【学案】 第5章　第4节　第3课时　光合作用原理的应用 人教版（2019）生物学 必修1

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第3课时　光合作用原理的应用
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.设计并实施实验，探究环境因素对光合作用强度的影响。2.关注光合作用原理的应用。 1.在一定范围内，随着光照强度或CO2浓度的增大，光合速率逐渐增大，但超过一定范围后，光合速率不再增大。2.提高光合作用强度的两种主要措施：①控制光照强弱和温度的高低；②适当增加环境中的CO2浓度。
[主干知识梳理]
一、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)影响因素
只要是影响到光合作用的原料、动力、场所、酶的活性等的因素都会影响光合作用强度：
①原料——水、CO2，如环境中CO2浓度、土壤中水分含量等。
②动力——光能，如光照的强弱、长短以及光的成分等。
③场所——叶绿体，如无机营养、病虫害等。
④酶——影响酶活性的因素，如温度等。
2．探究环境因素对光合作用强度的影响
实验流程：
二、化能合成作用
1．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：硝化细菌能利用土壤中的氨(NH3)氧化成亚硝酸(HNO2)，进而氧化成硝酸(HNO3)。这两个化学反应中所释放的化学能将CO2和H2O合成为糖类，供自身利用。
2．光合作用与化能合成作用的比较
项目 光合作用 化能合成作用
生物类型 绿色植物和光合细菌 硝化细菌等
能量来源 光能 体外物质氧化释放的化学能
相同点 能将无机物合成有机物，并储存能量
[边角知识发掘]
1．植物在进行光合作用的同时，还会进行呼吸作用(教材P105“旁栏思考”发掘)。光合作用产生O2，呼吸作用消耗O2。如果在暗处检测到植物消耗O2的速率是5 mg/(100 cm2叶·h)，而在光下测得释放O2的速率是8 mg/(100 cm2叶·h)，那么该植物通过光合作用的光反应产生O2的速率是________mg/(100 cm2叶·h)。
答案：13
2．下图是在夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图并回答问题(教材P106“拓展应用”中1题拓展)：
(1)光合作用强度可以通过测定植物在单位时间内产生的氧气量来表示，也可以通过测定________________或______________来表示。
(2)引起AB段光合作用强度不断增强的主要环境因素是____________，该因素的增强促进了光合作用中__________反应阶段，从而为暗反应阶段提供更多的____________。
(3)BC段光合作用强度下降的主要原因是__________________________________，导致光合作用中的________过程受阻，从而影响光合作用。
(4)C点与B点相比，C3的含量相对________(填“增加”或“减少”)
(5)请从影响光合作用强度的环境因素的角度，提出一个夏季晴朗中午增加光合作用强度的措施：____________________________________________________。
答案：(1)固定的CO2量　制造的有机物量　(2)光照强度　光　ATP、NADPH　(3)气孔部分关闭，CO2吸收量减少　CO2固定　(4)减少　(5)适当遮阴
3．我国大力提倡生态农业，其中有“多使用农家肥”的措施，该措施除了能减少化肥对土壤的影响外，还有一些有利于农作物生长的因素，请你从光合作用的原理进行分析。
