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第5章 细胞的能量供应和利用
必修一 分子与细胞
新叶伸向和煦的阳光，
蚱蜢觊觎绿叶的芬芳。
它们为生存而获取能量，
能量在细胞里流转激荡！
光合作用与能量转化
光合作用原理的应用
第5章 第4节
温故知新
新课导入
2、光合作用强度的表示方法
固定CO2的量
制造或产生有机物（糖类）量
产生O2的量
单位时间内光合作用
一、光合作用原理的应用
阅读课本105页第一段，明确什么是光合作用的强度？光合作用强度的表示方法是什么？
1、光合作用的强度
指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
实验原理
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。
叶片含有空气上浮
抽气
叶片下沉
叶片上浮
光合作用产生O2
O2充满细胞间隙
材料用具
打孔器、5W LED台灯、米尺、烧杯、绿叶等。
阅读课本105页探究实践“探究环境因素对光合作用强度的影响”，明确本实验的实验原理、实验步骤、分析实验结果，得出实验结论。
一、光合作用原理的应用
方法步骤
0.6cm的打孔器打孔
打出圆形小叶片30片
黑暗保存叶片
叶片置于注射器内
抽出叶片的气体
叶片均分为3组
一、光合作用原理的应用
方法步骤
1.取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液），向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片；
2.分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照。
强光
中等光
弱光
注：LED灯作为光源（冷光源，排除温度干扰），分别用不同光照强度（调节光源与烧杯的距离）去照射叶片。
叶片均分为3组
一、光合作用原理的应用
方法步骤
3.观察并记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量。（或上浮相同数量的小圆形叶片各实验装置所用时间。）
实验结果
实验结论
在一定光照强度范围内，光合作用随着光照强度的增加而增强。
一、光合作用原理的应用
CO2浓度
水分
光
光质
光照强度
光照时间
光照面积
酶
色素
温度
矿质元素
气孔开闭情况
一、光合作用原理的应用
结合光合作用总反应式和课本105页第二段，试着说出影响光合作用的因素有哪些？对每种影响因素进行详细分析。
呼吸速率用CO2增加（释放）量；O2减少（吸收）量；有机物的减少（消耗）量表示。
净光合速率（表观光合速率）用O2释放量；CO2吸收量；有机物积累量；有机物增加量表示。
真正光合速率（实际光合速率）用O2产生量；CO2固定（同化）量；有机物产生（制造）量表示。
注：AC段限制光合速率的因素是光照强度；C点之后限制光合速率的外在因素是CO2浓度、温度等;内在因素是酶、色素的含量等。
真正（总）光合速率= 呼吸速率 + 净光合速率
D
1.光照强度：
环境因素对光合作用的影响分析：
(一)、单因子影响：
CO2
O2
A点：（黑暗时）
只进行呼吸作用
O2
CO2
AB段：光合速率<呼吸速率
B点：光补偿点，
光合速率 = 呼吸速率
BC段：
光合速率＞呼吸速率
O2
CO2
D
1.光照强度：
净光合＞0，植物积累有机物，正常生长；
净光合=0，植物不生长，只能生存；
净光合＜0，植物有机物减少，长时间会死亡
思考：植物净光合=0，叶肉细胞光合=呼吸吗？
叶肉细胞光合＞呼吸
叶肉细胞光合=呼吸时，植物能正常生长吗？
植物净光合＜0，不能正常生长
1.光照强度：
D
吸收CO2
释放CO2
0
呼吸速率
净光合速率
总光合速率
B点：光补偿点（光合作用强度/速率等于细胞呼吸作用强度/速率时的光照强度）；
D点：光饱和点（光合作用强度达到最大时所需要的最低光照强度）。
应用：(1)适当增加光照强度，提高光合速率
(2)间作(几种作物同时期播种)、套种(几种作物不同时期播种，生长期有部分重叠)；
(3)合理密植，增加光合作用面积。
A点：光照强度为0，只进行呼吸作用。
阴生植物光补偿点、光饱和点、呼吸速率、最大光合速率＜阳生植物
间作
合理密植
套种
2.CO2浓度：
A
B
C
D
0
CO2浓度
吸收CO2
释放CO2
B点：进行光合作用所需CO2的最低浓度(图1的C点或图2的A’点)
C点：CO2补偿点（表示光合作用强度/速率等于细胞呼吸作用强度/速率时的CO2浓度）。（图1的A点）
应用：
