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必修1 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
班别：____________ 姓名：____________
学习目标 通过对光合作用原理的部分实验的探索，阐明光合作用的原理并说明光合作用的过程。
核心素养 生命观念 通过对光合作用过程的认识，建立起生物学的物质观和能量观。
科学思维 建立光合作用的光反应和暗反应的过程模型，细解二者之间的关系，培养科学建模的能力。
『知识目标 夯实基础』
1．光合作用的概念
2．光合作用的反应式
3．探索光合作用原理的部分实验
时间/发现者 内容
19世纪末 科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开， 被释放， 与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖
1928年 科学家发现甲醛对植物有 作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖
1937年希尔(英国) 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 。
1941年鲁宾、卡门(美国) 用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源，HO＋CO2―→植物―→18O2，H2O＋C18O2―→植物―→O2，得出光合作用释放的氧全部来自 。
1954年阿尔农(美国) 在光照下，叶绿体可合成 ，这一过程总是与 相伴随
4．光合作用过程
(1)光反应阶段
①条件： 。
②场所： 。
③物质变化
a．将H2O分解为 ，其中H＋与NADP＋结合形成 。
b．使ADP和Pi反应形成 。
④能量变化
将光能转化为储存在 中的化学能。
(2)暗反应阶段
①条件： 都能进行。
②场所： 。
③过程(卡尔文循环)
a．CO2的固定：C5＋CO22C3。
b．C3的还原：2C3(CH2O)＋C5。
④能量变化：NADPH、ATP中活跃的化学能变为 。
(3)光反应与暗反应之间的联系
光反应为暗反应提供 ，暗反应为光反应提供 。
『知识目标 易错辨析』
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．光合作用中ADP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜(　　)
4．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(　　)
5．14CO2中C的转移途径是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O)(　　)
特别提醒　(1)光反应阶段必须是在有光条件下进行，而暗反应阶段有光无光都能进行，但需光反应提供的NADPH和ATP，故暗反应不能长期在无光环境中进行。
(2)光反应阶段为暗反应阶段提供ATP、NADPH，ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质。而暗反应则为光反应提供ADP和Pi，ADP从叶绿体基质移向类囊体薄膜。
(3)光合作用的光反应阶段产生的ATP只能用于暗反应，不用于其他生命活动过程。
『思维目标 强化素养』
1．光合作用原理的探索实验分析
(1)实验一：希尔实验
①希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否能说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水？
②希尔的实验是否能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？
(2)实验二：鲁宾和卡门的实验
分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
(3)实验三：20世纪50年代，卡尔文及其同事因在光合作用方面的研究成果，获得了1961年的诺贝尔化学奖。卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中，通过一个通气管向容器中通入CO2，通气管上有一个开关，可控制CO2的供应，容器周围有光源，通过控制电源开关可控制光照的有无。
