9 2022年高考生物一轮复习（新高考版2(鲁辽)适用） 第3单元 第9讲 光与光合作用

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第9讲　光与光合作用
[目标要求]　1.说明光合作用的基本过程。2.研究影响光合作用速率的环境因素。3.活动：叶绿体色素的提取和分离。
考点一　捕获光能的色素和结构

1．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

色素种类
色素颜色
色素含量
溶解度
扩散速度
胡萝卜素
橙黄色
最少
最高
最快
叶黄素
黄色
较少
较高
较快
叶绿素a
蓝绿色
最多
较低
较慢
叶绿素b
黄绿色
较多
最低
最慢

2.叶绿体的结构及其中的色素
(1)叶绿体的结构
①结构模式图

②功能：进行光合作用的场所。
(2)色素的吸收光谱

由图可以看出：
①叶绿体中的色素只吸收可见光，而对红外光和紫外光等不吸收。
②叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
教材中的隐性知识　(1)源于必修1 P99“学科交叉”和图5－12：光是一种电磁波。可见光的波长范围大约是400～760 nm。一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光。
(2)源于必修1 P97“问题探讨”：生产上，用何种颜色的玻璃、塑料薄膜做温室大棚的顶棚产量高？阴天时，在功率相同的情况下，应该选择什么颜色的照明灯为蔬菜补充光源？
提示　无色，因为日光中各种颜色的光均能通过，作物光合效率高。阴天时，应选择补红光和蓝紫光的照明灯。

(1)提取色素时加碳酸钙的目的是使研磨更充分(　×　)
(2)绿叶中含量越多的色素，其在滤纸条上扩散得越快(　×　)
(3)叶绿素a和叶绿素b只吸收红光和蓝紫光(　×　)
(4)植物叶片之所以呈现绿色，是因为叶片中的叶绿体吸收了绿光(　×　)

(1)(源于必修1 P101“练习与应用·拓展应用”)海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布一般依次是浅、中、深。分析原因：这种现象与光能捕获有关，即不同颜色的藻类吸收不同波长的光。
(2)(源于必修1 P99“旁栏思考”)植物工厂里为什么不用发绿光的光源？
提示　这种波长的光不能被光合色素吸收，因此不能用于光合作用中合成有机物。

实验出现异常现象的原因分析
(1)滤纸条上色素带颜色过浅的原因分析
①未加二氧化硅或研磨不充分，色素未充分提取出来。
②使用放置数天的绿叶或绿叶用量少，滤液中的色素(叶绿素)含量太少。
③一次加入的无水乙醇过多，导致提取液浓度太低。
④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。
⑤画滤液细线次数过少。
⑥选用的绿叶叶脉过多，叶肉细胞过少。
(2)滤纸条色素带重叠：滤纸条未经干燥处理，滤液细线不能达到细、齐、直的要求，使色素扩散不一致。
(3)滤纸条看不到色素带：①忘记画滤液细线；②滤液细线触及层析液，色素全部溶解到层析液中。
(4)滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素的色素带：忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶”。

考向一　实验的基本原理和过程分析
1．下列关于“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述，正确的是(　　)
A．绿叶中的色素只能溶解在无水乙醇中
B．层析分离时必须确保滤液细线不触及层析液
C．制备滤纸条时用圆珠笔画横线更方便
D．若研磨绿叶时没有加入碳酸钙，则提取不到光合色素
答案　B
解析　绿叶中的色素能溶解在丙酮、无水乙醇等有机溶剂中，A错误；层析分离时必须确保滤液细线不触及层析液，否则色素会溶解在层析液中，B正确；圆珠笔笔油中有色素，因此制备滤纸条时应该用铅笔画横线，C错误；碳酸钙的作用是防止色素被破坏，因此没有加入碳酸钙会导致层析后滤纸条上的叶绿素带颜色较浅，D错误。
2．(2021·山东济南模拟)为研究高光强对移栽幼苗光合色素的影响，某同学用无水乙醇提取绿叶中的色素，并进行纸层析，如图为滤纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。有关叙述正确的是(不定项)(　　)

