(共24张PPT)
第4节 光合作用与能量转化
探究实践 探究环境因素对光合作用强度的影响
第5章 细胞的能量供应和利用
光照强度
单位时间内圆形小叶片上浮的数量
打孔器
注射器
圆形小叶片中的气体
黑暗
水
CO2
强、中、弱
圆形小叶片浮起的数量
增多
增强
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浅仰芹[实验基础·自主学习]
1．实验原理
(1)利用LED台灯离实验装置的距离不同，产生不同的光照强度。
(2)根据单位时间内圆形小叶片上浮的数量，判断不同光照强度下光合作用强度的大小。
2．实验步骤
取材
↓
排气
↓
沉水
↓
分组：取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水，分别放入10片圆形小叶片
↓
光照：分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照
↓
观察并记录：同一时间段内各实验装置中圆形小叶片浮起的数量
3．实验现象
在弱光、中光、强光的照射下，圆形小叶片浮起的数量依次增多。
4．实验结论
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(圆形小叶片中产生的O2多，浮起的多)。
[实验关键·探究学习]
1．实验原理
叶片含有空气，叶片上浮。抽出气体后，细胞间隙充满水，叶片下沉；光照后，叶片进行光合作用，释放O2，使细胞间隙又充满气体，叶片上浮。
2．实验中沉水叶片的制备
(1)圆形小叶片的制备：用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出圆形小叶片。
(2)沉水：用注射器抽出叶片内气体，放入黑暗处盛有清水的烧杯中，圆形小叶片全部沉到水底。
3．实验装置
中间盛水的玻璃柱的作用：吸收灯光的热量，避免光照对烧杯内水温产生影响。
4．实验变量分析
(1)自变量及设置方法。
①自变量：光照强度。
②设置方法：通过台灯距离实验材料的远近来设置。
(2)因变量及观测指标。
①因变量：光合作用强度。
②观测指标：观测单位时间内被抽取空气的圆形小叶片上浮的数量。
5．实验中的主要事项
(1)选材要求：叶片必须生长旺盛、新鲜，生长旺盛、新鲜的叶片光合作用旺盛。
(2)打孔时注意避开大的叶脉，大的叶脉处叶肉细胞少，且不利于细胞间隙中气体的逸出。
(3)处理好的叶片必须放置在黑暗处，防止实验前叶片进行光合作用，干扰实验结果。
(4)三盏灯与实验装置间距离的差值不宜过小，保证为叶片进行光合作用提供不同强度的光照，使实验结果明显。
(5)同时对三个小烧杯进行观察，以排除时间因素对实验结果的影响。
6．实验操作的提醒及目的
实验操作提醒 操作目的
注射器内吸入清水，用手指堵住注射器前端的小孔，缓慢拉动活塞 ①使圆形小叶片内的气体溢出。②使处理过的小叶片因为细胞间隙充满了水而全部沉到水底
烧杯内放入质量分数为1%～2%的碳酸氢钠溶液 保证烧杯内CO2充足
[实验应用·对点练习]
1．取生长旺盛的绿叶，用打孔器获取直径大小相同的若干小圆叶片，用于“探究光照强度对光合作用强度的影响”，该实验中最简便直观的检测指标是单位时间内( )
A．小圆叶片二氧化碳的吸收量
B．小圆叶片氧气的释放量
C．小圆叶片有机物的增加量
D．小圆叶片浮起的数量
D [绿色植物通过叶绿体利用光能把二氧化碳和水，转变成储存能量的有机物并释放氧气的过程。小圆形叶片经过处理，最后观察到会浮起，原因是叶片进行光合作用产生氧气。本实验的自变量是光照强度，因变量是植物的光合作用强度，故小圆叶片二氧化碳的吸收量、小圆叶片氧气的释放量及小圆叶片有机物的增加量都可以作为检测指标，但单位时间内小圆叶片浮起的数量可直接观察计数，是该实验中最简便直观的检测指标，故D符合题意。]
2．如图是某中学生物兴趣小组为探究二氧化碳浓度对光合作用的影响而设计的装置图，相关叙述不正确的是( )
A．黑藻的成熟程度、水温的变化、NaHCO3浓度均属于无关变量
B．对照组中的蒸馏水应煮沸后冷却，以去除水中的二氧化碳
C．分别在距离实验组和对照组黑藻10 cm处放置台灯，作为光源
D．一段时间后测量记录液面高度的变化，推测光合速率的变化