他向密闭容器中通入14CO2，当反应进行到5 s时，14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中，将反应时间缩短到0.5 s时，14C出现在一种三碳化合物(C3)中，上述实验中卡尔文等是通过控制 来探究CO2中碳原子转移路径的，采用了
等技术方法。
2．光合作用过程分析
请结合教材光合作用原理图分析，外界条件突然改变，NADPH、C5、C3、ATP的含量如何变化？
条件 光照由强到弱，CO2供应不变 光照由弱到强，CO2供应不变 CO2供应由充足到不足，光照不变 CO2供应由不足到充足，光照不变
C3含量
C5含量
NADPH和ATP的含量
(CH2O)的合成量
【梳理网络】
1．光合作用的实质是 ；而呼吸作用的实质是 。
2．光反应的场所是 ，产物是 。
3．暗反应的场所是 ，产物是 。
4．光合作用中的物质转变
(1)14CO2→ → ； (2)HO→ 。
5．光合作用中的能量转变：光能→ 中活跃的化学能→ 中稳定的化学能。
『能力目标 随堂演练』
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．光合作用的需光过程为CO2合成有机物提供ATP和NADPH
2．用14C标记CO2，可用于研究光合作用中(　　)
A．光反应的条件 B．暗反应的条件
C．能量的转换过程 D．由CO2合成糖的过程
3．如图表示光合作用的过程，其中Ⅰ、Ⅱ表示光合作用的两个阶段，a、b表示相关物质。下列相关叙述正确的是(　　)
A．阶段Ⅰ表示暗反应 B．阶段Ⅱ表示光反应
C．物质a表示NADPH D．物质b表示C3
4．正常生长的绿藻，照光培养一段时间后，用黑布迅速将培养瓶罩上，此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是(　　)
A．O2的产生停止 B．CO2的固定加快
C．ATP/ADP比值下降 D．NADPH/NADP＋比值下降
5．如图表示在夏季的某一个晴天，某植物细胞光合作用过程中C3、C5的含量变化，若第二天中午天气由艳阳高照转为阴天，此时细胞中C5、C3含量的变化分别相当于曲线中的哪一段(　　)
A．c→d段(X)，b→c段(Y) B．b→c段(Y)，b→c(X)
C．d→e段(Y)，c→d段(X) D．d→e段(Y)，d→e段(X)
6．将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中，一段时间后植株达到40 g，其增加的质量来自(　　)
A．水、矿质元素和空气 B．光、矿质元素和水
C．水、矿质元素和土壤 D．光、矿质元素和空气
7．在科学家对光合作用的探索历程中，下列哪一项叙述不准确(　　)
A．恩格尔曼以水绵为实验材料，证明光合作用是发生在叶绿体的受光部位
B．希尔发现离体叶绿体在适当条件下，可以发生水的光解并产生氧气
C．鲁宾和卡门利用同位素示踪的方法，证明光合作用中释放的氧气来自二氧化碳
D．阿尔农发现光合作用中叶绿体合成ATP总是与水的光解相伴随
8．(2019·山东高一月考)在实验室中，如果要测定藻类植物是否完成光反应，最好是检验其(　　)
A．氧气的释放量 B．ATP的生成量
C．二氧化碳的消耗量 D．葡萄糖的合成量
9．用同位素分别标记二氧化碳和水，做了如下实验，就实验结果、结论的叙述不正确的是(　　)
A．结果：物质A和物质B都是氧气
B．结果：物质A和物质B均无放射性
C．结论：物质A和物质B的相对分子质量之比为9∶8
D．结论：光合作用释放的氧气中氧元素来源于水
10．某科学家用含14C的二氧化碳来追踪光合作用中碳原子转移途径，能正确表示碳原子转移途径的是(　　)
A．CO2→叶绿素→ADP B．CO2→C3→葡萄糖
C．CO2→酒精→葡萄糖 D．CO2→叶绿素→ATP
11．光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢。如图为绿色植物光合作用图解，下列叙述正确的是(　　)
A．①是光合色素，分布在细胞质基质中 B．②是氧气，在类囊体薄膜上产生
C．③是C5，能被还原为(CH2O) D．④是ATP，在叶绿体基质中生成
12．(2020·济南市历城第二中学高一期末)光合作用过程包括光反应和暗反应，下图表示光反应与暗反应的关系，据图判断下列叙述不正确的是(　　)
A．光反应为暗反应提供ATP和NADPH
B．停止光照，叶绿体中ATP和NADPH含量下降
C．ATP的移动方向是由类囊体薄膜到基质
D．植物在暗处可大量合成(CH2O)
13．下列有关光合作用的叙述，正确的是(　　)
A．光反应和暗反应的进行都需要光
B．光反应和暗反应的进行都需要酶的参与
C．光反应和暗反应的进行都需要消耗ATP
D．光反应和暗反应都是在叶绿体的类囊体薄膜上进行
