人教版（2019）生物必修1教案：5-4 二 光合作用的原理和应用 第2课时 光合作用原理的应用

第5章 细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转化
二　光合作用的原理和应用
第2课时 光合作用原理的应用
【素养导引】
1.科学思维:构建模型,说出影响光合作用的因素。
2.科学探究:设计实验,探究环境因素对光合作用的影响。
3.社会责任:应用光合作用的原理,指导农业生产。
一、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.表示方法:
二、探究环境因素对光合作用强度的影响
1.实验步骤:
2.实验现象:
光照强度 光合作用强度(单位时间内叶片上浮数目)
弱光 少甚至没有
中光 较多
强光 多
3.实验结论:光照强度影响光合作用强度,在一定光照强度范围内,随光照强度的增强,光合作用强度增强。
三、影响光合作用强度的环境因素
1.影响原料、能量供应的因素:CO2浓度、光照强度情况等。
2.影响叶绿体的形成和结构的因素:无机营养、病虫害。
3.影响酶活性的因素:温度、pH等。
[思考]　气孔开闭情况是如何影响光合作用强度的
提示:通过影响CO2的供应进而影响光合作用强度。
大棚种植丰富了我们的餐桌。结合所学知识判断:
1.大棚种植时,白天应开窗通风以提高光合作用速率。 (√)
2.阴雨天可采用补充光源进行补光。 (√)
3.大棚所用的覆盖薄膜最好是红色或蓝色。 (×)
分析:大棚薄膜应选用白色的,利于各种颜色光透过。
学习任务一:探究环境因素对光合作用强度的影响
1.实验原理分析:
(1)利用抽气法排出叶片细胞间隙中的气体,使其沉入水中。
(2)通过改变小烧杯与光源的距离控制光照强度。
(3)依据一定时间内圆形小叶片上浮的数量来比较光合作用强度。
2.实验操作要点分析:
实验操作 操作目的
用直径为1 cm的打孔器打出圆形小叶片30片,平分为3组 ①圆形小叶片的大小为无关变量②进行平行重复实验,减少实验误差
排出细胞间隙中的气体 ①防止实验前细胞间隙中的气体对实验结果造成影响②将上浮圆形小叶片数量作为观测指标
质量分数为1%~2%的NaHCO3溶液 提供二氧化碳
通过调整小烧杯与光源的距离来调节光照强度 控制实验的自变量
　[思考探究]　光照下叶片上浮,请分析其中的原因并在下图中绘制叶肉细胞气体交换图。
提示:圆形小叶片的光合作用强度大于细胞呼吸强度,叶片的细胞间隙氧气增多。
　(2022·福州高一检测)某兴趣小组探究CO2浓度对不同叶龄的菠菜叶光合作用的影响①,结果如下表,下列分析不合理的是 (　　)
NaHCO3浓度 叶圆片开始上浮时间(min)
幼叶 成熟叶
0 * *
1% 21 15
2% 14 8
3% 11 6
4% 10 5
注:表中*表示未见上浮
A.光合作用产生的O2填充细胞间隙,当浮力大于重力时,叶片上浮
B.叶圆片开始上浮所需的时间越长,代表光合作用强度越大
C.不同叶龄菠菜叶光合作用强度的差异与光合色素含量有关
D.光照强度、温度属于无关变量,对实验结果也有影响
　　[解题思维]
提取关键点 ①CO2浓度对不同叶龄的菠菜叶光合作用的影响表格信息:不同的NaHCO3浓度、叶圆片上浮时间
转化知识点 探究环境因素对光合作用强度的影响实验分析
排除障碍点 应明确叶圆片上浮所需的时间反应的是光合作用产生氧气的量
【解析】选B。光合作用产生的氧气可用于呼吸作用消耗,当光合作用产生的氧气大于呼吸作用消耗的氧气时,释放的氧气填充在细胞间隙,使叶片浮力增加,当浮力大于重力时,叶片上浮,A正确;叶圆片开始上浮所需的时间越长,说明光合作用产生的氧气越少,因此可代表光合作用强度越小,B错误;光合色素可吸收、转化光能,进而影响光合速率,不同叶龄菠菜内的光合色素含量不同,因此光合作用强度也存在差异,C正确;该实验为探究CO2浓度对不同叶龄的菠菜叶光合作用的影响,因此自变量为CO2浓度,而光照强度、温度属于无关变量,对实验结果也有影响,D正确。
