【学案】 第5章　第4节　第2课时　光合作用的原理 人教版（2019）生物学 必修1

中小学教育资源及组卷应用平台
第2课时　光合作用的原理
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.描述光合作用是怎样进行的。2.通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论，说明光合作用过程，并从物质与能量观视角，阐明光合作用原理，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。 1.光合作用的反应式为：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。2.光反应的场所是类囊体薄膜，产物是O2、NADPH和ATP。3.暗(碳)反应的场所是叶绿体基质，产物是糖类等物质。4.光合作用的能量转换为：光能―→ATP、NADPH中的化学能―→有机物中稳定的化学能。
[主干知识梳理]
一、光合作用的概念及探索光合作用原理的部分实验
1．光合作用的概念
(1)场所：绿色植物的叶绿体。
(2)能量来源：光能。
(3)反应物：CO2和H2O。
(4)产物：O2、糖类等有机物。
2．探索光合作用原理的部分实验
科学家 实验过程及现象 实验结论
希尔 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 光合作用释放的O2来自水；氧气的产生和糖类的合成不是(填“是”或“不是”)同一个化学反应
鲁宾和卡门 HO＋CO2―→植物―→18O2_H2O＋C18O2―→植物―→O2 光合作用释放的O2中的氧元素来自水
阿尔农 在光照下，叶绿体可合成ATP，且这一过程总是与水的光解相伴随 水的光解可合成ATP
二、光合作用的过程
1．反应式：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。
2．过程[据图填空]
①NADPH，②2C3，③ADP＋Pi，④O2，⑤(CH2O)。
3．光反应与暗反应的比较
项目 光反应 暗反应
场所 类囊体的薄膜上 叶绿体基质中
条件 需光 不需要光
物质变化 H2OH＋＋O2＋能量；NADP＋＋H＋＋能量―→NADPH；ADP＋Pi＋能量ATP　 CO2＋C52C3；2C3 (CH2O)＋C5
能量变化 光能―→ATP和NADPH中的化学能 ATP和NADPH中的化学能→(CH2O)中的化学能
[边角知识发掘]
1．阅读教材P102“思考·讨论”，结合利用小球藻进行光合作用实验的示意图，可得出图中A物质和B物质的相对分子质量之比是________。
提示：图中A、B物质是O2，均来自反应物中的H2O。A、B分别为 O2、18O2，二者的相对分子质量之比为32∶36＝8∶9。
2．下图表示光能转换为电能的示意图(教材P103“相关信息”)，A代表处于特殊状态下的叶绿素a，B代表具有吸收和传递光能作用的色素，C和D代表传递电子的物质。请回答相关问题：
(1)叶绿体中光合色素吸收的光能，有两个用途：一是____________________，二是提供能量____________________________________________________。
(2)水分解为________的同时，被叶绿体夺去两个电子。电子经传递，可用于NADP＋与H＋结合形成________。
答案：(1)将水分解为氧和H＋　促使ADP和Pi反应形成ATP　(2)氧和H＋　NADPH
[教材问题提示]
一、思考·讨论
(一)探索光合作用原理的部分实验(教材P102、103)
1．不能说明。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。
2．能够说明。希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料——CO2，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。
3．光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于水，而并不来源于CO2。
4．合理即可。例如：
H2OO2＋NADPH＋能量
　　　　　　　　　　　　　ADP＋Pi＋ATP
(二)光反应和暗反应的区别与联系(教材P104)
1．本问题可以用列表的形式解决
名称 光反应 暗反应
所需条件 必须有光 有光或无光均可
