生物人教版（2019）必修1 5.4光合作用与能量转化（共73张ppt）

(共73张PPT)
第4节 光合作用与能量转化
第五章 细胞的能量供应和利用
问题探讨
植物工厂
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密的控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分条件下，生产蔬菜和其他植物。有的蔬菜工厂完全依赖LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色光源。
讨论
1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？
1、靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
用人工光源可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成的减产。同时，人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。
二氧化碳浓度、营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态。
2、为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？
问题探讨
在植物工厂里，人工光源可以为植物的生长源源不断地提供能量。在自然界，则是万物生长靠太阳。太阳光能的输入、捕获和转化是生物圈得以维持运转的基础。光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。那么植物捕获光能的特定物质和结构是什么？
问题探讨
第一课时 捕获光能的色素和结构
第4节 光合作用与能量转化
玉米中有时会出现白化苗，白化苗由于不能进行光合作用，待种子中的营养成分消耗完后就会死亡，这说明光合作用离不开色素的作用。那么，绿叶中与光合作用有关的色素和结构有哪些呢？它们有什么特点和功能呢？
一、捕获光能的色素
1. 实验原理
①.绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以用无水乙醇可提取叶绿体中色素（萃取法）。
②.色素都能溶解在层析液中，但不同的色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸条上的扩散得快，反之则慢。因此，绿叶中的色素随层析液在滤纸条上的扩散速度不同，将不同的色素分离（纸层析法）。
探究 实践
（一）实验——绿叶中色素的提取与分离
新鲜的绿叶 （深绿，色素含量高。如菠菜的绿叶）
无水乙醇 （可用体积分数95%的乙醇，加入适量无水碳酸钠，除去乙醇中水分）
层析液 （石油醚∶丙酮∶苯=20∶2∶1）
二氧化硅和碳酸钙（研磨充分/防止研磨中色素被破坏）
2. 实验材料用具
（一）实验——绿叶中色素的提取与分离
3.1 提取色素
3. 实验步骤
称取5g鲜叶，剪碎，放入研钵中
加少许的二氧化硅和碳酸钙 与10ml无水乙醇，迅速研磨
将研磨液倒入玻璃漏斗中进行过滤(单层尼龙布)
将滤液收集到试管中，用棉塞塞严(防止溶剂挥发和色素分子被氧化)
（一）实验——绿叶中色素的提取与分离
3.2 制备滤纸条
将干燥的定性滤纸剪成宽度小于试管直径、长度小于试管长度的滤纸条，将滤纸条的一端剪去两个角（减少边缘效应，使滤液同时到达滤液细线），并在距这端1cm处用铅笔画一条细的横线。
1cm
铅笔线
要剪去两角
3. 实验步骤
3.3 画滤液细线
用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线。等滤液干后再画一到两次。
3. 实验步骤
3.4 分离色素
将适量的层析液倒入烧杯中，将滤纸条(有滤液细线的一端朝下)轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口（防止层析液挥发）。
注意：不能让滤液细线接触层析液（防止色素溶解在层析液中）
层析液
培养皿
3. 实验步骤
3.5 观察与记录
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
3. 实验步骤
4.实验结果
叶绿素
类胡萝卜素
（含量约3/4）
（含量约1/4）
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
绿叶中的色素
功能：吸收、传递和转化光能
（一）实验——绿叶中色素的提取与分离
5.注意事项
1.因丙酮和层析液都是易挥发且有一定毒性的有机溶剂，所以研磨要快，收集的滤液要用棉塞塞住，层析时要加盖，尽量减少有机溶剂的挥发。
2.在研磨时要加少许二氧化硅，目的是为了研磨充分，有利于色素的提取；加少许碳酸钙的目的是为了防止研磨过程中，叶绿体中的色素受到破坏。
3.分离色素时，一定不要让滤纸条上的滤液细线接触到层析液，这是因为色素易溶解在层析液中，导致色素带不清晰，影响实验效果。