A [黑藻的成熟程度、水温的变化属于无关变量，NaHCO3浓度是自变量，A错误；对照组中的蒸馏水煮沸后冷却可以去除水中的二氧化碳，排除水中原有二氧化碳对实验的干扰，B正确；分别在距离实验组和对照组黑藻10 cm处放置台灯作为光源，可保证各组光照强度一致，排除无关变量光照强度的干扰，C正确；光合作用产生的氧气可使装置中液面高度发生变化，以在一段时间后测量记录液面高度的变化，来推测光合速率的变化，D正确。]
3．为完成“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验，提供以下材料用具：菠菜叶、打孔器(直径1 cm)、注射器、40 W台灯、烧杯、4%NaHCO3溶液、蒸馏水、不同颜色的透明薄膜等。
(1)某同学选取其中一个因素进行探究，以下是实验结果：
时间 上浮的叶圆片数量(片)
蒸馏水 0.5% NaHCO3 1%NaHCO3 1.5% NaHCO3 2% NaHCO3
2 min 0 7 11 10 4
4 min 0 15 16 13 7
①该实验的目的是________________________________________________，实验检测指标是_____________________________________________________。
②有哪些措施可以减少实验误差？___________________________________
___________________________________________________(至少写出2项)。
③有同学认为叶片之所以浮起，是因为呼吸作用消耗了有机物且产生了CO2导致叶片上浮。根据实验结果判断该观点是否正确并说明理由：____________
___________________________________________________________________。
(2)利用以上材料，还可以探究的环境因素有________________(答出2个)。
[解析] (1)①由表格看出实验的自变量是不同浓度的NaHCO3溶液，NaHCO3溶液的浓度不同，提供的CO2浓度不同，因此该实验研究的是不同浓度的CO2对光合作用的影响。实验观察的指标是单位时间内上浮的叶圆片的数量。②减少实验误差就要平衡无关变量，重复实验求平均值。③叶片上浮的原因是光合作用大于呼吸作用，叶片中氧气增多，叶圆片密度变小。说明叶圆片上浮的原因不是呼吸作用消耗了有机物且产生了CO2，应从蒸馏水中叶圆片没有上浮来论述。
(2)利用上述实验材料，还可探究光照强度或不同的光质对光合作用的影响。
[答案] (1)①研究CO2浓度(或NaHCO3浓度)对叶片光合速率的影响 相同时间内烧杯中叶圆片浮起的数量
②用打孔器打出的叶圆片数量足够多；每组实验重复几次，记录的数据取平均值(合理即可)
③该同学的观点是错误的，因为在蒸馏水的那组实验中，叶片一样进行了呼吸作用，却没有叶片浮起，叶片上浮的原因是光合作用强度大于呼吸作用强度，叶片内氧气增多
(2)光照强度、光的性质(合理即可)
蝴蝶兰是一种深受人们喜爱的观赏花卉，原生长于热带雨林地区。夜晚蝴蝶兰叶片吸收CO2并将其转化为苹果酸储存起来；白天，苹果酸在酶的催化下分解生成CO2用于光合作用。
通过材料分析知，蝴蝶兰原生长在热带雨林地区，由此知其白天气孔易关闭，因此可形成科学思维的学科素养。
(1)蝴蝶兰适于在热带高温环境中生长，其光合作用所利用的CO2的来源有哪些？(科学思维)
提示：苹果酸分解和细胞呼吸。
(2)为了研究增施CO2对蝴蝶兰生长与开花的影响，可以通过哪些方面进行检测？(科学思维)
提示：用植株叶面积或株高或植株重量来表示生长状况；开花时间早晚、开花的数量、开花的时间长短可作为开花情况的指标。
[课堂小结]
知 识 网 络 构 建 要 点 强 化 识 记
1．核心概念(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。(2)化能合成作用：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．结论语句(1)光照强度直接影响光反应速率，光反应产物中NADPH与ATP的数量会影响暗反应速率。(2)温度通过影响光合作用过程，特别是暗反应中酶的催化效率，从而影响光合作用强度。(3)CO2是暗反应的原料，CO2的浓度直接影响暗反应速率。(4)水分是光合作用的原料之一，缺少时可使光合速率下降。