(1)多施有机肥或农家肥（原理是微生物分解有机物产生CO2）；
(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（“正其行，通其风”）。
D点：CO2饱和点（光合作用强度达到最大时所需要的最低CO2浓度）。（图1的B点或图2的B’点）
3.温度：
酶的最适温度
①在最适温度下，植物光合作用速率最大。
②温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减小。
③呼吸速率最适温度一般大于光合最适温度。
DE段出现原因：
夏季晴朗的白天，正午时分温度过高，为减少蒸腾作用，植物部分气孔关闭，使CO2的吸收量减少，导致光合作用速率降低。
应用：
a 适时播种
b 大棚常采用白天适当升温（保证光合作用正常进行）
夜晚适当降温（降低呼吸酶活性），以利于有机物的积累
c 夏季晴朗的白天，陆生植物会出现“午休”现象。
(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：合理灌溉。
4.水分：
保卫细胞吸水
气孔张开
N：
P：
K：
Mg：
合理施肥
P～Q的形成原因：
矿质元素过多、土壤溶液浓度过高，植物渗透失水萎蔫。
光合酶及NADPH和ATP的重要组分
类囊体膜、NADPH和ATP的重要组分
促进光合产物向贮藏器官运输
叶绿素的重要组分
应用：
O
N、P、K等矿质元素
光合速率
P
Q
5.矿质元素：
合理密植(增加光合作用面积)；套种间作；
修剪以增加有效光合作用面积；适当摘除老叶。
O
叶龄
光合速率
A
B
C
O
叶面积指数
物质的量
A
B
C
光合作用实际量
干物质量
呼吸量
2 4 6 8
应用：
6.叶龄和叶面积：
限制光合速率的因素为横坐标所示的因素，随该因素的不断加强，光合速率不断提高
P点之前：
Q点：
横坐标所示的因素不再是限制光合速率的因素，影响因素为坐标图中所标示出的其他因素
（二）、多因子对光合作用强度的影响
点移动问题：
增强光合作用强度：补偿点左移，饱和点右移，最大光合速率向右上方移动
降低光合作用强度：补偿点右移，饱和点左移，最大光合速率向左下方移动
二、化能合成作用：
在自然界中，除了光合作用，还有另外一种制造有机物的方式。少数种类的细菌，能利用环境中的某些无机物氧化分解时所释放的能量来制造有机物。即化能合成作用。如硝化细菌、铁细菌、硫细菌等。
电子显微镜下的一种硝化细菌
(放大5000倍)
绿色硫细菌
紫色硫细菌
生活在土壤中的硝化细菌，能将土壤中的氨氧化成亚硝酸，进而将亚硝酸氧化成硝酸。这两个化学反应中释放出来的化学能，能被硝化细菌用来将二氧化碳和水合成糖类。这些糖类就可以供硝化细菌维持自身的生命活动。
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。
例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌。
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
自养生物
异养生物
如人、动物、真菌及大多数的细菌。
光能自养生物（如绿色植物、蓝细菌）。
化能自养生物（如硝化细菌、铁细菌、硫细菌）。
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。（可以利用无机物制造有机物）
只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
结合之前学习的关于自养生物和异养生物的知识，对这两种生物进行详细分析。
光合作用 化能合成作用
本质 区 别 能量
代表生物
结合学习的光合作用和化能合成作用的知识，比较两者之间的异同，完成下表。
都能将CO2和H2O等无机物合成有机物
光能
氧化无机物所释放的化学能
绿色植物
硝化细菌等微生物
新陈代谢类型
同化类型
光能自养
6CO2+12H2O
C6H12O6+6O2+6H2O
光能
叶绿体
（光合作用）
化能自养
（化能合成作用）
NH3
HNO2+能量
HNO3+能量
CO2+H2O
（CH2O）
能量
硝化细菌
自养型
异养型
寄生、腐生、捕食
我们能在实验中直接测出总光合速率吗？为什么？如果不能，应该如何间接地计算获得植物的总光合速率？
不能，因为光合作用制造的氧气或有机物有一部分会被细胞的呼吸作用消耗，而光合作用消耗的二氧化碳中可能有一部分来自同一个细胞的呼吸作用。根据“总光合速率=净光合速率+呼吸速率”可知，我们分别测出净光合速率和呼吸速率，求和即可得出总光合速率。
