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(共58张PPT)
第12讲　捕获光能的色素和结构、光合作用
的原理
考点一　捕获光能的色素和结构
考点二　光合作用的原理
悟高考·瞻动向
课程标准解读与能力要求 知识网络概览
1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量,这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中,转换并储存为糖分子中的化学能。 2.运用模型与建模的方法分析环境条件变化对光合作用过程的影响。 3.基于实验现象的分析加深对实验原理理解的探究能力。
考点一　捕获光能的色素和结构
【要点梳理·夯基固本】
一、绿叶中色素的提取和分离
1.实验原理:
2.实验步骤:
3.实验结果及分析:
二、叶绿体中色素的吸收光谱
三、叶绿体的结构适合于进行光合作用
易错辨析
1.在叶绿体中只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。( )
分析:叶绿体中叶黄素和胡萝卜素吸收的光能也能用于光合作用。
2.绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,所以用无水乙醇分离绿叶中的色素。( )
分析:因色素易溶于有机溶剂,所以无水乙醇在色素的提取和分离实验中起到提取色素的作用。
×
×
3.制备滤纸条时将滤纸条剪去两角的目的是使色素在滤纸条上扩散时均
匀整齐。( )
4.层析时试管口加棉塞的目的是防止层析液挥发。( )
5.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同。( )
6.绿叶中含量越多的色素,其在滤纸条上扩散得越快。( )
分析:溶解度高的色素随层析液在滤纸条上扩散得快。
√
√
√
×
长句表达
(必修1 P99旁栏思考)植物工厂里不用发绿光的光源,原因是_____________
____________。
光合色素几乎
不吸收绿光
【扣点专练·通法悟道】
1.以新鲜菠菜叶为材料进行绿叶中色素的提取和分离实验,某小组得到如图所示结果。下列关于该结果的分析,正确的是(　　)
A.是正确操作后得到的理想结果
B.可能是研磨时未加入CaCO3导致
C.可能是研磨时未加入SiO2导致
D.可能是提取时加入过量的无水乙醇
√
【解析】选B。根据各色素的溶解度,从点样处自左到右分别为叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素,正常情况下叶绿素的含量多于类胡萝卜素,而图中叶绿素含量比类胡萝卜素含量低,A错误;图中叶绿素含量比类胡萝卜素含量低,可能是因为研磨时未加入CaCO3,导致部分叶绿素被破坏所致,B正确;研磨时未加入SiO2,导致研磨不充分,各种色素含量均下降,但叶绿素含量应高于类胡萝卜素,C错误;提取时加入过量无水乙醇使色素浓度下降,但叶绿素含量应高于类胡萝卜素,D错误。
提升·关键能力——实验原理和结果分析
“绿叶中色素的提取和分离”实验中的异常现象分析
异常现象 原因分析
收集到的滤液绿色过浅 ①未加二氧化硅,研磨不充分
②使用放置数天的菠菜叶,部分叶绿素分解
③一次加入大量的无水乙醇,提取液中色素被稀释
④未加碳酸钙或加入过少,叶绿素分子被破坏
异常现象 原因分析
滤纸条色素带重叠 ①滤液细线不直
②滤液细线过粗
滤纸条无色素带 ①忘记画滤液细线
②滤液细线接触到层析液,且时间较长,色素全部溶解到层析液中
2.如图表示叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱。下面说法正确的是(　　)
A.土壤中缺乏镁时,植物叶片对420~470 nm波长的光的利用量会增加
B.用纸层析法分离色素后得到的色素带的宽度,
反映了色素在层析液中溶解度的大小
C.叶绿素和类胡萝卜素吸收的不同波长的光都
可以用于光合作用,且在转化光能过程中会引起
叶绿体基质pH发生变化
D.用不同波长的光照射植物叶片,得到的光合作用产物完全相同
√
【解析】选C。镁是组成叶绿素的重要元素,土壤中缺乏镁时,叶绿素合成减少,因此植物叶片对420~470 nm波长的光的利用量会减少,A错误;用纸层析法分离色素后得到的色素带的宽度,反映了色素的含量,B错误;叶绿素和类胡萝卜素吸收的不同波长的光都可以用于光合作用,且在转化光能过程中会引起叶绿体基质pH发生变化,C正确;植物对不同波长的光有不同的吸光率,因此用不同波长的光照射植物叶片,得到的光合作用产物不完全相同,D错误。
3.光合作用是整个自然界最根本的化学反应之一。因为有了光合作用的存在,绝大多数的动物和微生物才得以生存在这个星球上。下列关于光合作用的说法正确的是(　　)
A.叶绿体内的光合色素都能吸收、传递、转化光能促进光反应的顺利进行
B.暗处理会得到黄化幼苗,说明色素的合成需要一定的光照条件
C.在植物细胞中,ATP合成酶只存在于叶绿体类囊体膜上
D.参与CO2固定为糖分的酶只在叶绿体基质中存在
√
【解析】选D。叶绿体内的光合色素都能吸收、传递光能,但只有少数的叶绿素a才能转化光能,A错误;暗处理会得到缺少叶绿素的黄化幼苗,说明叶绿素的合成需要一定的光照条件,B错误;ATP合成过程发生在光合作用和细胞呼吸中,在植物细胞中,ATP合成酶存在于叶绿体类囊体膜上,也存在于线粒体内膜等结构中,C错误;暗反应过程将CO2最终转化为糖类等有机物,而暗反应的场所是叶绿体基质,故参与CO2固定为糖的酶只在叶绿体基质中存在,D正确。
考点二　光合作用的原理
【要点梳理·夯基固本】
一、光合作用的探究历程
二、光合作用的过程
1.过程图解:
2.光反应与暗反应的比较:
项目 光反应 暗反应
场所 类囊体薄膜上 ___________
条件 _______________ 酶、ATP、NADPH等
物质 变化 ①水的光解: H2O H++O2 ②ATP的合成: ADP+Pi+能量 ATP ③NADPH的合成: NADP++H+ NADPH ①CO2的固定:
CO2+C5 2C3
②C3的还原:
2C3 (CH2O)或C5
能量 变化 光能→ATP和NADPH 中活跃的化学能 ATP和NADPH中活跃的化学能→
________中稳定的化学能
叶绿体基质
光、色素、酶等
有机物
名师点睛　光合作用两点提醒
(1)光反应中的电子传递:
水分解为氧和H+的同时,被叶绿体夺去两个电子。电子经传递,可用于NADP+与H+结合形成NADPH。
(2)光反应与暗反应的联系:光反应为暗反应提供ATP和NADPH,暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+;没有光反应,暗反应无法进行,没有暗反应,有机物无法合成,也会抑制光反应。
三、光合作用的概念和反应式
1.光合作用的概念:绿色植物通过叶绿体,利用______,将二氧化碳和水转化
成储存着能量的________,并且释放出______的过程。
2.反应式(箭头表示元素的去向):
光能
有机物
氧气
易错辨析
1.鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物是淀粉。( )
分析:鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物——氧气中的
氧来自水。
2.植物细胞产生的O2只能来自光合作用。( )
分析:植物细胞中H2O2分解也能产生O2。
3.颤蓝细菌也能进行光合作用制造有机物。( )
×
×
√
4.光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜。( )
分析:ATP移动方向是从类囊体薄膜到叶绿体基质。
5.在光合作用中C从CO2开始先后经C3、C5最后形成糖类。( )
分析:在光合作用中C元素从CO2经C3形成糖类,不经过C5。
×
×
长句表达
1.(必修1 P102“思考·讨论”拓展)鲁宾、卡门实验中,不能对同一实验中的
CO2和H2O同时进行标记,因为_____________________________________
______。
2.(必修1 P103“图5-14”延伸)光照停止后暗反应短时间仍然能够持续,但无法
长时间正常进行,原因是:暗反应中C3还原需要光反应提供ATP和NADPH,停
止光照后_____________________________________________________