1．利用温室大棚栽培蔬菜、瓜果等农作物已成为现代农业的基本模式。下列是温室大棚栽培经常采取的措施，其中不是通过增强光合作用速率实现的是( )
A．给农作物增施氮肥
B．大棚栽培的农作物通过增施农家肥料补充CO2
C．给农作物补充适宜强度的人工光照
D．夜间适当降低农作物的环境温度
D [给农作物增施氮肥能增强光合作用速率；大棚栽培的农作物通过增施农家肥料补充CO2，为光合作用提供原料，从而增强了光合作用速率；给农作物补充适宜强度的人工光照也是通过增强光合作用速率来实现增产的；夜间适当降低农作物的环境温度，导致酶活性降低，从而减少细胞呼吸对有机物的消耗，最终达到增产的目的，可见该措施是通过减弱细胞呼吸速率而实现增产的。]
2．下图表示光照强度和CO2浓度对某植物光合速率的影响。下列有关叙述错误的是( )
A．曲线中a点转向b点时，叶绿体中C3浓度降低
B．曲线中d点转向b点时，叶绿体中C5浓度升高
C．ab段影响光合速率的主要因素是光照强度
D．bc段影响光合速率的限制性因素可能是温度等其他条件
B [a点转向b点时，光反应增强能提供更多的NADPH和ATP用于C3的还原，故C3浓度会下降；d点转向b点时CO2浓度增加，会有更多的C5用于CO2的固定，故C5浓度会下降；ab段表示随光照强度的增大，光合速率增加，故光照是影响光合速率的主要因素；bc段光照强度已经饱和，温度等成为光合速率的影响因素。]
3．用高速离心机打碎小球藻细胞，获得可以进行光合作用的离体叶绿体，进行如下图所示的实验，下列叙述不正确的是( )
A．离体的叶绿体中能合成糖类
B．碳酸氢钠所起的作用是提供二氧化碳
C．烧杯中的液体改为氢氧化钠会导致该实验无糖类产生
D．灯与锥形瓶之间的距离不影响光合作用的强度
D [灯与锥形瓶之间的距离表示不同的光照强度，光照强度影响光合作用的强度。]
4．紫外线为高能量光线，在生物体内易激发形成超氧化物，致使脂质氧化而破坏其功能。据此分析，植物短暂暴露在高紫外线条件下，光合作用立即明显受到抑制最可能的原因是( )
A．细胞膜受到破坏 B．类囊体受到破坏
C．暗反应受到抑制 D．DNA受到破坏
B [光合作用光反应过程利用光能，光反应的场所是类囊体薄膜。]
5．为提高甜椒产量，科研人员对温室栽培甜椒的光合作用特性进行了研究。
请回答问题：
(1)温室内易形成弱光环境。弱光下，光反应阶段产生的ATP和________较少，影响暗(碳)反应阶段中________的还原，使糖类等有机物的合成减少。必要时，可根据光合作用的特性进行人工补光。
(2)科研人员选择6月晴朗的一天，测定甜椒植株上部、中部和下部叶片的光合速率，结果如图。
①据图可知，各部分叶片在________时光合速率均达到最大值，________部叶片的光合速率最高。
②光合速率差异可能与不同部位叶片光合色素含量有关。为比较光合色素含量的差异，先称取__________，再分别加入等量的________和少量的二氧化硅、碳酸钙等研磨、过滤，获得色素提取液，测定光合色素含量。
③在大田种植的条件下，甜椒有明显的“光合午休”现象，这是由于中午部分气孔关闭，进入叶片内的________量减少，光合速率下降。由于人工调节了温室内的____________等条件，温室种植的甜椒很少出现“光合午休”现象，从而实现增产效果。
[解析] (1)弱光下，光反应减弱，此阶段产生的ATP和NADPH减少，影响暗(碳)反应阶段C3的还原过程，使得糖类等有机物的合成减少。
(2)①据图分析可知，10：00时，各部位的叶片的光合速率均达到最大值，原因是10：00左右光照较强，上部叶片采光较好，光合速率最高。
②比较不同部位叶片光合色素含量需要先称取等量的上部、中部和下部叶片，用无水乙醇作为溶剂进行提取。
③大田种植的条件下，中午光照较强，温度较高，植物为避免水分过度散失，部分气孔关闭，导致进入叶片内的二氧化碳量减少，光合速率下降。人工调节温室内的温度和光照等条件，可以减少光合午休现象，实现增产效果。
[答案] (1)NADPH C3 (2)①10：00 上 ②上部、中部和下部叶片 无水乙醇 ③CO2 温度和光照
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