14．(2020·辽宁高一期末)下列关于光合作用的叙述，错误的是(　　)
A．光合作用可以将无机物合成为有机物
B．细胞中如果没有叶绿体就不能进行光合作用
C．暗反应需要光反应提供ATP和NADPH
D．暗反应过程中，CO2被C5固定生成C3
15．下图为某植物光合作用过程示意图。请据图回答下列问题：
(1)在类囊体上分布有吸收光能的________，其经提取后再层析分离，扩散最慢的色素带呈________色。
(2)图中①为________，(CH2O)中的能量直接来源于图中______________________________。
(3)14CO2进入叶绿体后，首先能检测到含14C的有机物是________，该物质被还原成糖类需要光反应提供__________________。
(4)光合作用过程中，发生的能量变化是__________________________________________。
(5)若突然停止光照，则短时间内④的含量将________(填“增加”“减少”或“不变”)，原因是___________________________________________________________________。
『能力目标 课外作业』
1．如图表示某生物膜结构及其发生的部分生理过程，下列叙述正确的是(　　)
A．图中膜结构表示叶绿体内膜，B侧为叶绿体基质
B．图示过程的能量变化是光能转变成ATP和NADPH中稳定的化学能
C．甲表示色素分子，其中类胡萝卜素主要吸收红光和蓝紫光
D．图示光反应部分过程，水分解为氧和H＋的同时还产生电子
2．Rubisco是大量存在于植物细胞叶绿体中的酶，参与CO2与C5反应，其活性远低于其他酶。该酶有两个CO2结合位点a、b，CO2分子与位点a结合后激活该酶，进而促进位点b上CO2的固定进程。下列关于Rubisco的叙述，错误的是(　　)
A．Rubisco在叶绿体基质中参与酶促反应，底物是CO2和C5
B．CO2激活Rubisco后即可发生暗反应，促进光合产物的生成
C．Rubisco的活性虽然远低于其他酶，但它依然具有高效性
D．光合作用正常进行时，抑制该酶的活性会导致C3含量减少
3．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
4．如果某植物正常进行光合作用时，其叶绿体中NADPH的含量相对稳定，现如图在a点时突然停止供给CO2，则能表示该植物叶绿体中NADPH含量变化的曲线是(　　)
5.如图是生活在适宜环境中的某植物光合作用部分过程图解，其中A、B、C、D表示四种化合物，a、b表示两个生理过程，相关叙述错误的是(　　)
A．该过程发生的场所为叶绿体基质 B．C物质可以作为b过程的还原剂
C．在无光条件下有利于此过程的进行 D．突然增强光照，叶肉细胞内B物质将减少
6．(2020·山西高一模拟)光合作用过程是许多科学家通过系列研究逐步揭示的。请回答问题：
(1)叶绿体是植物光合作用的场所，人们在电镜下观察叶绿体，可以发现叶绿体由双层膜包被，内部有许多圆饼状的囊状结构堆叠而成的________，吸收光能的________就分布在类囊体的薄膜上。
(2)氧气能与肌红蛋白可逆结合，并且非常灵敏，可用于定量测定微量氧。科学家打碎植物细胞，在叶片匀浆—肌红蛋白系统(含离体叶绿体)中加入Fe3＋或其他氧化剂，然后照光，观察到了氧合肌红蛋白的光谱变化，说明光照下产生了________。上述系统中有H2O，但没有CO2，推测水的光解与CO2消耗的过程可能相对独立。
(3)科学家进一步用离体叶绿体进行实验，实验组用CO2固定抑制剂处理，对照组不做处理，测定得到下图所示结果。
①据实验结果可知，实验组虽然________量几乎被完全抑制，但氧气产生量______________________________，由此可判断_____________________________________。
②ATP合成量虽然没有被完全抑制，但也显著降低，表明ATP合成过程并不与________过程同时进行。后续研究表明，这两个过程均发生在________阶段，两者存在一定关联。
7．阅读下列材料，回答问题：
材料　在美国黄石公园的细菌垫以及澳大利亚的海滩岩等阴暗环境中，存在着一种蓝细菌。最新研究发现，这些细菌的特别之处在于，它们在光合作用过程中可使用“近红外光”，而不仅是我们使用的发生在大多数生物中的“可见红光”。光合系统能将太阳能转换成为化学能，从而为生命提供动力。在已知的所有植物、藻类、蓝细菌中都存在叶绿素a，几乎所有的有氧光合作用中，都需要依赖叶绿素a来收集可见光、再将可见光转化为化学物质和氧气。
然而，当一些蓝细菌在近红外光环境下生长时，含有叶绿素a的标准系统就会失效，而被含另一种叶绿素——叶绿素f的系统接管。在新的研究中，科学家发现，叶绿素f能吸收波长大于760 nm的光，是已知能吸收最大波长的光的叶绿素。