___________________。
若同时标记CO2和H2O,则无法分辨氧气的
来源
光反应停止,暗反应将ATP和NADPH消耗尽后,因缺少ATP和
NADPH而无法进行
【命题探究·释疑解惑】
【典例】人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如图所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将________ (填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是_________________________________________________________。
聚焦考查点:环境变化对光合作用的影响情况。
【解析】正常运转过程中气泵突然停转,系统中CO2突然减少,CO2的固定减弱,但短时间内C3的还原不变,则短时间内乙(C3)的含量将减少。若气泵停转时间较长,则模块3为模块2提供的原料ADP、 Pi和NADP+就会不足,进而影响模块2中的能量转换效率。
减少
模块3为模块2提供的原料ADP、 Pi和NADP+不足
破解策略 分析环境改变时光合作用各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2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:
结论:C3和C5变化趋势始终相反,C5和NADPH、ATP变化趋势始终相同。
【扣点专练·通法悟道】
1.光合作用原理的探究历程包含了许多科学家的努力,下列相关说法错误的是(　　)
A.恩格尔曼以需氧细菌和水绵为材料进行实验,证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧
B.鲁宾和卡门通过检测产生氧气的相对质量,证明光合作用释放的O2中O来自H2O
C.希尔和阿尔农发现,ATP和NADPH的形成发生在叶绿体类囊体的薄膜上
D.卡尔文采用C标记CO2,供小球藻利用,探明了暗反应从C5到C3再到C5的循环过程
√
【解析】选D。恩格尔曼的实验通过观察需氧细菌在水绵表面的分布,直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧,A正确;鲁宾和卡门利用同位素示踪的方法,用18O分别标记两组实验中的H2O和CO2,证明光合作用产生的O2中的O全部来自H2O,B正确;希尔在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂,在光照下可释放氧气,说明离体叶绿体在适当条件下能进行水的光解,阿尔农发现光合作用中叶绿体合成ATP总是与水的光解相伴随,但是不能证明植物光合作用可以合成ATP,因而发现ATP和NADPH的形成发生在光反应过程中,场所为叶绿体类囊体的薄膜上,C正确;卡尔文采用 14C 标记 CO2 ,供小球藻利用,探明了二氧化碳中的碳是如何转化为有机物中的碳的,即从 CO2 → C3 →有机物,D错误。
2.(2026·潮州模拟)桑树是一种多功能树种,它适应性强、易于栽培,既可用于城市绿化和水土保持,也可作为养蚕业的基础资源。如图是生物兴趣小组绘制的桑叶光合作用过程的示意图,其中Ⅰ、Ⅱ表示光合作用过程的两个阶段,①~④表示物质。下列叙述正确的是(　　)
A.Ⅰ过程只在有光照下进行,Ⅱ过程有无光照都能持续进行
B.①②均可参与Ⅱ过程,②、ATP均可为④的合成提供能量
C.与光合作用有关的色素、酶分别位于类囊体薄膜、基质中
D.适宜光照条件下突然提高③的浓度,短时间内叶绿体中C5/C3的值会降低
√
【解析】选D。题图中的Ⅰ、Ⅱ分别是光反应和暗反应,没有光照则光反应不能进行,虽然暗反应不直接依赖于光,但暗反应需要光反应提供物质NADPH和ATP,如果光反应不能进行,则暗反应也不能持续进行,A错误;①是水光解的产物,包括氧气等,氧气不参与Ⅱ暗反应过程,②是NADPH,与ATP均可为④的合成提供能量,B错误;与光合作用有关的色素只存在于叶绿体的类囊体薄膜上,而酶在叶绿体的类囊体薄膜和基质中均含有,C错误;③是CO2,适宜光照条件下突然提高CO2的浓度,短时间内C3的产生速率加快,而固定CO2会消耗更多的C5,则C5的含量会降低,短时间内C3的还原不变,C3含量增多,故短时间内叶绿体中C5/C3的值会降低,D正确。
从教材走向高考
3.(必修1 P101“拓展应用”T2改编)植物工厂会在人工精密控制光照、温度、湿度、CO2浓度和营养液成分等条件下,生产蔬菜和其他植物。为提高植物工厂的产量,某科研团队研究不同红、蓝光配比和光强对生菜叶片光合能力的影响。实验结果如图甲、乙所示。
注:B表示蓝光,R表示红光;R/B表示红、蓝光按一定的配比同时照射;各处理组的光照强度为图甲400 klx、图乙200 klx。
(1)植物工厂的塑料大棚常选用__________色塑料薄膜,所以生菜光合速率高。根据实验结果,该植物工厂水培生产生菜时,应配置________________
(填写颜色和配比)的LED灯,理由是_________________________________
____________________________________________。
无(或白)　　
红、蓝光配比为1
在光照强度为200 klx或400 klx时,均是红、蓝光配比为1时生菜的光合速率最大
【解析】(1)无色或白色塑料薄膜允许各色光透过,因此生菜光合速率高。依据题图可知,在光照强度为200 klx或400 klx时,均是红、蓝光配比为1时生菜的光合速率最大,因此要配置红、蓝光配比为1的LED灯。
(2)依据图甲和图乙,分析不同红、蓝光配比和光强对生菜叶片光合能力的影响: __________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
________________________ (至少写出两点)。
(3)除红、蓝光配比和光强外,植物工厂在光照方面还可以采取什么措施提高生菜的产量
____________________________________________________(写出一点)。
除B处理组外,生菜叶片的光合速率随着R/B值的减小而增大;B处理组下生菜叶片的光合速率略低于R/B=1处理组;不同光强下R/B处理组对生菜叶片光合速率影响的变化趋势一致,但提高光照强度显著增强了生菜叶片的光合速率
控制适宜的光照时间或强弱光照交替照射
【解析】(2)由题图甲、乙分析,可得出以下几点:除B处理组外,生菜叶片的光合速率随着R/B值的减小而增大;B处理组下生菜叶片的光合速率略低于R/B=1处理组;不同光强下R/B处理对生菜叶片光合速率影响的变化趋势一致,但提高光照强度显著增强了生菜叶片的光合速率。
(3)影响植物光合作用的因素有光照强度、光照时间、光质、温度等,因此可通过控制适宜的光照强度、控制适宜的光照时间、控制红蓝光适宜的比例、强弱光照的交替来提高光合产物量,进而实现增产。
悟高考·瞻动向
体验高考·淬炼考能
1.(2024·广东高考)银杏是我国特有的珍稀植物,其叶片变黄后极具观赏价值。某同学用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,下列实验操作正确的是(　　)
A.选择新鲜程度不同的叶片混合研磨
B.研磨时用水补充损失的提取液
C.将两组滤纸条置于同一烧杯中层析
D.用过的层析液直接倒入下水道
√
【解析】选C。本题考查光合色素的提取与分离实验。本实验目的是用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,应选择新鲜程度不同的叶片分开研磨,A错误;色素溶于有机溶剂,提取液为无水乙醇,光合色素不溶于水,B错误;由于滤纸条不会相互影响,且层析液成分相同,故两组滤纸条可以置于同一个烧杯中层析,C正确;用过的层析液含有石油醚、丙酮和苯,不能直接倒入下水道,D错误。
2.(2023·全国乙卷)植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述,错误的是(　　)
A.氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素
B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上
