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5.4 光合作用与能量转化
5.4.2 光合作用的原理和应用
第一、二课时
一、光合作用的概念
CO2+H2O
叶绿体
光能
（CH2O）+O2
光合作用是指绿色植物通过___________，利用________，将_________________转化成储存着能量的___________，并且释放出___________的过程。
叶绿体
光能
二氧化碳和水
有机物
氧气
实质：______有机物，______能量
合成
储存
光合作用
二、光合作用的原理
1．探究光合作用原理的部分实验
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，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。
资料1
不能通过光合作用实现
资料2：希尔反应(P102)
像这样，离体的叶绿体在适宜的条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。
叶绿体悬浮液
铁盐或其他氧化剂
资料2：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全部来自水？
能够说明。该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。
不能。希尔反应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。
该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有直接观察到氧元素的转移。
2、希尔的实验是否说明水的光解和糖的合成不是同一个化学反应？
资料3：鲁宾和卡门实验(P102)
同位素标记（示踪）法；
相互对照（即对比实验）；
①该实验采用了什么实验方法？
②如何对照？
③可以得出什么结论？
结论：光合作用释放的氧全部来自H2O，而并不来源于CO2。
1946年开始，美国的卡尔文等用放射性同位素14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，探明了CO2中的C的去向，称为卡尔文循环。
资料4：卡尔文实验（P104）
光合产物中有机物的碳来自CO2。
结论：
1954年，美国科学家阿尔农(D. Arnon)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。
资料5：阿尔农实验(P102)
光照
ATP
水
光解
尝试用示意图表示ATP的合成与希尔反应的关系？
总结
上述实验表明，
光合作用释放的氧气中的氧元素全部来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。　
总结
2.光合作用的过程
根据是否需要____________，光合作用的化学反应可以概括地分为____________和_____________（现在也称为碳反应）两个阶段。
光能
光反应
暗反应
(1)光反应
类囊体薄膜
的色素分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
H+
NADPH
酶
（氧化型
辅酶Ⅱ）
（还原型
辅酶Ⅱ）
条件：
光、色素、多种酶
场所：
类囊体薄膜
物质转化
水的光解：
ATP的合成：
H2O 1/2O2 + 2H+ +2e-
光
色素
光能
能量转化:
ATP、NADPH中活跃的化学能
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
NADPH的合成：
NADP+ + H+ + 2e- NADPH
酶
(2)暗反应
ADP+Pi
ATP
NADP+
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
NADPH
酶
能量
条件：
场所：
叶绿体基质中
有光无光都可以，多种酶等
CO2的固定：
C3的还原：
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
有机物中稳定的化学能
CO2＋C5 2C3
酶
物质转化
ATP、NADPH中活跃的化学能
能量转化：
这样暗反应阶段就形成从C5到C3再到C5的循环，可以源源不断地进行下去，因此暗反应过程也称作卡尔文循环
光合作用的全过程
叶绿体
中的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
光反应
暗反应
NADP+
NADPH
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
酶
类囊体薄膜
叶绿体基质
可见光
4、光反应与暗反应的比较
反应阶段
反应部位
反应条件
物质变化
能量变化
产 物
联 系
光合作用实质
光反应
暗反应
类囊体薄膜上
叶绿体基质
必须有光、光合色素、多种酶
有光或无光均可，多种酶
光能→ATP和NADPH中活跃的化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能→稳定的化学能
NADPH、ATP、O2
ADP、Pi 、（CH2O ） 、C5
光反应为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+
把无机物转变成有机物，把光能转变成化学能贮存起来
光反应阶段，光能被叶绿体内的______________上的色素捕获后，将水分解为 和H+等，形成ATP和NADPH，于是光能转化成_________和___________中的_________能；ATP和NADPH驱动在 中的暗反应，将CO2转化为储存化学能的糖类。可见光反应和暗反应紧密联系，能量变化和物质转化密不可分。
【通读教材】
类囊体薄膜
O2
ATP
NADPH
化学
叶绿体基质
光合作用产生的有机物，不仅供植物自身利用，还养活了包括你我在内的所有异养生物。光能通过光合作用而驱动生命世界的运转。
光合作用的全过程
叶绿体
中的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