进行场所 类囊体薄膜 叶绿体基质
物质变化 水光解为O2和H＋；ATP和NADPH的合成 CO2的固定；C3的还原；ATP和NADPH的分解
能量转化 光能转化为ATP和NADPH中的化学能 ATP和NADPH中的化学能转化为有机物中稳定的化学能
2．物质联系：光反应生成的ATP和NADPH供暗反应C3的还原，而暗反应为光反应提供了ADP、Pi和NADP＋。能量联系：光反应为暗反应提供了活跃的化学能，暗反应将活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。
二、旁栏思考(教材P105)
用这种方法观测到的O2的产生量，实际是光合作用的O2释放量，与植物光合作用实际产生的O2量不同，没有考虑到植物自身呼吸作用对O2的消耗。
新知探究一　探索光合作用原理的实验
[在探究中学]
人们对光合作用的认识是一个漫长的渐进过程，请阅读教材的内容，讨论并交流下列问题：
实验一：1937年，英国剑桥大学的希尔用离体的叶绿体做实验。
他将离体的叶绿体加到具有氢受体的水溶液中，在无CO2的条件下给予光照，发现叶绿体中有O2放出。
该实验说明：____________________________________________________。
答案：叶绿体在有氢受体的水溶液中光照可产生O2
实验二：1954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和氢受体时，体系中就会有ATP和NADPH产生。在黑暗条件下，只要供给了ATP和NADPH，叶绿体就能将CO2转变为糖。
该实验说明：____________________________________________________。
答案：叶绿体照光条件下，反应体系中有ADP/Pi和氢受体存在时可产生ATP和NADPH。在黑暗条件下，有ATP和NADPH时，叶绿体可将CO2转变为糖
实验三：20世纪40年代，卡尔文及其同事因在光合作用方面的研究成果，获得了1961年的诺贝尔化学奖。卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中，通过一个通气管向容器中通入CO2，通气管上有一个开关，可控制CO2的供应，容器周围有光源，通过控制电源开关可控制光照的有无。
他向密闭容器中通入14CO2，当反应进行到5 s时，14C出现在一种六碳糖(C6)中，将反应时间缩短到0.5 s时，14C出现在一种三碳化合物(C3)中。
(1)上述实验中卡尔文等是通过控制反应时间来探究CO2中碳原子转移路径的，采用了________________等技术方法。实验结果说明CO2中C的转移路径是____________________(请用“→”表示)。
(2)卡尔文及其同事们在实验过程中发现，在有光照和CO2供应的条件下，C3和C5的浓度很快达到饱和并保持稳定。但是，当改变其中一个实验条件后，二者的浓度迅速出现了规律性的变化：停止CO2供应时，C3的浓度急速降低，C5的浓度急速升高；停止光照时，C3的浓度急速升高，C5的浓度急速降低。由此可见C3和C5之间的关系是____________(请用箭头表示)。
答案：(1)同位素示踪法　CO2→C3→C6
(2)
[在应用中悟]
[典例]　希尔实验是将分离出的叶绿体加到草酸铁中，经光照后发生反应：4Fe3＋＋2H2O4Fe2＋＋4H＋＋O2↑，下列有关该实验的说法错误的是(　　)
A．反应后溶液的pH降低
B．每生成1 mol O2转移4 mol电子
C．叶绿素被氧化
D．该实验可说明光合作用产生的O2来源于水
[解析]　从反应式可看出，反应后溶液酸性增强，pH降低，每生成1 mol O2会转移4 mol 电子，但叶绿素并没有改变，同时可知光合作用产生的O2来源于水。
[答案]　C
[在训练中评]
1．(2018·北京高考)光反应在叶绿体类囊体上进行。在适宜条件下，向类囊体悬液中加入氧化还原指示剂DCIP，照光后DCIP由蓝色逐渐变为无色。该反应过程中(　　)
A．需要ATP提供能量　　　　 B．DCIP被氧化
C．不需要光合色素参与 D．会产生氧气
解析：选D　光合作用中的光反应发生在类囊体薄膜上，光合色素吸收光能，一方面使水光解，释放出氧气和形成H＋，另一方面在有关酶的催化作用下，促使ADP与Pi发生化学反应形成ATP。结合题干信息，加入氧化还原指示剂DCIP后，DCIP会被NADPH还原为无色。
2．用放射性同位素分别标记CO2和H2O，做了如下实验，下列就实验结果、结论的描述错误的是(　　)
