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第4节　光合作用与能量转化　第3课时　光合作用原理的应用
高中生物学　必修1　分子与细胞·学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1．科学探究：通过分析光照等环境因素与光合作用强度的关系实验，理解环境因素与光合作用强度的关系，并阐明环境因素对光合作用的影响。
2．科学思维：通过构建模型分析影响光合作用的因素，形成利用科学思维方法解决问题的习惯。
3．社会责任：依据不同因素影响光合作用的原理，科学指导其在生产中的应用，培养社会责任感。
二、情境导入
[材料情境]　温室工程的应用涵盖育苗、生产，涉及种植业与养殖业，将现代农业示范提升到了新高度。温室自动化是一种温室管理工具。种植者根据不同作物的生理需求，借助自动化系统对温室各类设备进行管理，调控温室的光照、温度、CO2浓度、水分、pH等，给植物提供一个稳定的气候环境，从而降低不良气候条件影响，为作物提供优化种植环境，同时降低能源与资源的消耗。
图1　智能温室大棚环境管控系统示意图
三、自主预学
（一）探究环境因素对光合作用强度的影响
一、探究环境因素对光合作用强度的影响
1．概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
2．表示方法：O2的释放量、CO2的吸收量或有机物的积累量。
3．影响因素
(1)原料——水、CO2，如环境中CO2浓度、叶片气孔开闭情况等。
(2)动力——光能，如光照强度、光质等。
(3)场所——叶绿体，影响其形成和结构的因素如无机营养、病虫害等。
(4)酶——影响酶合成，如N元素；影响酶活性的因素，如温度等。
4．探究实验
图2　探究光照强度对光合作用强度影响的实验原理及步骤示意图
图3　探究光照强度对光合作用强度影响的实验结果及结论
（二）化能合成作用
二、化能合成作用
1．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合成有机物的合成作用。
2．化能合成作用与光合作用的比较
图4　光合作用影响因素与化能合成作用知识梳理
（三）判断正误
判断下列说法是否正确，正确的填“√”，错误的填“×”。
(1)植物的光合作用和细胞呼吸总是同时进行。________
(2)能进行光合作用的生物是自养生物。________
(3)光照强度会影响光反应，但是不会影响暗反应。________
(4)温度等外部因素可影响植物体的内部因素，进而影响光合作用强度。________
(5)在夏季，光照强度与植物的光合作用速率成正比。________
(6)硝化细菌不能通过光合作用利用CO2和H2O合成糖类，因此它不是自养生物。________
（四）总光合速率、净光合速率与呼吸速率
1．叶圆片上浮、沉降情况分析
O2的释放量不等于O2的产生量
(1)关系式：O2的释放量＝O2的产生量－呼吸消耗O2的量。
(2)分析：当光合作用强度大于细胞呼吸强度时，叶绿体光合作用产生的O2有两个去向：
①进入线粒体，参与有氧呼吸；
②释放到外界。
2．总光合速率、净光合速率、呼吸速率
(1)表示方法
(2)三者间的关系
图5　光合速率大于呼吸速率时总光合、净光合与呼吸速率的气体交换关系
①CO2关系：m3＝m2＋m1。
②O2关系：n3＝n2＋n1。
③总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。
3．光照强度对光合作用强度的影响
(1)模型分析
图6　光照强度对净光合速率、总光合速率与呼吸速率的影响模型
(2)应用
①阴雨天，在温室大棚生产过程中，适当增加光照强度，可以提高光合速率，使作物增产。
②一般阴生植物的光补偿点和光饱和点都比阳生植物的低，间作套种，可合理利用光能。