（一）实验——绿叶中色素的提取与分离
（一） 捕获光能的色素
1.色素的种类：叶绿素a和叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素
3.光谱和色素的吸收光谱
2.色素的功能：吸收、传递、转化光能
太阳光穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带称为光谱。分别让不同颜色的光照射色素溶液，可以得到色素的吸收光谱。
一、捕获光能的色素
叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱
叶绿素a和叶绿素b主要吸收 ；
胡萝卜素和叶黄素主要吸收 。
蓝紫光和红光
蓝紫光
（二）色素吸收的光谱
1、温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？
选无色透明的塑料薄膜；大棚内照明灯在功率相同的情况下，最好选蓝紫光和红光。
2、叶片呈现绿色的原因
绿叶中的色素对绿光吸收最少，绿光反射进入眼睛的量最多，所以叶片看起来是绿色的。
与生活的联系
3、秋季为什么变黄了？
秋季温度降低，叶绿素分子在低温下被破坏，而类胡萝卜素较稳定，所以显出类胡萝卜素的颜色。
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
外膜
内膜
基粒
基质
类囊体
类囊体薄膜上
类囊体薄膜和基质
色素分布：
酶分布：
1.叶绿体结构
极 细 光 束
均匀光照
极细光束照射
完全曝光
好氧细菌集中于叶绿体被光束照射的部位
好氧细菌分布于叶绿体所有受光部位
水 绵
好氧细菌
黑暗 无空气
恩格尔曼的实验一
2、叶绿体的功能
结论：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是光合作用的场所。
三棱镜
好氧细菌聚集在红光和蓝紫光的区域
照射 水绵
结论：叶绿体主要吸收红光和蓝紫光
综合得出：叶绿体是光合作用的场所
恩格尔曼的实验二
2、叶绿体的功能
1、恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
水绵：
叶绿体呈螺旋式带状，便于观察
好氧细菌：
确定释放氧气多的部位
无空气黑暗环境：
排除氧气和光的干扰
极细光束：
叶绿体上可分为光照多和光照少的部位（对比实验）
暴露于光下：
验证实验结果
问题探究
2、在实验二中，为什么大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域？
因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光照射下，叶绿体释放氧气多，适于好氧细菌在此区域分布
3、光合作用的场所只能是叶绿体吗？
蓝藻、光合细菌等没有叶绿体也能进行光合作用
问题探究
光合作用与能量转化
绿叶中色素的提取和分离
叶绿体的结构适于进行光合作用
实验原理
实验过程
实验结论
无水乙醇，层析液
叶绿素
类胡萝卜素
红光
蓝紫光
蓝紫光
色素
叶黄素
胡萝卜素
叶绿素a
叶绿素b
（蓝绿色）
（黄绿色）
（橙黄色）
（黄色）
含量约占3/4
含量约占1/4
形态:
结构:
功能: 叶绿体是进行光合作用的场所
课堂小结：
1、如果在圆形滤纸的中央点开始，对叶绿体的色素进行层析，会看到什么现象？
会出现四个同心圆的色素带，从外往里依次为：胡萝卜素(橙黄色)、叶黄素(黄色)、cha(蓝绿色)、chb(黄绿色)。
巩固练习
2.四位同学，利用新鲜绿色菠菜叶进行叶绿体中色素的提取和分离实验时，得到了四种不同的层析结果。下列分析错误的是
A.甲可能误用蒸馏水作提取液和层析液
B.乙可能是因为研磨时加入无水乙醇过多
C.丙可能是正确操作得到的理想结果
D.丁可能是研磨时未加入CaCO3
巩固练习
3. 分别在A、B、C三个研钵中加2克剪碎的新鲜菠菜绿叶，并按下表所示添加试剂，经研磨、过滤得到三种不同颜色的溶液，即：深绿色、黄绿色、几乎无色。
处理 A B C
SiO2（少量） + + +
CaCO3（少量） － + +
95%乙醇（10mL） + － +
蒸馏水（10mL） － + －
注：“+”表示加；“－”表示不加。
巩固练习
试回答：
（1）A处理得到的溶液颜色是________，
原因是______________ ______。
（2）B处理得到的溶液颜色是__ ______，
原因是________________________。
（3）C处理得到的溶液颜色是_ _______，
原因是____________________ ___。
黄绿色
部分叶绿素受到破坏
几乎无色
叶绿素不溶于水
深绿色
大量叶绿素溶于乙醇中
巩固练习
第二课时 光合作用的原理和应用
第4节 光合作用与能量转化
指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把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。
