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(共30张PPT)
第五章细胞的能量供应和利用
第3节 光合作用与能量转化(课时2)
教学目标
1. 生命观念
2. 科学思维
3. 科学探究
4. 社会责任
通过对光反应和暗反应过程的学习，深刻理解光合作用中物质与能量的高效转化与统一，以及光反应与暗反应相互依存、紧密联系的辩证关系。
通过分析希尔、鲁宾-卡门、卡尔文等科学家的经典实验，培养基于证据进行逻辑推理、归纳概括和模型构建的科学思维能力。
能够基于科学史资料，尝试模拟科学家设计实验、分析数据并得出结论的过程，体验科学发现的逻辑与方法。
理解光合作用作为生物圈基石的意义，以及化能合成作用在特殊生态系统中的作用，树立保护绿色植物、维护生态平衡的环保意识。
教学重难点
(1)光反应和暗反应的过程、场所、条件、物质变化和能量变化。
(2)光反应与暗反应的联系。
(3)光合作用中氧气的来源(鲁宾-卡门实验)和碳的同化路径(卡尔文循环)。
(1)光反应与暗反应中物质变化与能量转化的动态过程理解。
(2)分析外界条件(光照、CO2)突然改变时，C3、C5、ATP、[H]等物质含量的短期变化。
(3)理解化能合成作用与光合作用的异同。
1. 教学重点
2. 教学难点
一、光合作用的原理和应用
1.光合作用的原理
2.化能合成作用
3.知识拓展
当堂训练
小结
三、目录 CONTENTS
光合作用与能量转化
探究·实践1 绿叶中色素的提取与分离
二氧化硅:
使研磨充分
碳酸钙:
保护色素
无水乙醇
溶解色素
画滤液细线: 细、直、齐
制备滤纸条:
一端剪去两角:使扩散均匀
绿叶中的色素能吸收光能，且主要吸收蓝紫光和红光。
叶绿体的功能:叶绿体能吸收特定波长的光，用于光合作用并释放出氧气。
巧记口诀: 石英砂, 破细胞；碳酸钙, 防破坏；乙醇提, 层析分。
绿体的结构适于进行光合作用
巧记规律：①顺序: 胡黄ab, 橙黄蓝绿黄绿。 ②含量: ab多, 胡黄少。 ③速度: 胡跑最快, b在最后。
温故知新
活动体验：请同学们做深呼吸运动
呼吸运动动图
人进行呼吸运动时会向外界排出二氧化碳为什么环境中氧气不会大量减少，二氧，化碳不会不断增多
一、光合作用的原理和应用
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。
(1) 概念
一、光合作用的原理和应用
(2)化学反应式
CO2 + H2O （CH2O）+ O2
光能
叶绿体
①光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳？
还是二者兼有？
③叶绿体是如何将光能转化为化学能？
②又是如何将化学能储存在糖类等有机物中？
史料1 科学家 实验过程 实验现象
1937英国植物学家希尔 制备了离体叶绿体悬浮液，通过抽真空处理除去 CO2，保留 H2O，向其中加入铁盐( Fe3+) 并进行光照 Fe3+被还原为 Fe2+，同时离体的叶绿体中释放出氧气。
(1) Fe3+与什么物质结合被还原成Fe2+ (用化学反应式表示)
2H20 + 4Fe3+ 4Fe2+ + 4H+ + 02
光
叶绿体
【活动探究1】跟着科学家，构建光反应概念模型
一、光合作用的原理和应用
1.光合作用的原理
思考
史料2 科学家 实验过程 实验现象
1954 年美国科学家阿尔农 在希尔实验制备的无 CO2 叶绿体悬浮液中加入 ADP、Pi 和 NADP+( 氧化型辅酶Ⅱ) 反应后产生了 ATP 和 NADPH( 还原性型辅酶Ⅱ) 。1957 年，他又发现以上过程总是与水的光解有关。
(1)结合资料1和资料2的化学反应说明，水的光解除了产生O2外,还产生了什么物质 (用化学反应式表示)
H+ + NADP+
光
酶
NADPH
ADP + Pi
+
光能
酶
ATP
一、光合作用的原理和应用
思考
[史料3] 1941 年鲁宾和卡门用一定比例的18O 标记CO2和H2O，反应后检测释放的 O2所含有的同位素标记的 O2 比例。实验结果见下表：
实验组 1 2 3
含18O 的 H2O( %) 0.85% 0.20% 0.20%
含18O 的 CO2( %) 0.61% 0.40% 0.57%
含18O 的 O2( %) 0.86% 0.20% 0.20%
(1)表中数据有何规律 说明光合作用释放的O2来自光合作用的哪种反应物
实验组2和实验组3: H20和02所含180比例分别相等;
实验组1: H20和02所含180比例基本相等。
实验结论：光合作用释放的02来自水
一、光合作用的原理和应用
思考
问题思考：
[史料4]将叶绿体从植物叶片提取出来，将其膜破坏、离心后获得绿色的类囊体和淡黄色的叶绿体基质，进行如下实验：
试管 添加物质 实验现象 之后添加物质 实验现象
试管1 (类囊体悬浮液) 等量的水和光照 有气体产生，且此气体可使卫生香复燃 氧化剂:2,6—二氯酚靛酚(一种蓝色染料，会被 NADPH还原为无色) 。 只有试管1为无色。
试管2 (叶绿体基质) 无变化 (1)试管1产生的气体是什么
02
(2)试管1溶液颜色为无色，说明什么
试管1产生NADPH
实验结论：光合作用的光反应在叶绿类囊体薄膜上进行
一、光合作用的原理和应用
思考
H2O + NADP+
光
酶
NADPH
+
O2
物质
ADP + Pi
+
光能
酶
ATP
能量
光能
ATP、NADPH中活跃化学能
物质与能量转化：
叶绿体中
的光合色素
光能
H2O
水在光下分解
O2
NADPH
ADP+Pi
酶