4．CO2浓度对光合作用速率的影响
(1)模型分析
图7　CO2浓度对净光合速率与总光合速率的影响模型
(2)应用
①栽种农作物时“正其行，通其风”，增大CO2浓度，从而提高光合作用速率。
②在农业生产上可通过增施农家肥等措施来增大CO2浓度，提高光合作用速率。
（五）探究影响光合作用强度的其他因素
1．温度对光合作用速率的影响
图8　温度对光合速率的影响曲线
(1)原理：温度主要通过影响与光合作用有关的酶的活性而影响光合速率。
(2)曲线分析
(3)应用：冬季温室栽培，白天可适当提高温度，晚上可适当降低温度，以降低细胞呼吸消耗的有机物。
2．水分和无机盐对光合速率的影响
(1)原理
(2)应用
①预防干旱，合理灌溉。
②合理施肥，由于肥料中的矿质元素只有溶解在水中才能被作物根系吸收，因此施肥的同时，往往需要适当的浇水。
3．叶龄和叶面积对光合速率的影响
图9　叶龄与叶面积指数对光合速率及物质积累的影响
(1)叶龄
(2)叶面积
(3)农业生产上的启示
①合理密植（增加光合作用面积）。
②适当间苗（“间作套种”讲的就是这个方面）。
③修剪，以增加有效光合作用面积。
④适当摘除老叶。
4．多因子变量对光合速率的影响
图10　光照强度、温度、CO2浓度对光合速率的影响
(1)曲线分析
(2)应用
①温室栽培时，在一定光照强度下，适当提高温度，提高光合作用所需酶的活性，提高光合速率，也可同时适当增加CO2浓度，进一步提高光合速率。
②当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合速率。
四、课堂探究
探究一　探究光照强度对光合作用的影响
[材料情境]　某小组利用如图实验装置设计实验甲和乙，以分别探究光照强度和NaHCO3溶液浓度对菠菜叶片光合速率的影响。
图11　叶圆片法探究光合作用实验装置示意图
1．利用上图实验装置进行实验时，用直径为1 cm的打孔打出圆形小叶片若干（注意避开大的叶脉），需抽出圆形小叶片内的气体，抽出圆形小叶片内气体的目的是什么？在相同且适宜的条件下，单位时间内绿色圆形小叶片上浮数量多于黄色圆形小叶片，该现象与圆形小叶片中的什么有关？圆形小叶片上浮的主要原因是什么？
2．实验甲中，可通过观察什么来判断光合作用强度？
3．实验乙中，若NaHCO3溶液浓度过高，则可能导致圆形小叶片不上浮，为什么？
4．若用已经上浮的圆形小叶片进行实验，探究圆形小叶片的有氧呼吸对圆形小叶片上浮和下沉情况的影响，则需将图中的实验装置置于黑暗条件下，其他条件适宜，一段时间后，原来上浮的圆形小叶片将出现下沉情况，原因是什么？
5．为什么不同植物的叶圆片在相同条件下上浮所需的时间不同？有的同学认为是由于不同植物的叶圆片质量不同，有的认为是由于不同植物的叶细胞间隙大小不同。同学们利用电子天平测量相同数量的爬山虎和石榴的叶圆片质量，发现两者等重。那么，应如何针对上述因素展开进一步的探究呢？
探究二　温室工程对光合作用的影响
1．温室工程在培育优良作物时，要考虑植物自身哪些因素对其光合作用的影响？
2．温室自动化调控光照、CO2浓度的目的是什么？
3．温室通常在晴朗的下午进行“换气”，即打开温室的换气装置与外界空气进行交换处理，这种做法的目的是什么？
4．温室自动化调控的温度、水分、pH等条件会影响光合作用强度吗？如何影响？
5．如果遇到连续阴雨天气，温室中的蔬菜会减产，此时温室自动化系统需要调节哪些装置？
典例精析
1．如图所示装置可用来探究光照强度对光合作用强度的影响。根据该图的材料及设置，下列说法错误的是（　　）
图12　叶圆片法探究光合作用实验装置示意图
A．可通过调整台灯与叶圆片之间的距离来改变光照强度
B．可根据相同时间内叶圆片上浮数量来判断光合作用强度
C．叶圆片上浮说明叶肉细胞的光合作用强度大于呼吸作用强度
D．叶圆片不上浮说明叶片没有进行光合作用
