）
（避开大的叶脉）
↓
抽出叶片内气体：用注射器（内有清水、小圆形叶片）抽出叶片内气体（O2等）
（一般要重复2～3次）
↓
小圆形叶片沉到水底：将抽出内部气体的小圆形叶片放入黑暗处盛有清水的烧杯中，小圆形叶片全部沉到水底
↓
强、中、弱三种光照处理：取3只小烧杯，分别倒入20mL富含CO2的清水，各放入10片小圆形叶片，用强、中、弱三种光照分别照射
（可利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度）
↓
观察并记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量
（3）实验现象与结果分析
光照越强，烧杯内小圆形叶片浮起的数量越多，说明在一定范围内，随着光照强度的不断增强，光合作用强度不断 。
3.化能合成作用和光合作用的比较
项目 光合作用 化能合成作用
区别 能量来源 氧化无机物放出的能量
代表生物 绿色植物
相同点 都能将CO2和H2O等无机物合成有机物
【课堂练习】
1.下列关于光合作用探究历程的叙述错误的是（ ）
A.普利斯特利指出光在植物更新空气过程中起关键作用
B.恩格尔曼的实验证明了植物光合作用的场所是叶绿体
C.鲁宾和卡门用同位素标记法证明光合作用释放的氧气来自水
D.萨克斯将叶片在暗处放置几个小时是为了消耗掉叶片中的营养物质
2.下图为“探究影响植物光合速率的因素”的实验装置图。下列关于该图的说法，正确的是（ ）
A.在试管与灯之间放置盛水玻璃柱是为了使光均匀照射水藻
B.向灯的方向移动试管，试管内的水温不会有显著变化
C.该实验装置测出的植物光合速率为总光合速率
D.改变盛水玻璃柱与灯之间的距离，可以探究光照强度对光合作用的影响
3.下列关于提高农作物产量的措施,不合理的是（ ）
A.蔬菜大棚采用蓝紫色的薄膜,有利于提高农作物光合效率
B.施用农家肥有利于土壤微生物的代谢,可为农作物提供更多的CO2
C.维持蔬菜大棚中适当的昼夜温差,可减少有机物消耗,提高产量
D.合理密植有利于提高农作物对光、水、肥等资源的利用率
4.自然界中少数种类的细菌能利用体外环境中某些无机物氧化时释放的能量来制造有机物，这种制造有机物的方式叫作化能合成作用。下列有关说法正确的是（ ）
A.和植物一样，这些细菌能利用光能合成有机物
B.能进行化能合成作用的生物属于自养生物
C.硝化细菌能利用还原亚硝酸和硝酸时释放的能量合成糖类
D.化能合成作用过程中只有能量释放，没有能量储存
5.绿色植物的光合作用是在叶绿体内进行的一系列能量和物质转化过程。下列叙述错误的是（ ）
A.弱光条件下植物没有O2的释放，说明未进行光合作用
B.在暗反应阶段，CO2不能直接被还原
C.在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗，叶片的光合速率会暂时下降
D.合理密植和增施有机肥能提高农作物的光合作用强度
6.美国科学家卡尔文利用同位素标记法对小球藻的光合作用进行研究，最终探明了光合作用中碳的转移途径，因此获得了1961年的诺贝尔化学奖。图甲为简化的卡尔文循环示意图，请回答问题：
（1）卡尔文循环在细胞中进行的场所是_____，过程①为_____，参与到过程②中的X物质来自光反应中的_____（过程）。
（2）在培养小球藻的试管内加入14C标记的14CO2，先进行一定强度的光照后，再黑暗处理，分别检测小球藻体内的三碳化合物和五碳化合物的放射性强度，得出的曲线如图乙所示。图中曲线Ⅰ表示的是_____的变化趋势。
【答案以及解析】
1.答案：A
解析：普利斯特利实验结果表明“植物可以更新空气”，但不能说明光在植物更新空气过程中起关键作用；恩格尔曼实验证明了O2是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所；鲁宾和卡门采用同位素标记法，用18O分别标记CO2和H2O，分别提供给植物进行光合作用，证明光合作用释放的氧气来自水；萨克斯将叶片在暗处放置几个小时，是为了消耗掉叶片中的营养物质，防止叶片中原有的淀粉对实验结果产生干扰。
2.答案：B
解析：试管中的水温为无关变量，在试管与灯之间放置盛水玻璃柱是为了让其吸收灯光热量，避免光照影响试管内的水温，所以向灯的方向移动试管，试管内的水温不会有显著变化，A错误，B正确；题图所示实验装置测出的植物光合速率为净光合速率，C错误；改变试管与灯之间的距离，可以探究光照强度对光合作用的影响，D错误。
3.答案：A
解析：绿色植物对其他颜色的光也有吸收，蔬菜大棚采用蓝紫色的薄膜，不利于提高农作物光合效率，A不合理；农家肥含有较多的有机物，施用农家肥有利于土壤微生物的代谢，通过微生物的呼吸作用可为农作物提供更多的CO2，B合理；适当的昼夜温差可以使晚上有机物消耗减少，C合理；合理密植有利于提高农作物对光、水、肥等资源的利用率，D合理。
4.答案：B
解析：进行化能合成作用的细菌能利用无机物氧化时所释放的化学能合成有机物，故属于自养生物，A错误、B正确；硝化细菌将CO2和H2O合成为糖类所需的能量来自将氨氧化成亚硝酸以及将亚硝酸氧化成硝酸时释放出的化学能，C错误；化能合成作用将无机物氧化时释放的能量转化为有机物中的化学能并储存起来，D错误。
5.答案：A
解析：本题考查光合作用的有关知识。
选项 正误 原因
A × 弱光条件下植物没有O2的释放，有可能是光合作用产生的O2量小于或等于呼吸作用消耗的O2量
B √ 光合作用暗反应过程中，CO2先被固定成C3，再被［H］还原成有机物
C √ 在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗，光合作用产物输出受阻，叶片的光合速率会暂时下降
D √ 合理密植可以充分利用光照，增施有机肥可以为植物提供矿质元素和二氧化碳，这些措施均能提高农作物的光合作用强度
6.答案：（1）叶绿体基质；CO2的固定；水的光解
（2）三碳化合物（C3）
解析：（1）卡尔文循环过程是光合作用的暗反应过程，进行的场所是叶绿体基质，过程包括CO2固定和C3的还原，①是CO2固定，参与到过程②中的X物质是ATP和[H]，来自于光反应中水的光解。
（2）图中曲线Ⅰ表示的是三碳化合物（C3）的变化趋势，因为黑暗条件下光反应不能进行，不能产生[H]、ATP将三碳化合物还原，而短时间内三碳化合物的还原仍在进行，所以三碳化合物会增多。
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