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5.4 光合作用与能量转化
第2课时 光合作用的原理 教案
一、教学目标
1.说明光合作用以及对它的认识过程（重点）。
2.通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验的思考和讨论，说明光合作用过程，认同两个阶段既有联系又有区别，并从物质与能量观视角，阐明光合作用原理（难点）。
3.通过光合作用发现史的学习，使学生受到科学家们崇高的精神境界的熏陶，并养成质疑、求实、创新及勇于实践的科学精神和科学态度。
二、教学重难点
教学重点：光合作用的光反应、暗反应过程及相互关系。。
教学难点：光反应和暗反应的过程。
三、教学过程
【新课导入】
情境导入：
知识回顾：叶绿体的结构示意图
1.说出图中5个部分的名称。
2.吸收光能的色素分布在_____________________________________上；（类囊体薄膜）
光合作用所必需的酶分布在________________________________中。（类囊体薄膜和叶绿体基质）
【新课学习】
教师活动：引导学生说出光合作用的概念和总化学反应式。
设问：叶绿体如何将光能转化为化学能？如何将化学能储存在糖类等有机物中？光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳？今天我们一起来学习光合作用的原理。
学生活动：回顾初中光合作用知识。带着疑问进入本节课的学习。
（一）光合作用的原理
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。
过渡：光合作用释放的氧气是来自原料中的水还是二氧化碳呢？我们先来分析科学家做过的一些实验。
1.探索光合作用原理的部分实验
教师活动：组织学生阅读教材P102页“思考·讨论”的部分实验，自主学习，引导学生思考、讨论并回答相关问题，通过光合作用科学史的学习，探究光反应过程的反应物、产物、反应条件等，说明光合作用以及对它的认识过程，并阐明光合作用原理。
（1）叶绿体如何将光能转化为化学能？
（2）光合作用如何将化学能储存在糖类等有机物中的？
（3）光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？
学生活动：阅读教材，自主学习，思考讨论，归纳概括，进行展示。
活动1 建构概念——光反应
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　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（如Fe3＋，悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出O2。
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。
问题1.基于以上材料，尝试补充完整希尔实验表达式。
问题2.希尔的实验说明水的光解产生氢气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水？
提示：不能，该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。
问题3.若要证明氧气全部来自水或二氧化碳，可采用什么方法？
提示：可以采用同位素示踪法，用18O分别标记H2O和CO2进行实验。
问题4.希尔的实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？
提示：能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。氧气产生和糖类合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。
资料2　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O2的来源，他们用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2，然后进行了两组实验：
第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是l8O2。
提问：分析鲁宾和卡门做的实验，可以得出什么结论？
结论：光合作用产生的O2来自于H2O，不来自CO2。
延伸思考：根据希尔实验的表达式，回答下列问题。
1.希尔实验中的氧化剂起到什么作用？
提示：结合水分解产生的2H+和2e-
2.叶绿体内参与光合作用的氧化剂是什么？
资料3　1954年，美国科学家阿尔农等用游离的叶绿体做实验。在给叶绿体光照时发现，当向反应体系供给ADP、Pi时，体系中就会有ATP的产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
结论：光照下，水光解同时ADP和Pi合成ATP。
请尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
总结：叶绿体类囊体薄膜结构与功能的统一
如图为放大的类囊体薄膜结构的模式图。PSⅡ和PSⅠ是色素和一些蛋白形成的色素复合体，上面的色素可以吸收光能，分解水产生氧气、氢离子和电子，有的膜蛋白用来传递氢离子，造成膜两侧氢离子具有浓度差；有的膜蛋白传递电子给NADP＋，在某种膜蛋白的催化下合成NADPH；还有的膜蛋白是ATP合成酶，利用膜两侧的氢离子浓度差催化合成ATP。同时，光能转变成的化学能就储存在了ATP和NADPH中。
总结：上述实验表明，光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，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。
2.光合作用的过程
光合作用的过程十分复杂，它包括一系列化学反应。根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应（现在也称为碳反应）两个阶段。
光反应阶段：光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段是在类囊体的薄膜上进行的。
教师活动：带领学生回顾光合作用过程发现史，引导学生进一步认识光合作用的过程，理解并说明光合作用的两个阶段的具体过程。
学生活动：认真听讲，回答问题。