ATP
光 酶 色素 水 ADP Pi NADP+
类囊体的薄膜上
条件：
场所：
光反应阶段
一、光合作用的原理和应用
[史料5] 科学家瓦伯格对小球藻进行闪光实验，每组处理总时长均为 135 s，结果见下表。
小组 光合产物相对含量
A. 先光照 67.5 s，再暗处理 67.5 s 50%
B. 先光照后黑暗，光暗交替处理，时间各 7.5 s 70%
C. 先光照后黑暗，光暗交替处理，时间各 3.75 s 94%
D. 持续光照 135 s 100%
(1) 相同光照时间内哪组合成有机物产物最多
C组
一、光合作用的原理和应用
【活动探究2】跟着科学家，建构暗反应概念模型
思考
[史料5] 科学家瓦伯格对小球藻进行了闪光实验，每组处理总时长均为 135 s，结果见下表。
小组 光合产物相对含量
A. 先光照 67.5 s，再暗处理 67.5 s 50%
B. 先光照后黑暗，光暗交替处理，时间各 7.5 s 70%
C. 先光照后黑暗，光暗交替处理，时间各 3.75 s 94%
D. 持续光照 135 s 100%
(2) 对A、B、C 三组的实验结果分析可知，光照交替的频率越高，产物越多，这说明什么
适当缩短光暗交替时间有助于提高光合产物相对含量
一、光合作用的原理和应用
思考
[史料5] 科学家瓦伯格对小球藻进行了闪光实验，每组处理总时长均为 135 s，结果见下表。
小组 光合产物相对含量
A. 先光照 67.5 s，再暗处理 67.5 s 50%
B. 先光照后黑暗，光暗交替处理，时间各 7.5 s 70%
C. 先光照后黑暗，光暗交替处理，时间各 3.75 s 94%
D. 持续光照 135 s 100%
(2)单位光照时间内，光暗交替的 C 组比一直光照的 D 组光合作用的产物更多说明了什么？
一、光合作用的原理和应用
思考
光合作用反应中存在两个反应阶段，即“光反应”(需光)和“暗反应”(不需光)。
[史料6] 美国科学家卡尔文用14C 标记的14CO2供给小球藻进行光合作用，示踪 C 的转移路径。每隔一段时间将小球藻用热乙醇杀死，并研磨提取研磨液，鉴定其中含14C 的产物类型，结果见下表：
光照时间 显现的稳定产物
光照 0.3 s 后 含14C 标记的 C3
光照 5 s 后 含14C 标记的 C3、C5、葡萄糖
光照 30 s 后 含14C 标记的多种化合物
(3) 请根据实验现象，用箭头和化合物依次表示出CO2中的C在叶绿体中的转移过程。
CO2 C3 C5
（CH2O)
一、光合作用的原理和应用
思考
[史料6]卡尔文和他的同事继续开展以上实验，在正常光照下，停止 CO2供应，C3 的含量减少，C5 含量上升。在 CO2供应正常情况下，停止光照，C3 含量上升，C5 和葡萄糖同步减少。
(1) 上述实验现象说明，CO2是与什么物质生成C3 (用化学反应式表示)
CO2＋C5 2C3
酶
(2) 停止光照，C3 含量上升，C5 含量下降，说明C3转化为C5和葡糖糖需要哪些物质参与？
CO2固定：
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
C3还原：
一、光合作用的原理和应用
思考
暗反应阶段
NADP+
酶
NADPH
ADP+Pi
酶
ATP
能量
能量
还原
多种酶 参与催化
(CH2O)
CO2
固 定
2C3
C5
ATP NADPH 需多种酶 CO2 C5
场所：
C3的还原：
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
物质
能量
ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能
叶绿体基质
条件：
物质与能量转化：
一、光合作用的原理和应用
一、光合作用的原理和应用
光合作用过程(视频)
光合作用过程示意图
光合作用光反应与暗反应比较
光反应阶段 暗反应阶段（碳反应）
场所
条件
物质变化
能量变化
联系 项目
叶绿体类囊体薄膜上
叶绿体基质
光 色素 酶 水 ADP Pi NADP+
ATP NADPH 多种酶 CO2 C5
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能
ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
光反应为暗反应提供ATP和NADPH
暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+等原料
过程
叶绿体
2H2O O2 + 4H+
光
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
酶
NADP+ + H+ NADPH
酶
CO2＋C5 2C3
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
一、光合作用的原理和应用
2.化能合成作用
化能合成是某些微生物利用无机物氧化时释放的化学能，将二氧化碳等无机物合成有机物的过程，是自养生物的一种能量获取方式。
2.1概念
2.2实例
硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌。
硝化细菌的硝化作用的关键代谢过程:
① 氨→亚硝酸盐：
2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+158 kcal
②亚硝酸盐→硝酸盐：
HNO2 + O2→HNO3+18 kcal