1、光合作用的概念
二、光合作用的原理和应用
（一）光合作用
CO2 + H2O （CH2O) + O2
光能
叶绿体
2、光合作用的反应式
（二）光合作用的原理
探究光合作用原理的部分实验
思考 讨论
1、19世纪末，科学家普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C和H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。
2、1928年，科学家发现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。
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
（二）光合作用的原理
探究光合作用原理的部分实验
思考 讨论
3、1937年，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H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。
希尔反应：离体的叶绿体在适当的条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应。
结论：水的光解产生氧气。氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。
4Fe3+ + 2H2O 4Fe2+ + 4H+ + O2
光能
叶绿体
（二）光合作用的原理
探究光合作用原理的部分实验
思考 讨论
4、1941年，鲁宾和卡门用同位素示踪法，研究了光合作用中氧气的来源。
CO2
H218O
光照射下的
小球藻悬液
C18O2
H2O
18O2
O2
结论：光合作用释放的氧来自水。
（二）光合作用的原理
探究光合作用原理的部分实验
思考 讨论
5、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等物质时，体系中就会有ATP出现。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
结论：在光照时，叶绿体中生成了ATP。
H2O O2 + 2H+ + 能量
光照
叶绿体
尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系：
ADP+Pi ATP
（二）光合作用的原理
探究光合作用原理的部分实验
思考 讨论
6、1946年开始，美国的卡尔文等用放射性同位素14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，探明了CO2中的C是如何转化为有机物中的碳的。
光合作用过程是否需要光能划分：光反应和暗反应（碳反应）。
（二）光合作用的原理
1、光反应阶段
光合作用第一阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。
叶绿体中
的色素
光能
H2O
水在光下分解
O2
NADPH
ADP+Pi
酶
ATP
光、色素、酶、水
叶绿体的类囊体薄膜上
水的光解：
2H2O 4NADPH + O2
光能
ATP的合成：
ADP＋Pi ＋ 能量 ATP
酶
场 所：
条 件：
物质变化
能量变化
光能 ATP中活跃的化学能
1、光反应阶段
2、暗反应阶段
光合作用第二阶段的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。
CO2
C5
固 定
2C3
NADPH
供氢
酶
(CH2O)
淀粉、蔗糖
多种酶
参加催化
还原
酶
ATP
供能
ADP+Pi
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
叶绿体的基质中
ATP
NADPH 、
ADP+Pi
2C3 CH2O) + H2O + C5
酶
NADPH 、ATP、酶、CO2
场所：
条件：
物质变化
能量变化
ATP中活跃的化学能
有机物中稳定的化学能
2、暗反应阶段
3、光合作用过程图解
光反应阶段
（叶绿体类囊体薄膜）
暗反应阶段
（叶绿体基质）
ADP+Pi
NADP+
CO2
2C3
C5
（CH2O）
多种酶
参加催化
固
定
还
原
ATP
NADPH
光能
叶绿体
中的色素
O2
水的光解
H2O
4、光反应与暗反应的区别和联系
暗反应
光反应
比较项目
能量变化
联 系
物质变化
条 件
场 所
类囊体薄膜上
叶绿体的基质
需光,色素和酶
不需光,色素;需酶
2H2O ─→ 4H++O2↑
光解
ADP+Pi+能量─→ATP
酶
CO2+ C5 ─→ 2C3
酶
2C3 ─ ─→ (CH2O)+C5
ATP、[H] 酶
稳定的化学能
光能 活跃的化学能
光反应为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP+
1、NADPH和ATP的移动途径是什么？
从类囊体薄膜到叶绿体基质；
2、NADP+和ADP的移动途径呢？