师生共同归纳总结：光反应小结
光反应：光合色素吸收的光能，一方面使水脱氢，并放出氧气和产生H+，H+与NADP+结合产生NADPH，并且提供能量使ADP生成ATP。强调光反应需要的条件是光、光合色素、酶。
场所：叶绿体类囊体薄膜上。
条件：光、光合色素、酶。
物质变化：水的光解，ATP的合成。
产物：O2、NADPH、ATP
能量变化：光能转变为ATP中活跃的化学能。
教师活动：展示资料，组织学生进行小组合作学习，阅读教材第103~104页光合作用的过程，结合图片和动画，讲解光合作用的光反应和暗反应。引导学生从条件、场所、物质变化、产物和能量转变归纳光反应和暗反应两个阶段。
学生活动：小组合作学习教材第103~104页光合作用的过程，分析资料，认真听讲，归纳概括。
叶绿体中光合色素吸收的光能，有以下两方面用途。一是将水分解为氧和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）。NADPH作为活泼的还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，同时也储存部分能量供暗反应阶段利用；二是在有关酶的催化作用下，提供能量促使ADP与Pi反应形成ATP。这样，光能就转化为储存在ATP中的化学能。这些ATP将参与第二个阶段合成有机物的化学反应（图5-14）
活动2 建构概念——暗反应
资料4　光合作用的产物除了O2，还有糖类等有机物。20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻作实验材料，利用同位素示踪法追踪了CO2中C的转移路径。
（1）向反应体系中充入一定量的14CO2,光照30秒后检测产物，14C分布于多种化合物中，有C3、C5、C6等化合物。
（2）在5秒钟光照后，卡尔文等检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。
（3）光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中。
请据此大致描述CO2转化成有机物过程中，C的转移途径。
资料5　卡尔文又通过实验发现如果光照下突然中断 CO2 供应，C3急剧减少而 C5增加。
根据卡尔文的两个实验推测C3与C5之间的关系。
提示：C3与C5之间是相互循环的
思考：卡尔文搞清了C的转移途径，即有机物的形成过程，这与前面学习的水的光解产生O2的过程是否存在一定的联系呢
资料6　1954年，美国科学家阿尔农的离体叶绿体实验过程及结果：
结论：CO2转化成（CH2O）需要_____反应提供_________和______。（ 光 NADPH ATP ）
教师讲解：
暗反应阶段：光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。暗反应阶段的化学反应是在叶绿体的基质中进行的。在这一阶段，CO2被利用，经过一系列的反应后生成糖类。
CO2是如何转变成糖类的呢？20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻（一种单细胞的绿藻）做了这样的实验：用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。
绿叶通过气孔从外界吸收的CO2，在特定酶的作用下，与C5（一种五碳化合物）结合，这个过程称作CO2的固定。一分子的CO2被固定后，很快形成两个C3分子。在有关酶的催化作用下，C3接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原。随后，一些接受能量并被还原的C3，在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类；另一些接受能量并被还原的C3，经过一系列变化，又形成C5。这些C5又可以参与CO2的固定。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。
师生共同归纳总结：暗反应小结
暗反应：目的是使二氧化碳获得NADPH，被还原成为糖类。二氧化碳与C5化合物结合（二氧化碳的固定），形成2分子C3；一部分C3获得了NADPH和ATP释放的能量并被NADPH还原为糖类；一部分C3形成C5继续参与循环。
场所：叶绿体基质。
条件：有光无光都可，需多种酶，NADPH、ATP、酶。
物质变化：CO2的固定，C3的还原。
产物：（CH2O）、ADP、Pi。
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。
活动3 构建光合作用过程的模型
光合作用的总反应式：
3.光反应和暗反应的比较
活动4 比较光反应阶段和暗反应阶段
教师活动：组织学生对“思考 讨论”中的两个问题进行小组讨论，从光反应和暗反应的实质、时间、条件、场所、物质转化、能量转化等方面列出表格进行对比，分析光反应和暗反应的联系和区别
学生活动：小组讨论，比较光反应和暗反应的区别与联系，完成表格的填写。
简而言之，在光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体膜上的色素捕获后，将水分解为O2和H+等，形成ATP和NADPH，从而使光能转化成ATP和NADPH中的化学能；ATP和NADPH驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO2 转化为储存着化学能的糖类。
活动5 分析条件骤变对光合作用中各物质的影响
课堂小结：
四、板书设计
第4节 光合作用与能量转化
第2课时 光合作用的原理
一、光合作用的概念
二、光合作用的过程
1.光反应阶段
（1）场所：叶绿体类囊体薄膜上。
（2）条件：光、光合色素、酶。
（3）物质变化：水的光解，ATP的合成。
（4）产物：O2、NADPH、ATP
（5）能量变化：光能转变为ATP中活跃的化学能。
2.暗反应阶段
（1）场所：叶绿体基质。
（2）条件：有光无光都可，需多种酶，NADPH、ATP、酶。
（3）物质变化：CO2的固定，C3的还原。
（4）产物：（CH2O）、ADP、Pi。
（5）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。
3.光合作用过程的模型
4.光合作用的总反应式
5.光反应阶段和暗反应阶段的区别与联系
6.条件骤变对光合作用中各物质的影响

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