C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰
D.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越慢
√
【解析】选D。本题考查叶绿体中的色素的元素组成、分布、功能和提取的相关知识。氮元素和镁元素是构成叶绿素的重要元素,A正确;叶绿体中的光合色素均分布在叶绿体类囊体的薄膜上,B正确;由于类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,所以用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰,C正确;叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸条上的扩散速度越快,D错误。
3.(2023·湖北高考)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体,PSⅡ光复合体含有光合色素,能吸收光能,并分解水。研究发现,PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是(　　)
A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强
B.Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱
C.弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,不利于对光能的捕获
D.PSⅡ光复合体分解水可以产生H+、电子和O2
√
【解析】选C。本题考查植物光合作用中的光反应阶段。叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,LHCⅡ与PSⅡ分离减少,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强,A正确;Mg2+是叶绿素的组成成分,其含量减少会导致PSⅡ光复合体上的叶绿素含量减少,导致对光能的捕获减弱,B正确;弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,增强对光能的捕获,C错误;PSⅡ光复合体能吸收光能,并分解水,水的光解产生H+、电子和O2,D正确。
4.(2022·山东高考)强光条件下,植物吸收的光能若超过光合作用的利用量,过剩的光能可导致植物光合作用强度下降,出现光抑制现象。为探索油菜素内酯(BR)对光抑制的影响机制,将长势相同的苹果幼苗进行分组和处理,如表所示,其中试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成。各组幼苗均在温度适宜、水分充足的条件下用强光照射,实验结果如图所示。
分组 处理
甲 清水
乙 BR
丙 BR+L
(1)光可以被苹果幼苗叶片中的色素吸收,分离苹果幼苗叶肉细胞中的色素
时,随层析液在滤纸上扩散速度最快的色素主要吸收的光是___________。
(2)强光照射后短时间内,苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增
加,但氧气的产生速率继续增加。苹果幼苗光合作用暗反应速率不再增加,
可能的原因有________________________________、_________________
________________________________ (答出2种原因即可);氧气的产生速率
继续增加的原因是________________________________________________。
蓝紫光　　
NADPH、ATP等的浓度不再增加
CO2浓度有限(或其
他合理答案,两空答案顺序可颠倒)
光能的吸收速率继续增加,使水的光解速率继续增加
(3)据图分析,与甲组相比,乙组加入BR后光抑制___________ (填“增强”或“减弱”);乙组与丙组相比,说明BR可能通过___________________________发挥作用。
减弱　
促进光反应关键蛋白的合成
【解析】本题考查光合色素的作用、影响光合速率的因素及对照实验的分析。
(1)胡萝卜素在层析液中溶解度最高,所以随层析液在滤纸上扩散速度最快的色素是胡萝卜素,主要吸收蓝紫光。
(2)影响光合作用的外界因素有光照强度、CO2的浓度、温度等;内部因素有酶的活性、色素的含量、NADPH和ATP的含量等。强光照射后短时间内,苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加,可能的原因有NADPH、ATP等的浓度不再增加、CO2浓度有限等;氧气的产生速率继续增加的原因是强光照射后短时间内,光能的吸收速率继续增加,水光解产生氧气的速率继续增加。
【解析】(3)据图分析,与甲组相比,乙组加入BR后光合作用强度较高,说明加入BR后光抑制减弱;乙组用BR处理,丙组用BR和试剂L处理,与丙组相比,乙组光合作用强度较高,由于试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成,说明BR可能通过促进光反应关键蛋白的合成发挥作用。
瞭望高考·探悟动态
锁定新情境:
人造叶绿体研究
　　科学家成功研制了人造叶绿体,该研究从菠菜中分离出类囊体,与多种酶一起包裹在磷脂构成的油包水小液滴中,该系统在光照条件下实现了CO2的固定。人造叶绿体的结构及相关反应过程如图所示,CETCH循环是一种新的二氧化碳—有机物化学循环。
基于核心素养的新考向:
1.(结构与功能观)由图可推测人造叶绿体外膜由______层磷脂分子组成,且磷脂分子的“头部”在人造叶绿体的______(填“内”或“外”)侧。光照条件下,水在人造叶绿体的类囊体中被分解成____________________。
2.(比较与分类)A物质与叶绿体中的______(填化合物)相似,不断地被消耗和合成,若突然停止CO2供应,短时间内A物质的量将________。
一　　
内
H+、电子和O2　　　
C5
增多
【解析】1.据图观察可知,人造叶绿体膜外侧是油,内侧是水,因此人造叶绿体外膜是由一层磷脂分子组成。磷脂分子的“头部”具有亲水性,“尾部”具有疏水性,由于人造叶绿体内部是水,所以磷脂分子的“头部”在人造叶绿体的内侧。光照条件下,光合色素吸收的光能可将水分解产生H+、电子和O2。
2.由图可知A物质可与CO2反应,进行CO2的固定,在叶绿体光合作用的暗反应阶段CO2被C5固定形成C3,因此A物质与C5相似。若突然停止CO2供应, CO2与A反应速率减慢,A物质消耗速率降低,此时A物质合成速率不变,因此短时间内A物质的量将增多。
3.(归纳与演绎)研究发现,在乙醛酸还原成乙醇酸的反应过程中,人造叶绿
体内NADPH含量降低,ATP的含量提高,由此推测乙醛酸还原和三碳酸还
原的不同之处可能是_________________________________________。
4.(设计实验)若要研究CO2参与CETCH循环时碳的去向,实验思路是_______________________________________________________________。
对CO2中的碳元素进行14C标记,研究含有放射性的物质及其出现的位置
乙醛酸的还原只需消耗NADPH,不消耗ATP
【解析】3.三碳酸还原同时需要ATP和NADPH的供应,而人造叶绿体内NADPH含量降低,但ATP的含量提高,乙醛酸还原只需消耗NADPH,不消耗ATP。
4.若要研究CO2参与CETCH循环时碳的去向,可用放射性同位素标记法,对CO2中的碳元素进行14C标记,研究含有放射性的物质及其出现的位置。第12讲　捕获光能的色素和结构、光合作用的原理
课程标准解读与能力要求 知识网络概览
1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量,这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中,转换并储存为糖分子中的化学能。 2.运用模型与建模的方法分析环境条件变化对光合作用过程的影响。 3.基于实验现象的分析加深对实验原理理解的探究能力。
考点一　捕获光能的色素和结构
【要点梳理·夯基固本】
一、绿叶中色素的提取和分离
1.实验原理:
2.实验步骤:
3.实验结果及分析:
二、叶绿体中色素的吸收光谱
三、叶绿体的结构适合于进行光合作用
易错辨析
1.在叶绿体中只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。(×)
分析:叶绿体中叶黄素和胡萝卜素吸收的光能也能用于光合作用。
2.绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,所以用无水乙醇分离绿叶中的色素。(×)
分析:因色素易溶于有机溶剂,所以无水乙醇在色素的提取和分离实验中起到提取色素的作用。
3.制备滤纸条时将滤纸条剪去两角的目的是使色素在滤纸条上扩散时均匀整齐。(√)
4.层析时试管口加棉塞的目的是防止层析液挥发。(√)
5.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同。(√)
6.绿叶中含量越多的色素,其在滤纸条上扩散得越快。(×)
分析:溶解度高的色素随层析液在滤纸条上扩散得快。
长句表达
　(必修1 P99旁栏思考)植物工厂里不用发绿光的光源,原因是光合色素几乎不吸收绿光。
【扣点专练·通法悟道】
1.以新鲜菠菜叶为材料进行绿叶中色素的提取和分离实验,某小组得到如图所示结果。下列关于该结果的分析,正确的是(　　)
A.是正确操作后得到的理想结果
B.可能是研磨时未加入CaCO3导致
C.可能是研磨时未加入SiO2导致
D.可能是提取时加入过量的无水乙醇
【解析】选B。根据各色素的溶解度,从点样处自左到右分别为叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素,正常情况下叶绿素的含量多于类胡萝卜素,而图中叶绿素含量比类胡萝卜素含量低,A错误;图中叶绿素含量比类胡萝卜素含量低,可能是因为研磨时未加入CaCO3,导致部分叶绿素被破坏所致,B正确;研磨时未加入SiO2,导致研磨不充分,各种色素含量均下降,但叶绿素含量应高于类胡萝卜素,C错误;提取时加入过量无水乙醇使色素浓度下降,但叶绿素含量应高于类胡萝卜素,D错误。
提升·关键能力——实验原理和结果分析
“绿叶中色素的提取和分离”实验中的异常现象分析
异常现象 原因分析
收集到的滤液绿色过浅 ①未加二氧化硅,研磨不充分 ②使用放置数天的菠菜叶,部分叶绿素分解 ③一次加入大量的无水乙醇,提取液中色素被稀释 ④未加碳酸钙或加入过少,叶绿素分子被破坏
滤纸条色素带重叠 ①滤液细线不直 ②滤液细线过粗
滤纸条无色素带 ①忘记画滤液细线 ②滤液细线接触到层析液,且时间较长,色素全部溶解到层析液中
2.如图表示叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱。下面说法正确的是(　　)
A.土壤中缺乏镁时,植物叶片对420~470 nm波长的光的利用量会增加
B.用纸层析法分离色素后得到的色素带的宽度,反映了色素在层析液中溶解度的大小
C.叶绿素和类胡萝卜素吸收的不同波长的光都可以用于光合作用,且在转化光能过程中会引起叶绿体基质pH发生变化
D.用不同波长的光照射植物叶片,得到的光合作用产物完全相同
【解析】选C。镁是组成叶绿素的重要元素,土壤中缺乏镁时,叶绿素合成减少,因此植物叶片对420~470 nm波长的光的利用量会减少,A错误;用纸层析法分离色素后得到的色素带的宽度,反映了色素的含量,B错误;叶绿素和类胡萝卜素吸收的不同波长的光都可以用于光合作用,且在转化光能过程中会引起叶绿体基质pH发生变化,C正确;植物对不同波长的光有不同的吸光率,因此用不同波长的光照射植物叶片,得到的光合作用产物不完全相同,D错误。
3.光合作用是整个自然界最根本的化学反应之一。因为有了光合作用的存在,绝大多数的动物和微生物才得以生存在这个星球上。下列关于光合作用的说法正确的是(　　)
A.叶绿体内的光合色素都能吸收、传递、转化光能促进光反应的顺利进行
B.暗处理会得到黄化幼苗,说明色素的合成需要一定的光照条件
C.在植物细胞中,ATP合成酶只存在于叶绿体类囊体膜上
D.参与CO2固定为糖分的酶只在叶绿体基质中存在
【解析】选D。叶绿体内的光合色素都能吸收、传递光能,但只有少数的叶绿素a才能转化光能,A错误;暗处理会得到缺少叶绿素的黄化幼苗,说明叶绿素的合成需要一定的光照条件,B错误;ATP合成过程发生在光合作用和细胞呼吸中,在植物细胞中,ATP合成酶存在于叶绿体类囊体膜上,也存在于线粒体内膜等结构中,C错误;暗反应过程将CO2最终转化为糖类等有机物,而暗反应的场所是叶绿体基质,故参与CO2固定为糖的酶只在叶绿体基质中存在,D正确。
考点二　光合作用的原理
【要点梳理·夯基固本】
一、光合作用的探究历程
二、光合作用的过程
1.过程图解:
2.光反应与暗反应的比较:
项目 光反应 暗反应
场所 类囊体薄膜上 叶绿体基质
条件 光、色素、酶等 酶、ATP、NADPH等
物质 变化 ①水的光解: H2OH++O2 ②ATP的合成: ADP+Pi+能量ATP ③NADPH的合成: NADP++H+NADPH ①CO2的固定: CO2+C52C3 ②C3的还原: 2C3(CH2O)或C5
能量 变化 光能→ATP和NADPH 中活跃的化学能 ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
名师点睛　光合作用两点提醒
(1)光反应中的电子传递:
水分解为氧和H+的同时,被叶绿体夺去两个电子。电子经传递,可用于NADP+与H+结合形成NADPH。
(2)光反应与暗反应的联系:光反应为暗反应提供ATP和NADPH,暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+;没有光反应,暗反应无法进行,没有暗反应,有机物无法合成,也会抑制光反应。
三、光合作用的概念和反应式
1.光合作用的概念: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(箭头表示元素的去向):
易错辨析
1.鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物是淀粉。(×)
分析:鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物——氧气中的氧来自水。
2.植物细胞产生的O2只能来自光合作用。(×)
分析:植物细胞中H2O2分解也能产生O2。
3.颤蓝细菌也能进行光合作用制造有机物。(√)
4.光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜。(×)
分析:ATP移动方向是从类囊体薄膜到叶绿体基质。
5.在光合作用中C从CO2开始先后经C3、C5最后形成糖类。(×)
分析:在光合作用中C元素从CO2经C3形成糖类,不经过C5。
长句表达
1.(必修1 P102“思考·讨论”拓展)鲁宾、卡门实验中,不能对同一实验中的CO2和H2O同时进行标记,因为若同时标记CO2和H2O,则无法分辨氧气的来源。
2.(必修1 P103“图5-14”延伸)光照停止后暗反应短时间仍然能够持续,但无法长时间正常进行,原因是:暗反应中C3还原需要光反应提供ATP和NADPH,停止光照后光反应停止,暗反应将ATP和NADPH消耗尽后,因缺少ATP和NADPH而无法进行。
【命题探究·释疑解惑】
【典例】人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如图所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将________ (填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是________________________________________________________________。
聚焦考查点:环境变化对光合作用的影响情况。
【解析】正常运转过程中气泵突然停转,系统中CO2突然减少,CO2的固定减弱,但短时间内C3的还原不变,则短时间内乙(C3)的含量将减少。若气泵停转时间较长,则模块3为模块2提供的原料ADP、 Pi和NADP+就会不足,进而影响模块2中的能量转换效率。
答案:减少　模块3为模块2提供的原料ADP、 Pi和NADP+不足
破解策略
分析环境改变时光合作用各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2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:
结论:C3和C5变化趋势始终相反,C5和NADPH、ATP变化趋势始终相同。
【扣点专练·通法悟道】
1.光合作用原理的探究历程包含了许多科学家的努力,下列相关说法错误的是(　　)
A.恩格尔曼以需氧细菌和水绵为材料进行实验,证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧
B.鲁宾和卡门通过检测产生氧气的相对质量,证明光合作用释放的O2中O来自H2O
C.希尔和阿尔农发现,ATP和NADPH的形成发生在叶绿体类囊体的薄膜上
D.卡尔文采用C标记CO2,供小球藻利用,探明了暗反应从C5到C3再到C5的循环过程
【解析】选D。恩格尔曼的实验通过观察需氧细菌在水绵表面的分布,直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧,A正确;鲁宾和卡门利用同位素示踪的方法,用18O分别标记两组实验中的H2O和CO2,证明光合作用产生的O2中的O全部来自H2O,B正确;希尔在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂,在光照下可释放氧气,说明离体叶绿体在适当条件下能进行水的光解,阿尔农发现光合作用中叶绿体合成ATP总是与水的光解相伴随,但是不能证明植物光合作用可以合成ATP,因而发现ATP和NADPH的形成发生在光反应过程中,场所为叶绿体类囊体的薄膜上,C正确;卡尔文采用 14C 标记 CO2 ,供小球藻利用,探明了二氧化碳中的碳是如何转化为有机物中的碳的,即从 CO2 → C3 →有机物,D错误。
2.(2026·潮州模拟)桑树是一种多功能树种,它适应性强、易于栽培,既可用于城市绿化和水土保持,也可作为养蚕业的基础资源。如图是生物兴趣小组绘制的桑叶光合作用过程的示意图,其中Ⅰ、Ⅱ表示光合作用过程的两个阶段,①~④表示物质。下列叙述正确的是(　　)
A.Ⅰ过程只在有光照下进行,Ⅱ过程有无光照都能持续进行
B.①②均可参与Ⅱ过程,②、ATP均可为④的合成提供能量
C.与光合作用有关的色素、酶分别位于类囊体薄膜、基质中
D.适宜光照条件下突然提高③的浓度,短时间内叶绿体中C5/C3的值会降低
【解析】选D。题图中的Ⅰ、Ⅱ分别是光反应和暗反应,没有光照则光反应不能进行,虽然暗反应不直接依赖于光,但暗反应需要光反应提供物质NADPH和ATP,如果光反应不能进行,则暗反应也不能持续进行,A错误;①是水光解的产物,包括氧气等,氧气不参与Ⅱ暗反应过程,②是NADPH,与ATP均可为④的合成提供能量,B错误;与光合作用有关的色素只存在于叶绿体的类囊体薄膜上,而酶在叶绿体的类囊体薄膜和基质中均含有,C错误;③是CO2,适宜光照条件下突然提高CO2的浓度,短时间内C3的产生速率加快,而固定CO2会消耗更多的C5,则C5的含量会降低,短时间内C3的还原不变,C3含量增多,故短时间内叶绿体中C5/C3的值会降低,D正确。
从教材走向高考
3.(必修1 P101“拓展应用”T2改编)植物工厂会在人工精密控制光照、温度、湿度、CO2浓度和营养液成分等条件下,生产蔬菜和其他植物。为提高植物工厂的产量,某科研团队研究不同红、蓝光配比和光强对生菜叶片光合能力的影响。实验结果如图甲、乙所示。
注:B表示蓝光,R表示红光;R/B表示红、蓝光按一定的配比同时照射;各处理组的光照强度为图甲400 klx、图乙200 klx。
(1)植物工厂的塑料大棚常选用________色塑料薄膜,所以生菜光合速率高。根据实验结果,该植物工厂水培生产生菜时,应配置__________________(填写颜色和配比)的LED灯,理由是____________________________________________。
(2)依据图甲和图乙,分析不同红、蓝光配比和光强对生菜叶片光合能力的影响: ____________________________________________________(至少写出两点)。
(3)除红、蓝光配比和光强外,植物工厂在光照方面还可以采取什么措施提高生菜的产量
____________________________________________________(写出一点)。
【解析】(1)无色或白色塑料薄膜允许各色光透过,因此生菜光合速率高。依据题图可知,在光照强度为200 klx或400 klx时,均是红、蓝光配比为1时生菜的光合速率最大,因此要配置红、蓝光配比为1的LED灯。
(2)由题图甲、乙分析,可得出以下几点:除B处理组外,生菜叶片的光合速率随着R/B值的减小而增大;B处理组下生菜叶片的光合速率略低于R/B=1处理组;不同光强下R/B处理对生菜叶片光合速率影响的变化趋势一致,但提高光照强度显著增强了生菜叶片的光合速率。
(3)影响植物光合作用的因素有光照强度、光照时间、光质、温度等,因此可通过控制适宜的光照强度、控制适宜的光照时间、控制红蓝光适宜的比例、强弱光照的交替来提高光合产物量,进而实现增产。
答案:(1)无(或白)　红、蓝光配比为1　在光照强度为200 klx或400 klx时,均是红、蓝光配比为1时生菜的光合速率最大
(2)除B处理组外,生菜叶片的光合速率随着R/B值的减小而增大;B处理组下生菜叶片的光合速率略低于R/B=1处理组;不同光强下R/B处理组对生菜叶片光合速率影响的变化趋势一致,但提高光照强度显著增强了生菜叶片的光合速率
(3)控制适宜的光照时间或强弱光照交替照射
悟高考·瞻动向
体验高考·淬炼考能
1.(2024·广东高考)银杏是我国特有的珍稀植物,其叶片变黄后极具观赏价值。某同学用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,下列实验操作正确的是(　　)
A.选择新鲜程度不同的叶片混合研磨
B.研磨时用水补充损失的提取液
C.将两组滤纸条置于同一烧杯中层析
D.用过的层析液直接倒入下水道
【解析】选C。本题考查光合色素的提取与分离实验。本实验目的是用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,应选择新鲜程度不同的叶片分开研磨,A错误;色素溶于有机溶剂,提取液为无水乙醇,光合色素不溶于水,B错误;由于滤纸条不会相互影响,且层析液成分相同,故两组滤纸条可以置于同一个烧杯中层析,C正确;用过的层析液含有石油醚、丙酮和苯,不能直接倒入下水道,D错误。
2.(2023·全国乙卷)植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述,错误的是(　　)
A.氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素
B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上
C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰
D.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越慢
【解析】选D。本题考查叶绿体中的色素的元素组成、分布、功能和提取的相关知识。氮元素和镁元素是构成叶绿素的重要元素,A正确;叶绿体中的光合色素均分布在叶绿体类囊体的薄膜上,B正确;由于类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,所以用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰,C正确;叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸条上的扩散速度越快,D错误。
3.(2023·湖北高考)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体,PSⅡ光复合体含有光合色素,能吸收光能,并分解水。研究发现,PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是(　　)
A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强
B.Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱
C.弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,不利于对光能的捕获
