高中生物苏教版 (2019)必修1《分子与细胞》第二节 光合作用——光能的捕获和转换课文配套ppt课件

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1.阅读教材分析科学家对光合作用的发现及研究过程,形成光合作用的基本概念。2.说出叶绿体中的光合色素的种类和作用,简述光合色素的吸收光谱。3.学会提取和分离叶绿体中光合色素的方法。4.基于对叶绿体结构的认识,掌握光反应、暗反应的场所、条件和物质变化,树立结构与功能观。5.基于对光合作用光反应和暗反应的物质变化的理解,掌握光反应、暗反应阶段的能量转化,发展物质与能量观。
一、解开光合作用之谜1.光合作用的探究历程
2.恩格尔曼的实验(1)实验材料:水绵和好氧细菌。(2)过程及现象
(3)结论:叶绿体中含有能有效地吸收利用红光和蓝光的物质,这些物质吸收的光与绿叶在光下产生氧气有关。
二、提取和分离叶绿体中的光合色素1.原理:无水乙醇等有机溶剂能溶解绿叶中的各种光合色素;色素在层析液中的溶解度不同,因而在滤纸上的扩散速度也有差异。2.实验中一些材料的用途(1)无水乙醇:溶解色素。(2)二氧化硅:有助于充分研磨。(3)碳酸钙:防止叶绿素分子被破坏。(4)层析液:分离色素。
三、光合作用的过程1.场所:叶绿体。2.过程
(1)光反应①场所:叶绿体的类囊体膜上。②是否需要光:是。③物质变化:水裂解为O2和[H],将ADP和Pi合成ATP。反应式为2H2O 4[H]+O2。④能量变化:光能转变为ATP中活跃的化学能。反应式为ADP+Pi+能量 ATP。
(2)暗反应①场所:叶绿体的基质中。②是否需要光:有光、无光均可。③物质变化a.CO2的固定:一分子CO2与一分子五碳化合物结合形成二分子三碳化合物,反应式为C5+CO2 2C3。b.C3的还原:三碳化合物被还原为糖类,储存能量。反应式为2C3+[H] (CH2O)+C5。④能量变化:ATP中活跃的化学能转变为糖分子中稳定的化学能。
3.总反应式CO2+H2O (CH2O)+O24.概念:绿色植物细胞中的叶绿体从太阳光中捕获能量,并将这些能量在CO2和H2O转变为糖和O2的过程中,转换并储存为糖分子中化学能的过程。5.实质:合成糖分子,储存能量。
1.判断。(1)分离色素时,在层析液中溶解度越高的,则在滤纸条上的扩散速度越慢。( × )(2)研磨绿叶时,要加入二氧化硅、碳酸钙和无水乙醇。( √ )(3)色素分离后,滤纸条上从上而下的四条色带分别是叶黄素、胡萝卜素、叶绿素a和叶绿素b。( × )(4)叶绿素和类胡萝卜素都主要吸收蓝紫光和红光。( × )(5)叶绿体是通过基粒中的类囊体膜扩大生物膜面积的。( √ )
(6)光反应阶段发生在叶绿体内膜和类囊体膜上。( × )(7)光反应过程中合成了ATP,需要的能量来源于细胞呼吸分解的有机物。( × )(8)光反应的进行不需要任何酶的参与。( × )(9)光反应为暗反应提供[H]和ATP。( √ )(10)在离体的叶绿体基质中添加[H]、ATP和CO2后,可以完成暗反应。( √ )
2.历经一个多世纪,经过许多科学家的实验,才逐渐发现光合作用的场所、条件、原料和产物,在下面几个著名实验中,叙述不正确的是(　　)A.普利斯特利的实验证明了植物可以更新空气B.萨克斯的实验也可证明光是光合作用的必要条件C.恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量D.鲁宾和卡门的实验中,用18O分别标记H2O和CO2,证明了光合作用产生的O2来自H2O而不是CO2答案 C解析 恩格尔曼的实验能够证明O2是由叶绿体释放出来的,叶绿体是进行光合作用的场所,但没有定量分析水绵光合作用生成的氧气量。
3.鲁宾和卡门用 O和CO2作为原料进行光合作用实验,下列符合实验结果的是(　　)A.释放的氧气全是O2B.释放的氧气一部分是O2,一部分是18O2C.释放的氧气全是18O2D.释放的氧气大部分是O2,少部分是18O2
解析 鲁宾和卡门用 O和CO2作为原料进行光合作用实验,其目的是探究光合作用释放出的O2的来源,通过检测,光合作用产生的O2全部来源于H2O。