2．如图为光照强度对某绿色植物光合作用影响的示意图，下列说法正确的是（　　）
图13　光照强度对植物净光合速率的影响示意图
A．A点时，植物的线粒体和叶绿体都能产生ATP
B．植物从B点开始进行光合作用
C．植物一直处于B点状态不利于植物生长
D．C点以后限制光合作用的因素是光照强度
3．将某种植物放在特定的实验装置内，研究温度对光合作用的影响，以该植物叶绿体光合作用吸收的CO2总量与线粒体呼吸作用CO2的释放量为指标，实验结果如下表所示。下列叙述正确的是（　　）
A．昼夜不停地光照，温度为40 ℃时，最有利于有机物的积累
B．昼夜不停地光照，温度为45 ℃时，最有利于有机物的积累
C．每天交替进行12 h光照、12 h黑暗，温度均保持在35 ℃条件下，能正常生长
D．每天交替进行12 h光照、12 h黑暗，温度均保持在40 ℃条件下，能正常生长
4．某研究小组测定了某植物在不同CO2浓度下CO2吸收速率随光照强度的变化，结果如下图所示。下列叙述错误的是（　　）
图14　光照强度与CO2浓度对植物净光合速率的影响示意图
A．实验的自变量有光照强度和CO2浓度
B．a点为光补偿点，b、c点不是光饱和点
C．b点时叶肉细胞内C3合成速率较a点高
D．若在c点条件下进行补光处理，会提高光合速率
探究三　蕨麻的光合作用
蕨麻也叫“人参果”，具有很高的营养价值和药用价值。科研工作者为了研究高原寒冷地区蕨麻的光合作用效率和外界影响因素，选择若尔盖草原（位于青藏高原边缘，年平均气温1.7 ℃）中高寒草地和高寒湿地两个典型生态系统对植物的光合速率进行了相关实验，结果如图所示。
图15　草地蕨麻与湿地蕨麻净光合速率日变化曲线
(1)蕨麻在8:00时，净光合速率较低主要是因为光照强度影响了__________上进行的光反应过程，在12:00时，外界条件主要影响了光合作用的______（填“光反应”或“暗反应”）阶段。
(2)图示的净光合速率是通过测定光照下CO2的____量，再通过计算得出的，若要获取总光合速率的数据，还需在______条件下测量蕨麻的CO2______量。
(3)有人认为，限制高寒地区植物光合作用的因素主要为温度，若将温度上升到20 ℃，蕨麻的光合速率会有大幅度提高，因此我们可以将蕨麻引入到气温较高地区种植来增加产量。针对以上观点是否可行，请说明你的理由。
五、分层训练
课后分层练(二十二)　光合作用原理的应用
（选择题每题5分，非选择题每题15分）
【基础巩固练】
考点一　探究环境因素对光合作用强度的影响
1．在如图所示的玻璃容器中，注入一定浓度的NaHCO3溶液并投入少量新鲜绿叶碎片，密闭后，设法减小液面上方的气体压强，会看到叶片沉入水中。然后再用光照容器，又会发现叶片重新浮出液面。光照后叶片重新浮出液面的原因是（　　）
图16　光照下水生植物光合作用探究实验装置示意图
A．叶片吸水膨胀，密度减小
B．叶片进行光合作用所产生的O2附着在叶面上
C．溶液内产生的CO2大量附着在叶面上
D．NaHCO3溶液因放出CO2而密度增大
2．将某绿藻细胞悬浮液放入密闭容器中，保持适宜的pH和温度，改变其他条件，测定细胞中溶解氧的量，结果如图所示。下列有关绿藻细胞代谢的叙述，正确的是（　　）
图17　光照与CO2处理对溶解氧含量的影响变化曲线
A．实验全过程绿藻细胞都进行细胞呼吸
B．第5 min开始发生光能转化为化学能
C．第7 min C5的含量瞬间增加
D．9～12 min光合作用速率大于细胞呼吸速率
3．取生长旺盛的天竺葵叶片，用打孔器打出小圆片若干并抽取叶片内空气，均分后置于不同浓度的NaHCO3溶液中，给予相同的一定强度光照，记录圆叶片上浮至液面所需时间，其绘制的曲线如图。相关叙述错误的是（　　）
图18　NaHCO3浓度与圆叶片上浮至液面时间的关系曲线
A．YZ段平缓的限制因素可能是光照强度
B．Y点比X点细胞内的C5含量高
C．Z点后曲线上行，应该是叶片细胞失水，代谢受影响导致
