5.4.2　光合作用的原理和应用课件(共56张PPT) 2023-2024学年高一生物人教版（2019）必修第一册

(共56张PPT)
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
第2课时　光合作用的原理和应用
课 程 标 准
1.通过对探索光合作用原理有关的实验分析,阐明光合作用的过程和基本原理。
2.阐明光反应和暗反应的区别与联系,构建相关模型,形成物质和能量观。
3.探究环境因素对光合作用强度的影响,并能根据光合作用原理指导生产实践。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
素养升级 情境命题强突破
基础落实 必备知识全过关
知识点一 光合作用的原理
1.光合作用的概念
叶绿体
光能
CO2+H2O (CH2O)+O2
2.光合作用的探究历程
糖
氧气
H2O
ATP
3.光合作用的过程
(1)光反应阶段
①场所:在_____________上进行。
②条件:必须有__________、叶绿体中的__________和酶。
③过程
类囊体的薄膜
光
色素
氧和H+
NADPH
ATP
(2)暗反应阶段
①场所:在__________中进行。
②条件:有光无光均可,需要多种酶参与。
③过程
叶绿体基质
五碳化合物
C3
ATP
NADPH
NADPH
知识点二 光合作用原理的应用及化能合成作用
1.光合作用的强度
(1)概念:植物在单位时间内通过__________制造糖类的数量。
光合作用
CO2
强弱
2.探究光照强度对光合作用强度的影响的实验
下沉
氧气
上浮
多
强、中、弱
数量
【名师提醒】 “叶片上浮法”中的三点注意
(1)叶片上浮的原因是光合作用产生的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,因为叶脉细胞中没有叶绿体,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。
多
不断增强
3.化能合成作用
(1)概念:利用体外环境中的某些__________氧化时所释放的能量来制造__________。
(2)实例:硝化细菌能利用土壤中的__________氧化成亚硝酸(HNO2),进而氧化成硝酸(HNO3)的过程中所释放的化学能将__________合成糖类,供自身利用。
无机物
有机物
氨(NH3)
CO2和H2O
旁栏边角 想一想
(1)[教材P103思考·讨论]希尔的实验说明水的光解产生氧气,是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水
(2)[教材P105旁栏思考]我们观测到的光合作用指标,如O2的产生量,是植物光合作用实际产生的总O2量吗
提示 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的干扰,也并没有直接观察到氧元素的转移。
提示 不是。用这种方法观察到的O2的产生量,实际是光合作用O2的释放量,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细胞呼吸对O2的消耗。
(3)[教材P105探究·实践]探究环境因素对光合作用强度的影响时,为什么用LED灯而不是普通的白炽灯
提示 普通的白炽灯会产生热量,LED是一种冷光源,可避免实验过程中温度发生变化影响实验结果。
结论语句 辨一辨
(1)植物在夜晚不能进行光反应,只能进行暗反应。(　　)
(2)光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜。(　　)
(3)光合作用过程中产生的ATP可以为细胞内的各项生命活动提供能量。
(　　)
(4)14CO2中C的转移途径是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O)。(　　)
(5)植物的光合作用和细胞呼吸总是同时进行。(　　)
(6)能进行光合作用的生物是自养生物。(　　)
(7)自养生物都能利用光能把无机物转变成有机物。(　　)
×
×
×
×
×
√
×
重难探究 能力素养全提升
主题一　光合作用的原理
情境探究
经过众多科研工作者的努力探索,对光合作用原理的研究已取得了举世瞩目的进展,为指导农业生产提供了充分的理论依据。如1937年,英国植物学家希尔(R.Hill)发现的希尔反应;1941年,美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用同位素示踪的方法,研究了光合作用中氧气的来源等。
(1)什么是希尔反应 该反应的设计思路是什么 证明了什么问题
提示 离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的反应称作希尔反应。该反应在离体叶绿体悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂,不通入CO2,给予光照。通过该反应可推测叶绿体中水光解产生氧气。
