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第三单元 细胞的能量供应和利用
学案13 能量之源一光与光合作用
考纲要求
考纲要求
1.光合作用的基本过程(Ⅱ)。
2.影响光合作用速率的环境因素(Ⅱ)。
3.叶绿体色素的提取和分离。　
复习要求
1．简述叶绿体的结构和功能，说出绿叶中色素的种类和作用
2．能图示光合作用的过程，简述光合作用原理的应用
3．学会分析环境因素对光合作用强度的影响
基础自查
一、捕获光能的色素和结构
1．捕获光能的色素
(1)实验：绿叶中色素的提取和分离(纸层析法)
①提取的原理是什么
②分离的原理呢
(2)色素的种类和吸收光谱
色素种类 颜色 吸收光谱 滤纸条上位置
叶绿素(约占3/4)
类胡萝卜素(约占1/4)
2.叶绿体的结构和功能(识图作答)
(1)叶绿体的结构
(2)色素和酶的分布
(3)功能
二、光合作用的过程和应用
2．光合作用的过程
(1)光反应：
①场所
②条件
③物质变化
④能量变化
(2)暗反应：
①场所
②条件
③物质变化
④能量变化
3．光合作用的应用：
(1)光合作用强度指什么
(2)影响光合作用强度的因素有哪些
4．化能合成作用：
(1)概念：
.
(2)实例：硝化细菌能利用氨氧化成亚硝酸和硝酸时所释放的化学能，将　　和
　　　　合成　　　　。
课堂深化探究
一、光合作用发现史中的经典实验分析
1．1771年普里斯特利实验
植物更新空气
缺点：缺乏　　　　　　　　　 (记录时漏掉了实验在阳光下进行这一重要条件，后来英格豪斯为其纠正)
2．1864年萨克斯实验
提前暗处理——目的：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
实验过程、现象（结果）
3．1880年恩格尔曼实验
实验组：
对照组：
思考：恩格尔曼的实验设计巧妙之处在哪儿？
提示：主要表现在以下四个方面
4．20世纪30年代鲁宾、卡门实验
实验方法：　　　　　　　　　　　　　　。
特别提醒　
在光合作用的发现中，大多数科学家们利用了对照实验，使结果和结论更科学、准确。
(1)萨克斯：自身对照，自变量为光照(一半曝光与另一半遮光)，因变量为颜色变化。
(2)恩格尔曼：自身对照，自变量为光照(照光处与不照光处；黑暗与完全曝光)，因变量为好氧菌的分布。
(3)鲁宾和卡门：相互对照，自变量为标记物质(HO与C18O2)，因变量为O2的放射性。
(4)普里斯特利：缺少空白对照，实验结果说服力不强。
二．光合作用过程分析
结合上图，列表分析如下：
光反应与暗反应的比较
过 程 光反应 暗反应
图 解
条 件
场 所
物质转化
能量转化
关 系
2.动态分析：光照与CO2浓度变化对植物细胞内C3、C5、[H]、ATP、C6H12O6合成量的影响
当外界因素中光照强弱、CO2浓度骤然变化时，短时间内将直接影响光合作用过程中C3、C5、[H]、ATP及C6H12O6生成量，进而影响叶肉细胞中这些物质的含量，它们的关系如何呢？试归纳。
(1)
即：停止光照(强→弱)时
(2)突然增强光照时
(3)
即：停止(减少)CO2供应时
(4)突然增加CO2供应时，
三．影响光合作用的环境因素及其在生产上的应用
（一）内部因素对光合作用速率的影响
1．同一植物的不同生长发育阶段
曲线分析：在外界条件相同的情况下，光合作用速率由弱到强依次是幼苗期、营养生长期、开花期。
应用：根据植物在不同生长发育阶段光合作用速率不同，适时、适量地提供水肥及其他环境条件，以使植物茁壮成长。
2．同一叶片的不同生长发育时期
曲线分析：随幼叶发育为壮叶，叶面积增大，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
应用：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
（二）单因子变量对光合作用的影响(外界因素)
1．光照——光合作用的动力
①光照时间越长，产生的光合产物越多。
②光质，由于色素吸收可见光中的　　　　　　　　　最多，吸收　　　　　　最少，故不同波长的光对光合作用的影响不一样，建温室时，选用　　　　　　的玻璃(或塑料薄膜)做顶棚，能提高光能利用率。
③光照强度：在一定光照强度范围内，增加光照强度可提高光合作用速率。
曲线分析：A点。
AB段表明
B点
BC段表明
应用：
外界条件变化时，CO2(光)补偿点移动规律：
①呼吸速率增加，CO2(光)补偿点　　　　　　
呼吸速率减小，CO2(光)补偿点　　　　　　　　　　
②呼吸速率基本不变，条件的改变使光合速率下降，CO2(光)补偿点　　　　；条件的改变使光合速率上升时，CO2(光)补偿点　　　　。
2．光照面积
曲线分析：OA段表明随叶面积的不断增大，光合作用实际量不断增大，A点为光合作用面积的饱和点。随叶面积的增大，光合作用强度不再增加，原因是有很多叶被遮挡，光照不足。
OB段表明干物质量随光合作用增加而增加，而由于A点以后光合作用强度不再增加，但叶片随叶面积的不断增加，呼吸量(OC段)不断增加，所以干物质积累量不断降低(BC段)。
应用：适当间苗、修剪，合理施肥、浇水，避免徒长。封行过早，使中下层叶子所受的光照往往在光补偿点以下，白白消耗有机物，造成不必要的浪费。
3．CO2浓度
曲线分析：图1中A点表示