提示：农家肥中的有机物可被土壤中的微生物分解成CO2和无机盐，其中CO2可被作物当作光合作用的原料。
新知探究一　探究光照强度对光合作用强度的影响
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．实验原理：抽去小圆形叶片中的气体后，叶片在水中下沉，光照下叶片进行光合作用产生氧气，充满细胞间隙，叶片又会上浮。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
3．实验结果分析：光照越强，烧杯内小圆形叶片浮起的数量越多，说明一定范围内，随着光照强度的不断增强，光合作用强度不断增强。
4．在实验中，叶片下降的原因是什么？光照后叶片为什么上升？
提示：抽出气体后，细胞间隙充满水，叶片下降；光照后，叶片进行光合作用，细胞间隙又充满气体，叶片上升。
[师说重难]　
小圆形叶片上浮实验中的三个关注点
(1)叶片上浮的原因是光合作用产生O2大于有氧呼吸消耗的O2，不要片面认为只是光合作用产生了O2。
(2)打孔时要避开大的叶脉，因为叶脉中没有叶绿体，而且会延长小圆形叶片上浮的时间，影响实验结果的准确性。
(3)为确保溶液中CO2含量充足，小圆形叶片可以放入NaHCO3溶液中。
[在训练中评]
1．某同学想探究CO2浓度与光合速率的关系。取甲、乙、丙、丁四株都有5片叶的小白菜，分别用直径0.6 cm的打孔器打出叶圆片10片，并设法抽去叶片内的气体使之在水中下沉，置于光下。取100 mL三角瓶4个，编号1～4，按下表操作(光照、温度相同且适宜)并记录结果。下列评价或修正不合理的是(　　)
编号 实验处理 30 min内上浮叶圆片数/片
叶圆片来源 叶圆片数/片 自来水/mL NaHCO3/g
1 甲 10 40 0 2
2 乙 10 40 1 6
3 丙 10 40 3 4
4 丁 10 40 5 5
A.自变量CO2浓度的控制不严格
B．只要控制光照、温度相同即可
C．实验材料本身存在的差异会影响实验结果
D．制备的叶圆片在投入三角瓶之前应放于黑暗处
解析：选B　自来水中也有少量CO2，因此使用自来水时，会对CO2浓度造成影响；在进行探究实验的过程中，叶圆片数、自来水的量等无关变量应保持相同且适宜；由于叶圆片来自甲、乙、丙、丁四株小白菜，因此实验材料本身存在的差异会影响实验结果；制备的叶圆片在投入三角瓶之前可进行黑暗处理，目的是消耗掉叶圆片中的氧气，能够使叶圆片沉在烧杯中。
2．取生长旺盛的天竺葵叶片，用打孔器打出小圆片若干并抽取叶片细胞内空气，均分后置于不同浓度的NaHCO3溶液中，给予相同的一定强度光照，记录圆叶片上浮至液面所需时间，其结果绘制的曲线如图。相关叙述错误的是(　　)
A．YZ段平缓的限制因素可能是光照强度
B．Y点比X点细胞内的C5含量高
C．Z点后曲线上行，应该是叶片细胞失水，代谢受影响导致
D．Y点时叶肉细胞产生ATP的细胞器有叶绿体和线粒体
解析：选B　YZ段平缓，说明随着CO2浓度的增加光合作用不再增强，则限制因素可能是光照强度；Y点与X点相比，CO2浓度高，CO2的固定加快，则Y点细胞内的C5含量低；Z点后光照不变，CO2浓度升高，而曲线上行，说明光合作用减弱，应该是叶片细胞失水，代谢受影响导致；Y点既有光合作用又有呼吸作用，则叶肉细胞产生ATP的细胞器有叶绿体和线粒体。
新知探究二　影响光合作用的因素
[在探究中学]
1．光照强度
曲线模型
模型分析
曲线对应点 细胞生理活动 ATP产生场所 植物组织外观表现 图示
A点 只进行细胞呼吸，不进行光合作用 只在细胞质基质和线粒体 从外界吸收O2，向外界排出CO2
AB段(不含A、B点) 呼吸强度>光合强度 细胞质基质、线粒体、叶绿体 从外界吸收O2，向外界排出CO2
B点 光合强度＝呼吸强度 与外界不发生气体交换