从叶绿体基质到类囊体薄膜；
3、NADPH的作用？
①.活泼的还原剂；
②.储存部分能量供暗反应阶段利用；
思考 讨论
4、光合作用中元素的转移
①H的转移：
H2O → NADPH→ (CH2O )
②C的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
③O的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
H2O → O2
思考 讨论
6CO2+12H2O
光能
叶绿体
C6H12O6+6H2O+6O2
（三）光合作用原理的应用
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。
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
一、实验原理：
叶片含有空气，上浮
抽气
叶片下沉；
O2充满细胞间隙，叶片上浮。根据单位时间小圆形叶片浮起的数量的多少，探究光照强度与光合作用强度的关系。
光合作用
产生O2
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
二、方法步骤：
1.打孔：用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
二、方法步骤：
2.将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
二、方法步骤：
3.将处理过圆形小叶片放入清水中，黑暗保存
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
二、方法步骤：
4.取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液）
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
二、方法步骤：
5.向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片，分别置于强、中、弱光下
项目　 　 烧杯　 　 小圆形叶片 加富含CO2 的清水 光照强度 叶片浮
起数量
1 10片 20 mL 强 多
2 10片 20 mL 中 中
3 10片 20 mL 弱 少
6.观察并记录结果
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
二、方法步骤：
三、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。
第三课时 影响光合作用的因素
第4节 光合作用与能量转化
2、影响光合作用的因素
（三）光合作用原理的应用
光：光照强度、光质、光照时间
CO2的浓度、H2O
矿质元素（Mg合成叶绿素）
温度
外因：
内因：
酶的种类、数量
色素的含量
叶龄不同
（1）光照强度
A点：只进行细胞呼吸，CO2释放量表明此时的呼吸强度。
B点：光补偿点，即光合作用强度=细胞呼吸强度。
C点：光合作用强度最大。C点之前限制光合作用因素是光照强度，
C点之后限制因素是CO2 、温度等
光补偿点
光饱和点
AB段：光合<呼吸
BC段：光合>呼吸
D
D点：光饱和点，增加光照强度光合作用强度不再增加。
1.间作(几种作物同时期播种)、
套种(几种作物不同时期播种)
2.轮作(几种作物轮换种植)
3.合理密植,增加光合作用面积
4.温室大棚,使用无色透明玻璃
应用：
光补偿点
光饱和点
D
（1）光照强度
（2）CO2浓度
C点：CO2补偿点（表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度）；
D点：CO2饱和点（两组都表示在一定范围内CO2浓度达到该点后，光合作用强度不再随CO2浓度增加而增加）。
应用：1.多施有机肥或农家肥
2.温室栽培植物时还可使用CO2发生器等.
3.大田中还要注意通风透气.
B点 ：进行光合作用所需CO2的最低浓度
A
B
C
D
0
吸收CO2
释放CO2
CO2浓度
（3）温度
最适温度下植物光合作用最大，植物体内的酶最适温度在40~50℃之间。
温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减弱。
应用：1.适时播种
2.温室中,白天适当提高温度,
晚上适当降温
3.植物“午休”现象
CO2
H2O
O2
一天的时间
O
光合作用强度
12
13
11
A
B
C
D
E
9 10
15 16 17
14
夏季晴天的中午气温高，植物为防止蒸腾失水而关闭气孔，CO2吸收减少，进而降低光合速率。
“午休”现象：
P106页
光照强度
N：光合酶及NADP+和ATP的重要组分
P：NADP+和ATP的重要组分
K：促进光合产物向贮藏器官运输
Mg：叶绿素的重要组分
（4）矿质元素
应用：合理施肥
（5）水
1.水是光合作用的原料
2.水是体内各种化学反应的介质
3.水直接影响气孔的开闭,间接影响CO2进入