D．Y点时叶肉细胞产生ATP的细胞器有叶绿体和线粒体
考点二　影响光合作用的因素
4．如图所示为研究光照强度和CO2浓度对某植物光合速率的影响。下列叙述错误的是（　　）
图19　光照强度与CO2浓度对光合速率的影响示意图
A．曲线中a→b点，叶绿体中C3浓度降低
B．b→d点，叶绿体中C5浓度升高
C．曲线中a→b点，叶绿体中C5生成速率降低
D．d点时，限制光合速率的环境因素可能有CO2浓度和温度等
5．科学家研究CO2浓度、光照强度和温度对同一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（　　）
图20　不同CO2浓度、温度条件下光照强度对光合作用强度的影响示意图
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的不同
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
6．影响绿色植物光合作用的因素是多方面的，既有内部因素（如酶的活性等），又有外界因素（如光照强度等）。
图21　总光合、净光合与呼吸速率随环境因素变化曲线及实验装置
(1)若x代表光照强度，则光照强度影响光合速率的曲线是________，它主要影响________________阶段。
(2)在外部因素适宜时，影响光合作用的内部因素的曲线是________。
(3)在不同季节或一天的不同时间，植物光合速率一般不同，图B为验证温度对光合速率影响的实验装置，请回答下列问题。
①本实验的原理是：a.________________________________________________；
b.______________________________________________________。
②在实验过程中可通过观察________________________________________来判断光合作用的强度。
【综合提升练】
7．图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时，单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化；图乙表示蓝细菌光合速率与光照强度的关系。下列有关说法正确的是（　　）
图22　光照强度对植物光合与呼吸作用气体交换的影响示意图
A．图甲中，光照强度为b时，光合速率等于呼吸速率
B．图甲中，光照强度为d时，单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2
C．图乙中，当光照强度为x时，细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体
D．图乙中，限制e、g点光合速率的因素主要是光照强度
8．如图表示适宜温度条件下，不同光照强度、CO2浓度对植物幼苗净光合速率的影响。下列相关叙述正确的是（　　）
图23　不同光照强度下植物净光合速率随CO2浓度的变化曲线
A．该实验的自变量为CO2浓度，因变量为CO2吸收量
B．当CO2浓度为400 mg·L-1时，a点的主要限制因素是光照强度
C．在不同光照强度下，幼苗只有在CO2浓度大于100 mg·L-1时才正常生长
D．b点表示植物在适宜温度下，光照强度为350 lx、CO2浓度为500 mg·L-1时植物的真光合速率为60 mg·h-1
9．植物工厂是一种新兴的农业生产模式，可人工控制光照、温度、CO2浓度等因素。不同光质配比对生菜幼苗叶绿素含量和氮含量的影响如图甲所示，不同光质配比对生菜幼苗干重的影响如图乙所示。分组：CK组（白光）、A组（红光∶蓝光＝1∶2）、B组（红光∶蓝光＝3∶2）、C组（红光∶蓝光＝2∶1）。回答下列问题：
