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5.4 光合作用和能量转化学案
【学习目标】
1.能说出叶绿体色素的种类、颜色、含量、作用和吸收光谱。
2.能说出叶绿体适于进行光合作用的结构和功能。
3.利用列表比较法掌握叶绿体色素的种类、颜色、含量、作用和吸收光谱。
4.通过实验，拿握提取、分离色素的实验方法。
5.通过学习经典实验学习实验的设计思路。
6.能够运用色素与光合作用的原理解释生产生活中的相关现象。
【学习重难点】
1、教学重点：（1）叶绿体适用于光合作用的结构特点
（2）光合作用的原理
2、教学难点：（1）光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系
（2）探究影响光合作用强度的环境因素
【预习新知】
捕获光能的色素
1．生物圈得以维持运转的基础：太阳光能的输入、捕获和转化。唯一能够捕获和转化光能的生物学途径：光合作用。
2．实验：绿叶中色素的提取和分离
(1)实验原理
(2)实验步骤
提取色素
②分离色素
3．观察结果
滤纸条上色素带有四条，如下图所示：
结果分析：
(1)色素带的条数与色素种类有关，四条色素带说明有四种色素。
(2)色素带的宽窄与色素含量有关，色素带越宽说明此种色素含量越多。色素带最宽的是叶绿素a，最窄的是胡萝卜素，叶绿素b的色素带比叶黄素的稍宽。
(3)色素带扩散速度与溶解度有关，扩散速度越快说明溶解度越高。
(4)相邻两条色素带之间距离最远的是胡萝卜素和叶黄素，最近的是叶绿素a和叶绿素b。
4．绿叶中色素的吸收光谱
(1)光谱：阳光是由不同波长的光组合而成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。
(2)叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。
叶绿体的结构适于进行光合作用
1．叶绿体
(1)叶绿体的结构
②色素及酶的分布
(2)分布：主要分布在植物的叶肉细胞内。
(3)功能：叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
2．叶绿体功能的实验验证
(1)实验者：德国科学家恩格尔曼。
(2)实验过程及现象
资料1：
②紧接着又做了一个实验：他用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚在红光和蓝紫光区域。
(3)实验结论
①叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
②叶绿体主要吸收红光和蓝紫光。
(4)实验设计的巧妙之处
①实验材料用水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察，用好氧细菌可确定释放氧气的部位。
②没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰。
③用极细的光束照射，叶绿体上可分为有光照和无光照的部位，相当于一组对比试验。
④临时装片局部曝光与完全暴露在光下的实验再一次验证实验结果。
资料2：
在叶绿体的类囊体和基质中，含有多种进行光合作用的酶。
该资料说明光合作用的有关生化反应在叶绿体中进行。
3．总结
在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。色素和酶是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。
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：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。
2．光合作用的探究历程
(1)19世纪末，科学界普遍认为：C与H2O结合成甲醛。
(2)1928年：甲醛不能通过光合作用转化成。
(3)1937年，英国希尔：离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气。
(4)1941年，鲁宾和卡门：研究了光合作用中氧气的来源(氧气来源于H2O)。
(5)1954年，美国阿尔农：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。
3．光合作用的过程
(1)光反应阶段
①场所：叶绿体的类囊体薄膜。
