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5.4.2光合作用的原理和应用学案
【学习目标】
1.生命观点：阐明在光合作用过程中物质与能量的变化，初步建立生物学的物质与能量观。
2.科学思维：分析光合作用过程图示，归纳与概括光反应与暗反应过程及异同。
3.科学探究：体验和学习光合作用的探究历程中的科学实验设计思路。
【学习重难点】
1．阐明光合作用的原理和实质。(重难点)
2．说出光合作用原理中的物质和能量变化。(重点)
【预习新知】
光合作用的原理
1.光合作用的概念和反应式
（1）概念：绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
（2）反应式： 。
2.探索光合作用原理的部分实验
（1）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，O2被释放，C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毒害作用，而且甲醛 通过光合作用转化成糖。
（2）1937年，英国植物学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有水，没有二氧化碳），在光照下可以释放出氧气。像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作 。
（3）1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成和C18O2。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。
（4）1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
（5）20世纪40年代，美国的卡尔文利用 法最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。
3.光合作用的过程
光反应 暗反应（碳反应）
实质 光能转化为化学能，并释放 同化CO2，合成
需要条件 外界条件：光照 内部条件：色素、酶 外界条件：无需光照 内部条件：酶
反应场所 叶绿体类囊体的薄膜上 叶绿体的基质中
物质变化 ①水的光解：水分解成NADPH和O2 ②ATP的合成：在相关酶的作用下，ADP和Pi形成ATP ①CO2的固定： ②C3的还原：
①光反应为暗反应提供两种重要物质：NADPH和ATP， 既可作还原剂，又可提供能量；暗反应为光反应提供三种物质： 。
②暗反应有光无光都能进行。若光反应停止， 可持续进行一段时间，但时间不长，故晚上一般认为只进行呼吸作用，不进行光合作用。
光合作用原理的应用
1．光合作用的强度
(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
单位时间内光合作用
(3)影响光合作用的因素
2．探究光照强度对光合作用强度的影响
3．在生产实践中的应用
实例 原理
间作套种 不同植物对光照的需求不同
冬季大棚温度白天适当提高，晚上适当降低 白天提高温度，促进光合作用；夜间降温，抑制呼吸作用
“正其行、通其风” 增大CO2浓度，有利于光合作用的进行
合理灌溉 缺少水导致气孔关闭，CO2供应不足
4．化能合成作用
(1)概念：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。
(2)实例：硝化细菌能利用土壤中的氨(NH3)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CO2和H2O合成糖类，供自身利用。
【易错提示】
光合作用过程中的两个误区
(1)误认为反应不需要酶。光反应过程也需要酶的催化。色素吸收、传递光能过程不需要酶的催化,但是水的光解和ATP的合成需要酶的催化。
(2)误认为全程无光,也可以进行暗反应。暗反应过程不需要光,若光反应停止,暗反应会因缺乏ATP和NADPH无法进行而停止。
【巩固训练】
1.下列关于高等植物细胞内色素的叙述,错误的是( )
A.所有植物细胞中都含有4种色素
B.有些植物细胞的液泡中也含有色素
C.叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收光能
D.植物细胞内的光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素两大类
2.如图为某细胞中分离得到的两种细胞器（其中甲中有部分其他结构附着），下列相关叙述错误的是( )
A.两种细胞器中，只有乙与能量转换有关
B.两者的双层膜结构都利于化学反应的顺利进行
C.乙内膜向内折叠形成嵴，乙是细胞有氧呼吸的主要场所
D.两者在胰岛素的分泌过程中都是必不可少的，发挥着重要的作用