(3)光合作用的光反应阶段发生的物质变化和能量变化有哪些
②能量变化
光能转化为活跃的化学能,储存在ATP和NADPH中,均用于暗反应。
(4)光合作用的暗反应阶段发生的物质变化和能量变化有哪些
提示 ①物质变化
CO2的固定:1分子CO2+1分子五碳化合物→2分子三碳化合物。
三碳化合物的还原:在酶的催化下,三碳化合物接受ATP、NADPH释放的能量并被NADPH还原形成五碳化合物和糖类等。
②能量变化
ATP和NADPH中的化学能转化为有机物中的化学能。
(5)若突然降低环境中的CO2浓度,短时间内叶肉细胞中的C3、C5、ATP和NADPH的含量发生怎样的变化
提示 CO2浓度降低,在短时间内,CO2的固定(CO2+C5→2C3)变慢,而C3的还原[2C3→(CH2O)+C5]基本不变,从而导致C3含量下降,C5含量升高。C3含量的持续下降会引起C3的还原变慢,从而导致对NADPH和ATP的消耗量减少,故NADPH和ATP的含量均升高。
方法突破
环境条件改变时光合作用中各物质含量的变化
视角应用
视角1 光合作用的探究实验
1.希尔从细胞中分离出叶绿体,并发现在没有CO2时,给予叶绿体光照,就能放出O2,同时使电子受体还原。希尔反应是H2O+氧化态电子受体→还原态电子受体+1/2O2。在希尔反应的基础上,阿尔农又发现在光下的叶绿体,不供给CO2时,既积累NADPH也积累ATP;进一步实验,撤去光照,供给CO2,发现NADPH和ATP被消耗,并产生有机物。下列关于希尔反应和阿尔农发现的叙述,不正确的是(　　)
A.光合作用释放的O2来自水而不是CO2
B.NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体的薄膜上
C.希尔反应与CO2合成有机物的过程是两个过程
D.光合作用的光反应过程为CO2合成有机物提供ATP和NADPH
B
解析　从希尔反应和阿尔农发现,无法得出NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体的薄膜上的结论,B项错误。
视角2 光合作用过程的综合考查
2.如图为植物细胞光合作用过程的图解,下列相关叙述错误的是(　　)
A.图中A物质包含叶绿素和类胡萝卜素,具有吸收、传递、转化光能的作用
B.图中B代表O2,可供植物呼吸所用;C代表ATP,可供植物主动运输所用
C.图中C的运动方向,是从叶绿体的类囊体薄膜到叶绿体基质
D.图中F过程将ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能
B
解析　A物质是光合色素,光合色素包括叶绿素和类胡萝卜素,分布在叶绿体的类囊体薄膜上,具有吸收、传递、转化光能的作用,A项正确;图中B代表由水的光解产生的O2,光反应阶段产生的O2可以释放到叶绿体外,被细胞呼吸利用,产生的C(ATP)只供给暗反应利用,不能供植物主动运输所用,B项错误;C是光反应阶段产生的ATP,供给暗反应利用,所以ATP运动方向是从叶绿体的类囊体薄膜到叶绿体基质,C项正确;F表示暗反应阶段,暗反应是通过C3化合物的还原反应将ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能储存起来,D项正确。
视角3 不同条件下光合作用过程中物质含量的变化分析
3.[2023山东淄博高一期末]将单细胞绿藻置于适宜的温度、光照以及充足的CO2条件下培养,经过一段时间后,突然停止光照,则下列叙述中不会发生的是(　　)
A.光反应停止,不能形成NADPH和ATP
B.短时间内暗反应仍进行,CO2与C5继续结合形成C3
C.短时间内绿藻体内C3的含量会上升
D.由于没有NADPH和ATP供应,C3不能形成有机物,积累了许多C5
D
解析　光照突然停止,光反应不能进行,不能形成ATP和NADPH,短时间内在CO2充足的条件下,CO2继续与C5结合形成C3,但因NADPH及ATP供应不足,C3的还原受阻,无法合成C5和有机物,故细胞内C3增加,C5减少。
【题后归纳】 光合作用过程中相关物质的变化规律


主题二　影响光合作用的因素
情境探究
根据光合作用的反应式可知,只要影响到原料(水、CO2)、能量(光能)的供应,都可能是影响光合作用强度的因素。叶绿体是光合作用的场所,影响叶绿体的形成和结构的因素,会影响光合作用强度。此外,光合作用需要众多的酶参与,因此影响酶活性的因素(如温度),也是影响因子。
1.在探究环境因素对光合作用强度的影响实验中,自变量和因变量分别是什么 检测指标是什么
提示 自变量是光照强弱;因变量是光合作用强度。检测指标是相同时间内圆形小叶片浮起的数量或浮起相同数量的叶片所用的时间长短。
2.水中圆形小叶片在中、强光下,叶片上浮,试分析其原因并在下图中绘制叶肉细胞气体交换图。
提示 光合作用强度大于细胞呼吸强度,叶片中氧气增多。
3.下图所示为科学家研究环境因素对同一植物光合作用强度的影响。
(1)光照强度对光合作用强度有何影响 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什么