4.在做“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验时,甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使用情况如下表所示(“+”表示使用,“-”表示未使用),其余操作均正常,他们所得的实验结果依次应为(　　)
A.①②③④　　　　　　B.②④①③C.④②③①D.③②①④
答案 B解析 色素提取中,SiO2可使研磨充分,CaCO3可保护叶绿素免受破坏,无水乙醇用于溶解色素,色素不溶于蒸馏水。因此,甲同学不能提取出色素;乙同学操作符合要求,提取的色素多;丙同学在提取色素时,因未加入CaCO3,部分叶绿素会被破坏而导致含量减少,色素带变窄,而类胡萝卜素受影响较小,色素带几乎无变化;丁同学因未加入SiO2而导致提取不充分,分离时各色素带都变窄。
5.下图为高等绿色植物的光合作用图解,下列说法正确的是(　　)
A.①是光合色素,分布在叶绿体和细胞质基质中B.②是O2,光反应产生的[H]是还原型辅酶Ⅱ(NADPH)C.③是C3,能被氧化为(CH2O)D.④是ATP,在叶绿体基质中生成
答案 B解析 ①表示光合色素,②表示O2,③表示C3,④表示ATP。光合色素分布在叶绿体的类囊体膜上;光反应产生的[H]是还原型辅酶Ⅱ(NADPH);C3被[H]还原形成(CH2O);光反应阶段形成ATP,场所是在叶绿体的类囊体膜上。
阅读科学家对光合作用的探究过程,了解人们对光合作用认识的过程。1.实验一:1937年,英国剑桥大学的希尔用离体的叶绿体做实验。他将离体的叶绿体加到具有H受体(能与H+结合为[H])的水溶液中,在无CO2的条件下给予光照,发现叶绿体中有O2放出。该实验说明了什么?答案 叶绿体在有H受体的水溶液中经光照可产生O2。
2.实验二:科学家在黑暗条件下把叶绿体基粒放在pH=4的缓冲溶液中,让基粒类囊体膜腔的pH下降至4,然后将基粒移入pH=8且含有ADP和Pi的缓冲溶液中(如下图)。一段时间后,有ATP产生。
上述实验结果表明,基粒类囊体合成ATP的原因是膜内外存在　　　　　　　　　　。据此推测,叶绿体在自然状态下产生ATP的过程中,光能的作用是使水分解产生　　　,使类囊体膜内外之间产生　。 答案 H+梯度(H+浓度差)　H+　H+梯度(H+浓度差)
3.实验三:下图是利用小球藻进行光合作用实验的示意图,图中A物质和B物质的相对分子质量之比是　　　　　。 
4.实验四:20世纪40年代,卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中,通过一个通气管向容器中通入CO2,通气管上有一个开关,可控制CO2的供应,容器周围有光源,通过控制电源开关可控制光照的有无。
他向密闭容器中通入14CO2,当反应进行到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,将反应时间缩短到0.5 s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中,上述实验中卡尔文等是通过控制　　　　　　　　来探究CO2中碳原子转移路径的,采用了　　　　　　　　等技术方法,实验结果说明CO2中C的转移路径是　　　　　　　(请用“→”表示)。卡尔文及其同事们在实验过程中发现,在有光照和CO2供应的条件下,C3和C5的浓度很快达到饱和并保持稳定。但是,当改变其中一个实验条件后,二者的浓度迅速出现了规律性的变化:停止CO2供应时,C3的浓度急速降低,C5的浓度急速升高。停止光照时,C3的浓度急速升高,C5的浓度急速降低。由此可见C3和C5之间的关系是　　　　　　　　(请用箭头表示)。 
答案 反应时间　同位素标记法　CO2→C3→C5、C6
1.萨克斯实验(1)实验过程
(2)实验分析①设置了自身对照,自变量为光照,因变量是叶片颜色的变化。②实验的关键是饥饿处理,使叶片中的淀粉消耗掉,避免对实验结果产生干扰。③本实验除了证明光合作用的产物是淀粉,还证明了光照是光合作用的必要条件。
3.卡尔文循环(1)探究方法——同位素标记法用14C标记CO2,追踪检测放射性,探明了CO2被用于合成糖类等有机物的途径。(2)结论碳的转化途径:14CO2+C5→14C3→(14CH2O)。