图2中的A′点表示
两图中的B和B′点都表示　　　　　　　　　，两图都表示　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
应用：大田要“正其行，通其风”，多施有机肥；温室内可适当补充CO2，即适当提高CO2浓度可提高农作物产量。
4．必需矿质元素
曲线分析：在一定浓度范围内，增大必需矿质元素的供应，可提高光合作用速率，但当超过一定浓度后，会因土壤溶液浓度过高而导致植物光合作用速率下降。
应用：在农业生产上，根据植物的需肥规律，适时、适量地增施肥料，可以提高作物的光能利用率。
5．温度
曲线分析：温度主要是通过影响　　　　　　　　　　　而影响光合作用速率。
应用：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
（三）多因子变量对光合作用速率影响的分析(外界因素)
　曲线分析：P点时，限制光合速率的因素应为　　　　　　　　　　　　　，随其因子的不断加强，光合速率不断提高。当到Q点时，　　　　　　　　　　　　，不再是影响光合速率的因子，要想提高光合速率，可采取适当提高图示中的其他因子的方法。
　应用：温室栽培时，在一定光照强度下，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　进一步提高光合速率，当温度适宜时，要　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。总之，可根据具体情况，通过提高光照强度、调节温度或增加CO2浓度等来充分提高光合速率，以达到增产的目的。
对应训练
1.(2012·南昌市一模)德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处数小时“饥饿”处理(消耗掉叶片中的淀粉)后，再把叶片的一部分遮光，其余部分曝光。一段时间后，将该叶片经脱色、漂洗后再用碘液处理，结果发现遮光部分不变蓝，曝光部分变蓝。下列有关本实验的分析及结论合理的是(　　)。
①本实验未设对照组　②有无光照是遮光和曝光区域表现不同结果的唯一原因　③实验初始时遮光和曝光区域均达到无淀粉状态　④实验证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉
A．①～④全部 B．只有②③④
C．只有①②③ D．只有②③
２.叶绿体中色素的提取和分离实验主要证明了
A．四种色素在层析液中的溶解度和扩散速度不同，
B．叶绿体的含量是类胡萝卜素的四倍
C．叶绿体中色素的种类和色素的颜色
D．色素分布在叶绿体片层结构的薄膜上
３．（2012江苏）33.（8分）为探究低浓度NaHS03溶液对水稻光合速率的影响，某研究小组做了如下实验，请完成实验报告并回答下列问题：(1)实验报告
①材料用具：
乳熟期的温室盆栽水稻，1 mmol/L NaHS03溶液，蒸馏水，喷壶，光合分析测定仪等。
②实验步骤：
第一步：选取若干　　　　　　　　　的水稻植株随机平均分成甲、乙两组，甲组为对照组，乙组为实验组。
第二步：每天傍晚分别将等量的　　　　　　　　　 、　　　　　　　　　 喷洒在甲、乙两组的水稻叶片上，次日上午测定光合速率。
③结果与分析：
实验结果见图l，经分析可以得出的结论是　　　　　　　　　。
(2)研究发现NaHSO3增加了叶片内叶绿体形成ATP的能力，推测其作用部位是叶绿体的　　　　　　　　　，进而加快对图2中　　　　　　　　　（填字母A-D）物质的利用。
(3)研究小组利用上述条件设计实验，证明了0.2μmol/L硫酸甲酯吩嗪(PMS)和1 mmol/L NaHSO3效应相同，两者共同处理既不存在累加效应，也无抑制效应。请在答题卡的指定位置用柱形图绘制出实验结果（实验光照强度为1 000μmol m-2 s-l）。
实验探究
１.(2011·广东卷)中国的饮食讲究“色、香、味”，颜色会影响消费。小李同学拟研发“绿色”食用色素，他以生长很快的入侵植物水葫芦为材料进行如下实验。
Ⅰ.提取叶绿素
―→―→―→
Ⅱ.探究pH对叶绿素稳定性的影响
取一些叶绿素粗产品，配成一定浓度的溶液，于室温(约25 ℃)下进行实验，方法和结果如下表。
实验组号 调pH至 溶液颜色
① 3.0 Y 10 绿色
② 3.0 7.0 10 绿色
③ 3.0 6.0 10 黄绿色
④ 3.0 5.0 10 黄褐色
注：叶绿素被破坏后变成黄褐色。
根据所学知识和实验结果，请回答下列问题。
(1)提取食用叶绿素的X应该为________，原因是______________________________
________________________________________________________________________。
(2)表中Y应该为________，原因是_________________________________________。
(3)若用作食品色素，天然叶绿素色素不适用于________食品，否则________________________________________________________________________。
(4)小李想了解叶绿素产品中是否含有其他色素，请你提供监测方法并写出主要步骤。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