D.PSⅡ光复合体分解水可以产生H+、电子和O2
【解析】选C。本题考查植物光合作用中的光反应阶段。叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,LHCⅡ与PSⅡ分离减少,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强,A正确;Mg2+是叶绿素的组成成分,其含量减少会导致PSⅡ光复合体上的叶绿素含量减少,导致对光能的捕获减弱,B正确;弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,增强对光能的捕获,C错误;PSⅡ光复合体能吸收光能,并分解水,水的光解产生H+、电子和O2,D正确。
4.(2022·山东高考)强光条件下,植物吸收的光能若超过光合作用的利用量,过剩的光能可导致植物光合作用强度下降,出现光抑制现象。为探索油菜素内酯(BR)对光抑制的影响机制,将长势相同的苹果幼苗进行分组和处理,如表所示,其中试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成。各组幼苗均在温度适宜、水分充足的条件下用强光照射,实验结果如图所示。
分组 处理
甲 清水
乙 BR
丙 BR+L
　　
(1)光可以被苹果幼苗叶片中的色素吸收,分离苹果幼苗叶肉细胞中的色素时,随层析液在滤纸上扩散速度最快的色素主要吸收的光是____________。
(2)强光照射后短时间内,苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加,但氧气的产生速率继续增加。苹果幼苗光合作用暗反应速率不再增加,可能的原因有____________________________________、______________(答出2种原因即可);氧气的产生速率继续增加的原因是____________________________。
(3)据图分析,与甲组相比,乙组加入BR后光抑制______________(填“增强”或“减弱”);乙组与丙组相比,说明BR可能通过__________________________________ __________________________________发挥作用。
【解析】本题考查光合色素的作用、影响光合速率的因素及对照实验的分析。
(1)胡萝卜素在层析液中溶解度最高,所以随层析液在滤纸上扩散速度最快的色素是胡萝卜素,主要吸收蓝紫光。
(2)影响光合作用的外界因素有光照强度、CO2的浓度、温度等;内部因素有酶的活性、色素的含量、NADPH和ATP的含量等。强光照射后短时间内,苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加,可能的原因有NADPH、ATP等的浓度不再增加、CO2浓度有限等;氧气的产生速率继续增加的原因是强光照射后短时间内,光能的吸收速率继续增加,水光解产生氧气的速率继续增加。
(3)据图分析,与甲组相比,乙组加入BR后光合作用强度较高,说明加入BR后光抑制减弱;乙组用BR处理,丙组用BR和试剂L处理,与丙组相比,乙组光合作用强度较高,由于试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成,说明BR可能通过促进光反应关键蛋白的合成发挥作用。
答案:(1)蓝紫光　(2)NADPH、ATP等的浓度不再增加　CO2浓度有限(或其他合理答案,两空答案顺序可颠倒)　光能的吸收速率继续增加,使水的光解速率继续增加
(3)减弱　促进光反应关键蛋白的合成
瞭望高考·探悟动态
锁定新情境:
人造叶绿体研究
　　科学家成功研制了人造叶绿体,该研究从菠菜中分离出类囊体,与多种酶一起包裹在磷脂构成的油包水小液滴中,该系统在光照条件下实现了CO2的固定。人造叶绿体的结构及相关反应过程如图所示,CETCH循环是一种新的二氧化碳—有机物化学循环。
基于核心素养的新考向:
1.(结构与功能观)由图可推测人造叶绿体外膜由______层磷脂分子组成,且磷脂分子的“头部”在人造叶绿体的______(填“内”或“外”)侧。光照条件下,水在人造叶绿体的类囊体中被分解成____________________。
2.(比较与分类)A物质与叶绿体中的______(填化合物)相似,不断地被消耗和合成,若突然停止CO2供应,短时间内A物质的量将________。
3.(归纳与演绎)研究发现,在乙醛酸还原成乙醇酸的反应过程中,人造叶绿体内NADPH含量降低,ATP的含量提高,由此推测乙醛酸还原和三碳酸还原的不同之处可能是________________________________________________________。
4.(设计实验)若要研究CO2参与CETCH循环时碳的去向,实验思路是_________
________________________________________________________________。
【解析】1.据图观察可知,人造叶绿体膜外侧是油,内侧是水,因此人造叶绿体外膜是由一层磷脂分子组成。磷脂分子的“头部”具有亲水性,“尾部”具有疏水性,由于人造叶绿体内部是水,所以磷脂分子的“头部”在人造叶绿体的内侧。光照条件下,光合色素吸收的光能可将水分解产生H+、电子和O2。
2.由图可知A物质可与CO2反应,进行CO2的固定,在叶绿体光合作用的暗反应阶段CO2被C5固定形成C3,因此A物质与C5相似。若突然停止CO2供应, CO2与A反应速率减慢,A物质消耗速率降低,此时A物质合成速率不变,因此短时间内A物质的量将增多。
3.三碳酸还原同时需要ATP和NADPH的供应,而人造叶绿体内NADPH含量降低,但ATP的含量提高,乙醛酸还原只需消耗NADPH,不消耗ATP。
4.若要研究CO2参与CETCH循环时碳的去向,可用放射性同位素标记法,对CO2中的碳元素进行14C标记,研究含有放射性的物质及其出现的位置。
答案:1.一　内　H+、电子和O2　2.C5　增多　3.乙醛酸的还原只需消耗NADPH,不消耗ATP　4.对CO2中的碳元素进行14C标记,研究含有放射性的物质及其出现的位置
- 19 -核心素养测评 第三单元 第12讲　捕获光能的色素和结构、光合作用的原理(20分钟　33分)
一、选择题:本题共7小题,每小题3分,共21分。每小题只有一个选项符合题目要求。
1.(2024·贵州高考)为探究不同光照强度对叶色的影响,取紫鸭跖草在不同光照强度下,其他条件相同且适宜,分组栽培,一段时间后获取各组光合色素提取液,用分光光度法(一束单色光通过溶液时,溶液的吸光度与吸光物质的浓度成正比)分别测定每组各种光合色素含量。下列叙述错误的是(　　)
A.叶片研磨时加入碳酸钙可防止破坏色素
B.分离提取液中的光合色素可采用纸层析法
C.光合色素相对含量不同可使叶色出现差异
D.测定叶绿素的含量时可使用蓝紫光波段
【解析】选D。本题考查绿叶中色素的提取和分离实验。提取光合色素加入碳酸钙可以防止色素被破坏,A正确;由于不同色素在层析液中溶解度不同,因此在滤纸上的扩散速度不同,从而达到分离的效果,这是纸层析法,B正确;不同光合色素颜色不同,因此光合色素相对含量不同可使叶色出现差异,叶绿素多使叶片呈绿色,而秋季叶绿素减少,类胡萝卜素相对增多使叶片呈黄色,C正确;叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收蓝紫光,所以不能用蓝紫光波段测定叶绿素含量,D错误。
2.将紫月季叶片色素提取液点样后,先后置于层析液和蒸馏水中进行双向纸层析,过程及结果如图所示。而用菠菜叶片进行同样实验,则观察不到色素a。下列分析错误的是(　　)
A.点样点不可触及蒸馏水和层析液
B.色素b、c、d、e难溶于蒸馏水
C.色素a最可能存在于液泡中
D.可用无水乙醇替代层析液
【解析】选D。点样点不可触及蒸馏水和层析液,否则色素会溶解于相应的溶液中,A正确;由步骤二可知,色素b、c、d、e在层析液中溶解度不同,随层析液扩散的速度不同,e的距离最长,应为胡萝卜素,同理可知,d为叶黄素,c为叶绿素 a ,b为叶绿素 b ,在步骤三中,色素b、c、d、e均没有向上移动,说明色素b、c、d、e难溶于蒸馏水,B正确;色素a不溶于层析液,但溶于蒸馏水,可能存在于液泡中,C正确;色素b、c、d、e均可以溶解于无水乙醇,但溶解度不易区分,因此不能用无水乙醇替代层析液分离色素,D错误。