光反应
暗反应
NADP+
NADPH
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
酶
类囊体薄膜
叶绿体基质
可见光
1.NADPH和ATP的移动方向是什么？
2.NADP+和ADP、Pi的移动途径呢？
3.NADPH的作用？
从类囊体薄膜到叶绿体基质。
从叶绿体基质到类囊体薄膜。
①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量
光合作用中元素的转移
①H的转移：
H2O → NADPH→ (CH2O )
②C的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
③O的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
H2O → O2
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+ O2
5、条件骤变对光合作用中各物质的影响
叶绿体
中的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
NADP+
NADPH
酶
可见光
CO2浓度不变 NADPH、ATP C3 C5 （CH2O）
光照减弱 减少 增加 减少 减少
光照增强 增加 减少 增加 增加
小组讨论，完成表格
1、请总结分析的方法？ 2、C3、C5含量变化有什么特点？
叶绿体
中的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
NADP+
NADPH
酶
可见光
光照不变 NADPH、ATP C3 C5 （CH2O）
CO2浓度减少 增加 减少 增加 减少
CO2浓度增加 减少 增加 减少 增加
5、条件骤变对光合作用中各物质的影响
模型分析
例.将单细胞绿藻置于适宜的温度、光照以及充足的CO2条件下培养，经一段时间后，突然停止光照，则下列叙述中不会发生的是(　 　)
A．光反应停止，不能形成NADPH和ATP
B．短时间内暗反应仍进行，CO2与C5继续结合形成C3
C．短时间内绿藻体内C3的含量会上升
D．由于没有NADPH和ATP供应，C3不能形成糖类等物质，积累了许多C5
D
第三课时
复习光合作用过程
叶绿体
中的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
光反应
暗反应
NADP+
NADPH
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
酶
类囊体薄膜
叶绿体基质
可见光
化能合成作用
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+6H2O 2C6H12O6+ 6O2
能量
讨论：进行化能合成作用的生物属于自养还是异养生物？
异养生物：只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
自养生物：以无机物转变成为自身的组成物质。
三、光合作用原理的应用
（一）光合作用强度（光合速率）
1.概念：简单地说，是指植物在单位时间内通过光合作用制造 的数量。
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
产物的生成量或底物的消耗量！
糖类
2.表示方法：
探究·实践：探究环境因素对光合作用强度的影响
自变量：
光照强度
因变量：
光合作用强度
检测方法
相同时间小圆形叶片浮起的数量
控制方法
可用5W的LED灯作为光源，利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度
阅读P105，找出以下关键信息：
注射器的作用：
实验材料：
圆形小叶片
抽出圆形小叶片中的气体
也可用不同瓦数的灯做光源
探究·实践：探究环境因素对光合作用强度的影响
二、方法步骤：
1.取材:
取　　　 　,用直径为0.6 cm的打孔器打出　　 　　 　　。
生长旺盛的树叶
圆形小叶片30片
（避开大的叶脉）
探究·实践：探究环境因素对光合作用强度的影响
二、方法步骤：
2.抽气:
将圆形小叶片置于注射器内,并让注射器吸入清水,待排出注射器内残留的空气后,用手堵住注射器前端的小孔并缓缓拉动活塞,使　 　　　　　　。这一步骤可能需要重复2-3次。
圆形小叶片内的气体逸出
探究·实践：探究环境因素对光合作用的影响
3.沉水:
将圆形小叶片放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。叶片因细胞间隙　　 　,所以全都沉到水底。
4.分组:取3只小烧杯,分别倒入富含 　的清水。(可吹气补充，也可用质量分数为1%~2%的NaHCO3溶液提供CO2)
CO2
充满了水
探究·实践：探究环境因素对光合作用的影响
5.光照:分别向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片,然后分别置于　　　 　　 三种光照下。 实验中，可用5W的LED等作为光源，利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度。
什么作用？
吸收热量排除干扰
强、中、弱
探究·实践：探究环境因素对光合作用的影响
项目　 　 烧杯　 　 小圆形叶片 加富含CO2 的清水 光照强度 （相同时间）
叶片浮起数量
1 10片 20 mL 强
2 10片 20 mL 中
3 10片 20 mL 弱
6.观察并记录:同一时间段内各装置 。
三、实验结论
在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强。
多
少
中
圆形小叶片浮起的数量
探究·实践：探究环境因素对光合作用的影响
讨论：利用该装置还能探究哪些环境因素对光合作用的影响？
这些因素分别如何控制呢？
提示：
CO2浓度（吹气时间或不同质量分数的NaHCO3溶液）
温度（水浴保温）
光质（功率相同不同颜色的彩色灯泡）

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