２.下列是某实验小组在完成叶绿体中色素提取和分离实验时所遇到的有关问题，分析回答下列问题。
(1)剪碎5 g新鲜浓绿的菠菜叶片放在研钵中，加入SiO2后，经迅速研磨成糊状，发现糊状的研磨液呈现浅绿色，其原因是没有加入________________，使得________________。
(2)甲同学在实验过程中将画有滤液细线的滤纸条(已重复几次画线)插入层析液，几分钟后取出观察，发现滤纸条上无色素分带现象，而用同一滤液做实验的乙同学的滤纸条上却色素分带明显。甲同学实验失败的原因可能是_________________________________________。
(3)若选用在缺Mg的营养液中长期培养的玉米叶片作实验材料，层析后滤纸条上只出现了两条色素带，其原因是__________________________________________________________
________________。
(4)实验结束几天后，甲、乙两同学发现部分预留叶片已变黄。甲同学认为这是由于叶片中叶绿素降解所造成的，乙同学则认为是类胡萝卜素含量增加所致。根据所学知识，设计实验来判断哪个同学的观点正确。
实验过程：
①从预留的叶片中挑选出足量的、分量相等、大小相近的已变黄叶片和绿色鲜嫩的叶片，分别编号为A、B两组。
②________________________________________________________________________。
实验结论：
①与B组相比，若A组滤纸条只有上面两条色素带或上面两条色素带较B组的窄，则________的观点是正确的。
②________________，则________的观点是正确的。
限时训练
题组一　光合作用的色素和过程
1．下列关于叶绿体中色素的叙述，正确的是(多选)(　　)
A．色素的提取与分离实验中滤纸条上的色素带从上到下最宽的是第3条
B．研磨液要用滤纸过滤，盛放滤液的小试管要及时用棉塞塞紧
C．叶绿体中的色素只分布在类囊体薄膜上
D．叶绿素主要吸收蓝紫光和红光
2．下图表示德国科学家萨克斯的实验，叶片光照24 h后，经脱色并用碘液处理，结果有锡箔覆盖的部位不呈蓝色，而不被锡箔覆盖的部位呈蓝色。本实验证明(　　)
①光合作用需要二氧化碳　②光合作用需要光　③光合作用需要叶绿素　④光合作用放出氧气　⑤光合作用产生淀粉
A．①② B．③⑤ C．②⑤ D．①③
3.三碳化合物在细胞内的变化曲线。据图回答下列问题。
　　　　　　　　 　图1　　　　　　　图2
(1)图1中A表示的物质是________，它由________产生，其作用主要是____________。
(2)图1中ATP形成所需的能量最终来自于________。若用放射性同位素标记14CO2，则14C最终进入的物质是________。
(3)图2中曲线a表示的化合物是________，在无光照时，其含量迅速上升的原因是：________________________________________________________________________。
(4)曲线b表示的化合物是________，在无光照时，其含量下降的原因是：________________________________________________________________________。
题组二　影响光合作用的因素
４．下图为高等绿色植物光合作用图解，以下说法正确的是(　　)
A．①是光合色素，分布在叶绿体和细胞质基质中
B．②是氧气，可参与有氧呼吸的第三阶段
C．③是三碳化合物，能被氧化为(CH2O)
D．④是ATP，在叶绿体基质中生成
图1表示光合作用部分过程的图解，图2表示改变光照后，与光合作用有关的五碳化合物和
５(2012·郑州质量预测)甲、乙两图分别表示光照强度和空气中CO2含量对某绿色植物光合作用的影响，丙图表示一天内某时间段蔬菜大棚内CO2浓度随时间的变化曲线。请据图回答下列问题。
(1)甲图中的B点与乙、丙图中的________点叶肉细胞所处的生理状态相同，此时细胞中能产生ATP的部位有________________；如果在缺镁的条件下，G点将向________方移动。
(2)C点与B点相比较，叶绿体基质中C3的含量________(填“较多”、“较少”或“不变)。
(3)甲图中A点所进行的生理反应表达式为________________________________________________________________________。
(4)光合作用在遇到一定限制因素时，其速率将不再增加，图中限制E点的外界因素是________________________________________________________________________。
(5)据研究发现，当土壤干旱时，植物根细胞会迅速合成某种化学物质X。有人推测根部合成的X运输到叶片，能调节气孔的开闭。他们做了如下实验：从该植株上剪取大小和生理状态一致的3片叶，分别将叶柄下部浸在不同浓度X的培养液中，以分析叶片中X物质浓度与气孔开放程度之间的关系。一段时间后，可以测得有关数据。以上方案有不完善的地方，请指出来并加以改正。