3.19世纪末,恩格尔曼用一个棱镜将阳光散射成七色光,并使之落在水绵上,再在系统里加入一群需氧细菌,实验结果如图。下列叙述正确的是(　　)
A.水绵细胞的叶绿体主要吸收红光和蓝紫光,不吸收绿光
B.需氧细菌利用光合作用产生的氧气最终在线粒体内膜上产生水
C.水绵的叶绿体中含有叶绿素和藻蓝素
D.吸收光能的色素存在于叶绿体的类囊体薄膜上
【解析】选D。水绵为低等植物,它含螺旋带状叶绿体,能进行光合作用,而叶绿体中的色素能够吸收红光和蓝紫光,也能吸收绿光,只是吸收量很少,A错误;需氧细菌为原核生物,无线粒体,但可在细胞质和细胞膜上进行有氧呼吸,B错误;水绵细胞内能吸收光能的色素有叶绿素和类胡萝卜素,没有藻蓝素,C错误;光合作用的光反应阶段需要色素的参与,类囊体薄膜因其上分布有许多吸收光能的色素分子,所以在此进行光反应,D正确。
4.1937年,英国科学家希尔获得了离体叶绿体悬浮液,将此悬浮液(含水,不含CO2)与黄色的铁盐(Fe3+)混合,照光后发现叶绿体有气泡放出,溶液由黄色变为浅绿色(Fe2+)。在遮光条件下,则没有气泡产生,也没有颜色变化。下列叙述错误的是 (　　)
A.实验过程中可以检测到糖类的生成
B.实验表明氧气是叶绿体在光照的条件下产生的
C.溶液颜色变化的原因是叶绿体在光照条件下生成的还原剂将Fe3+还原为Fe2+
D.与恩格尔曼的水绵实验相比,希尔的实验排除了细胞内其他结构的影响
【解析】选A。题述悬浮液中不含CO2,暗反应无法正常进行,糖类无法生成,A错误;实验现象是在照光后发现叶绿体悬浮液有气泡放出,在遮光条件下没有气泡产生,说明氧气是叶绿体在光照的条件下产生的,B正确;实验中,在光照条件下,溶液由黄色变为浅绿色(Fe2+),说明叶绿体在光照条件下生成的还原剂将Fe3+还原为Fe2+,C正确;与恩格尔曼的水绵实验相比,希尔的实验将叶绿体离体,与细胞内其他结构分开,排除了其他结构在光合作用中可能造成的影响,D正确。
5.卡尔文等科学家向小球藻“饲喂”一定量的14CO2,光照30 s后检测到多种带14C标记的化合物。将光照时间逐渐缩短至几分之一秒时发现,放射性出现在一种三碳化合物(C3)中。光照5 s时发现,放射性同时出现在五碳化合物(C5)和六碳糖(C6)中。仅据此实验,以下推测最合理的是(　　)
A. CO2固定的第一个产物是C3
B.碳转移的路径是CO2+C5→C3→C5
C.碳转移的路径是C3+光→C5 →C6
D.碳转移的路径是C3+光→C6→C5
【解析】选A。卡尔文用14C标记的CO2作为原料,探究暗反应的过程,逐渐缩短光照时间,是为了确定被14C标记的化合物出现的先后顺序。由于光照5 s时发现,放射性同时出现在五碳化合物(C5)和六碳糖(C6)中,可推测最初形成的C3转化成了C5和C6,CO2中C的转移途径为CO2→C3→C5和C6,A正确。
6.(2026·惠州联考)叶绿体是一种存在于绿色植物和藻类中的质体,是真核生物实现光合作用的关键场所。下图为叶绿体结构与光合作用过程示意图,A、B表示叶绿体的结构,①~⑤表示物质,下列说法不正确的是(　　)
A.结构A中含有大量光合色素,是进行光反应的场所
B.B是叶绿体基质,在这里进行的反应需要CO2的参与
C.用18O标记①,则可在②中检测到18O
D.植物的任何细胞中都能进行图示生理过程
【解析】选D。参与光合作用的色素位于图中的A叶绿体的类囊体薄膜上,类囊体薄膜是进行光反应的场所,A正确;CO2参与暗反应中CO2的固定,场所为题图中的B叶绿体基质,B正确;用18O标记①水,则水的光解产生的②氧气中也含有18O,C正确;植物的根尖细胞不含有叶绿体,不能进行图示生理过程,D错误。
7.(2026·中山模拟)绿色植物进行光合作用可以合成淀粉,我国科学家成功设计出了一条无绿色植物参与也能利用二氧化碳和水合成淀粉的路线(如图所示)。下列相关叙述正确的是(　　)
A.图中水电解形成的产物与水光解形成的产物相同
B.①②③④过程模拟了暗反应过程
C.固定等量的CO2,上述途径与植物体内积累的淀粉一样多
D.植物体将C6H12O6变成淀粉的场所是叶绿体内膜,这个过程能产生水
【解析】选B。由题图可知,水电解形成的产物为H2与O2,水光解形成的产物是氧和H+,氧直接以氧分子的形式释放出去,H+与氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)结合形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH),A错误;①②过程模拟的是CO2的固定,③④模拟三碳化合物的还原,①②③④过程模拟了暗反应过程,B正确;题述过程只进行淀粉的合成,而植物体进行淀粉的合成的同时要分解消耗一部分,故固定等量的CO2,题述途径积累的淀粉比植物体多,C错误;植物体将C6H12O6变成淀粉的场所是叶绿体基质,并且这个过程产生水,D错误。
二、非选择题
8.(12分)氮是对农作物生长有重要影响的元素。研究人员为探究不同浓度的氮素对某植物光合作用的影响进行了相关实验。采用水培法,取若干植物幼苗均分成多组,且每天定时浇灌含不同浓度氮素的培养液,在适宜条件下培养一段时间后,分别测定各组植物幼苗叶片的相关指标,结果如图所示。
(1)叶绿素主要吸收____________光,随着培养液中的氮素浓度的增大,叶绿素含量持续上升,原因是__________________________。水培法培养植物时,需对培养液进行气泵增氧,目的是____________________________________。
(2)据图可知,随着培养液中的氮素浓度从1 mmol·L-1递增至8 mmol·L-1,净光合速率逐渐增大,其原因除叶绿素含量逐渐增大外,还有____________________,导致__________________使光合速率升高。
(3)培养液中的氮素浓度从8 mmol·L-1递增至16 mmol·L-1时,虽然叶绿素含量在增加,但净光合速率减小,主要原因是__________________________,基于这一点,在农业生产中的启示是______________________。
【解析】(1)叶绿素主要吸收蓝紫光和红光,氮元素是合成叶绿素的元素之一,随着培养液中氮素浓度的增大,叶绿素含量持续上升。根细胞吸收氮元素主要是以含氮的离子的形式以主动运输的方式吸收,因此,水培法培养植物时,为了促进根细胞进行有氧呼吸,以利于氮元素的吸收,需对培养液进行气泵增氧。
(2)据图可知,培养液中的氮素浓度在1 mmol·L-1至8 mmol · L -1范围内时,随着氮素浓度的增加,叶绿素含量和羧化酶含量均增加,且气孔导度增大,导致(叶绿体)固定的CO2增多,光合速率升高。
(3)培养液中的氮素浓度从8 mmol·L-1递增至16 mmol·L-1时,叶绿素含量增加,但净光合速率减小,造成该现象的原因是在此浓度范围内,羧化酶含量减少,植物幼苗固定的 CO2减少,因而导致净光合速率下降。因此,基于这一点,在农业生产中,给我们的启示是氮肥施用要适当。
答案:(1)蓝紫光和红　氮元素是合成叶绿素的元素之一　促进根细胞进行有氧呼吸,以利于氮元素的吸收
(2)羧化酶含量增加、气孔导度增大　(叶绿体)固定的CO2增多
(3)羧化酶含量大幅度下降　氮肥施用要适当
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核心素养测评 第三单元 第12讲　捕获光能的色素和结构、光合作用的原理(20分钟　33分)
一、选择题:本题共7小题,每小题3分,共21分。每小题只有一个选项符合题目要求。
1.(2024·贵州高考)为探究不同光照强度对叶色的影响,取紫鸭跖草在不同光照强度下,其他条件相同且适宜,分组栽培,一段时间后获取各组光合色素提取液,用分光光度法(一束单色光通过溶液时,溶液的吸光度与吸光物质的浓度成正比)分别测定每组各种光合色素含量。下列叙述错误的是(　　)
A.叶片研磨时加入碳酸钙可防止破坏色素
B.分离提取液中的光合色素可采用纸层析法
C.光合色素相对含量不同可使叶色出现差异
D.测定叶绿素的含量时可使用蓝紫光波段
√
【解析】选D。本题考查绿叶中色素的提取和分离实验。提取光合色素加入碳酸钙可以防止色素被破坏,A正确;由于不同色素在层析液中溶解度不同,因此在滤纸上的扩散速度不同,从而达到分离的效果,这是纸层析法,B正确;不同光合色素颜色不同,因此光合色素相对含量不同可使叶色出现差异,叶绿素多使叶片呈绿色,而秋季叶绿素减少,类胡萝卜素相对增多使叶片呈黄色,C正确;叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收蓝紫光,所以不能用蓝紫光波段测定叶绿素含量,D错误。