一、光合作用的原理和应用
2.化能合成作用
光合作用和化能合成作用的比较
对比项 化能合成作用 光合作用
能量来源 无机物氧化的化学能 光能（太阳光）
参与生物 化能自养细菌 植物、藻类、光合细菌
反应场所 细菌细胞内（无叶绿体） 叶绿体（或光合膜）
一、光合作用的原理和应用
3.知识拓展
环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
(1)“过程法”分析各物质含量的变化。
下图中I表示光反应，Ⅱ表示CO 的固定，Ⅲ表示 C3的还原，当外界条件(如光照、 CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
CO2
供应
变少
Ⅱ 减弱
Ⅲ 暂时不变
C3合成减少，消耗暂时不变
C3↓
C5消耗减少，合成暂时不变
C5↑
Ⅰ 暂时不变
NADPH↑, ATP↑
一、光合作用的原理和应用
3.知识拓展
环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
(1)“过程法”分析各物质含量的变化。
下图中I表示光反应，Ⅱ表示CO 的固定，Ⅲ表示 C3的还原，当外界条件(如光照、 CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
光
照
变
弱
Ⅰ减弱
NADPH↓, ATP↓
随后 Ⅲ 减弱，
Ⅱ暂时不变
C3消耗减少，合成暂时不变
C3↑
C5消耗暂时不变，合成减少
C5↓
一、光合作用的原理和应用
3.知识拓展
环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
(2)“模型法”表示C3和C含量的变化(条件改变后短时间内各物质相对含量的变化)。
①图1中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
②图2中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
③图3中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
④图4中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
C5、NADPH、ATP
C3
C5、NADPH、ATP
C3
C5、NADPH、ATP
C3
C3
C5、NADPH、ATP
解题技巧: 看起始值: C3高于C5(约为其2倍)
小结
光合作用与能量转化
光合
作用
H2O + NADP+
光
酶
NADPH
+
O2
物质
ADP + Pi
+
光能
酶
ATP
能量
光能
ATP、NADPH中活跃化学能
光 酶 色素 水 ADP Pi NADP+
类囊体的薄膜上
条件：
场所：
暗反应
阶段
光反应阶段
ATP NADPH 需多种酶 CO2 C5
场所：
叶绿体基质
条件：
C3的还原：
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
物质
能量
ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能
化能合成作用:
硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌。
当堂训练
1.关于光合作用与化能合成作用的比较，下列叙述正确的是（ ）
A. 两者合成有机物时所需的能量最初都来源于太阳能
B. 两者都将CO2和H2O合成为有机物，且代谢类型相同
C. 能进行化能合成作用的生物在生态系统中都属于分解者
D. 两者固定CO2的途径可能相同，但最初的能量来源不同
解析：A错误.化能合成作用利用无机物氧化释放的化学能，能量并非直接来自太阳能。B错误.化能合成作用一般不以H2O作为氢供体，如硝化细菌利用NH3氧化产能，以环境中的无机物为氢源。C错误.化能合成生物（如硝化细菌）属于生产者。
当堂训练
2．科学家在研究光合作用原理时经历了漫长的探索过程。下列叙述正确的是（ ）
A．希尔在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂，发现在光照下叶绿体可以合成糖类
B．鲁宾和卡门通过检测O的放射性确定光合作用产生的O2中氧元素的来源
C．恩格尔曼利用需氧细菌和水绵进行实验，证明叶绿体类囊体薄膜是植物进行光合作用光反应的场所
D．阿尔农发现，在光照下，叶绿体合成ATP的过程总是与水的光解相伴随
分解水并释放氧气，同时还原氧化剂（如铁盐）。
同位素 O（一种稳定的同位素）进行标记实验，通过质谱仪检测证明光合作用释放的O2全部来自于水。
并未发现“类囊体薄膜”这一结构，更无法证明光反应在此进行。
3．下图表示绿色植物光合作用过程中物质的变化，A和B表示不同的过程，①～④表示代谢产物。下列叙述错误的是（ ）
A．A过程的发生必须在有光条件下
B．①产生后可被同一细胞的呼吸作用利用
C．③代表的是ADP+Pi
D．若突然提高光照强度，短时间内④的含量会减少
O2
ADP
C5
NADP+
光反应
暗反应
当堂训练
解析:D错误.突然提高光照强度，光反应增强，ATP和[H]瞬间增多，会促进暗反应中C3的还原，导致有机物（④C5）的合成速率加快，因此其含量在短时间内应增加，而非减少。此叙述错误。
本节课到此结束
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