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________。
６. (2012·北京东城区)Wollny研究小组的实验：在某些因素的作用和影响下可以获得不同产量的春黑麦。实验结果如图所示，请据图回答下列问题。
(1)据图所知，影响春黑麦产量的因素有________。
(2)比较图中D、E、F三点，实验自变量是________。就图中所反映的因素来看，D点条件下限制春黑麦增产的主要因素是________，C点条件下限制春黑麦增产的主要因素是________。
(3)图中的数据可以说明，若想通过施肥提高产量，土壤应达到一定的湿度，请分析说明原因：________________________________________________________________________。
(4)除图中所示的因素外，若要进一步提高春黑麦的产量，还可以采取的措施是________。
高考真题体验
1判断：
（1）（2012福建）叶片黄化，叶绿体对红光的吸收增多。（ ）
（2）（2012福建)将载有水绵和好氧细菌的装片置于黑暗且缺氧的环境中，用极细光束照射后，细菌集中于有光照的部位，说明光合作用产生的氧气来自于水
(3)(2009·安徽，1－A)叶绿体中的色素主要分布在类囊体腔内(　　)。
(4)(2009·安徽，1－B)H2O在光下分解为[H]和O2的过程发生在基质中(　　)。
(5)(2010·天津，1改编)在叶肉细胞中，CO2的固定和产生场所分别是叶绿体基质、线粒体基质(　　)。
(6)(2009·浙江，4－C)光合作用过程中光能转变为化学能，细胞呼吸过程中化学能转变为热能和ATP(　　)。
(7)(2009·全国Ⅱ，1－D)叶肉细胞在光照下进行光合作用，不进行呼吸作用(　　)。
(8)(2009·浙江，4－D)夏季连续阴天，大棚中白天适当增加光照，夜晚适当降低温度，可提高作物产量(　　)。
2（2012山东）2.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．曲线b-c段和d-e段下降的原因相同
D.丙曲线b-d段不同的原因可能是甲植株气孔无法关闭
3（2012海南）8.将一株生长正常的绿色植物置于密闭的玻璃容器内，在适宜条件下光照培养，随培养时间的延长，玻璃容器内CO2浓度可出现的变化趋势是
A.一直降低，直至为零 　　 　　B.一直保持稳定，不变化
C.降低至一定水平时保持相对稳定 D.升高至一定水平时保持相对稳定
4（2011新课标）3．番茄幼苗在缺镁的培养液中培养一段时间后，与对照组相比，其叶片光合作用强度下降，原因是
A．光反应强度升高，暗反应强度降低 B．光反应强度降低，暗反应强度降低
C．光反应强度不变，暗反应强度降低 D．光反应强度降低，暗反应强度不变
5（2012四川）30-I30.( 20 分）回答下列I、II小题。
I. （7分）科研人员获得一种叶绿素b完全缺失的水稻突变体，该突变体对强光照环境的适应能力更强。请回答：
（l）提取水稻突变体的光合色素，应在研磨叶片时加入 ，以防止色素被破坏。用纸层析法分离该突变体叶片的光合色素，缺失的色素带应位于滤纸条的 。（2）该突变体和野生型水稻的O2释放速率与光照强度的关系如右图所示。当光照强度为n时，与野生型相比，突变体单位面积叶片中叶绿体的氧气产生速率 。当光照强度为m时，测得突变体叶片气孔开放程度比野生型更大，据此推侧，突变体固定CO2形成
　　　　　　　　　的速率更快，对光反应产生的 消耗也更快，进而提高了光合放氧速率。
（3）如果水稻出现叶绿素a完全缺失的突变，将无法进行光合作用，其原因是：
。6(2012广东26）（16分）荔枝叶片发育过程中，净光合速率及相关指标的变化见下表。
叶片 发育情况 叶面积（最大面积的%） 总叶绿素含量
（mg/g·fw） 气孔相对开放度
（%） 净光合速率（μmolCO2/m2·s）
A 新叶展开前 19 － － -2.8
B 新叶展开中 87 1.1 55 1.6
C 新叶展开完成 100 2.9 81 2.7
D 新叶已成熟 100 11.1 100 5.8
注：“－”表示未测数据。（1）B的净光合速率较低，推测原因可能是：①叶绿素含量低，导致光能吸收不足；②___________，导致_______________。
（2）将A、D分别置于光温恒定的密闭容器中，一段时间后，A的叶肉细胞中，将开始积累_________；D的叶肉细胞中，ATP含量将__________。
（3）与A相比，D合成生长素的能力________；与C相比，D的叶肉细胞的叶绿体中，数量明显增多的结构是_______________。
（4）叶片发育过程中，叶片面积逐渐增大，是______的结果；D的叶肉细胞与表皮细胞的形态、结构和功能差异显著，其根本原因是________。
7(2011·新课标全国卷)在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。回答问题。
(1)图中物质A是________(C3化合物、C5化合物)。
(2)在CO2浓度为1%的环境中，物质B的浓度比A的低，原因是________________；将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后，物质B浓度升高的原因是___________________________。