二氧化碳缓冲液：能维持密闭容器内的二氧化碳浓度基本不变。
将该装置进行遮光处理，植物只能进行呼吸作用。将小烧杯中的二氧化碳缓冲液替换成NaOH溶液，用于吸收装置内的二氧化碳。若液滴发生向左移动，不考虑外界因素的影响，则移动量可代表有氧呼吸消耗的氧气量，可用来代表植物的呼吸速率。
将该装置放置在适当的较强光照条件下，植物同时进行光合作用和呼吸作用。由于存在二氧化碳缓冲液，密闭容器内的二氧化碳浓度不变，若液滴发生向右移动，不考虑外界因素的影响，则移动量可代表光合作用产生的氧气与呼吸作用消耗的氧气之间的差值，即净光合速率。
总结：
盛夏一天24小时中，植物吸收和释放CO2量的变化
CO2吸收量
CO2释放量
0
时间
A
C
D
E
F
G
H
I
B
J
6
12
18
24
AC段：
B点：
C点：
CD段：
黑暗，仅有细胞呼吸，无光合作用
光合作用开始点
光合速率逐渐增大，但仍小于呼吸速率
凌晨，温度降低，细胞呼吸减弱，CO2释放减少；是呼吸作用最低的时刻；
盛夏一天24小时中，植物吸收和释放CO2量的变化
CO2吸收量
CO2释放量
0
时间
A
C
D
E
F
G
H
I
B
J
6
12
18
24
D点：
DE段：
F点：
光合速率等于呼吸速率
光合速率大于呼吸速率，随着光强和温度的提高，光合速率逐渐增大
午休现象，
原因是气温过高，蒸腾作用旺盛，使气孔部分关闭，导致二氧化碳供应不足。
盛夏一天24小时中，植物吸收和释放CO2量的变化
CO2吸收量
CO2释放量
0
时间
A
C
D
E
F
G
H
I
B
J
6
12
18
24
H点：
I点：
HI段：
光合速率等于呼吸速率，有机物积累达最多
光合速率小于呼吸速率
光合作用消失点
GI段：
随着光强和温度的降低光合作用逐渐减弱
从图中可以看出，限制光合作用的因素有 。
温度过高，为减少蒸腾作用，气孔关闭，CO2供应不足，光合速率下降，出现“午休”现象。
时间
光合
作用强度
BC段：
光照强度不断减弱。
AB段：
光照强度不断增大。
DE段：
【典型曲线分析---拓展应用】
光照强度、CO2浓度、水等
提出提高光合作用强度的合理措施 。
增加光照强度、合理密植、合理灌溉
1.AD段玻璃罩内CO2浓度增加的原因是____________________；
2.DH段玻璃罩内CO2浓度下降的原因是____________________；
3.HI段玻璃罩内CO2浓度增加的原因是_____________________；
4.光合速率等于呼吸速率的点是_______；
5.经过一昼夜的时间，该植物是否生长？____。判断的依据是
_______________________________________________________________________。
光合速率＜呼吸速率
光合速率＜呼吸速率
光合速率＞呼吸速率
D、H
是
I和A点相比，玻璃罩内CO2浓度减少，减少的CO2转化成有机物积累在植物体内
如图是密闭玻璃罩内的植物一天中光合速率的变化曲线图。
【典型曲线分析---拓展应用】
光照下CO2的吸收量
黑暗中CO2的释放量
曲线c：净光合速率
曲线d：呼吸速率
E点：
净光合速率等于呼吸速率；
总光合速率是净光合速率的2倍。
曲线a、b的差值：
净光合作用强度
光合作用强度 = 呼吸作用强度
D点：
净光合作用强度为0
【典型曲线分析---拓展应用】
课堂练习
1.(2023·安徽省·单元测试) 为探究某植物生长的最佳光强度，设计如图所示的实验装置进行有关实验，正确的是（ ）
A. 光合作用产生 O2的速率可以用单位时间内装置中液滴移动距离来表示
B. 给予黑暗条件，图中液滴移动距离即为细胞呼吸消耗的 O2量
C. 为使测得的 O2变化量更精确，该装置烧杯中应盛放 CO2缓冲液，还应增加对照装置，换死亡的同种植物幼苗替代装置中的植物幼苗
D. 为了探究光强度对光合作用的影响，调节白炽灯的光强度，只有在达到全日照光强时液滴向右移动量才最大
课堂练习
【解析】本题的知识点是光合作用与呼吸作用之间的关系，影响光合作用与呼吸作用的因素，对于相关知识点的理解并把握知识点间的内在联系是解题的关键，分析题图获取有效信息，并利用有效信息结合所学知识综合解决问题的能力是本题考查的重点。
【解答】
A.光合作用释放O2的速率可以用单位时间内装置中液滴移动距离来表示，A错误；
B.如果用此装置测定植物的呼吸速率，则烧杯中应放入氢氧化钠溶液，吸收细胞呼吸产生的二氧化碳，并对植物进行遮光处理，此时液滴移动的距离是有氧呼吸消耗氧的体积，B错误；