应用：预防干旱 合理灌溉
练习.在密闭容器内，受光照等环境因素的影响，某植物净光合速率的变化如图所示。请回答下列问题(不考虑O2浓度变化对呼吸速率的影响)：
(1)t0→t1，密闭容器内CO2浓度将________
(2)在t2时，叶肉细胞内合成ATP的场所有__________________。
(3)t3→t4，净光合速率下降的主要环境因素是________。
(4)在t4后的短时间内，叶绿体中ATP含量将________
(5)t5→t6，限制光合作用的主要环境因素是________。
增加
细胞质基质.线粒体.叶绿体
CO2浓度　
减少
温度
1.光合作用速率：一定时间内、单位面积CO2等原料的消耗量或O2、(CH2O)等产物生成量来表示。
植物在进行光合作用的同时，还进行呼吸作用。实际测量到的光合作用指标是净光合作用速率，称为表观光合速率。
单位时间、单位面积积累的有机物的量。
单位时间、单位面积释放的O2的量。
单位时间、单位面积吸收的CO2的量。
（四）光合作用速率的测定
2.测定方法：
①先将植物置于黑暗中，测量呼吸速率 。
②在有光条件下，测定表观光合速率。
③计算：实际(真正)光合速率＝表观光合速率＋呼吸速率。
（四）光合作用速率的测定
光照强度 0 1 2 3 4 5
O2释放
例如：根据O2的变化量测定光合速率
O2
释放
量
0
O2
吸
收
量
光照强度
光补偿点
光饱和点
·
·
·
A
B
C
呼吸速率
净光合速率
总光合速率
（五）化能合成作用
1、异养生物：只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。例如人、动物、真菌及大多数的细菌。
2、自养生物：以无机物转变成为自身的组成物质。
光能自养生物：以光为能源，以CO2和H2O（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。例如：绿色植物。
化能自养生物：利用环境中某些无机物氧化时释放的能量将CO2和H2O（无机物）合成糖类（有机物）。例如：硝化细菌。
硝化细菌能够利用体外环境中的NH3氧化时所释放的能量来制造有机物 。
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
6CO2+12H2O C6H12O6+ 6O2+6H2O
能量
酶
新陈代谢
同化作用
异化作用
需氧型
厌氧型
红螺菌的同化作用属于兼性营养型
酵母菌的异化作用属于兼性厌氧型
自养型
异养型
光能自养型
化能自养型
归纳总结
1. 在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是（　　　）
　　A. 红光，ATP下降
　　B. 红光，未被还原的C3上升
　　C. 绿光，NADPH下降
　　D. 绿光，C5上升
C
巩固练习
2. 图示适宜条件下，甲、乙两种植物叶片的CO2净吸收速率与CO2浓度的关系，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. 适当增加光照强度，a点将左移
　　C. CO2浓度为b时，甲、乙总光合作用强度相等
　　D. 甲植物体内[H]的含量在CO2浓度为b时比在a时高
B
巩固练习
巩固练习
3、下图是夏季晴朗的白天，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：
（1）7～10时的光合作用强度不断增强原因：
（2）12时左右的光合作用强度明显减弱原因：
（3）14～17时的光合作用强度不断减弱原因：
光照不断减弱，光合作用强度不断减弱。
光照不断增强，光合作用强度不断增强。
温度很高，蒸腾作用很强，气孔关闭，
二氧化碳供应减少，光合作用强度明显减弱。
A
B
D
C
E
时间
光
合
作
用
速
率
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
4、下图是在一定的CO2浓度和温度下，某阳生植物CO2的吸收量和光照强度的关系曲线，据图回答：
5
10
15
20
25
30
35
5
10
20
15
光照强度（Klx）
25
CO2吸收量 mg/dm2·h
b
c
d
-5
巩固练习
⑴该植物的呼吸速率为每小时释放CO2___mg/dm2。
⑵b点表示 。
5
光合作用与呼吸作用速率相等
巩固练习
5
10
15
20
25
30
35
5
10
20
15
光照强度（Klx）
25
CO2吸收量 mg/dm2·h
b
c
d
-5
⑶若该植物叶面积为10dm2，在光照强度为25Klx条件下光照1小时，则该植物进行光合作用时叶绿体吸收CO2 ____mg。　　
250
巩固练习
5
10
15
20
25
30
35
5
10
20
15
光照强度（Klx）
25
CO2吸收量 mg/dm2·h
b
c
d
-5
⑷若白天光照强度较长时期为b该植物能否正常生长？为什么？　
不能正常生长。
白天光照强度为b时，无有机物积累，而夜间消耗有机物，从全天来看，有机物的消耗多于积累，不能正常生长。
巩固练习