(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中，暗反应中C3和C5化合物浓度达到稳定时，物质A的浓度将比B的________(低、高)。
(4)CO2浓度为0.003%时，该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的________(高、低)，其原因是_________________________________________。
8 (2011·安徽卷)保水剂是一类高分子聚合物，可提高土壤持水能力及水肥利用率。某生物兴趣小组探究“保水剂和氮肥对小麦光合作用的影响”，进行了以下实验：
材料用具：相同土壤基质栽培的小麦幼苗若干，保水剂，氮肥等。
方法步骤：①选取长势一致的小麦幼苗若干，平均分为A、B、C三组，分别施用适量的保水剂[60 (kg/hm2)]、氮肥[255 (kg/hm2)]、保水剂[60(kg/hm2)]＋氮肥[(255(kg/hm2)]，置于相同的轻度干旱条件下培养，其他培养条件相同且适宜。
②在小麦灌浆期选择晴朗无风的上午，于10：00～11：00从每组选取相同数量的叶片，进行CO2吸收量及叶绿素含量的测定。结果(均值)如下表：
组号 CO2吸收量/(μmol·m－2·s－1) 叶绿素含量/(mg·g－1)
A 10.66 3.07
B 13.04 3.02
C 15.91 3.05
实验结论：适量的保水剂与氮肥配施有利于提高小麦光合作用强度。
(1)请指出上述方法步骤的缺陷并改正：步骤①________________；步骤②________________。
(2)如不考虑方法步骤中的缺陷，从影响光合作用的内在因素分析，保水剂与氮肥配施提高了CO2吸收量的原因可能是________________。
(3)实验测得的CO2吸收量________(大于、等于、小于)光合作用过程中CO2实际消耗量，理由是________________。光合作用强度可通过测定CO2吸收量，也可以通过测定________释放量计算。
学案13 能量之源——光与光合作用
答案与解析
基础自查
一、捕获光能的色素和结构
1．捕获光能的色素
(1)实验：绿叶中色素的提取和分离(纸层析法)
①可以利用无水乙醇提取绿叶中的色素，在研磨时还应加入少许二氧化硅和碳酸钙，其中前者有助于研磨充分，后者可防止在研磨中色素被破坏。
②利用色素在层析液中的溶解度不同，溶解度大的在滤纸上扩散的快，反之则慢。
(2)色素的种类和吸收光谱
色素种类 颜色 吸收光谱 滤纸条上位置
叶绿素(约占3/4) 叶绿素a 蓝绿色 主要吸收红光和蓝紫光 中下层
叶绿素b 黄绿色 最下层
类胡萝卜素(约占1/4) 胡萝卜素 橙黄光 主要吸收蓝紫光 最上层
叶黄素 黄色 中上层
2.叶绿体的结构和功能
(1)结构：一般呈扁平的椭球形或球形，外部有双层膜，内部的基粒是由类囊体堆叠而成的。
(2)色素和酶的分布：吸收光能的色素分布于类囊体薄膜上，与光合作用有关的酶分布在类囊体薄膜和基质中。
(3)功能：进行光合作用的场所。
二、光合作用的过程和应用
2．光合作用的过程
(1)光反应：
①场所：叶绿体的类囊体薄膜上。
②条件：光能、色素、酶、水等。
③物质变化：将水分解为O2和　[H]，将ADP和Pi合成ATP。
④能量变化：光能转变为活跃的化学能。
(2)暗反应：
①场所：叶绿体的基质中。
②条件：酶、[H]、ATP、CO2等。
③物质变化
CO2的固定：C5＋CO22C3。
C3的还原：2C3＋[H] (CH2O)＋C5。
④能量变化：ATP中活跃的化学能转变为有机物中稳定化学能。
3．光合作用的应用：
(1)光合作用强度是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
(2)影响光合作用强度的因素包括空气中CO2的浓度、土壤中水分和矿质元素的多少、光的强弱以及温度的高低等。
4．化能合成作用：
(1)概念：某些细菌能够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的合成作用。
(2)实例：CO2和H2O合成糖类
课堂深化探究
一、光合作用发现史中的经典实验分析
1．缺乏对照组
2．消耗掉叶片中原有的淀粉，避免干扰
3．1880年恩格尔曼实验
实验组：极细光束照射处的叶绿体
对照组：黑暗处的叶绿体和完全曝光的叶绿体
思考：恩格尔曼的实验设计巧妙之处在哪儿？
提示　主要表现在以下四个方面：
①选材方面，选用水绵为实验材料。水绵不仅具有细长的带状叶绿体，而且叶绿体呈螺旋状地分布在细胞中，便于观察、分析研究。
②将临时装片放在黑暗并且没有空气的环境中，排除了光线和氧气的影响，从而确保实验正常进行。
③选用了极细光束照射，并且选用好氧细菌检测，从而能够准确判断出水绵细胞中释放氧的部位。
④进行黑暗(局部光照)和曝光对比实验，从而明确实验结果完全是光照引起的。
4．同位素标记法
二．光反应与暗反应的比较
过 程 光反应 暗反应
图 解
条 件 必须在光下 有光、无光都可以
场 所 叶绿体类囊体薄膜 叶绿体基质