当处于荫蔽或者光线较暗的条件下时，叶绿素f就会在光合作用过程中起着关键性的作用，它能利用能量很低的近红外光来进行复杂的化学反应。
(1)下图为光合作用基本过程示意图，请结合图解回答下列问题：
①代表的生理阶段是________，②代表的细胞结构是________，③代表的物质是________；①为暗反应阶段提供了______________，暗反应中CO2的作用是________________。
(2)将你学过的光合作用知识并结合本文进行比较，将不同之处填入下表。
项目 叶绿素种类 叶绿素分布 吸收光的种类
黑藻 ①________ 叶绿体类囊体薄膜 ②__________
蓝细菌 ③________ 细胞膜 ④__________
(3)下列不属于本项研究重要发现的是________。
A．存在一种新的叶绿素——叶绿素f B．具有叶绿素f的生物中无其他叶绿素
C．叶绿素f具有吸收近红外光的作用 D．叶绿素f在光合作用中起辅助作用
(4)请结合本文，从生物进化角度，阐述叶绿素a和叶绿素f出现的可能顺序____________
______________________________________________________________________________。
二、光合作用的原理和应用
『知识目标 夯实基础』
1．叶绿体 光能 2．CO2＋H2O(CH2O)＋O2
3．O2 C 毒害 氧气 水 ATP 水的光解
4．(1)有光 类囊体薄膜 氧和H＋ H＋与NADP＋ ATP ATP和NADPH
(2)有没有光 叶绿体基质 有机物中稳定的化合能
(3) NADPH和ATP ADP和Pi、NADP＋
『知识目标 易错辨析』答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×
『思维目标 强化素养』
1． (1)①提示　不能，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。没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有观察到氧元素的转移。
②提示　能说明，希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有水，没有合成糖的另一种必需原料——CO2，因此该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着水的光解与糖的合成不是同一个化学反应。
(2)提示　光合作用释放的氧气中的氧全部来源于水，并不来源于CO2。
(3)反应时间 同位素示踪
2．光合作用过程分析
条件 光照由强到弱，CO2供应不变 光照由弱到强，CO2供应不变 CO2供应由充足到不足，光照不变 CO2供应由不足到充足，光照不变
C3含量 增加 减少 减少 增加
C5含量 减少 增加 增加 减少
NADPH和ATP的含量 减少 增加 增加 减少
(CH2O)的合成量 减少 增加 减少 增加
【梳理网络】
1．合成有机物，储存能量 分解有机物，释放能量 2．类囊体薄膜 O2、NADPH和ATP
3．叶绿体基质 糖类等有机物 4．14C3 (14CH2O) 18O2 5．ATP和NADPH 有机物
『能力目标 随堂演练』
1．B 2．D 3．C 4．B 5．D 6．A 7．C 8．A 9．C 10．B
11．B 12．D 13．B 14．B
15．(1)色素　黄绿　(2)氧气　ATP和NADPH中的能量　(3)C3　②NADPH、③ATP　
(4)光能→ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能　(5)减少　当突然停止光照时，C5的消耗速率不变，合成速率却减慢，导致C5含量减少
『能力目标 课外作业』
1．D 2．B 3．C 4．B 5.C 6． (1)基粒　光合色素　(2)氧气　
(3)①CO2固定　与对照组无显著差异　水的光解与CO2固定过程相对独立　
②水的光解　光反应
7．(1)光反应　叶绿体基质　O2　ATP、NADPH　与C5结合形成C3　
(2)叶绿素a、叶绿素b　红光、蓝紫光　叶绿素a、叶绿素f　红外光、红光、蓝紫光　
(3)B　
(4)当处于荫蔽或者光线较暗的条件下时，叶绿素f就会在光合作用过程中起着关键性的作用。所以在地球形成之初，叶绿素f可能先出现。慢慢随着大气的散开，光照条件转好，生物体为更好地吸收光能，叶绿素a才可能出现

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