1.用打孔器获取大小、部位相同的若干圆叶片,探究光照强度对光合作用强度的影响。实验中最合理的单位时间内观察指标是 (　　)
A.吸收二氧化碳的量
B.浮起叶片的数量
C.产生淀粉的量
D.放出氧气的量
【解析】选B。抽气的圆叶片下沉,在一定的光照强度下,光合作用强度大于呼吸作用强度,光合作用产生的氧气充满细胞间隙,叶片上浮。所以,该实验是通过同一时间段内小叶片浮起的数量来衡量光合作用的强度的。
2.(2022·成都高一检测)下列有关“探究光照强弱对光合作用强度影响”的实验,叙述错误的是 (　　)
A.只能通过调节台灯与实验装置间的距离来控制自变量
B.实验中的无关变量有温度、CO2浓度、植物种类、光照时间等
C.检测因变量的方法可以是观察并记录同一时间段内小圆形叶片浮起的数量
D.光合作用的强度可以通过测定一定时间内原料消耗或产物生成的数量来表示
【解析】选A。可通过调节台灯与实验装置间的距离来控制自变量,也可通过相同距离、不同瓦数的灯泡来控制,A错误;实验中的自变量为光照强弱,无关变量有温度、CO2浓度、植物种类、光照时间等,无关变量应保持相同且适宜,B正确;检测因变量的方法可以是观察并记录同一时间段内小圆形叶片浮起的数量,也可观测浮起相同数量的叶片所用时间的不同,C正确;光合作用的原料是二氧化碳和水,产物是氧气和有机物,光合作用的强度可以通过测定一定时间内原料消耗或产物生成的数量来表示,D正确。
　【补偿训练】
　取某种植物生长状态一致的新鲜叶片,用打孔器打出若干圆片,圆片平均分成甲、乙、丙三组,每组各置于一个密闭装置内,并分别给予a、b、c三种不同强度的光照,其他条件一致。照光相同时间后,测得各装置内氧气的增加量如图所示,下列叙述错误的是 (　　)
A.装置内增加的氧气来自水
B.光照强度为a时,光合作用停止
C.丙组装置内的CO2含量照光后比照光前低
D.该图反映了光合作用强度与光照强度的关系
【解析】选B。光合作用中O2来自光反应中水的光解,A正确;光照强度为a时,氧气增加量为零,说明此时光合速率等于呼吸速率,B错误;丙装置氧气增加,说明光合速率大于呼吸速率,叶片释放氧气的同时需要吸收CO2,所以装置中CO2减少,C正确;该图反应了光照强度与光合作用强度的关系,D正确。
学习任务二:影响光合作用强度的因素与应用
1.光照强度:
(1)原理:光照强度通过影响植物的光反应进而影响光合作用速率。
(2)模型及曲线分析:
A点 光照强度为0时,只进行细胞呼吸,CO2的释放量可代表呼吸速率
AB段 随着光照强度增大,光合速率逐渐增大,CO2释放量逐渐减少,此段呼吸速率大于光合速率
B点 光合作用速率等于呼吸速率,此时的光照强度为光补偿点
BC段 随着光照强度增大,光合速率也不断增大,此段光合速率大于呼吸速率,净光合速率大于0
C点 C点后光合作用速率不再随着光照强度的改变而改变,C点对应的光照强度为光饱和点
(3)应用。
①阴雨天,在温室大棚生产过程中,适当增加光照强度,可以提高光合速率,使作物增产。
②一般阴生植物的光补偿点和光饱和点都比阳生植物的低,间作套种,可合理利用光能。
[思考探究]　据图分析,A点和B点时细胞中产生ATP的场所有哪些
提示:A点时只进行呼吸作用,产生ATP的场所有细胞质基质和线粒体;B点时进行光合作用和呼吸作用,产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体(类囊体薄膜)。
2.CO2浓度:
(1)原理:CO2浓度通过影响暗反应阶段,进而影响光合作用速率。