②条件：、色素和有关的。
③物质变化
Ⅰ.水的光解：H2OO2＋2NADPH
Ⅱ.ATP的合成：ADP＋Pi＋能量ATP。
④能量变化：将光能转变为活跃的化学能。
(2)暗反应阶段
①场所：叶绿体基质中。
②条件：的催化。
③物质变化
Ⅰ.CO2的固定：CO2＋C52C3
Ⅱ.C3的还原：C3(CH2O)
C3C5
④能量变化：ATP中活跃的化学能转变为有机物中稳定的化学能。
光合作用原理的应用
1．光合作用强度
(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：用一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量表示。
(3)影响因素
2．探究光照强度对光合作用的影响
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 一定范围内温度升高，光合作用和细胞呼吸都会增强
“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 水缺少导致气孔关闭，CO2供应不足
【巩固训练】
1.NADH和NADPH是两种重要的还原型辅酶，在细胞呼吸和光合作用等反应中发挥重要作用。下列说法正确的是( )
A.细胞呼吸和光合作用过程中均能产生NADH和NADPH
B.光合作用暗反应过程中所需的能量由NADH和ATP提供
C.有氧呼吸过程中只有前两个阶段有NADPH生成
D.NADH与氧结合发生在线粒体内膜
2.下列对“绿叶中色素的提取和分离”实验描述错误的是( )
A.研磨叶片时加二氧化硅的目的是使研磨更加充分
B.随层析液在滤纸条上扩散速度最快的色素是胡萝卜素
C.最宽的一条色素带中的色素主要吸收蓝紫光
D.实验应在通风条件下进行，实验结束后用肥皂将手洗干净
3.某同学用绿色菠菜叶和黄化菠菜叶进行了光合色素的提取和分离实验，实验操作过程相同，分别得到滤纸条甲和乙，如图所示。下列叙述正确的是( )
A.分离色素利用了光合色素易溶于有机溶剂无水乙醇的原理
B.滤纸条甲与乙上的色素带不会随着层析液的挥发而消失
C.滤液细线若触及层析液的液面将得到宽度变窄的色素带
D.滤纸条乙缺少2条色素带的原因是未加碳酸钙
4.生物学知识在生产、生活中有广泛的应用。下列做法符合生物学原理的是( )
①当大量出汗排出过多无机盐后.应多喝淡盐水
②移栽树苗时仅保留部分幼叶，可以减少水分蒸发、提高树苗成活率
③中耕松土、适时排水，能通过改善氧气供应来促进作物根系的呼吸作用
④将喜阳作物和耐阴作物间行种植，既要能充分利用光能，又要利于CO2的供应
⑤利用动物体细胞的全能性，成功培育出了体细胞克隆猴“中中”和“华华”
⑥人不应吃酸性或碱性食物，否则会使血浆pH发生紊乱，影响内环境稳态
A.①②③④ B.②③④⑤ C.③④⑤⑥ D.①②③④⑤⑥
5.将玉米白化苗叶片和正常植株绿色叶片分别进行“色素的提取和分离”，实验结果显示白化苗样品仅出现橙黄色、黄色2条色素带，说明白化苗叶片缺( )
A.叶绿素a和叶绿素b B.叶绿素a和叶黄素
C.胡萝卜素和叶黄素 D.叶绿素b和叶黄素
6.在农业生产中，无论是大田种植还是温室栽培，都要充分考虑环境因素对光合作用强度的影响。下列措施中不能直接提高光合作用强度的是( )
A.加大O2供应
B.适时适量浇灌
C.适当补充人工光照
D.适量补充Mg、N等无机盐
7.在夏季晴朗的白天，光照最强的中午，绿色植物的光合作用强度反而会降低。此时，植物气孔的开闭情况和细胞内C3、C5含量的变化依次是( )
A.气孔打开、增加、减少 B.气孔关闭、减少、增加
C.气孔打开、减少、增加 D.气孔关闭、增加、减少
8.2004年，我国科学家在《自然》杂志上，以封面文章发表了《菠菜主要捕光复合物2.72λ分辨率的晶体结构》。该捕光复合物主要分布于( )
A.叶绿体基质 B.叶绿体基粒 C.叶绿体内膜 D.叶绿体外膜
9.某研究小组分别对植物甲、乙进行光合作用强度的测定，实验结果得到曲线如图所示。下列叙述正确的是( )
A.光照强度为0时，植物甲产生ATP的场所只有线粒体
B.光照强度为M时，植物甲和植物乙的真正光合速率相等
C.光照强度为500lx时，限制植物甲乙光合作用的因素可能是温度
D.光照强度为1000lx时，可考虑通过提高CO2浓度提高植物乙的光合速率
10.将植物栽培在适宜的光照、温度和CO2充足的条件下,如果将环境中CO2的含量突然降至极低水平,此时叶肉细胞内的C3、C5和ATP含量的变化情况依次是( )