图24　不同光质配比下生菜幼苗叶绿素含量与氮含量（图甲）
图25　不同光质配比下生菜幼苗干重（图乙）
(1)光为生菜的光合作用提供________，又能调控生菜的形态建成。生菜吸收营养液中含氮的离子以满足其对氮元素的需求，若营养液中的离子浓度过高，根细胞会因______作用失水造成生菜萎蔫。
(2)由图乙可知，A、B、C组的干重都比CK组高，原因是________。由图甲、图乙可知，选用红、蓝光配比为________，最有利于生菜产量的提高，原因是________。
图26　不同CO2浓度条件下温度对光合速率的影响（图丙）
(3)进一步探究在不同温度条件下，增施CO2对生菜光合速率的影响，结果如图丙所示。由图可知，在25 ℃时，提高CO2浓度对提高生菜光合速率的效果最佳，判断依据是________。植物工厂利用秸秆发酵生产沼气，冬天还可以________，使光合速率进一步提高。
六、参考答案
（一）自主预学·判断正误
（1）×　（2）√　（3）×　（4）√　（5）×　（6）×
解析：（1）植物在黑暗条件下只能进行呼吸作用，不能进行光合作用。（3）光照强度会影响NADPH和ATP的含量，进而影响暗反应中C3的还原。（5）在夏季，当光照强度达到一定程度后，由于植物叶片气孔关闭等因素限制，光合作用速率不再随光照强度增加而增加，甚至可能下降。（6）硝化细菌通过化能合成作用制造有机物，也属于自养生物。
（二）课堂探究·探究一（探究光照强度对光合作用的影响）
探究1　抽出圆形小叶片内气体的目的是使圆形小叶片下沉，同时也避免其中含有的O2对实验结果的影响。该现象与圆形小叶片中色素的含量和种类有关。圆形小叶片上浮的主要原因是叶片进行光合作用，释放出的O2多于呼吸作用消耗的O2，叶肉细胞间隙中的O2增加，叶片上浮。
探究2　实验甲中，可通过观察单位时间内圆形小叶片浮起的数量（或相同数量的圆形小叶片浮起来需要的时间）来判断光合作用强度。
探究3　实验乙中，若NaHCO3溶液浓度过高，则可能导致圆形小叶片细胞失水死亡，因而无法上浮。
探究4　叶肉细胞有氧呼吸消耗了细胞间隙中的O2，呼吸产生的CO2溶解到水中，浮力减小，因而原来上浮的圆形小叶片将出现下沉。
探究5　取两种植物的叶片做成切片，在显微镜下观察其叶横切面，比较两者叶细胞间隙的大小。
（三）课堂探究·探究二（温室工程对光合作用的影响）
探究1　植物本身的遗传特性，如阴生植物和阳生植物；植物的叶绿素含量、相关酶的含量和活性等。
探究2　调控光合作用强度。
探究3　降低温室中的O2浓度和提高CO2浓度，从而降低呼吸速率和提高光合作用强度。
探究4　会影响。温度、pH通过影响酶的活性影响光合作用强度；高温和干旱通过影响气孔的开闭影响叶肉细胞吸收CO2的量，进而影响光合作用强度。
探究5　调节温室中的补光装置，提供植物光合作用所需的光照强度。
（四）课堂探究·典例精析
对练1　D
解析：台灯与叶圆片之间的距离越远，光照越弱，故可通过调整台灯与叶圆片之间的距离来改变光照强度，A正确；由于光合作用会产生氧气，在呼吸速率不变的情况下，释放的氧气越多，单位时间内叶片上浮的数量越多，B正确；叶圆片上浮说明有氧气的释放，即光合作用强度大于呼吸作用强度，C正确；叶圆片不上浮的原因可能为光合作用强度小于呼吸作用强度，D错误。
对练2　C
解析：A点时光照强度为0，此时只有呼吸作用，产生ATP的场所是线粒体和细胞质基质，A错误；B点净光合速率为0，此时光合速率等于呼吸速率，A点之后开始进行光合作用，B错误；植物一直处于B点，没有有机物的积累，不利于植物生长，C正确；C点之后限制光合作用的因素可能是温度或CO2浓度，D错误。
对练3　C
解析：由表可知，昼夜不停地光照，温度为35 ℃时最有利于有机物的积累，A、B错误；35 ℃条件下，12 h光照能积累有机物21 mg，12 h黑暗消耗18 mg，有有机物积累，能正常生长，C正确；40 ℃条件下，12 h光照积累18 mg，12 h黑暗消耗27 mg，无有机物积累，不能正常生长，D错误。