(2)模型及曲线分析:
关键点分析:
CO2浓度 光合作用强度
0 光合作用强度为0,此时只进行细胞呼吸,A代表呼吸速率
0.01% 光合作用强度等于细胞呼吸速率,此时的CO2浓度为CO2补偿点
0~0.06% 随着CO2浓度的增加,光合作用强度增加
0.06% 光合作用强度达到最大值,此时的CO2浓度为CO2饱和点
(3)应用。
①栽种农作物时“正其行,通其风”,增大CO2浓度,从而提高光合作用速率。
②在农业生产上可通过增施农家肥等措施来增大CO2浓度,提高光合作用速率。
[思考探究]　在北方的冬暖大棚中施用有机肥为什么能提高大棚蔬菜的产量
提示:有机肥中的有机物被土壤中的微生物分解,释放出热量和CO2,提高了大棚内的温度和CO2浓度,有利于光合作用的进行,另外还生成各种无机盐,增加了土壤的肥力。
3.温度:
(1)原理:温度通过影响酶的活性进而影响光合作用速率。
(2)模型及曲线分析:
(3)应用。
①适时播种。
②温室栽培植物时,白天将温度调到光合作用的最适温度,以提高光合速率;晚上适当降低温度,以降低呼吸速率,保证植物有机物的积累。
　　　【拓展归纳】
水及矿质元素对光合作用的影响:
(1)原理:①N、Mg等是叶绿素合成的必需元素,若这些元素缺乏,会影响叶绿素的合成从而影响光合作用。
②水既是光合作用的原料,又是体内各种化学反应的介质,水还会影响气孔的开闭,从而影响CO2进入植物体。
(2)曲线:
　【深化探究】
温室生产中昼夜温差越大,农作物产量越高吗
提示:昼夜温差并非越大越好,因为夜晚温度过低时,会影响与细胞呼吸有关的酶的活性,当细胞呼吸被过度抑制时,必将减弱植物根对矿质元素离子的吸收等代谢过程,显然这对农作物生长不利。
【学习加点料】
　思维易错:CO2浓度越高,植物的光合作用速率越高吗 为什么
提示:不一定。CO2浓度过高会抑制植物的细胞呼吸,影响光合作用原料的吸收、产物的运输等,从而导致植物光合作用强度降低。
　(2022·鄂尔多斯高一检测)研究人员在不同光照强度下①(其他条件恒定②)测定某高等绿色植物的O2释放速率③并绘制出图所示的曲线。据图分析,下列叙述正确的是 (　　)
A.B点时,该植物的O2释放速率为0的原因是该植物不进行光合作用
B.C点时,该植物叶肉细胞中产生O2的场所是叶绿体基质
C.D点时,该植物通过光合作用产生O2的速率是10 mg·h-1
D.D点之后O2释放速率不再增加可能是受温度、CO2浓度等的限制
[解题思维]
提取关键点 ①不同光照强度下②其他条件恒定③O2释放速率
转化知识点 光照强度对光合速率影响因素的曲线分析
排除障碍点 O2释放速率表示的是净光合速率,真光合速率=净光合速率(O2释放速率)+呼吸速率
【解析】选D。B点时,该植物的O2释放速率为0的原因是光合作用产生O2的速率等于细胞呼吸消耗O2的速率,A错误;C点时,光合作用的光反应阶段产生O2,其场所为叶绿体类囊体薄膜,B错误;该植物通过细胞呼吸消耗O2的速率是
5 mg·h-1,故D点时,该植物通过光合作用产生O2的速率是10+5=15(mg·h-1),C错误;D点之后,可能受温度、CO2浓度等环境因素的限制,该植物的光合速率不再增加,D正确。
[借题发挥]　图中B、C、D三点与曲线横坐标围成的面积的意义是什么
提示:B~D时间内O2的释放总量。
(2022·重庆高一检测)在温室中栽培作物,为了保证作物的产量,错误的做法是 (　　)
A.温室应尽量选择透明薄膜
B.温室补光可选择红光或蓝紫光
C.夏季晴朗白天的中午可适当对大棚遮阴
D.持续阴雨天气下,昼夜恒温有利于植物生长