物质转化 ①水光解2H2O4[H]＋O2↑②ATP的合成ADP＋PiATP ③CO2的固定CO2＋C52C3④C3的还原2C3(CH2O)＋C5＋H2O
能量转化 光能―→电能―→活跃化学能，并储存在ATP中 ATP中活跃的化学能―→(CH2O)中稳定的化学能
关 系 ①光反应为暗反应提供[H]和ATP；暗反应为光反应提供ADP和Pi；②没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，有机物无法合成
2.动态分析：光照与CO2浓度变化对植物细胞内C3、C5、[H]、ATP、C6H12O6合成量的影响
当外界因素中光照强弱、CO2浓度骤然变化时，短时间内将直接影响光合作用过程中C3、C5、[H]、ATP及C6H12O6生成量，进而影响叶肉细胞中这些物质的含量，它们的关系归纳如下：
(1)
―→―→
即：停止光照(强→弱)时，[H]↓，ATP↓，C3↑，C5↓，(CH2O)↓。
(2)同理：突然增强光照时，[H]↑，ATP↑，C3↓，C5↑，(CH2O)↑。
(3)―→
―→―→
即：停止(减少)CO2供应时，C3↓，C5↑，[H]↑，ATP↑，(CH2O)↓。
(4)同理：突然增加CO2供应时，C3↑，C5↓，[H]↓，ATP↓，(CH2O)↑。
三．影响光合作用的环境因素及其在生产上的应用
（一）内部因素对光合作用速率的影响
2．同一叶片的不同生长发育时期
叶绿素含量不断增加，光合速率增大；老叶内叶绿素被破坏，光合速率随之下降。
应用：农作物、果树管理后期适当摘除老叶、残叶及茎叶蔬菜及时换新叶，都是根据其原理，可降低其细胞呼吸消耗的有机物。
（二）单因子变量对光合作用的影响(外界因素)
1．②红光和蓝紫光　　　绿光，无色透明的
③曲线分析：A点光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，释放CO2量表示此时的呼吸强度。
AB段表明光照强度加强，光合作用速率逐渐加强，CO2的释放量逐渐减少，有一部分用于光合作用；而到B点时，细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合作用强度＝细胞呼吸强度，B点对应的光照强度称为光补偿点。
BC段表明随着光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，到C点以上不再加强了。C点对应的光照强度称为光饱和点。
应用：阴生植物的光补偿点和光饱和点比较低，如上图虚线所示。间作套种时农作物的种类搭配，林带树种的配置，冬季温室栽培避免高温等都与光补偿点有关。
①右移；左移。
②右移；左移。
3．光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点；图2中的A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。两图中的B和B′点都表示CO2饱和点，两图都表示在一定范围内，光合作用速率随CO2浓度增加而增大。
5．影响与光合作用有关酶的活性
应用：冬天，温室栽培可适当提高温度；夏天，温室栽培可适当降低温度。白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用速率；晚上适当降低温室温度，以降低细胞呼吸速率，保证植物有机物的积累。
（三）多因子变量对光合作用速率影响的分析(外界因素)
横坐标所表示的因子，随其因子的不断加强，光合速率不断提高。
横坐标所表示的因素
应用：白天适当提高温度，增加光合作用酶的活性，提高光合速率，也可同时充入适量的CO2，
适当提高光照强度和CO2浓度以提高光合速率。
对应训练
1.解析　该实验中曝光部分与遮光部分形成了对照，①错误。该实验只能证明有淀粉的生成，但不能证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉，④错误。
答案　D
２. 解析：本实验目的是证明叶绿体中色素的种类及各种色素的颜色，而实验原理是四种色素在层析液中的溶解度和在滤纸上的扩散速度不同，因此C项正确。
答案:C
３．【答案】（1）②株型、长势、叶片均一 蒸馏水 1mmol/LNaHSO3溶液
③不同光照强度下低浓度的NaHSO3溶液均可提高水稻的光合作用速率
（2）类囊体 A B D
（3）
【解析】（1）该实验中自变量为是否喷施NaHSO3溶液，因变量是水稻光合速率，其它为无关变量，在实验过程中要排除无关变量对实验结果的干扰，所用实验材料的株型、长势等条件要基本相同；实验操作分对照组和实验组，对照组喷洒一定量的蒸馏水，实验组喷洒1mmol/LNaHSO3溶液；③根据图1，在不同光照强度下，喷洒NaHSO3溶液的植株光合速率均高于喷洒蒸馏水的对照组，说明NaHSO3溶液在不同光照强度下均能提高水稻植株的光合速率。
（2）光合作用的光反应阶段可以产生ATP，场所在叶绿体的类囊体薄膜上；图2中A表示二氧化碳，B表示C3，C表示光合作用产物糖类，D表示C5，光反应增强，ATP和[H]增多，可促进暗反应过程中C3的还原进而促进二氧化碳的固定和C5的利用。
（3）根据题中信息，0.2μmol/L的硫酸甲酯吩嗪和1mmol/L的NaHSO3溶液效应相同，可促进水稻光合作用效率，但二者无累加效应和抑制效应，即二者混合使用效果和分别使用的效果是一样的。据此信息结合图1可作出对应的条形图。