3.下列关于光合作用和化能合成作用的叙述，正确的是( )
A.都以光能作为能源
B.这两类作用都是真核生物特有的方式
C.进行光合作用的生物属于自养生物，进行化能合成作用的生物属于异养生物
D.都能将CO2和水合成为有机物
4.用一定浓度的NaHSO3溶液喷洒到小麦的叶片上，短期内检测到叶绿体中C3的含量下降，C5的含量上升。NaHSO3溶液的作用可能是( )
A.促进叶绿体中CO2的固定 B.抑制叶绿体中C3的还原
C.促进叶绿体中ATP的合成 D.抑制叶绿体中有机物的输出
5.下列有关生物体内生理过程的叙述，错误的是( )
A.水绵细胞内CO2的固定发生在细胞质基质中
B.人体细胞内DNA分子复制可发生在线粒体中
C.硝化细菌内[H]与O2结合发生在线粒体内膜上
D.人体细胞内丙酮酸分解成酒精的过程发生在细胞质基质中
6.下图表示某实验小组对影响小麦和玉米的光合速率的因素的研究结果。CO2补偿点是植物净光合速率等于零时的外界CO2浓度，CO2饱和点是植物光合速率最大时的最小外界CO2浓度。下列相关说法正确的是( )
A.图1所示实验的自变量为光照强度，温度是无关变量
B.光照强度为P时，小麦和玉米的CO2固定速率相等
C.相比于玉米，小麦能够较好地适应较低浓度的CO2环境
D.一般情况下，玉米的CO2补偿点和CO2饱和点均低于小麦的
参考答案
1.答案：A
解析：A、高等植物体内没有叶绿体的细胞就没有光合色素，如根尖细胞，A错误；B、有些植物的液泡中也含有水溶性色素，但不参与光合作用，B正确；CD、植物细胞内的光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素两大类，可以吸收光能，CD正确。故选：A。
2.答案：B
解析：A、甲内质网和能量转换无关，乙线粒体能将有机物中的化学能转变为ATP中活跃化学能和热能，故两种细胞器中，只有乙与能量转换有关，A正确;B、甲内质网是单层膜构成的膜性管状系统，B错误;C、乙线粒体内膜向内折叠形成嵴，乙是细胞有氧呼吸的主要场所，C正确;D、胰岛素是分泌蛋白，内质网对分泌蛋白进行加工和运输，线粒体为分泌蛋白合成和分泌过程提供能量，D正确。
3.答案：D
解析：A、光合作用需要光作为能源，化能合成作用不需要光能作为能源，A错误;
B、进行化能合成作用的硝化细菌为原核生物，B错误;
C、光合作用和化能合成作用的生物都属于自养生物，C错误;
D、光合作用是利用光能将CO2和H2O合成有机物，化能合成作用是利用氧化还原反应过程中释放的化学能将CO2和H2O合成有机物，D正确。
4.答案：C
解析：若NaHSO3溶液促进叶绿体中CO2的固定，则CO2被C5固定形成的C3增加，则消耗的C5增加，故C5的含量将减少，C3的含量将增加；若NaHSO3溶液抑制叶绿体中C3的还原，则被还原的C3减少，生成的C5减少，而CO2被C5固定形成C3的过程不变，故C3的含量将增加，C5的含量将减少；若NaHSO3溶液促进叶绿体中ATP的合成，则被还原的C3增多，消耗的C3增加，生成的C5增多，而CO2被C5固定形成C3的过程不变，故C3的含量将减少，C5的含量将增加；若NaHSO3溶液抑制叶绿体中有机物的输出，意味着暗反应中C3的还原过程变慢，生产的C5减少，而CO2被C5固定形成C3的过程不变，故C3的含量将增加，C5的含量将减少。故C正确。
5.答案：ACD
解析：A、水绵细胞内CO2的固定发生在叶绿体基质中，A错误;B、线粒体中含有DNA，其中的DNA可以复制，B正确;C、硝化细菌是原核生物，无线粒体，C错误;D、人体细胞内丙酮酸分解不生成酒精，会生成乳酸，D错误。
6.答案：D
解析：
识标明变量 图1中横坐标为光照强度，纵坐标为CO2吸收速率（即净光合速率），则自变量为光照强度，因变量为净光合速率，该图中有两条曲线，则植物种类也为自变量，温度属于无关变量，A错误；同理分析可知，图2中的自变量为胞间CO2浓度和植物种类，因变量为净光合速率
析线理关系 两图中均有两条曲线，表示不同植物品种；两条曲线的变化趋势基本一致，表现为随横坐标的增加，纵坐标先增加后保持不变，即存在光饱和点和CO2饱和点（图2中小麦的CO2饱和点还未出现）
明点求突破 图1中P为两曲线相交时对应的光照强度，此时玉米和小麦的CO2吸收速率相等即净光合速率相等，CO2固定速率表示总光合速率，总光合速率=净光合速率+呼吸速率，由于小麦和玉米的呼吸速率不同，则总光合速率不同，故CO2固定速率不相等，B错误；图2中，A点为两曲线交点，在A点左侧，玉米所对应曲线高于小麦对应曲线，说明胞间CO2浓度较低时，玉米有更大的光合速率，故相比于小麦，玉米能够较好地适应较低浓度的CO2环境，C错误；由图2可知，玉米的CO2补偿点低于小麦的，玉米的CO2饱和点已出现，但小麦的CO2饱和点还未出现，即玉米的CO2饱和点也低于小麦的，D正确

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