A．物质a和物质b都是氧气
B．物质a无放射性，物质b有放射性
C．物质a和物质b的分子量相同
D．光合作用释放的氧气中氧元素来源于水
解析：选C　用放射性同位素分别标记CO2和H2O，供给植物进行光合作用，植物能合成有机物，释放氧气，图中物质a和物质b都是氧气；光合作用产生的氧气来自H2O，而不是CO2，由图可知，物质a无放射性，物质b有放射性；物质a氧气的分子量是32，物质b氧气的分子量是36；根据试题分析，该实验的结论是光合作用释放的氧气中氧元素来源于H2O。
新知探究二　光合作用的过程
[在探究中学]
[任务驱动]　
光合作用是一个非常复杂的过程，包括一系列的化学反应。如图是光合作用的图解，结合该图和教材内容分析：
(1)暗反应有光无光都能进行，那么暗反应能较长时间在黑暗条件下进行吗？
提示：不能。因为在黑暗条件下不能进行光反应，暗反应缺少光反应提供的NADPH和ATP。
(2)若用放射性同位素分别标记H2O中的O，则能在光合作用的哪些物质中检测到放射性？
提示：放射性的O可在释放的O2中检测到。
(3)若标记CO2中的14C，请写出光合作用过程中14C的转化途径。
提示：14CO2―→14C3―→(14CH2O)。
(4)夏季中午，气孔关闭后，会导致CO2供应不足，短时间内叶绿体中C3和C5会发生怎样的变化？
提示：C3下降，C5上升。
[师说重难]　
1．明确光反应与暗反应的联系
(1)光反应为暗反应提供NADPH、ATP，暗反应为光反应提供NADP＋、ADP和Pi。
(2)没有光反应，暗反应无法进行，没有暗反应，有机物无法合成。
2. 环境条件改变时光合作用中相关物质的含量变化
(1)分析方法：需从物质的生成和消耗两个方面综合分析。
示例：CO2供应正常，光照停止时C3的含量变化
(2)物质含量变化
条件 C3 C5 NADPH ([H])和ATP 模型分析
光照由强到弱，CO2供应不变 增加 减少 减少或没有
光照由弱到强，CO2供应不变 减少 增加 增加
光照不变，CO2由充足到不足 减少 增加 增加
光照不变，CO2由不足到充足 增加 减少 减少
[特别提醒 ]　①以上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的短时间内发生的。
②在以上各物质的含量变化中：C3和C5含量的变化是相反的，即C3增加，则C5减少；NADPH 和ATP的含量变化是一致的，即都增加，或都减少。
[在应用中悟]
[典例1]　下图为绿色植物光合作用过程示意图(图中a～g为物质，①～⑥为反应过程，物质转换用实线表示，能量传递用虚线表示)。下列有关叙述错误的是(　　)
A．图中①表示水分的吸收，③表示水的光解
B．c为ATP，f为NADPH
C．将b物质用18O标记，最终在(CH2O)中能检测到放射性
D．图中a物质主要吸收红光和蓝紫光，绿色植物能利用它将光能转换成活跃的化学能
[解析]　图中a～g分别代表光合色素、O2、ATP、ADP、NADPH、NADP＋、CO2，①～⑥分别代表水分的吸收、ATP的合成、水的光解、CO2的固定、C3的还原、有机物的合成，A正确，B错误；18O2HOC18O2(CHO)，C正确；光合色素具有吸收、传递和转化光能的作用，D正确。
[答案]　B
[典例2]　正常生长的绿藻，照光培养一段时间后，用黑布迅速将培养瓶罩上，此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是(　　)
A．O2的产生停止
B．CO2的固定加快
C．ATP/ADP比值下降
D．NADPH/NADP＋比值下降
[解析]　黑暗处理后，光反应停止，O2的产生停止。ATP和NADPH是光反应的产物，同时也是暗反应的原料，黑暗处理后，ATP和NADPH的产生减少，且仍被暗反应所消耗，产生的ADP和NADP＋增多。光反应产生的ATP和NADPH减少，使得暗反应产生的C5减少，CO2的固定减慢。
[答案]　B
■方法规律
光合作用过程中相关物质的变化规律
[在训练中评]
1.如图为叶绿体的结构与功能示意图，下列说法错误的是(　　)
A．结构a中的能量变化是光能转变为ATP中的化学能
B．供给14CO2，放射性出现的顺序为CO2→C3→甲
C．结构a释放的O2可进入线粒体中
D．叶绿体中的色素主要分布于类囊体腔中
解析：选D　叶绿体中的色素主要分布于类囊体的薄膜上。
2.如图表示在夏季晴朗的白天植物细胞内C3和C5的相对含量随一种环境因素改变的变化情况，下列对这一环境因素改变的分析，正确的是(　　)
A．突然停止光照
B．突然增加CO2浓度