易错提醒(1)鲁宾和卡门实验的对照方式为相互对照(通过标记不同的物质: O与C18O2)。(2)鲁宾、卡门和卡尔文用的实验方法为同位素标记法。(3)还原剂[H]是指还原型辅酶Ⅱ(NADPH),由氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)接受电子和H+形成。
1.为证实叶绿体有放氧功能,可利用含有水绵与好氧细菌的临时装片进行实验,装片需要给予一定的条件,这些条件是(　　)A.光照、有空气、临时装片中无NaHCO3稀溶液B.光照、无空气、临时装片中有NaHCO3稀溶液C.黑暗、有空气、临时装片中无NaHCO3稀溶液D.黑暗、无空气、临时装片中有NaHCO3稀溶液答案 B解析 无空气是排除空气中O2干扰,NaHCO3溶液提供CO2,光是进行光合作用的必要条件。
2.下图表示德国科学家萨克斯的实验,叶片光照24 h后,经脱色并用碘蒸气处理,结果有锡箔覆盖的部位不呈蓝色,而不被锡箔覆盖的部位呈蓝色。本实验证明(　　)①光合作用需要二氧化碳　②光合作用需要光　③光合作用需要叶绿素　④光合作用放出氧气　⑤光合作用产生淀粉
A.①②B.③④C.②⑤D.①③
答案 C解析 光照一段时间,叶片裸露的部分进行光合作用,叶片经脱色后用碘蒸气处理变蓝,说明有淀粉生成;有锡箔覆盖的位置因无光照,不能进行光合作用,未产生淀粉,用碘蒸气处理不变蓝,说明光合作用需要光。
3.卡尔文等于1949年采用放射性同位素自显影技术对光合作用进行研究。以下是他们研究过程的简述:往小球藻培养液中通入14CO2,分别给予小球藻不同的光照时间后立即杀死小球藻。从培养液中提取产生的放射性物质进行分析,结果如下:
请根据上述实验资料分析,下列选项错误的是(　　)A.本实验原料只有CO2,暗反应的产物是有机物B.CO2进入叶绿体后,最初形成的主要物质是3- 磷酸甘油酸C.实验结果还说明光合作用产生的有机物还包括氨基酸、有机酸等D.从CO2进入叶绿体到产生有机物的整个过程来看,产生的有机物主要是磷酸化糖类
答案 A解析 从实验结果中放射性物质出现的时间分析,CO2进入叶绿体后,最早出现在3- 磷酸甘油酸中,因此最初形成的主要物质是3- 磷酸甘油酸,然后又形成磷酸化糖类,还有氨基酸、有机酸等。参与光合作用的原料主要有CO2和H2O。
1.下图是提取和分离叶绿体中光合色素的实验步骤,请分析回答下列问题。
(1)提取色素时,加入剪碎的叶片后还需要加入三种物质,若A是二氧化硅,B、C分别是什么?A、B、C各起什么作用?答案 A是二氧化硅,作用是使研磨更充分;B是碳酸钙,作用是防止研磨中叶绿素分子被破坏;C是无水乙醇,作用是溶解色素。
(2)某实验小组得到的色素提取液颜色过浅,可能的原因有哪些?答案 研磨不充分,色素未能充分提取出来;称取绿叶过少或加入无水乙醇过多,色素溶液浓度小;未加碳酸钙或加入过少,部分叶绿素分子被破坏。(3)制备滤纸条时,剪去两角的作用是什么?画滤液细线有什么要求?答案 防止色素带不整齐。画滤液细线的要求是细而直,还要重复画几次。(4)色素分离时,关键应注意层析液不要没及滤液细线,为什么?答案 滤液细线会被层析液溶解,导致色素不能分离。
(5)右图是分离到的色素在滤纸条上的分布情况,那么:①含量最多和最少的色素分别是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ②在层析液中溶解度最高和最低的色素分别是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ③分子结构最相似的两种色素是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
答案 ①叶绿素a和胡萝卜素　②胡萝卜素和叶绿素b　③叶绿素a和叶绿素b
2.1883年德国生物学家恩格尔曼用巧妙的实验研究了光合作用的光谱。他将可见光透过三棱镜产生的光谱投射到丝状绿藻上,并在丝状绿藻的悬液中放入一些好氧细菌,然后在显微镜下观察细菌在丝状绿藻各个部分的聚集情况。实验结果如下图。
(1)该实验选择好氧细菌作为实验材料,有什么优点?答案 用好氧细菌可确定释放氧气的部位。(2)三棱镜产生的光谱投射到丝状绿藻上,好氧细菌的分布是怎样的?这说明什么?答案 好氧细菌聚集较多的部位表示氧气的浓度高,即该部位丝状绿藻的光合作用强度高。从好氧细菌大量聚集的区域可以看出:光合作用主要利用的光谱为红光区和蓝紫光区。