C.若测量指标为装置中O2含量的变化，则氧气为自变量，二氧化碳为无关变量，所以装置中的小烧杯中的蒸馏水应该换成二氧化碳缓冲液或碳酸氢钠溶液，以保证单一变量是氧气浓度，该条件下可测定植物的净光合速率，该实验需要设置对照试验，具体为该装置的容器和小烧杯中应分别放入死的植物幼苗和二氧化碳缓冲液，C正确；
D.调节白炽灯的光强，可以探究光强度对光合作用的影响，当一定光照强度下，光合作用强度-呼吸作用强度最大时，液滴向右移动量即最大，不一定是达到全日照光强时液滴向右移动量才最大，D错误。
故选C。
课堂练习
2.(2023·广东省·单元测试)图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时，单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化，图乙表示蓝藻光合作用速率与光照强度的关系。有关说法正确的是（ ）
A. 图甲中，光照强度为b时，光合作用速率等于呼吸作用速率
B. 图甲中，光照强度为d时，单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2
C. 图乙中，当光照强度为X时，细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体
D. 图乙中，限制a、b、c点光合作用速率的因素主要是光照强度
课堂练习
【解析】
本题考查了影响光合作用的环境因素、呼吸作用和光合作用之间的关系以及原核细胞和真核细胞的区别等知识，意在考查考生的析图能力、识记能力和理解判断能力，难度适中。本题考生要明确甲图中O2为产生总量，即表示总光合作用量，因此要求与乙曲线中区分开；特别是两个b点；考生要识记原核细胞的结构特点，原核细胞没有细胞核，细胞器中只有核糖体。
【解答】
分析图解：从图甲可知，光照强度为a时无氧气产生，说明此时只进行呼吸作用，无光合作用，二氧化碳释放量为6个单位，表示呼吸作用强度；当光照强度为b时，二氧化碳释放量和氧气产生总量相等，此时进行光合作用也进行呼吸作用，而呼吸作用大于光合作用；当光照强度为c时，无二氧化碳的释放，氧气产生量为6个单位，说明此时光合作用等于呼吸作用；则d点时，光合作用大于呼吸作用。
而图乙中，a点只进行呼吸作用，b点时光合作用等于呼吸作用，b点之后光合作用大于呼吸作用。
A.图甲中：光照强度为a时，O2产生总量为0，只进行细胞呼吸，据此可知，呼吸强度为6；光照强度为b时，CO2释放量大于0，说明光合作用速率小于呼吸作用速率，A错误；
B.光照强度为d时，O2产生总量为8，则光合作用总吸收二氧化碳为8，因而单位时间内细胞从周围吸收8-6=2个单位的CO2，B正确；
C.图乙中所示生物为蓝藻，蓝藻不含线粒体和叶绿体，C错误；
D.限制c点光合作用速率的因素是温度、CO2浓度等，而限制a、b点光合作用速率的因素主要是光照强度，D错误。
课堂练习
3.(2023·广东省·单元测试)将某绿色植物放在特定的实验装置中，研究温度对光合作用与呼吸作用的影响（其余条件适宜且相同），以CO2的吸收与释放量为指标，实验的结果如下表所示，下列对该表数据的分析正确的是（ ）
A. 在连续光照的情况下，该植物在35℃条件下不能生长
B. 在连续光照的情况下，25℃时该植物一天积累的有机物最多
C. 每天光照与黑暗时间相等，且白天与夜晚温度不变，25℃时该植物一天积累的有机物最多
D. 每天光照与黑暗时间相等，且白天与夜晚温度不变，30℃与35℃条件下一天积累的有机物相等
课堂练习
【解析】
【分析】
本题考查光合作用相关知识，掌握净光合作用（有机物的积累量）=实际光合作用（光合作用制造的有机物量）-呼吸作用消耗（呼吸作用消耗的有机物）是解决本题的关键。
表中“光照下吸收CO2（mg/h）”代表的是净光合作用速率，“黑暗中释放CO2（mg/h）”代表的是呼吸作用速率，看植物是否生长关键看植物有机物的积累量，净光合作用（有机物的积累量）=实际光合作用（光合作用制造的有机物量）-呼吸作用消耗（呼吸作用消耗的有机物）。
【解答】
A.据图分析，在昼夜不停地光照条件下，只要净光合作用速率大于0，植物就可以正常生长，A错误；
B.净光合作用速率越大，植物一天积累的有机物最多，昼夜不停地光照，在25℃时该植物一天积累的有机物最多，B正确；
C.每天光照与黑暗时间相等，且白天与夜晚温度不变，20℃时该植物一天积累的有机物最多，C错误；
D.每天光照12小时，30℃时积累的有机物量为（3.50-3.00）×12=6mg，35℃时积累的有机的量是：（3-3.5）×12=-6mg，两者一天积累的有机物不相等，D错误。
故选B。

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