实验探究
１. 解析　该题属于实验设计题，主要考查了教材中叶绿体色素的提取和分离的相关内容。(1)考查了叶绿素的性质；(2)考查了实验时所应该遵循的等量原则；(3)是利用表格中所给的信息，可以知道，叶绿素在pH较低时不稳定，会分解；(4)主要考查了教材中叶绿体色素分离的实验步骤。分别是：制备滤纸条，画滤液细线，层析及其注意事项，最后是记录和观察。
答案　(1)对人无害的有机溶剂(食用酒精)　叶绿素溶于有机溶剂和应考虑溶剂对人体的影响　(2)8.0　pH间设置应遵循等量原则和应考虑碱性pH对叶绿素稳定性的影响　(3)酸性　由于叶绿素被破坏造成食品失绿而影响品质　(4)层析法。第一步：制备滤纸条；第二步：用毛细吸管吸取少量叶绿素提取液，画细线；第三步：将滤纸条放在层析液中层析，注意不要将提取液细线接触层析液；第四步：观察滤纸条上的色素带的条数和颜色
２. 解析　(1)在色素的提取过程中，研磨时要加入碳酸钙，防止叶绿素在研磨过程中被破坏，加入无水乙醇，让色素溶解并提取出来。
(2)乙同学滤纸条上无色素带，说明滤液细线中的色素溶解到层析液中，即层析液触及滤液细线。
(3)Mg是合成叶绿素的必需元素，无Mg不能合成叶绿素a和叶绿素b。
(4)通过设计对照实验来探究发黄的叶片中某些色素是否因降解而减少，某些色素是否含量增加。对照组选取正常未发黄的叶片，实验组选取已变黄的叶片，通过提取分离这两种叶片中的色素，比较各种色素的含量，得出结论。
答案　(1)碳酸钙和无水乙醇　叶绿素分子受到破坏、色素没有被提取出来　(2)层析液触及滤液细线　(3)缺Mg植物不能合成叶绿素　(4)实验过程：②在相同条件下，进行绿叶中色素的提取和分离实验，测定和记录实验结果，比较这两种叶片色素的组成和含量　实验结论：①甲同学　②与B组相比，若A组滤纸条上面的两条色素较宽　乙同学
限时训练
题组一　光合作用的色素和过程
1．ACD　[研磨液要用脱脂棉进行过滤，而不能用滤纸，若用滤纸，色素分子不能通过滤纸而沾在滤纸上，得不到含有色素的滤液。]
2．C　[光照一段时间，叶片裸露的部分进行光合作用，脱色后用碘液处理变蓝，说明有淀粉生成；有锡箔覆盖的位置因无光照，不能进行光合作用，未产生淀粉，用碘液处理不变蓝，说明光合作用需要光，没有光就不能进行光合作用。]
方法点拨　由萨克斯的实验设计，可得出两上实验结论：(1)光是光合作用的必要条件(叶片遮光部分为实验组，见光部分为对照组)。
(2)淀粉是光合作用的产物(叶片遮光部分为对照组，见光部分为实验组)。所以表面看是由一组对照实验得出了两个结论，实质上仍为一组对照实验只能得出一个结论。
３.答案　(1)[H]　水在光下分解　用于C3的还原　(2)太阳光能　(CH2O)　(3)C3　CO2与C5结合形成C3继续进行，而C3不能被还原　(4)C5　C5与CO2结合形成C3量不变，而C3不能被还原为C5
题组二　影响光合作用的因素
４．B　[根据光合作用图解可知，图中①是光合色素，分布在叶绿体类囊体薄膜上；②是氧气，可参与有氧呼吸的第三阶段，与有氧呼吸第一、二阶段产生的[H]结合生成水，释放大量的能量；③是三碳化合物，在由光反应阶段提供的[H]和ATP的作用下还原为(CH2O)；④是ATP，在叶绿体类囊体薄膜上生成。]
规律方法　影响光合作用的外界因素
(1)影响光合作用的主要因素有光照强度、CO2浓度和温度等。
(2)分析光照强度、CO2浓度、温度与光合速率的变化曲线及其应用。
①曲线图
②图形分析：在P点之前，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因素。随着该因素的不断增强，光合速率不断提高。在Q点时，横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的因素，要提高光合速率，可适当提高图示的其他因素的含量或强度等。
③应用：温室栽培时，在一定的光照强度下，白天适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度，以提高光合速率。
５.答案　(1)D、G　线粒体、叶绿体、细胞质基质　右上
(2)较少　(3)C6H12O6＋6O2＋6H2O6CO2＋12H2O＋能量　(4)温度、光照强度等　(5)①样本量太小。应“取大小和生理状态一致的叶片若干，平均分为三组”
②缺乏空白对照。应增加1组，将叶片的叶柄下部浸在不含X的培养液中
６.解析　由图可知，随着光照强度、土壤湿度、施肥情况的增加，光合作用速率增强。D点是在弱光条件下光合作用的最大速率，其限制因素是光照强度。C点是在强光条件下光合作用的最小速率，限制其光合作用的主要因素是土壤湿度。矿质元素只有溶于水中才能被植物的根吸收和利用，只有土壤达到一定的湿度才能满足植物需要。除了上述因素外，CO2浓度、温度等条件都是影响光合作用的因素。
答案　(1)光照强度、土壤湿度、施肥情况　(2)光照强度　光照强度　土壤湿度　(3)生物体的一切生命活动都离不开水，故土壤应达到一定的湿度，才能保证生命活动的正常进行以及无机盐离子的充分溶解、吸收和利用　(4)合理密植、增加CO2浓度、温度要适宜等(写出一项即可)
高考真题体验
1 （１）错，叶片黄化，说明叶绿素含量减少。这样对红光的吸收会减少。
（２）错，说明光合作用的场所是叶绿体