A．强光照可能抑制叶绿素的合成，促进类胡萝卜素的合成
B．没有无水乙醇，可用95%的乙醇加入适量无水碳酸钠
C．Ⅲ、Ⅳ色素条带间距小，说明两种色素的溶解度差异小
D．操作中如果滤液细线触及层析液，会缩短得到四条色素带的时间
答案　ABC
解析　强光照和正常光照相比，叶绿素含量明显降低，类胡萝卜素含量增加，可见强光照可能抑制叶绿素的合成，促进类胡萝卜素的合成，A正确；没有无水乙醇，可用95%的乙醇加入适量无水碳酸钠，B正确；四种色素在层析液中溶解度大小是Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，其中Ⅲ、Ⅳ色素条带间距小，说明两种色素的溶解度差异小，C正确；色素分离过程中如果滤液细线触及层析液，色素会溶解在层析液中，D错误。
考向二　色素的种类和功能
3．(2017·全国Ⅲ，3)植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如O2的释放)来绘制的。下列叙述错误的是(　　)
A．类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成
B．叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制
C．光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示
D．叶片在640～660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的
答案　A
解析　类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，在红光区不吸收光能，A项错误；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，其吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制，B项正确；CO2的吸收速率和O2的释放速率随光波长的变化均可表示光合作用的作用光谱，C项正确；根据叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱可知，叶片在640～660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的，D项正确。
4．(2020·河北省唐山市高三一模)下表是科研人员测得大棚中某草莓在补充X光和Y光后叶片色素含量及果实产量的部分数据。下列分析错误的是(　　)
组别
叶绿素总量(mg/g)
类胡萝卜(mg/g)
单株果数量(个)
单果质量(g)
对照组
6.4
2.5
12
15
X光组
5.5
4.0
13
16
Y光组
7.6
2.4
10
22

A.大棚中草莓叶片在不同光照下会做出适应性变化
B．Y光组叶片颜色比对照组偏黄
C．X光组叶绿体中NADPH合成速率小于Y光组
D．补充Y光更有利于提高大棚草莓产量
答案　B
解析　根据表格分析可知，在补充X光和Y光后，X光组和Y光组的色素含量变化不一样，说明植株在不同光照下会做出适应性变化，A正确；Y光组叶绿素总量增加，比对照组偏绿，B错误；根据单株果的数量和质量能推测出Y光组植株制造的有机物量高于X光组，所以X光组叶绿体中NADPH合成速率小于Y光组，C正确；根据表格分析，Y光组制造的有机物量高于X光组，所以补充Y光更有利于提高大棚草莓产量，D正确。
考点二　光合作用的过程

1．探索光合作用原理的部分实验
时间/发现者
内容
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
1937年希尔(英国)
在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O，没有CO2)，在光照下可以释放出氧气
1941年鲁宾、卡门(美国)
用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源，H218O＋CO2―→植物―→18O2，H2O＋C18O2―→植物―→O2，得出光合作用释放的氧全部来自水
1954年阿尔农(美国)
在光照下，叶绿体可合成ATP，这一过程总是与水的光解相伴随