【解析】选D。在白光下植物的光合速率最大,因此应选择无色透明的材料作为温室的棚顶,利于温室作物的生长,A正确;光合色素主要吸收可见光中的红光和蓝紫光,绿光吸收最少,所以给温室补光可选择红光或蓝紫光,B正确;夏季晴朗的中午光照强烈,为了避免失水过多,气孔关闭,造成二氧化碳供应不足,影响作物的光合速率,故夏季晴朗白天的中午可适当对大棚遮阴,提高作物光合速率,C正确;持续的阴雨天气,植物的光合作用比较弱,制造的有机物就比较少,而植物能进行呼吸作用,要消耗有机物,所以夜晚降低温室温度,保持昼夜温差能抑制植物的呼吸作用,降低有机物消耗,以达到作物增产的目的,D错误。
学习任务三:光合作用典型曲线分析
1.密闭容器(温室大棚)内CO2浓度与时间关系的模型:
关键点分析:
区段 光合作用与细胞呼吸的关系
A~C 呼吸作用强度大于光合作用强度或者只进行呼吸作用
C~F 光合作用强度大于呼吸强度
F~G 呼吸作用强度大于光合作用强度或只进行呼吸作用
C、F 光合作用强度等于呼吸作用强度
2.开放环境中CO2浓度与时间关系的模型:
关键点分析:
区段 光合作用与细胞呼吸关系
MN和PQ 只进行细胞呼吸
NA和EP 光合作用强度小于细胞呼吸速率
AE 光合作用强度大于细胞呼吸速率
C 气孔关闭,CO2吸收减少,光合作用强度降低
A、E 光合作用强度等于细胞呼吸速率
[思考探究]　图中有机物积累量最多的点,有机物制造的时间段分别如何表示
提示:有机物积累量最多点是E点,制造有机物的时间段为N~P。
　【拓展归纳】
植物有机物积累量与光合作用、细胞呼吸的关系
(1)植物体的光合作用强度大于细胞呼吸速率,植物有机物的积累量增加,植物能正常生长。
(2)植物叶肉细胞的光合作用强度等于细胞呼吸强度,植物体的有机物积累量减少,因为植物体叶肉细胞可进行光合作用,而其他细胞只进行细胞呼吸。
【学习加点料】
北方夏季中午,大棚中光照充足而光合作用强度明显减弱,原因是光合作用的哪个过程受到限制 此时可以采取什么措施以提高光合作用强度
提示:夏季中午,蒸腾作用强,气孔大量关闭,CO2吸收量减少,使光合作用的暗反应受到限制。此时可采取适当遮光的措施来提高光合作用强度。
　将密闭玻璃罩①中的一株天竺葵从0时开始到上午10时②(此时光照和温度等外界条件适宜③)置于室外,测得其CO2浓度变化情况如图所示,下列分析正确的是 (　　)
A.D时刻叶肉细胞呼吸作用强度小于光合作用强度
B.EF段光合作用速率下降
C.若实验继续进行,短时间内CO2浓度将上升
D.B时刻叶绿体、线粒体、细胞质基质均能产生ATP
[解题思维]
提取关键点 ①密闭玻璃罩②0时开始到上午10时③光照和温度等外界条件适宜
转化知识点 曲线特殊点的分析、光合作用与呼吸作用的场所
排除障碍点 曲线表示玻璃罩内CO2浓度随时间的变化而变化,玻璃罩内CO2浓度下降,不能直接表示光合作用速率下降
【解析】选A。D时刻整个植株的呼吸作用强度等于叶肉细胞的光合作用强度,故该时刻叶肉细胞光合作用强度大于其本身的呼吸作用强度,A正确;由曲线图可知,EF时段对应的时间为8~10点,此时间段光照强度增加,光合速率是变大的,B错误;若实验继续进行,依然能够进行光合作用,且光合作用强度大于呼吸作用强度,因此短时间内CO2浓度将下降,C错误;B时刻(凌晨2时)植物只进行呼吸作用,产生ATP的结构是细胞质基质和线粒体,D错误。
[借题发挥]　0~10时间段内,植物体是否有有机物积累
提示:没有,因为0时与10时玻璃罩内CO2浓度相等。
1.(2022·北京高一检测)在晴天中午,密闭的玻璃温室中栽培的玉米,即使温度及水分条件适宜,光合速率仍然较低,其主要原因是 (　　)
A.O2浓度过低
B.O2浓度过高
C.CO2浓度过低
D.CO2浓度过高
【解析】选C。O2浓度对光合速率没有影响,A、B错误;CO2浓度影响光合速率,晴天中午植物气孔关闭影响CO2吸收,导致CO2浓度过低,C正确,D错误。
