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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
生物学必修1
分子与细胞（人教版）
第2课时 光合作用的原理和应用
导入一
如图为上海世博会上的一款“叶子”概念车。
“叶子”是一款概念车,它集光电转换、风电转换和二氧化碳吸附转换等自然能源转换技术概念于一身,车顶一片巨型叶子则是一部高效的光电转换器,可吸收太阳能转化为电能,并以可视化的“叶脉”方式显示能源的流动;特别值得一提的是其阳光追踪系统,叶片上的太阳能晶体片可随太阳照射方向转动,提高太阳能收集效率,生物化特性使“叶子”与自然实现和谐共处。
运用初中学过的知识合理解释,它为什么不需要使用汽油呢
导入一
回顾初中学过的知识,想想什么是光合作用。
光合作用是指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。
导入一
根据光合作用的反应式,推测光合作用的条件、场所、反应物和产物分别是什么。
光合作用的实质是什么
是不是所有的光合作用都是在叶绿体中进行的
光合作用的实质是把无机物转化为有机物,把光能转化为化学能储存在有机物中。
导入二
回忆初中阶段学习的光合作用的条件、场所、原料、产物分别是什么。
光合作用：绿色植物通过叶绿体,利用光能,把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。
导入二
光合作用只发生在叶绿体中吗
蓝细菌等原核生物没有叶绿体,但也可以进行光合作用。
准确地说,光合作用的条件是光照、与光合作用有关的色素、酶等。
导入二
关于光合作用如何将无机物转化成有机物并储存能量、释放氧气,其过程非常复杂,很多科学家研究了很长的时间。科学家根据是否需要光的参与,将光合作用分为两个部分——光反应和暗反应,本节课就让我们利用众多科学家的研究事实共同推理、验证光合作用的原理。
环节一:探索光合作用原理的部分实验
资料一 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H2O,没有CO2),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希尔反应。
1.希尔的实验说明水的光解产生氧气,是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水
2.希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应
环节一:探索光合作用原理的部分实验
资料二 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。他们给两组植物分别提供H2O和C18O2、H218O和CO2,在其他条件都相同的情况下,第1组释放的氧气都是O2,第2组释放的氧气都是18O2。
1.鲁宾和卡门用了什么科学方法
2.该实验的自变量是什么 其他变量应如何处理
3.该实验可以得出来的实验结论是什么
光合作用释放的氧气中的氧元素全部来自水,而并不来自CO2。
环节一:探索光合作用原理的部分实验
资料三 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。
分析以上三个资料,尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
环节二:光合作用的原理
观看视频。
环节二:光合作用的原理
光反应的场所是叶绿体中的哪个结构 为什么
光反应发生在类囊体薄膜上,因为类囊体上分布有众多色素和酶。
该过程中光能的作用是什么
光能的作用有两个方面,一方面使水分解,储存部分能量到NADPH;另一方面是在酶的催化下提供能量促使ADP与Pi形成ATP。
环节二:光合作用的原理
光反应的物质变化是怎样的
H2O→H++O2
ADP+Pi→ATP
NADP++H++2e-→NADPH
其物质变化过程可用下图表示:
环节二:光合作用的原理
物质变化与能量变化关系密切,那么光反应会发生怎样的能量变化
光能转化为ATP和NADPH中不稳定的化学能。
环节二:光合作用的原理
小组合作总结光反应的场所、条件、物质变化和能量变化。
环节二:光合作用的原理
我们已经初步了解光反应了,那么光合作用是如何将CO2合成糖类的呢 这个事实被美国科学家卡尔文等发现了。
环节二:光合作用的原理
阅读教材有关暗反应的内容,分析暗反应的场所、条件、物质变化和能量变化。
暗反应的场所是叶绿体基质;条件是多种酶;物质变化是CO2在酶的催化下,与C5结合生成C3,C3在酶的催化下被还原成有机物和C5,C3的还原需要ATP和NADPH 提供能量;能量变化是ATP、NADPH中活跃的化学能转变为糖类等有机物中稳定的化学能。