(3)如果将该丝状绿藻长期放在500~550 nm波长的光下照射,丝状绿藻将会不能存活,这说明什么?答案 500~550 nm为绿光区,绿光极少被光合色素吸收,绿藻光合作用极弱(或不能进行光合作用)。
1.光合色素的分布和功能(1)分布:叶绿体类囊体膜上。(2)功能:吸收、传递光能(四种色素),转化光能(只有少量特殊状态的叶绿素a)。2.光合色素种类、含量和吸收光谱(1)从色素带的宽度可知,色素含量依次为:叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素。(2)从色素带的位置可知,在层析液中的溶解度大小依次为:胡萝卜素>叶黄素>叶绿素a>叶绿素b。
(3)色素的吸收光谱
特别提醒 1.叶绿体中光合色素的提取和分离实验中异常现象分析
2.光合作用中的色素(1)镁是合成叶绿素a和叶绿素b的必需元素。(2)叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,用于光合作用的光反应过程。(3)叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同。(4)叶绿素不能有效地吸收绿光,绿光被反射出去,使植物呈现绿色。
1.(2020江苏)采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验,下列叙述错误的是(　　)A.提取叶绿体色素时可用无水乙醇作为溶剂B.研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏C.研磨时添加石英砂有助于色素提取D.画滤液细线时应尽量减少样液扩散
答案 B解析 色素易溶于有机溶剂,故用无水乙醇作为溶剂来提取,A项正确。研磨时加入CaCO3而非CaO,B项错误。研磨时加入石英砂,有助于研磨充分,有助于色素的提取,C项正确。为了得到整齐的色素带,滤液细线尽量细、齐,D项正确。
2.下图为新鲜菠菜叶中4种色素的相对含量及在滤纸条上的分离情况。下列有关说法不正确的是(　　)A.4种色素在层析液中溶解度最高的是丁B.4种色素均可溶于有机溶剂无水乙醇中C.4种色素在层析液中溶解度最高的是甲D.发黄菠菜叶中色素含量显著减少的是甲和乙
答案 C解析 据图可知,甲、乙、丙、丁分别是叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素。层析液中溶解度最高的是丁,A项正确,C项错误;4种色素均可溶于有机溶剂无水乙醇中,故可用无水乙醇提取色素,B项正确;发黄菠菜叶中色素含量显著减少的是叶绿素a(乙)和叶绿素b(甲),D项正确。
3.下图为用分光光度计测定叶片中两类色素吸收不同波长光波的曲线图,请判定A和B分别为何种色素(　　)A.叶绿素、类胡萝卜素B.类胡萝卜素、叶绿素C.叶黄素、叶绿素D.叶绿素a、叶绿素b
答案 A解析 叶绿素能吸收短波的蓝紫光和长波的红光,类胡萝卜素主要吸收短波的蓝紫光。
4.下图为正常绿色植物叶绿素a的吸收光谱、光合色素总吸收光谱以及光合作用的作用光谱(作用光谱代表各种波长下植物的光合作用效率)。以下对该图分析错误的是(　　)
A.图示表明叶绿素a主要吸收红光和蓝紫光B.总吸收光谱代表叶绿体4种色素对光能的吸收C.图示表明只有叶绿素a吸收的光能才能用于光合作用D.总吸收光谱与作用光谱基本一致,说明光合色素吸收的光能都能参加光合作用
答案 C解析 图示中,叶绿素a的吸收值有两个波峰,主要集中于红光和蓝紫光区域。叶绿体中含有4种色素,各种色素都能吸收光能,总吸收光谱是指叶绿体中4种色素对光的总吸收值。图示中,作用光谱的变化趋势与总吸收光谱非常相似,说明光合色素吸收的光能都可用于光合作用。
1.补全叶绿体的结构,回答下列问题。
(1)与光合作用有关的酶分布在何处?答案 与光合作用有关的酶分布在叶绿体的类囊体膜上和叶绿体基质中。(2)叶绿体增大光合作用面积的方式是什么?答案 类囊体叠合成基粒,扩大了膜面积。(3)叶绿体是光合作用的必需场所吗?答案 叶绿体是真核生物进行光合作用的场所,但原核生物如蓝细菌虽然没有叶绿体,但有叶绿素和藻蓝素,也可以进行光合作用。
2.下图是光合作用的过程图解,请据图分析。