A.上升、下降、上升 B.下降、上升、下降
C.下降、上升、上升 D.上升、下降、下降
参考答案
1.答案：D
解析：A、细胞呼吸过程中在细胞质基质和线粒体中都能产生NADH，而光合作用的光反应产生的是NADPH，A错误；
B、光合作用暗反应过程需要的能量由光反应产生的NADPH和ATP来提供，而不是NADH，B错误；
C、由分析可知有氧呼吸前两个阶段生成的是NADH，不是NADPH，C错误；
D、有氧呼吸前两个阶段生成的NADH在线粒体内膜上与O2结合生成水，D正确。
故选D。
2.答案：C
解析：A、研磨叶片时加二氧化硅的目的是使研磨得充分，A正确；
B、胡萝卜素在层析液中溶解度最大，随层析液在滤纸条上扩散速度最快，B正确；
C、最宽的一条色素带是叶绿素a，主要吸收蓝紫光和红光，C错误；
D、由于层析液中含有对人体有毒的物质，因此，实验应在通风条件下进行，且实验结束后用肥皂将手洗干净，D正确。
故选C。
3.答案：B
解析：提取色素利用了光合色素易溶于有机溶剂无水乙醇的原理，A错误；色素吸附在滤纸条上，滤纸条甲与乙上的色素带不会随着层析液的挥发而消失，B正确；滤液细线若触及层析液的液面将得不到色素带，C错误；滤纸条乙缺少2条色素带是因为乙的材料是黄化叶，本身就缺少叶绿素，D错误。
4.答案：A
解析：①当大量出汗排出过多无机盐后，可以多喝淡盐水维持体内的水盐平衡，①正确；
②移栽树苗时仅保留部分幼叶，去除老叶，可以减少水分蒸发、提高树苗成活率，②正确；
③中耕松土、适时排水，能通过改善根部的氧气供应来促进作物根系的呼吸作用，③正确；
④将喜阳作物和耐阴作物间行种植，既要能充分利用光能，又要利于CO2的供应，④正确；
⑤动物体细胞的细胞核具有全能性，⑤错误；
⑥血浆中含有、H2CO3等物质，能够使血浆的pH值保持稳定，正常情况下，人吃了酸性或碱性食物，血浆的pH不会发生紊乱。
综上所述，①②③④正确，⑤⑥错误，A正确，BCD错误。
故选A。
5.答案：A
解析：叶绿体色素包括叶绿素和类胡萝卜素两大类，前者包括叶绿素a、叶绿素b，后者包括叶黄素和胡萝卜素，其中叶绿素a为蓝绿色，叶绿素b为黄绿色，叶黄素为黄色，胡萝卜素为橙黄色。由题干信息可知，实验结果显示白化苗样品仅出现橙黄色、黄色2条色素带，即只含有胡萝卜素和叶黄素2条色素带，说明白化苗缺少的是叶绿素a和叶绿素b2条色素带，A符合题意。
故选A。
6.答案：A
解析：A、氧气是细胞有氧呼吸的原料之一，加大O2供应不能提高光合作用的强度，A符合题意；
B、水是光合作用的原料，适时适量浇灌也能提高气孔开度，增加CO2的吸收，提高光合作用的强度，B不符合题意；
C、适当补充人工光照可以增大光照强度，从而提高光合作用的强度，C不符合题意；
D、适量补充Mg、N等无机盐可以促进叶绿素以及光合作用有关酶的合成，进而影响光合作用的强度，D不符合题意。
故选A。
7.答案：B
解析：夏季中午，由于光照过强、温度过高，导致部分气孔关闭，吸收二氧化碳减少，二氧化碳的固定减弱，导致C5增加，而C3化合物生成量减少，但C3的还原基本不受影响，导致C3消耗增多，C5生成量增加。综上所述，植物气孔的开闭情况和细胞内C3、C5含量的变化依次是气孔关闭、减少、增加。
故选B。
8.答案：B
解析：A、叶绿体基质是暗反应的场所，分布着许多与暗反应有关的酶，A错误;
B、叶绿体类囊体是光反应的场所，分布着许多与光合作用光反应有关的色素和酶，光合色素的作用是吸收、传递、转化光能，B正确;
CD、叶绿体内膜和外膜不是光合作用发生的场所，捕光复合物不会分布于此，CD错误。
9.答案：D
解析：A、光照强度为0时，植物甲只进行呼吸作用，产生ATP的场所有细胞质基质和线粒体，A错误;
B、光照强度为M时，植物甲和植物乙的净光合速率相等，但由于二者呼吸强度不等，真正的光合速率不相等，B错误;
C、光照强度为500lx时，植物甲乙光合作用没有达到最大值，限制的因素主要是横坐标对应的光照强度，C错误;
D、光照强度为1000lx时，光照强度已经不是限制因素，限制因素可能是温度、二氧化碳浓度等，可考虑通过提高CO2浓度提高植物乙的光合速率，D正确。
10.答案：C
解析：在其他条件都适宜的情况下,CO2含量突然降低会导致CO2的固定受阻,致使C3的来源减少。而C3的还原过程仍在进行(由于其他条件都适宜,有足够的ATP和[H],导致C3不断被还原而减少,C5不断产生而增加。由于C3的来源不足,致使ATP的利用减少而含量上升。

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