环节二:光合作用的原理
暗反应物质变化如图所示。
环节二:光合作用的原理
小组合作绘制暗反应过程的示意图。
环节二:光合作用的原理
如图是光合作用过程示意图,想一想,①~⑧分别表示什么
光合色素
O2
NADPH
ATP
C3
C5
光反应阶段
暗反应阶段
环节二:光合作用的原理
暗反应是一个不需光的过程,那么它是必须要在黑暗条件下才能进行的吗
停止光照时,暗反应能否进行 请说明理由。
停止光照时,光反应立刻停止,暗反应因为缺乏NADPH和ATP也会停止。
当我们停止给植物供应二氧化碳时,光反应会受到什么样的影响
暗反应停止,光反应也会随之停止,因为光反应产生的NADPH 和ATP没有被暗反应消耗,使得叶绿体中ATP和NADPH含量升高,从而抑制光反应的进行。
环节二:光合作用的原理
光反应和暗反应不是两个相对独立的过程,它们是紧密联系的。光反应为暗反应提供NADPH和ATP,暗反应为光反应提供NADP+、ADP和Pi。
环节二:光合作用的原理
如果给植物提供14CO2,则14C会依次出现在哪些物质中
环节二:光合作用的原理
思考·讨论
1.光反应和暗反应在所需条件、进行场所、发生的物质变化和能量转化等方面有什么区别
环节二:光合作用的原理
思考·讨论
2.光反应和暗反应在物质变化和能量转化方面存在什么联系
物质联系:光反应生成的ATP和NADPH 供暗反应C3的还原,而暗反应为光反应提供了ADP、Pi和NADP+ 。
能量联系:光反应为暗反应提供了活跃的化学能,暗反应将活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。
环节三:光照对光合作用强度的影响
若光照不变,停止CO2供应,短时间内叶绿体中的C3、C5、NADPH 和ATP的含量如何变化
短时间内叶绿体中的C3减少,C5、NADPH和ATP都增加。
环节三:光照对光合作用强度的影响
仅降低光照强度,光合作用强度如何变化 为什么
降低光照强度,光合作用强度会降低。因为降低光照强度,光反应的产物O2、ATP和NADPH就会减少,暗反应还原的C3就会减少,消耗的CO2就会减少,生成的有机物就会减少。
那么是不是光强越强,光合作用强度越高呢
环节三:光照对光合作用强度的影响
光合作用强度既受到环境因素的制约,也受到细胞内部因素的制约。根据光合作用原理,说说影响光合作用的因素有哪些。
光照、CO2浓度、温度、无机盐等。
什么是光合作用强度
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。
环节三:光照对光合作用强度的影响
推测哪些因素的变化可以代表光合作用强度。
植物有机物的增加量、CO2的吸收量或O2的产生量。
通过实验来探究这些因素是如何影响光合作用强度的。
探究环境因素对光合作用强度的影响,先确定自变量和因变量。
环节三:光照对光合作用强度的影响
观看视频
环节三:光照对光合作用强度的影响
利用桌上的实验材料完成该实验,把握好记录实验结果的时间点。
如表为某实验小组获得的实验数据。
环节三:光照对光合作用强度的影响
小圆叶片为什么会浮起
光合作用产生的氧气,使小圆叶片浮起。
为什么要用富含CO2的清水
CO2属于无关变量,应相同且适宜。
有同学建议在台灯和烧杯之间放一个盛水的玻璃柱,其目的是什么
控制无关变量,吸收热量,排除温度变化对实验结果的干扰。
环节三:光照对光合作用强度的影响
分析该表格,我们可以得出什么实验结论
在一定范围内,随着光照强度的增强,光合速率增强。
环节三:光照对光合作用强度的影响
研究者通过大量的实验得到如图曲线。思考:图中A点所示纵坐标代表什么 AB段表示什么含义
A点表示只进行细胞呼吸,CO2释放量表明此时的呼吸强度。
AB段表示随着光照强度增加,光合作用逐渐增强,但光合速率还是小于呼吸速率。
环节三:光照对光合作用强度的影响
1.图中B点表示什么含义 此时叶肉细胞中合成ATP的场所是什么
2.BC段曲线的含义是什么
3.C点之前和之后限制CO2吸收量的因素分别是什么
4.该曲线的纵坐标所代表的CO2吸收量指的是光合作用吸收的CO2吗 如果不是,那是什么
环节三:光照对光合作用强度的影响
当我们以植物或叶肉细胞为研究对象时,测得的数据总要考虑呼吸作用,此时总光合速率=净光合速率+呼吸速率。
在大棚蔬菜的种植过程中,哪些增产措施与该曲线所蕴含的原理有关
环节三:光照对光合作用强度的影响
如图为改变某种条件后,短时间内,叶绿体中C3和C5化合物的变化,请分析引起变化的原因。
图1中, C3下降, C5上升,导致其变化的原因可能是光照增强或者CO2不足。图2中, C3上升, C5下降,导致其变化的原因可能是光照不足或者CO2增高。
环节三:光照对光合作用强度的影响
如图表示晴朗的夏天,光合作用强度随时间推移的变化, 分析各阶段的变化原因。