(1)图中①~⑦各种物质分别是什么?答案 ①叶绿体中的光合色素;②O2;③[H];④ATP;⑤C3;⑥CO2;⑦(CH2O)。(2)光反应和暗反应间有何联系?答案 物质联系:光反应为暗反应的顺利进行准备了[H]和ATP,暗反应为光反应提供ADP和Pi。能量联系:光反应中光能转化为活跃的化学能,暗反应中活跃的化学能再转化为有机物中稳定的化学能。两个反应阶段相辅相成,密切联系。没有光反应,暗反应缺乏[H]和ATP,无法进行;暗反应受阻,光反应因产物积累也不能正常进行。可见,二者又相互制约。
1.光反应、暗反应过程的区别
2.外界条件变化时,C5、C3、[H]、ATP等物质的量的变化(1)光照强度变化
(2)CO2浓度变化
特别提醒 (1)叶绿体的内膜既不参与光反应,也不参与暗反应。(2)叶绿体中的ADP和ATP移动的方向不同。ADP的移动方向:叶绿体基质→类囊体膜。ATP的移动方向:类囊体膜→叶绿体基质。(3)光反应阶段必须是在有光条件下进行,而暗反应阶段有光无光都能进行,但需光反应提供[H]和ATP,故暗反应不能长期在无光环境中进行。(4)在自然条件下,光反应阶段和暗反应阶段同时进行,不分先后。
1.下图是叶绿体的示意图,有关叙述正确的是(　　)A.吸收光能的色素主要分布在④中B.许多进行光合作用所必需的酶在②和③中C.如此多的③极大地扩展了受光面积D.该结构是光合作用的主要场所
答案 C解析 吸收光能的色素主要分布在③类囊体膜上,A项错误;与光合作用有关的酶分布在③和④中,B项错误;叶绿体基粒增大了受光面积,C项正确;该结构为叶绿体,是植物光合作用的场所,D项错误。
2.下图所示为叶绿体中色素蛋白等成分在膜上的分布。在图示结构上(　　)
A.生物膜为叶绿体内膜B.可完成光合作用的全过程C.发生的能量转换是:光能→电能→化学能D.产生的ATP可用于植物体的各项生理活动
答案 C解析 色素存在于叶绿体类囊体膜上,而非内膜,A项错误;在类囊体膜上只能进行光合作用的光反应,暗反应需在叶绿体基质中进行,B项错误;光反应产生的ATP只用于暗反应,D项错误。
3.玉兰叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时,如果将它移至暗室中,短时间内叶绿体中C3与C5相对含量的变化分别是(　　)A.增多　减少　　　B.减少　增多C.增多　增多 D.减少　减少答案 A解析 叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时,C3和C5处于动态平衡状态;移至暗室后,短时间内由于光反应停止,ATP和[H]减少,C3还原形成糖类和C5的过程受到影响,而C5仍能正常和CO2反应生成C3,故C3增多,C5减少。
4.下图是某植物体内进行的某种活动,据图完成问题。
(1)该生理活动的名称是　　　　　　　　。 (2)该生理活动是在叶肉细胞内被称为　　　　　　的细胞器中进行的。 (3)写出图中字母A、B、C各自所代表的物质的名称:A　　　　;B　　　　;C　　　　。 (4)需要消耗物质A和B的生理过程③的名称是　　　　　　　　　　。 (5)图中编号①所表示的生理过程是　　　　　　　　　　。 (6)若用14C标记CO2中的C,则被标记的C存在于　　　　　　中。 
(7)色素吸收的　　　能,在这一生理活动过程的　　　　　　　　　阶段部分被转移到　　　　中,转变为活跃的化学能,再经过这一生理过程的　　　　　　　阶段,转变为　　　　　　化学能。 (8)将CO2浓度(体积分数)从1%迅速降低到0.003%后,物质B的浓度将　　　　,试分析其原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
答案 (1)光合作用　(2)叶绿体　(3)ATP　[H]　(CH2O)　(4)C3的还原　(5)水的裂解　(6)C3、(CH2O)和C5　(7)光　Ⅰ(光反应)　A(ATP)　Ⅱ(暗反应)　稳定的　(8)升高　C3的浓度下降,[H]的消耗量减少,生成量不变
解析 图中所示生理过程为光合作用,其中Ⅰ为光反应,Ⅱ为暗反应,A为ATP,B为[H],C为(CH2O),①为水的裂解,②为CO2的固定,③为C3的还原。CO2浓度下降后,C3的生成量减少,[H]和ATP的消耗量减少,生成量不变,因此[H]和ATP的浓度会升高。