B点之后 光合强度>呼吸强度 从外界吸收CO2，向外界释放O2。此时植物可更新空气
应用 ①温室生产中，适当增强光照强度，以提高光合速率，使作物增产②阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低，如图中虚线所示，间作套种农作物，可合理利用光能
　　2.CO2浓度
原理 CO2影响暗反应阶段，制约C3的形成
曲线模型及分析 图1中A点表示CO2补偿点，即光合速率等于呼吸速率时的CO2浓度，图2中A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。B和B′点都表示CO2饱和点
应用 在农业生产上可以通过“正其行，通其风”，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光合速率
3．温度
原理 温度通过影响酶的活性影响光合作用
曲线模型及分析 AB段：在B点之前，随着温度升高，光合速率增大B点：酶的最适温度，光合速率最大BC段：随着温度升高，酶的活性下降，光合速率减小，50 ℃左右光合速率几乎为零
应用 温室栽培植物时，白天调到光合作用最适温度，以提高光合速率；晚上适当降低温室内温度，以降低细胞呼吸速率，提高植物有机物的积累量
4．矿质元素
曲线模型 原理
矿质元素是参与光合作用的许多重要化合物的组成成分，缺乏会影响光合作用的进行。例如，N是酶的组成元素，N、P是ATP的组成元素，Mg是叶绿素的组成元素等
曲线分析 应用
在一定浓度范围内，增大必需矿质元素的供应，可提高光合作用强度；但当超过一定浓度后，会因土壤溶液浓度过高，植物发生渗透失水而导致植物光合作用强度下降 在农业生产上，根据植物的需肥规律，适时、适量地增施肥料，可以提高光能利用率
[在应用中悟]
[典例1]　如图曲线Ⅰ表示黄豆光合速率与光照强度的关系(适宜温度、CO2浓度为0.03%)。在y点时改变某条件，曲线变为Ⅱ。下列分析合理的是(　　)
A．与y点相比，x点叶绿体中的C3含量较低
B．在y点时，升高温度导致曲线由Ⅰ变为Ⅱ
C．制约x点光合作用的因素主要是叶绿体中色素的含量
D．制约z点光合作用的因素可能是CO2浓度
[解析]　x点的光照强度比y点弱，所以x点的C3含量较y点高；本来处于适宜温度下的y点，升高温度会导致酶的活性降低，则所得曲线应在曲线Ⅰ的下方；x点光合作用的限制因素主要是光照强度；在大于光饱和点的光照强度处增加CO2浓度，会提高光合速率，因此制约z点光合作用的因素可能是CO2浓度。
[答案]　D
[典例2]　科学家研究CO2浓度、光照强度和温度对同一植物光合作用强度的影响，得到实验结果如图。请据图判断，下列叙述错误的是(　　)
A．光照强度为a时，造成曲线Ⅱ和Ⅲ光合作用强度差异的原因是CO2浓度不同
B．光照强度为b时，造成曲线Ⅰ和Ⅱ光合作用强度差异的原因是温度的不同
C．光照强度为a～b时，曲线Ⅰ、Ⅱ光合作用强度随光照强度升高而升高
D．光照强度为a～c时，曲线Ⅰ、Ⅲ光合作用强度随光照强度升高而升高
[解析]　光照强度为a时，影响曲线Ⅱ、Ⅲ光合作用强度的温度、光照强度相同，而CO2浓度不同；光照强度为b时，影响曲线Ⅰ、Ⅱ光合作用强度的CO2浓度和光照强度相同，而温度不同；在光照强度为a～b时，曲线Ⅰ、Ⅱ都未达到光饱和点，光合作用强度随光照强度升高而升高；光照强度在a～c之间时，曲线Ⅲ已达到光饱和点，随光照强度增加，光合作用强度不再增加。
[答案]　D
■方法规律
多因素对光合作用影响的曲线分析方法
解答受多因素影响的光合作用曲线题时，找出曲线的限制因素是关键。具体方法是对纵坐标或横坐标画垂线或者只看某一条曲线的变化，将多因素转变为单一因素，从而确定限制因素。当曲线上标有条件时，说明因变量受横坐标和曲线上条件的共同影响。若题干中描述了曲线的获得前提，如最适温度下测得，则应该考虑温度以外的影响因素。