2.光合作用过程

(1)光反应阶段
①条件：有光。
②场所：类囊体薄膜。
③物质变化
a．将H2O分解为氧和H＋，其中H＋与NADP＋结合形成NADPH。
b．使ADP和Pi反应形成ATP。
④能量变化
将光能转化为储存在ATP和NADPH中的化学能。
(2)暗反应阶段
①条件：有没有光都能进行。
②场所：叶绿体基质。
③过程(卡尔文循环)
a．CO2的固定：C5＋CO22C3。
b．C3的还原：2C3(CH2O)＋C5。
④能量变化：NADPH、ATP中活跃的化学能变为有机物中稳定的化合能。
教材中的隐性知识　源于必修1 P104“相关信息”：C3是指三碳化合物——3－磷酸甘油酸，C5是指五碳化合物——核酮糖－1,5－二磷酸(RuBP)。
3．反应式
(1)产物为(CH2O)：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。
(2)产物为C6H12O6：6CO2＋12H2OC6H12O6＋6O2＋6H2O。
(3)元素的转移途径
①H：3H2ONADPH(C3H2O)。
②C：14CO214C3(14CH2O)。
③O：HO18O2；C18O2C3(CHO)。
教材中的隐性知识　(1)源于必修1 P104“相关信息”：光合作用的产物有一部分是淀粉，还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运输到植株各处。
(2)源于必修1 P106“小字部分”：光合作用和化能合成作用的比较
项目
光合作用
化能合成作用
区
能量来源
光能
无机物氧化释放的能量
别
代表生物
绿色植物
硝化细菌
相同点
都能将CO2和H2O等无机物合成有机物


(1)没有叶绿体的生物无法进行光合作用(　×　)
(2)植物细胞都含有叶绿体(　×　)
(3)在真核细胞内，能进行光合作用的色素分布在叶绿体以及液泡中(　×　)
(4)植物在夜晚不能进行光反应，只能进行暗反应(　×　)
(5)光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜(　×　)
(6)光合作用过程中产生的ATP可以为细胞内的各项生命活动提供能量(　×　)
(7)14CO2中14C的转移途径是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O)(　×　)

(源于必修1 P100～101“思考·讨论”)下面是光合作用探究历程中恩格尔曼的实验示意图，请分析：

(1)恩格尔曼实验在实验材料的选取上有什么巧妙之处？
提示　选择水绵和需氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察；用需氧细菌可以确定释放氧气多的部位。
(2)恩格尔曼实验要在没有空气的黑暗环境中进行的原因是什么？
提示　排除氧气和极细光束外的其他光的干扰。

1．光反应和暗反应的比较
项目
光反应
暗反应
条件
光、色素、酶
ATP、NADPH、CO2、多种酶
场所
类囊体薄膜
叶绿体基质
物质变化
水的光解、ATP的合成
CO2的固定、C3的还原、ATP的水解
能量变化
光能转化为活跃的化学能
活跃的化学能转化为稳定的化学能
联系
光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供NADP＋、ADP和Pi。没有光反应，暗反应无法进行，没有暗反应，有机物无法合成

2.环境改变时光合作用各物质含量的变化
(1)“过程法”

(2)“模型法”


①图1中曲线甲表示C3，曲线乙表示C5、NADPH、ATP。
②图2中曲线甲表示C5、NADPH、ATP，曲线乙表示C3。
③图3中曲线甲表示C5、NADPH、ATP，曲线乙表示C3。
④图4中曲线甲表示C3，曲线乙表示C5、NADPH、ATP。
3．连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。
(2)在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物的积累量要多。

考向一　光合作用过程的综合考查
5．下图为绿色植物光合作用过程示意图(图中a～g为物质，①～⑥为反应过程，物质转换用实线表示，能量传递用虚线表示)。下列有关叙述错误的是(　　)

A．图中①表示水分的吸收，③表示水的光解
B．c为ATP，f为NADPH
C．将b物质用18O标记，最终在(CH2O)中能检测到18O
D．图中a物质主要吸收红光和蓝紫光，绿色植物能利用它将光能转换成活跃的化学能
答案　B
解析　图中a～g分别代表光合色素、O2、ATP、ADP、NADPH、NADP＋、CO2，①～⑥分别代表水分的吸收、ATP的合成、水的光解、CO2的固定、C3的还原、有机物的合成，A项正确、B项错误；18O2H218OC18O2(CH218O)，C项正确；光合色素具有吸收、传递和转化光能的作用，D项正确。
6．如图表示光合作用过程，a、b、c表示物质，甲、乙表示场所，下列有关分析错误的是(　　)