2.(2021·杭州高一检测)夏季晴朗的一天,甲、乙两株同种植物在相同条件下CO2 吸收速率的变化如图所示,下列说法正确的是 (　　)
A.甲植株在a点开始进行光合作用
B.乙植株在e点有机物积累量最多
C.图中光合作用强度等于呼吸作用强度的点为a、e
D.两曲线b~d段不同的原因可能是甲植株气孔无法关闭
【解析】选D。a点时,甲植株的光合作用强度等于呼吸作用强度;光合作用开始于a点之前,A错误。6~18时,乙植物都要从环境中吸收二氧化碳;该时间段,光合作用强度大于呼吸作用强度,有机物不断积累,18时积累量达到最大值,B错误。CO2吸收速率为0时,植物光合作用强度等于呼吸作用强度,为图中6时及18时对应的点,C错误;b~d段,乙植物气孔关闭,甲植物气孔不关闭,D正确。
　　【方法规律】自主归纳,教师指导
请结合表格,分析图中特殊点的含义:
a点 光合速率等于呼吸速率,净光合速率等于0
c点 光合午休,气孔大量关闭,CO2浓度限制光合速率
18点 光合速率等于呼吸速率,净光合速率等于0
e点 光合作用停止,只进行呼吸作用
景天科植物的碳固定途径
　　　景天科植物A有一个很特殊的CO2同化方式,夜间气孔开放,吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中,如图一所示;白天气孔关闭,液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用,如图二所示。十字花科植物B的CO2同化过程如图三所示,请回答下列问题:
(1)植物A夜晚能吸收CO2,却不能合成(CH2O)的原因是__________________ ________________________________________________________________,白天植物A进行光合作用所需的CO2的来源有____________________________和__________________________。
(2)在上午10:00时,突然降低环境中CO2浓度后的一小段时间内,植物A和植物B细胞中C3含量变化的差异是____________________________。
(3)植物A气孔开闭的特点,与其生活的环境是相适应的,推测植物A生活的环境最可能是____________。
【解析】(1)夜晚时没有光照,光反应不能正常进行,无法为暗反应提供所需的ATP、NADPH,因此植物A夜晚不能合成(CH2O)。白天气孔关闭,液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于植物A进行光合作用,同时细胞有氧呼吸产生的CO2也能用于光合作用。
(2)由于A植物的CO2是由细胞内部提供,故与环境中二氧化碳浓度无关,因此没有变化;而B细胞吸收的CO2减少,同时C3被还原成C5和(CH2O),因此细胞的叶绿体中C3含量减少。
(3)由题意可知植物A夜晚气孔开放,白天气孔关闭,推测其生活环境的特点是可能是炎热干旱。
答案:(1)没有光照,光反应不能正常进行,无法为暗反应提供所需的ATP、NADPH　苹果酸经脱羧作用释放　呼吸作用产生
(2)植物A基本不变,植物B下降
(3)炎热干旱
情境载体 情境类型为生活、学习和实践情境,突出与生活的联系
关键能力↓图文转化 ①夜间气孔开放,吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中
②白天气孔关闭,液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用
学科素养 培养生命观念中的结构与功能观、科学思维中的分析与比较等素养
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