AB段光照强度不断增大,光合速率升高。BC段温度过高,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。CD段随着光照强度及温度的下降,气孔逐渐打开,CO2供应逐渐增加,光合速率升高。DE段光照强度不断减弱,光合速率下降。
环节三:光照对光合作用强度的影响
由图分析可知,各种外界因素不是单独地影响光合作用。图中,光合作用强度最高是几点
光合作用强度最高的时间是10点左右。
环节四:影响光合作用强度的其他因素及其应用
某生物兴趣小组同学以黑藻(5 g)为材料,探究CO2浓度变化对光合作用强度的影响。通过CO2发生器直接向黑藻培养液中通入CO2,控制CO2浓度分别为3.0 μmol/L、6.0 μmol/L、9.0 μmol/L、12.0 μmol/L、15.0 μmol/L;以LED灯为光源光照15 min,测定O2释放量。根据实验所得数据,通过点线法绘图得甲曲线,改变光照强度后进行两组实验,绘图得乙曲线。
根据该曲线,我们可以得出的CO2浓度与光合作用强度的关系是怎样的
环节四:影响光合作用强度的其他因素及其应用
CO2饱和点是指当环境中的CO2浓度增加到一定程度后,植物的光合速率不会再随着CO2浓度的增加而提高时的CO2浓度值。就甲曲线而言,此条件下黑藻的CO2饱和点约为多少
此条件下黑藻的CO2饱和点约为12.0 μmol/L。
当环境中CO2浓度高于CO2饱和点时,限制光合作用速率的因素主要是什么
光照强度
环节四:影响光合作用强度的其他因素及其应用
对比甲,乙曲线对应的光照强度更强还是更弱
乙曲线对应的光照强度更强,因为其光合速率更高。
比较甲、乙两曲线,黑藻CO2饱和点会不会因光照强度的不同而改变
环节四:影响光合作用强度的其他因素及其应用
假如一株植物生长在一个密闭的容器内,测得容器中氧气含量的变化曲线如图所示。图中植株光合作用释放的O2量和呼吸作用消耗的O2量相等的点是哪些点
图中植株光合作用释放的O2量和呼吸作用消耗的O2量相等的点是B、C。
该植株经过一昼夜后,能否积累有机物 为什么
不能。因为一昼夜后容器中的O2含量减少,说明该植物一昼夜呼吸作用强度大于光合作用强度,没有有机物的积累。
环节四:影响光合作用强度的其他因素及其应用
温度除了会影响气孔的开闭外,还会通过影响酶的活性来影响光合作用速率,仅从影响酶的活性这一角度,试绘制光合作用强度与温度的关系曲线图。
温室栽培时,适当增加昼夜温差可以提高作物产量,请分析其中的原理。
温室栽培时,白天适当提高温度,提高净光合速率,夜间适当降温,降低呼吸速率,降低有机物的消耗,保证植物有机物的积累。
环节四:影响光合作用强度的其他因素及其应用
如图表示矿质元素浓度对光合速率的影响,想一想,哪些矿质元素通过影响什么物质的合成来影响光合作用
矿质元素过多为什么光合速率会下降呢
缺氮影响酶、色素、ATP等物质的合成;缺镁影响叶绿素的合成;缺磷影响ATP和NADPH等物质的合成。
矿质元素过多,土壤溶液浓度过高,可导致植物细胞渗透失水,萎蔫。
课堂练习
1.下列有关鲁宾、卡门和卡尔文实验的叙述,正确的是 ( )
A.鲁宾和卡门在实验中使用了放射性同位素技术
B.鲁宾和卡门的实验属于对比试验,两组都是实验组
C.鲁宾和卡门通过实验证明光合作用释放的氧气来自CO2
D.卡尔文应用稳定性同位素技术探明了CO2的碳在光合作用中的转移途径
B
课堂练习
2.下列关于光合作用的叙述错误的是 ( )
A.有氧呼吸的主要场所是线粒体,光合作用的主要场所是叶绿体
B.光反应是在类囊体上进行的,暗反应是在叶绿体基质中进行的
C.光反应需要光、叶绿体色素和酶等,其产物有ATP、NADPH和O2
D.光合作用中碳原子的转移途径是二氧化碳→三碳化合物→糖类
A
课堂练习
3.卡尔文等人研究光合作用时进行了以下实验:在某种绿藻培养液中通入14CO2,给予不同时间的光照,从培养液中提取并分析放射性物质。以下分析正确的是 ( )
A.在一定时间内光照时间越长,产生的放射性物质的种类越多
B.光照时间越长,固定积累的三碳化合物越多
C.无论光照时间长短,放射性物质都不会分布在线粒体中
D.只要给予光照,放射性就会出现在NADPH中
A
课堂练习
4.科学家研究CO2浓度、光照强度和温度对同一种植物光合作用强度的影响,得到实验结果如图。请据图判断下列叙述错误的是 ( )
D
A.光照强度为a时,造成曲线Ⅱ和Ⅲ光合作用强度差异的原因是CO2浓度不同
B.光照强度为b时,造成曲线Ⅰ和Ⅱ光合作用强度差异的原因是温度不同
C.光照强度为a~b时,曲线Ⅰ、Ⅱ光合作用强度随光照强度的升高而升高
D.光照强度为a~c时,曲线Ⅰ、Ⅲ光合作用强度随光照强度升高而升高
谢谢！

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