C．降低环境温度
D．增加光照强度
解析：选D　增加光照强度，光反应产生的NADPH和ATP增多，被还原的C3增多，生成的C5增多，而CO2被C5固定形成C3的过程不变，故C3的相对含量将减少、C5的相对含量将增加，D正确。
科学思维——归纳概括光合作用与细胞
呼吸的关系
光合作用与呼吸作用关系模型分析
(1)物质联系
①C：CO2(CH2O)C3H4O3CO2
②O：H2OO2H2O
③H：H2ONADPH(CH2O)
[H]H2O
(2)能量联系
[素养评价]
1．(2020·唐山一模)下列关于光合作用和有氧呼吸过程的叙述，错误的是(　　)
A．光合作用光反应阶段的产物可为有氧呼吸第三阶段提供原料
B．有氧呼吸第三阶段的产物可为光合作用光反应阶段提供原料
C．二者产生气体的阶段都有水参与
D．二者产生气体的阶段都与生物膜有关
解析：选D　光合作用光反应阶段的产物O2可作为有氧呼吸第三阶段的原料；有氧呼吸第三阶段的产物H2O可作为光合作用光反应阶段的原料；光合作用光反应可将H2O分解产生O2，有氧呼吸第二阶段H2O与丙酮酸反应生成CO2；光合作用光反应将H2O分解产生O2的场所是类囊体薄膜，有氧呼吸第二阶段H2O与丙酮酸反应生成CO2的场所是线粒体基质。
2.如图是某植物叶肉细胞光合作用与有氧呼吸过程中的物质变化图解，其中①～④表示过程。下列相关叙述错误的是(　　)
A．过程①③④都能合成ATP
B．过程①②③④总是同时进行
C．过程①③都在生物膜上进行
D．过程④产生的[H]还来自水
解析：选B　据图可知，过程①～④依次是光合作用的光反应阶段，光合作用的暗反应阶段，有氧呼吸的第三阶段，有氧呼吸的第一、二阶段，其中①③④都能合成ATP；过程①②③④不一定同时进行，如晚上仅进行③④(有氧呼吸)而不进行①②(光合作用)；过程①是光合作用的光反应阶段，场所是类囊体薄膜，过程③是有氧呼吸的第三阶段，场所是线粒体内膜；过程④是有氧呼吸的第一、二阶段，产生的[H]除了来自葡萄糖之外，还来自水。
3．(2020·临沂高一期末)下图为高等绿色植物光合作用和细胞呼吸之间关系的示意图，其中①～⑥代表不同物质。回答下列问题：
(1)为研究该植物绿叶中色素的种类，需将提取到的色素在滤纸上分离，色素分离依据的原理是____________________________________________________。
(2)③代表的物质是________，其产生的场所是________。植物通过光反应把太阳能转变为活跃的化学能储存在__________________(填物质名称)中，通过暗反应把活跃的化学能转变为稳定的化学能储存于________(填写图中标号)中。
(3)请用“→”和物质写出14CO2中的14C在光合作用中的转移途径：____________________________________________________。
(4)图中④→CO2的过程是细胞呼吸的________阶段，该过程在________________________________中进行。
(5)从上图可以看出，光合作用和细胞呼吸并非简单的可逆反应，原因是____________________________________________________。
解析：(1)色素的提取和分离实验中，色素分离的原理是不同色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。(2)据图分析可知，③代表的物质是O2，其产生的场所是类囊体薄膜。植物通过光反应把太阳能转变为ATP和NADPH中活跃的化学能，通过暗反应把ATP和NADPH中活跃的化学能转变为④糖类等有机物中稳定的化学能。(3) 14CO2中的14C在光合作用中的转移途径为14CO2→三碳化合物→糖类。(4)图中葡萄糖生成CO2的过程是有氧呼吸的第一和第二阶段，该过程在细胞质基质和线粒体基质中进行。(5)从图可以看出，光合作用和细胞呼吸只是反应前后的物质相同，但反应场所、所需酶的种类、物质分解过程等均不同，故不是简单的可逆反应。
答案：(1)不同色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢　(2)O2　类囊体薄膜　ATP和NADPH　④　(3)14CO2→三碳化合物→糖类　(4)第一和第二　细胞质基质和线粒体基质　(5)二者只是反应前后的物质相同，但反应场所、所需酶的种类、物质分解过程等均不同
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)