(3)×　(4)×　(5)×　(6)×　(7)×　(8)√
2 【答案】D
【解析】a点时，甲植株光合作用吸收二氧化碳的速率与细胞呼吸释放二氧化碳的速率相等，在此之前，光合作用已经开始，A错；18时以后，乙植物的细胞呼吸开始强于光合作用，此时有机物的积累最多，B错；b~c段下降的原因是气孔部分关闭导致二氧化碳供应不足，d~e段下降的原因是光照强度减弱，光反应提供的[H]和ATP不足导致，C错；b~d段，乙曲线出现图中走势的原因是气孔会部分关闭，导致二氧化碳供应不足，甲走出不同的趋势，其原因可能为气孔无法关闭，D对。
3 【答案】C
【解析】在适宜的条件下培养密闭容器内的植物，密闭容器内的二氧化碳含量有限，随着光合作用的持续进行，二氧化碳逐渐被消耗，浓度降低，进而光合作用强度跟着降低，当二氧化碳浓度降低到一定水平时，植物的光合作用和呼吸作用强度相等，则装置内的二氧化碳浓度就保持相对稳定，故本题选C。
4 【答案】B
【解析】本题主要考查有关光合作用的场所、过程及特点等知识。镁是植物细胞中叶绿体色素的重要组成元素，若幼苗在缺镁的培养基中培养，会使叶绿体中的色素含量降低，导致光反应强度降低，生成的ATP及[H]的量也随之降低，而后暗反应强度也会降低。
5【答案】I.（1）CaCO3 最下端（2）较大 C3 NADPH、ATP (3)缺失叶绿素a不能完成光能转换
【解析】I.（1）提取叶绿体色素的过程中，叶绿素容易被酸性物质破坏，所以一般加入碳酸钙，防止色素被破坏；在叶绿体的色素的层析过程中，滤纸条上由上到下的色素分布分别是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b，该突变植物缺乏叶绿素b，所以缺失的色素带是位于滤纸条的最下端。
（2）据图可知，突变体和野生型水稻的呼吸作用速率不同，而且突变体的呼吸作用比野生型植株的呼吸作用强。在n点时，两者的氧气释放速率相等，即两者的净光合速率相等。而氧气的产生速率代表植物真正的光合速率，真正的光合速率等于植物的呼吸速率加上植物的净光合速率。所以n点时，突变体的氧气产生速率大于突变体。在光合作用的过程中，二氧化碳的固定，产物为三碳化合物；三碳化合物的还原需要消耗光反应阶段产生的ATP、还原性辅酶氢。
（3）在光合作用的光反应阶段，色素分子都能吸收光能、传递光能，但只有少数处于特殊状态的叶绿素a分子才能够将光能转化为电能。如果缺乏叶绿素a，则无法利用光能。
6【答案】（1）气孔开放度相对低　 二氧化碳供应不足 （2）酒精　　增多
（3）低 基粒（类囊体）　　　 （4）细胞分裂　　基因的选择性表达“
【解析】（1）影响光合速率的因素有外因（光照强度、温度、二氧化碳浓度等）和内因（叶绿素的含量、酶等），结合表格中的信息，B组叶绿素含量为1.1mg/g·fw，叶绿素含量低，气孔开放程度为55%，开放程度比较低，二氧化碳吸收量比较少，导致光合效率较低。
（2）A叶片净光合速率为-2.8mg/g·fw，即光合速率小于呼吸速率，且由于是密闭的容器，导致容器内氧气越来越少而进行无氧呼吸，产生酒精。D叶片中，光合速率大于呼吸速率，且由于是密闭的容器，导致容器内二氧化碳越来越少，暗反应减弱，而光反应不变，导致ATP增多。
（3）相比成熟叶片，幼嫩的叶是合成生长素的主要部分之一；叶绿素分布在叶绿体中基粒的类囊体薄膜上，从表格中可推知，由于总叶绿素含量增长，因此D的叶肉细胞的叶绿体中，基粒明显增多。
（4）细胞分裂使细胞数目增多，叶片面积增多；细胞分化的根本原因是基因的选性表达。
7解析　本题考查光合作用过程及同学们从曲线中获取有效信息的能力。当环境中二氧化碳浓度降低时，C5(物质B)和CO2结合生成C3(物质A)的速率减慢，而C3(物质A)的还原生成C5(物质B)不受影响，C5(物质B)的含量升高，C3(物质A)的含量降低。当达到新的平衡后，由于一分子的C5(物质B)和CO2结合可以生成两分子的C3(物质A)，最终物质A的浓度比物质B高。
答案　(1)C3化合物　(2)暗反应速率在该环境中已达到稳定。根据暗反应特点，此时C3化合物的分子数是C5化合物的2倍　当环境中CO2浓度突然降低时，C5化合物的合成速率不变，消耗速率却减慢，导致C5化合物积累　(3)高
(4)低　CO2浓度低时，暗反应强度减弱，所需要ATP和[H]少
8解析　(1)考查实验能力。实验中要遵循对照原则和单一变量原则，所以步骤①应该增加正常生长，不做特殊处理的对照实验，步骤②要保证无关变量相同，所以取相同部位的叶片。(2)影响光合作用的内在因素有色素和酶。根据题目表格信息，叶绿素含量几乎没有差别，所以保水剂与氮肥影响了酶的数量和活性。(3)实验测得的CO2吸收量是光合作用过程中CO2消耗量与呼吸作用CO2释放量之差，实验测得的CO2吸收量小于光合作用过程中CO2实际消耗量。根据光合作用的化学反应式，光合作用强度可以是单位时间反应物CO2的消耗量或生成物O2的释放量。
答案　(1)缺少对照实验；应增加正常生长，不做特殊处理的D组　无关变量控制不全；应在每组选取相同部位、相同数量的叶片　(2)提高了光合作用有关酶的数量和活性
(3)小于　实验测得的CO2吸收量是光合作用过程中CO2消耗量与呼吸作用CO2释放量之差　O2
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