[在训练中评]
1．(2018·江苏高考)如图为某一植物在不同实验条件下测得的净光合速率，下列假设条件中能使图中结果成立的是(　　)
A．横坐标是CO2浓度，甲表示较高温度，乙表示较低温度
B．横坐标是温度，甲表示较高CO2浓度，乙表示较低CO2浓度
C．横坐标是光波长，甲表示较高温度，乙表示较低温度
D．横坐标是光照强度，甲表示较高CO2浓度，乙表示较低CO2浓度
解析：选D　随着CO2浓度的增大，净光合速率先增大后趋于稳定，但由于净光合速率最大时对应着一个温度，即最适温度，低于或高于此温度，净光合速率都将下降，所以无法确定在CO2浓度足够大时，较高温度下的净光合速率高于较低温度；植物进行光合作用存在最适温度，高于最适温度后，净光合速率减小，所以随着温度升高，净光合速率不应先升高后趋于稳定；由于光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在相应光波长时，植物的净光合速率存在峰值，不应呈现先升高后趋于稳定的状态，且光波长一定时，较高温度下的净光合速率不一定较高；随着光照强度的增加，净光合速率先增大后趋于稳定，在光照强度足够时，较高的CO2浓度下净光合速率较大。
2．在适宜温度、水分和一定的光照强度下，甲、乙两种植物叶片的CO2净吸收速率与CO2浓度的关系如图所示，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．CO2浓度为b时，甲、乙总光合作用强度相等
C．适当增加光照强度，c点将右移
D．限制P点CO2净吸收速率的因素是温度和光照强度
解析：选C　CO2浓度为a时表明甲植物的净光合速率为0，此时光合作用强度等于呼吸作用强度；CO2浓度为b时，甲、乙两植物的净光合作用强度相等，由于不知道两植物的呼吸作用强度，因此不能比较总光合作用强度；c点时，CO2浓度不再是限制光合作用的主要因素，因此此时适当增加光照强度可提高光合作用强度，c点将右移；图中曲线是在最适温度条件下测定的，所以限制P点CO2净吸收速率的因素是光照强度，而不是温度。
科学探究——呼吸速率、净光合速率和总光合速率的测定
1. 呼吸速率、净光合速率和总光合速率的表示方法
(1)呼吸速率的表示方法：将植物置于黑暗环境中，测定单位时间实验容器内CO2增加量、O2减少量或有机物减少量。
(2)净光合速率和真正光合速率
①净光合速率：常用一定时间内O2释放量、CO2吸收量或有机物积累量表示。
②真正光合速率：常用一定时间内O2产生量、CO2固定量或有机物产生量(或制造量)表示。
2．光合速率与呼吸速率的关系
下图1表示光照强度与CO2的吸收速率的关系，图2表示线粒体与叶绿体的关系。
结合图2与图1中的曲线分析如下：
(1)图1中A点光照强度为0，只进行呼吸作用，与图2中乙对应。OA代表呼吸速率。
(2)图1中AB段由于光照强度较弱，光合速率小于呼吸速率，所以呼吸作用释放的CO2一部分被叶绿体吸收，另一部分释放出去，与图2中甲对应。
(3)图1中B点表示光合速率与呼吸速率相等，表现为既不吸收CO2也不释放CO2，与图2中丙对应。B点对应的光照强度为光的补偿点。
(4)B点以后，由于光照强度继续增大，光合速率大于呼吸速率，呼吸作用释放的CO2不能够满足光合作用的需求，表现为从外界吸收CO2，与图2中丁对应；C点以后，光照强度再增加，光合速率不再增大，C点对应的光照强度称为光的饱和点；OD为净光合速率。
由以上分析可知：真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。
3．利用装置图法测定植物光合速率与呼吸速率
(1)装置中溶液的作用：在测细胞呼吸速率时，NaOH溶液可吸收容器中的CO2；在测净光合速率时，NaHCO3溶液可提供CO2，保证了容器内CO2浓度的恒定。