A．物质b可能是ADP和Pi
B．物质c直接被还原生成(CH2O)和C5
C．甲中色素不溶于水，能溶于有机溶剂
D．乙中含有多种催化反应的酶
答案　B
解析　根据图示可看出，甲是叶绿体的类囊体薄膜，是光合作用光反应的场所，乙为叶绿体基质，是暗反应的场所，物质b可能是暗反应为光反应提供的ADP和Pi，A正确；物质c为CO2，CO2转化成(CH2O)和C5需经过CO2的固定和C3的还原两个过程，B错误；类囊体薄膜上的色素不溶于水，能溶于有机溶剂，C正确；叶绿体基质中含有多种催化反应的酶，D正确。


考向二　不同条件下光合作用过程中物质含量的变化分析
7．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
答案　D
解析　光照突然停止，光反应不能进行，不能形成ATP和NADPH，短时间内在CO2充足的条件下，CO2继续与C5结合形成C3，但因NADPH及ATP供应不足，C3的还原受阻，无法合成C5和有机物，故细胞内C3增加，C5减少。
8．(2020·全国高三专题练习)科研人员利用“间隙光”来测定沙棘的光合作用，每次光照20秒，黑暗20秒，交替进行12小时，并用灵敏传感器记录环境中氧气和二氧化碳的变化，实验结果部分记录如下图所示。

据实验结果部分记录图分析，与连续光照6小时，再连续黑暗6小时的相比，“间隙光”处理的光合作用效率________(填“大于”“等于”或“小于”)连续光照下的光合效率，原因是“间隙光”能______________________________________。上面曲线出现的原因是光合作用光反应的速率比暗反应的速率________(填“更快”或“更慢”)。图中两条曲线所围成的面积S1________S2(填“大于”“等于”或“小于”)。
答案　大于　充分利用光合作用光反应产生的NADPH和ATP　更快　等于
解析　光照总时间相同的情况下，“间隙光”与连续光照处理相比，“间隙光”处理能充分利用光反应产生的NADPH和ATP，“间隙光”处理的光合作用效率大于连续光照下的光合效率，光合作用合成的有机物增多，光合作用效率更高，因为一般情况下，光合作用过程中的光反应速率很快，而暗反应速率较慢；S1面积相当于光照时光反应积累的NADPH和ATP，而这些NADPH和ATP在后续的黑暗处理时被暗反应所消耗，所以S1与S2大致相等。
9．(2020·北京海淀人大附中高三月考)植物的叶肉细胞在光下合成糖，以淀粉的形式储存。通常认为若持续光照，淀粉的积累量会增加，但科研人员有了新的发现。
(1)叶肉细胞吸收的CO2，在________________中被固定形成C3，C3在________阶段产生的______________的作用下，形成三碳糖，并进一步合成淀粉。
(2)科研人员给予植物48小时持续光照，测定叶肉细胞中的淀粉量，结果如图1所示。实验结果反映出淀粉积累量的变化规律是______________________________________________。

(3)为了解释(2)的实验现象，研究人员提出了两种假设。
假设一：当叶肉细胞内淀粉含量达到一定值后，淀粉的合成停止。
假设二：当叶肉细胞内淀粉含量达到一定值后，淀粉的合成与降解同时存在。
为验证假设，科研人员测定了叶肉细胞的CO2吸收量和淀粉降解产物——麦芽糖的含量，结果如图2所示。

实验结果支持上述哪一种假设？请运用图中证据进行阐述：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)为进一步确定该假设成立，研究人员在第12小时测得叶肉细胞中的淀粉含量为a，之后为叶片光合作用通入仅含13C标记的13CO2 4个小时，在第16小时测得叶肉细胞中淀粉总量为b,13C标记的淀粉含量为c。若淀粉量a、b、c的关系满足____________(用关系式表示)，则该假设成立。
答案　(1)叶绿体基质　光反应　ATP和NADPH
(2)最初一段时间内，随着持续光照时间增加，淀粉积累量逐渐增加，之后保持稳定
(3)支持假设二。实验结果显示，叶肉细胞持续(或并未停止)吸收CO2，麦芽糖的含量快速增加，说明淀粉的合成与降解同时存在
(4)b－a