2.将紫月季叶片色素提取液点样后,先后置于层析液和蒸馏水中进行双向纸层析,过程及结果如图所示。而用菠菜叶片进行同样实验,则观察不到色素a。下列分析错误的是(　　)
A.点样点不可触及蒸馏水和层析液
B.色素b、c、d、e难溶于蒸馏水
C.色素a最可能存在于液泡中
D.可用无水乙醇替代层析液
√
【解析】选D。点样点不可触及蒸馏水和层析液,否则色素会溶解于相应的溶液中,A正确;由步骤二可知,色素b、c、d、e在层析液中溶解度不同,随层析液扩散的速度不同,e的距离最长,应为胡萝卜素,同理可知,d为叶黄素,c为叶绿素 a ,b为叶绿素 b ,在步骤三中,色素b、c、d、e均没有向上移动,说明色素b、c、d、e难溶于蒸馏水,B正确;色素a不溶于层析液,但溶于蒸馏水,可能存在于液泡中,C正确;色素b、c、d、e均可以溶解于无水乙醇,但溶解度不易区分,因此不能用无水乙醇替代层析液分离色素,D错误。
3.19世纪末,恩格尔曼用一个棱镜将阳光散射成七色光,并使之落在水绵上,再在系统里加入一群需氧细菌,实验结果如图。下列叙述正确的是(　　)
A.水绵细胞的叶绿体主要吸收红光和蓝紫光,不吸收绿光
B.需氧细菌利用光合作用产生的氧气最终在线粒
体内膜上产生水
C.水绵的叶绿体中含有叶绿素和藻蓝素
D.吸收光能的色素存在于叶绿体的类囊体薄膜上
√
【解析】选D。水绵为低等植物,它含螺旋带状叶绿体,能进行光合作用,而叶绿体中的色素能够吸收红光和蓝紫光,也能吸收绿光,只是吸收量很少,A错误;需氧细菌为原核生物,无线粒体,但可在细胞质和细胞膜上进行有氧呼吸,B错误;水绵细胞内能吸收光能的色素有叶绿素和类胡萝卜素,没有藻蓝素,C错误;光合作用的光反应阶段需要色素的参与,类囊体薄膜因其上分布有许多吸收光能的色素分子,所以在此进行光反应,D正确。
4.1937年,英国科学家希尔获得了离体叶绿体悬浮液,将此悬浮液(含水,不含CO2)与黄色的铁盐(Fe3+)混合,照光后发现叶绿体有气泡放出,溶液由黄色变为浅绿色(Fe2+)。在遮光条件下,则没有气泡产生,也没有颜色变化。下列叙述错误的是 (　　)
A.实验过程中可以检测到糖类的生成
B.实验表明氧气是叶绿体在光照的条件下产生的
C.溶液颜色变化的原因是叶绿体在光照条件下生成的还原剂将Fe3+还原为Fe2+
D.与恩格尔曼的水绵实验相比,希尔的实验排除了细胞内其他结构的影响
√
【解析】选A。题述悬浮液中不含CO2,暗反应无法正常进行,糖类无法生成,A错误;实验现象是在照光后发现叶绿体悬浮液有气泡放出,在遮光条件下没有气泡产生,说明氧气是叶绿体在光照的条件下产生的,B正确;实验中,在光照条件下,溶液由黄色变为浅绿色(Fe2+),说明叶绿体在光照条件下生成的还原剂将Fe3+还原为Fe2+,C正确;与恩格尔曼的水绵实验相比,希尔的实验将叶绿体离体,与细胞内其他结构分开,排除了其他结构在光合作用中可能造成的影响,D正确。
5.卡尔文等科学家向小球藻“饲喂”一定量的14CO2,光照30 s后检测到多种带14C标记的化合物。将光照时间逐渐缩短至几分之一秒时发现,放射性出现在一种三碳化合物(C3)中。光照5 s时发现,放射性同时出现在五碳化合物(C5)和六碳糖(C6)中。仅据此实验,以下推测最合理的是(　　)
A. CO2固定的第一个产物是C3
B.碳转移的路径是CO2+C5→C3→C5
C.碳转移的路径是C3+光→C5 →C6
D.碳转移的路径是C3+光→C6→C5
√
【解析】选A。卡尔文用14C标记的CO2作为原料,探究暗反应的过程,逐渐缩短光照时间,是为了确定被14C标记的化合物出现的先后顺序。由于光照5 s时发现,放射性同时出现在五碳化合物(C5)和六碳糖(C6)中,可推测最初形成的C3转化成了C5和C6,CO2中C的转移途径为CO2→C3→C5和C6,A正确。
6.(2026·惠州联考)叶绿体是一种存在于绿色植物和藻类中的质体,是真核生物实现光合作用的关键场所。下图为叶绿体结构与光合作用过程示意图,A、B表示叶绿体的结构,①~⑤表示物质,下列说法不正确的是(　　)
A.结构A中含有大量光合色素,是进行光反应的场所
B.B是叶绿体基质,在这里进行的反应需要CO2的参与
C.用18O标记①,则可在②中检测到18O
D.植物的任何细胞中都能进行图示生理过程
√
【解析】选D。参与光合作用的色素位于图中的A叶绿体的类囊体薄膜上,类囊体薄膜是进行光反应的场所,A正确;CO2参与暗反应中CO2的固定,场所为题图中的B叶绿体基质,B正确;用18O标记①水,则水的光解产生的②氧气中也含有18O,C正确;植物的根尖细胞不含有叶绿体,不能进行图示生理过程,D错误。
7.(2026·中山模拟)绿色植物进行光合作用可以合成淀粉,我国科学家成功设计出了一条无绿色植物参与也能利用二氧化碳和水合成淀粉的路线(如图所示)。下列相关叙述正确的是(　　)
A.图中水电解形成的产物与水光解形
成的产物相同
B.①②③④过程模拟了暗反应过程
C.固定等量的CO2,上述途径与植物体内积累的淀粉一样多
D.植物体将C6H12O6变成淀粉的场所是叶绿体内膜,这个过程能产生水
√
【解析】选B。由题图可知,水电解形成的产物为H2与O2,水光解形成的产物是氧和H+,氧直接以氧分子的形式释放出去,H+与氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)结合形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH),A错误;①②过程模拟的是CO2的固定,③④模拟三碳化合物的还原,①②③④过程模拟了暗反应过程,B正确;题述过程只进行淀粉的合成,而植物体进行淀粉的合成的同时要分解消耗一部分,故固定等量的CO2,题述途径积累的淀粉比植物体多,C错误;植物体将C6H12O6变成淀粉的场所是叶绿体基质,并且这个过程产生水,D错误。
二、非选择题
8.(12分)氮是对农作物生长有重要影响的元素。研究人员为探究不同浓度的氮素对某植物光合作用的影响进行了相关实验。采用水培法,取若干植物幼苗均分成多组,且每天定时浇灌含不同浓度氮素的培养液,在适宜条件下培养一段时间后,分别测定各组植物幼苗叶片的相关指标,结果如图所示。
(1)叶绿素主要吸收_______________光,随着培养液中的氮素浓度的增大,叶
绿素含量持续上升,原因是________________________________。水培法培
养植物时,需对培养液进行气泵增氧,目的是_________________________ _______________________________。
(2)据图可知,随着培养液中的氮素浓度从1 mmol·L-1递增至8 mmol·L-1,净光合速率逐渐增大,其原因除叶绿素含量逐渐增大外,还有______________ __________________,导致________________________使光合速率升高。
蓝紫光和红　　　
氮元素是合成叶绿素的元素之一
促进根细胞进行有氧呼吸,
以利于氮元素的吸收
羧化酶含量增
加、气孔导度增大
(叶绿体)固定的CO2增多
【解析】(1)叶绿素主要吸收蓝紫光和红光,氮元素是合成叶绿素的元素之一,随着培养液中氮素浓度的增大,叶绿素含量持续上升。根细胞吸收氮元素主要是以含氮的离子的形式以主动运输的方式吸收,因此,水培法培养植物时,为了促进根细胞进行有氧呼吸,以利于氮元素的吸收,需对培养液进行气泵增氧。
(2)据图可知,培养液中的氮素浓度在1 mmol·L-1至8 mmol · L -1范围内时,随着氮素浓度的增加,叶绿素含量和羧化酶含量均增加,且气孔导度增大,导致(叶绿体)固定的CO2增多,光合速率升高。
(3)培养液中的氮素浓度从8 mmol·L-1递增至16 mmol·L-1时,虽然叶绿素含量在增加,但净光合速率减小,主要原因是__________________________,基于这一点,在农业生产中的启示是______________________。
【解析】 (3)培养液中的氮素浓度从8 mmol·L-1递增至16 mmol·L-1时,叶绿素含量增加,但净光合速率减小,造成该现象的原因是在此浓度范围内,羧化酶含量减少,植物幼苗固定的 CO2减少,因而导致净光合速率下降。因此,基于这一点,在农业生产中,给我们的启示是氮肥施用要适当。
羧化酶含量大幅度下降　
氮肥施用要适当

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