(2)测定方法
①将植物(甲装置)置于黑暗中一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算呼吸速率。
②将同一植物(乙装置)置于光下一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算净光合速率。
③根据呼吸速率和净光合速率可计算得到真正光合速率。
(3)物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。
[素养评价]
1．植物的光合作用受CO2浓度、温度与光照强度的影响。如图为在一定CO2浓度和适宜温度条件下，测定的某植物叶片在不同光照条件下的光合速率。下列有关说法错误的是(　　)
A．在a点所示条件下，该植物的叶肉细胞内能够产生ATP的部位只是线粒体
B．该植物叶片的呼吸速率是5 mg/(100 cm2叶·h)
C．在一昼夜中，将该植物叶片置于c点光照强度条件下11 h，其余时间置于黑暗中，则每100 cm2叶片一昼夜中CO2的净吸收量为45 mg
D．已知该植物光合作用和细胞呼吸的最适温度分别为25 ℃和30 ℃。若将温度提高到30 ℃的条件下(原光照强度和CO2浓度不变)，则图中b点将向右移，c点将向左下移动
解析：选A　在a点所示条件下，细胞只进行呼吸作用，产生ATP的场所有细胞质基质和线粒体；a点的纵坐标表示呼吸速率；c点光照强度下，11 h光照每100 cm2叶片CO2净吸收量为11×10＝110(mg)，晚上每100 cm2叶片细胞呼吸释放CO2的量为13×5＝65(mg)，一昼夜每100 cm2叶片CO2净吸收量为45 mg；将温度提高到30 ℃，真正光合速率降低，细胞呼吸速率增大，净光合速率降低，c点将向左下移，光补偿点(b点)将向右移。
2．下图是某生物兴趣小组探究不同条件下光合作用和呼吸作用过程中气体产生情况的实验示意图，装置中的NaHCO3溶液可维持瓶内的CO2浓度在恒定水平。下列几种实验结果(给予相同的环境条件)，不可能出现的是(　　)
A．甲、乙装置水滴都左移
B．甲、乙装置水滴都右移
C．甲装置水滴不动，乙装置水滴左移
D．甲装置水滴右移，乙装置水滴左移
解析：选B　根据题意可知，装置中的NaHCO3溶液可维持瓶内的CO2浓度在恒定水平，故甲装置内的气压变化是由O2含量变化引起的。较强光照条件下(光合速率大于呼吸速率)甲装置内水滴右移；黑暗或较弱光照条件下(光合速率小于呼吸速率)甲装置内水滴左移；适宜光照条件下(光合速率等于呼吸速率)甲装置内水滴不动；乙装置内青蛙只进行细胞呼吸不进行光合作用，故乙装置内水滴只会左移。
3．以测定的CO2吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与细胞呼吸的影响，结果如图所示。下列分析正确的是(　　)
A．光照相同时间，35 ℃时光合作用制造的有机物的量与30 ℃时相等
B．光照相同时间，在20 ℃条件下植物积累的有机物的量最多
C．温度高于25 ℃时，光合作用制造的有机物的量开始减少
D．两曲线的交点表示光合作用制造的有机物的量与细胞呼吸消耗的有机物的量相等
解析：选A　“光照下CO2的吸收量”为净变化量或积累量，即“光合实际量－呼吸量”，“黑暗中CO2释放量”为呼吸量。由图可知，在35 ℃时光合作用制造的有机物的量与30 ℃时相等，都是3＋3.5＝6.5(mg/h)。有机物积累量最多的温度为25 ℃，此时光合实际量约为2.25＋3.75＝6(mg/h)，此后实际光合量还在增加。两曲线的交点表示呼吸量＝净光合量，或者说光合量是呼吸量的两倍，不代表二者相等。
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