对练4　D
解析：实验的自变量是光照强度和CO2浓度，A正确；a点为光补偿点，b、c点不是光饱和点，B正确；b点光照强度大于a点，光合作用速率更大，叶肉细胞内C3合成速率较高，C正确；c点已达光饱和点，再增加光照强度，光合速率不再升高，此时限制因素为CO2浓度，D错误。
（五）课堂探究·探究三（蕨麻的光合作用）
（1）　叶绿体类囊体薄膜　暗反应
（2）　吸收　黑暗　释放
（3）　影响植物叶绿体的数量和叶绿素的含量，提高某些酶的活性　蕨麻长期生活在高寒环境，当温度上升到20 ℃时，可能会导致与光合作用和呼吸作用相关的酶活性降低甚至失活，出现光合速率降低甚至光合作用不能进行的情况
（六）课后分层练(二十二)
1　B
解析：由于光照时叶片进行光合作用产生的O2充满了细胞间隙，使叶片的浮力增大而重新浮出液面。
2　A
解析：实验全过程绿藻细胞是活的，都进行细胞呼吸，A正确；第5 min给予光照，开始进行光合作用，发生光能转化为化学能，B错误；第7 min添加一定量的CO2，CO2固定过程加快，C5含量瞬间减少，C错误；9～12 min，溶解氧含量不变，光合作用速率等于细胞呼吸速率，D错误。
3　B
解析：YZ段平缓，说明随CO2浓度增加光合作用不再增强，则限制因素可能是光照强度，A正确；Y点比X点CO2浓度高，CO2的固定加快，Y点细胞内的C5含量低，B错误；Z点后曲线上行，说明光合作用减弱，应是叶片细胞失水，代谢受影响导致，C正确；Y点既有光合作用又有呼吸作用，产生ATP的细胞器有叶绿体和线粒体，D正确。
4　C
解析：a→b点光照强度增强，光反应产生的NADPH和ATP增加，促进暗反应中C3还原，导致叶绿体中C3浓度降低，C5生成速率提高，A正确、C错误；b→d点CO2浓度降低，CO2的固定减弱，因此叶绿体中C5浓度升高，B正确；d点为光饱和点，限制光合速率的环境因素可能有CO2浓度和温度等，D正确。
5　D
解析：光照强度为a时，曲线Ⅱ、Ⅲ的温度和光照强度相同，CO2浓度不同，A正确；光照强度为b时，曲线Ⅰ、Ⅱ的CO2浓度和光照强度相同，温度不同，B正确；光照强度a～b时曲线Ⅰ、Ⅱ未达光饱和点，光合作用强度随光照增强而增强，C正确；光照强度在a～c时，曲线Ⅲ已达光饱和点，随光照增强光合作用强度不再增加，D错误。
6（1）　a　光反应
6（2）　b
6（3）①a　温度主要通过影响与光合作用有关的酶的活性来影响光合作用的强度
6（3）①b　在一定时间内，光合作用产生的O2量可反映光合作用的强度
6（3）②　一定时间内，光合作用产生的O2的气泡数
7　B
解析：光照强度为b时，CO2释放量和O2产生总量相等，说明此时细胞的呼吸速率大于光合速率，A错误；光照强度为d时，O2产生总量为8，需消耗CO2也为8个单位，呼吸速率为6个单位，单位时间内需从外界吸收CO2为2个单位，B正确；蓝细菌不含线粒体和叶绿体，C错误；限制g点光合速率的因素不是光照强度，可能是CO2浓度及温度等，D错误。
8　B
解析：自变量为光照强度和CO2浓度，因变量为CO2吸收量，A错误；a点光照强度为70 lx，光照增强时CO2吸收量还会增加，故a点的主要限制因素是光照强度，B正确；CO2补偿点为200 mg·L-1，幼苗只有在CO2浓度大于200 mg·L-1时才正常生长，C错误；b点表示净光合速率为60 mg·h-1，D错误。
9（1）　能量　渗透
9（2）　与CK组相比，A、B、C组使用的是红光和蓝光，光合色素主要吸收红光和蓝紫光　3∶2　实验条件下当光质配比为红光∶蓝光＝3∶2时，植物叶绿素含量和氮含量都最高，净光合速率最大
9（3）　在25 ℃时光合速率最大且提高CO2浓度时增加值最大　升高温度

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