提示 在一定光照强度范围内,随着光照增强,光合作用强度增大,当光照强度超过一定范围后,光合作用强度不再随着光照增强而增大。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。
(2)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什么 试解释其作用原理。
提示 曲线Ⅰ和Ⅱ的CO2浓度相同,光照强度为b时,光合作用强度存在差异的原因是温度不同。温度影响与光合作用有关的酶的活性,进而影响光合作用强度。
方法突破
影响光合作用的因素及在农业生产中的应用
环境因素 对光合作用的影响原理 应用
光 ①光照强度 A点:光照强度为0,此时只进行细胞呼吸,释放的CO2量代表细胞呼吸强度; AB段(不包括A、B两点):随光照增强,光合作用逐渐加强,此段细胞呼吸强度大于光合作用强度; B点:光合作用强度=细胞呼吸强度(B点的光照强度称为光补偿点); BC段(不包括B、C两点):随光照强度增强,光合作用逐渐加强,此段光合作用强度大于细胞呼吸强度; C点:光合作用强度达到最强(C点对应的光照强度称为光饱和点),C点以后限制光合作用的不再是光照强度 ①阴生植物的光补偿点和光饱和点比较低,注意间作套种时农作物的种类搭配;②温室大棚使用无色透明材料;③合理密植,目的是提高光能的利用率
环境因素 对光合作用的影响原理 应用
光 ②光质 全色光(白光)下,植物的光合速率最大,单色光中蓝紫光下植物的光合速率最大,红光次之,绿光最小 ①阴生植物的光补偿点和光饱和点比较低,注意间作套种时农作物的种类搭配;②温室大棚使用无色透明材料;③合理密植,目的是提高光能的利用率
环境因素 对光合作用的影响原理 应用
温度 温度直接影响酶的活性 AB段:(在一定范围内)随温度的升高,光合作用逐渐加强; B点:光合速率达到最大,对应温度为光合作用相关酶的最适温度; BC段:酶的活性降低,光合速率下降,若温度过高,酶活性丧失而停止光合作用 ①适时播种;②进行温室栽培时,白天应适当提高温度,晚上应适当降低温度
环境因素 对光合作用的影响原理 应用
CO2 浓度 A点:光合作用吸收的CO2=细胞呼吸释放的CO2(此点所对应的CO2浓度,称为CO2补偿点); AB段:(在一定范围内)光合速率随CO2浓度的增大而增大; B点:光合速率不再增加时的CO2浓度叫CO2饱和点 ①“正其行,通其风”;②通过增施有机肥等措施增大农田或温室中CO2的浓度
视角应用
视角1 探究环境因素对光合强度的影响
1.[2022海南高考]某小组为了探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,将四组等量菠菜叶圆片排气后,分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3溶液的烧杯中,从烧杯底部给予适宜光照,记录叶圆片上浮所需时长,结果如图所示。下列有关叙述正确的是(　　)
A.本实验中,温度、NaHCO3浓度和光照都属于自变量
B.叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率
C.四组实验中,0.5%的NaHCO3溶液中叶圆片光合速率最高
D.若在4 ℃条件下进行本实验,则各组叶圆片上浮所需时长均会缩短
B
解析　本实验是探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,自变量为CO2浓度(NaHCO3溶液浓度),温度和光照为无关变量,A项错误;当光合作用释放的氧气量大于细胞呼吸消耗的氧气时,叶圆片上浮,叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率,B项正确;四组实验中,0.5%的NaHCO3溶液中叶圆片上浮需要的时间最长,光合速率最低,C项错误;若在4 ℃条件下进行该实验,由于低温会使酶的活性降低,净光合速率可能降低,故各组叶圆片上浮所需时长可能均会延长,D项错误。
视角2 光合作用曲线分析
2.[2023华南师大附中高一期末]如图表示夏季晴朗的白天,某种绿色植物叶片光合作用强度变化曲线。下列对此图描述错误的是(　　)
A.AB段光合作用强度变化的主要原因是光照强度
B.BC段光合作用强度下降是因为部分气孔关闭,二氧化碳吸收量减少,暗反应速率下降
C.DE段光合作用强度变化的主要原因是温度
D.从图中可以推断限制光合作用的因素有光照强度、温度和CO2浓度
C
解析　DE段随着时间的递增,光照强度逐渐减弱,导致光合作用强度逐渐降低,即DE段光合作用强度变化的主要原因是光照强度减弱,C项错误。
3.如图曲线中,有M、N、E、Q四个点,对它们含义的叙述,不正确的是
(　　)
A.M点时植物不进行光合作用,只进行细胞呼吸
B.E点时光合速率与呼吸速率相等
C.N点时植物细胞呼吸强度大于光合作用强度
D.Q点时温度是影响光合速率的主要因素
D
解析　Q点时,对比三条曲线可知,在高CO2浓度下光合速率明显提高,此时CO2浓度是影响光合速率的主要因素,D项错误。
视角3 光合作用原理在生产实践中的应用
4.[2023广东潮州高一期末]在严寒的冬天,利用温室进行蔬菜种植,可以提高经济效益,但需要调节好温室的光照、湿度、气体和温度,以提高产品的产量,下列措施及方法正确的有(　　)
①由于温室内外温差大,在温室薄膜(或玻璃)上结成一层水膜,要及时擦干,以防止透光率降低　
②适当增加光照,以弥补冬季阳光的不足　
③尽量增加空气湿度,以降低植物的蒸腾作用　
④向温室内定期施放二氧化碳气体,以增加光合作用强度　
⑤向温室内定期施放氧气,以降低细胞呼吸强度　
⑥如遇持续的阴雨天气,白天不宜过多升高温室温度,仍保持昼夜温差
A.①②③④ B.②③⑤⑥ C.①③④⑤ D.①②④⑥
D
解析　水膜会影响透光率,降低温室内的光照强度,从而降低光合速率,①正确;增加光照可以提高光合速率,弥补冬季阳光的不足,②正确;植物进行蒸腾作用可以调节体内温度和促进物质的运输,所以过分降低植物的蒸腾作用对植物自身的生长发育不利,③错误;施放二氧化碳气体可以提高光合作用暗反应速率,从而提高光合作用强度,④正确;施放氧气,会提高植物的有氧呼吸强度,消耗有机物,⑤错误;持续的阴雨天气,植物的光合作用强度不高,升高温室温度会提高植物的细胞呼吸强度,消耗更多的有机物,使植物有机物的积累量下降,保持昼夜温差,减少夜间的呼吸消耗,有助于植物积累有机物,⑥正确。
素养升级 情境命题强突破
光呼吸
命题情境
光呼吸是所有进行光合作用的细胞(该处“细胞”包括原核生物和真核生物,但并非所有这些细胞都能进行完整的光呼吸)在光照和高O2低CO2情况下发生的一个生化过程。该过程以光合作用的中间产物为底物,吸收氧气、释放二氧化碳。基本过程见下图。
因此,如果在较强光照下,光呼吸加强,使得C5氧化分解加强,一部分碳以CO2的形式散失,从而减少了光合产物的形成和积累。其次,光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH,即造成了能量的损耗。
高考例证
[2022江苏高考]图1所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系(①~⑦表示代谢途径)。Rubisco是光合作用的关键酶之一,CO2和O2竞争与其结合,分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖;C5氧化则产生乙醇酸(C2),C2在过氧化物酶体和线粒体协同下,完成光呼吸碳氧化循环。请据图回答下列问题。
图1
(1)图1中,类囊体薄膜直接参与的代谢途径有__________(从①~⑦中选填),在红光照射条件下,参与这些途径的主要色素是__________________。
(2)在C2循环途径中,乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化,同时生成的__________在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。
①⑥
叶绿素a和叶绿素b
过氧化氢
图1
(3)将叶片置于一个密闭小室内,分别在CO2浓度为0和0.03%的条件下测定小室内CO2浓度的变化,获得曲线a、b(图2)。
①曲线a,0~t1(没有光照,只进行细胞呼吸)时段释放的CO2源于细胞呼吸; t1~t2时段,CO2的释放速度有所增加,此阶段的CO2源于__________。
②曲线b,当时间到达t2后,室内CO2浓度不再改变,其原因是__________ 。
图2
光呼吸
光合作用强度等于细胞呼吸强度
新题速递
[2023安徽皖豫名校联盟联考]绿色植物在光照条件下,吸收O2和释放CO2的过程称为光呼吸。光呼吸氧化的底物乙醇酸(C2H4O3)是从同化CO2过程的中间产物转变而来的。下图为某植物体内光合作用和光呼吸的示意图,下列有关叙述错误的是(　　)
A.高O2含量环境中,C2和葡萄糖均可在线粒体内被彻底分解成CO2和H2O
B.光呼吸释放的CO2进入同一细胞的叶绿体参与暗反应至少需穿过8层磷脂分子
C.CO2/O2的值增大时,有利于进行光合作用而不利于进行光呼吸
D.光呼吸会减少叶绿体内C3的合成量,降低光合作用效率
A
解析　分析题图可知,高O2含量环境中,光呼吸产生的C2在线粒体中被分解产生CO2,而葡萄糖在细胞质基质中分解为丙酮酸,然后才可以进入线粒体被分解,A项错误;光呼吸释放的CO2(生成场所为线粒体基质)进入同一细胞的叶绿体(叶绿体基质)参与暗反应至少需穿过4层生物膜(2层线粒体膜和2层叶绿体膜),即8层磷脂分子,B项正确;CO2/O2的值增大时,CO2与C5结合转化为C3,有利于光合作用的进行,同时C5与O2反应生成乙醇酸(C2)减少,不利于光呼吸的进行,C项正确;分析题图可知,光呼吸会减少叶绿体内C3的合成量,降低光合作用效率,D项正确。
【网络构建】
【经典图示】
光合作用基本过程示意图
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