人教版 (2019)必修1《分子与细胞》第5章 细胞的能量供应和利用第4节 光合作用与能量转化二 光合作用的原理和应用教课内容课件ppt

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一、光合作用的原理1.光合作用的概念和实质(1)概念: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。(2)实质:合成有机物,储存能量。(3)总反应式:CO2+H2O (CH2O)+O2。
2.光合作用的过程(1)光反应阶段①场所:在叶绿体类囊体的薄膜上进行。②条件:必须有光、叶绿体中的光合色素和酶。③过程水的光解:部分光能将水分解为氧和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)。ATP的形成:部分光能在有关酶的催化作用下,提供能量促使ADP与Pi反应形成ATP。
(2)暗反应阶段①场所:在叶绿体基质中进行。②条件:需要多种酶参与。③过程CO2的固定: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,很快形成两个C3分子。C3的还原: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,在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类。
预习反馈1.判断正误。(1)光反应为暗反应提供NADPH和ATP,暗反应为光反应提供ADP和Pi。( √ )(2)光反应产生的ATP可用于核糖体合成蛋白质。( × )(3)光合作用光反应阶段产生的NADPH可在叶绿体基质中作为还原剂。( √ )(4)离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后,可完成暗反应。( √ )
2.以下反应过程在叶绿体基质中完成的有(　　)①2H2O 4H++4e-+O2　②ATP→ADP+Pi+能量　③2C3→(CH2O)+C5　④CO2+C5→2C3A.①②③B.①③④C.②③④D.①②④答案 C解析 叶绿体基质中完成的是暗反应,有②③④。
3.下列属于光合作用光反应的是(　　)
A.2、4、6B.2、3、7C.4、5、6D.2、6、8答案 D解析 光反应产生ATP、NADPH和氧气。
二、光合作用原理的应用及化能合成作用1.光合作用的强度(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.探究环境因素对光合作用强度的影响(1)实验步骤打出圆形小叶片(30片):用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出(直径0.6 cm)　↓抽出叶片内气体:用注射器(内有清水、圆形小叶片)抽出叶片内气体(O2等)　↓圆形小叶片沉到水底:将抽出内部气体的圆形小叶片放入黑暗处盛有清水的烧杯中,圆形小叶片全部沉到水底　↓强、中、弱三种光照处理:取3只小烧杯,分别倒入20 mL富含CO2的清水,各放入10片圆形小叶片,用强、中、弱三种光照分别照射　↓观察并记录同一时间段内各实验装置中圆形小叶片浮起的数量
(2)实验现象与结果分析:光照越强,烧杯内圆形小叶片浮起的数量越多,说明在一定范围内,随着光照强度的不断增强,光合作用强度不断增强。3.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制造有机物的合成作用。(2)举例:硝化细菌能将氨氧化成亚硝酸,进而将亚硝酸氧化成硝酸,这两个过程中释放的化学能将二氧化碳和水合成为糖类,供自身利用。
预习反馈1.判断正误。(1)光照强度对光合作用强度的影响实验中,可以通过调节台灯与实验装置的距离来调节光照强度。( √ )(2)探究实验中,圆形小叶片浮起的原因是叶片进行细胞呼吸产生了CO2。( × )(3)绿色植物和硝化细菌都为自养生物,都可通过光合作用制造有机物。( × )(4)化能合成作用与光合作用所利用的无机物原料都是CO2和H2O。( √ )(5)原核生物都是异养生物。( × )(6)自养生物合成有机物时只能利用光能。( × )
3.下面是一位同学根据实验结果绘制的一组曲线,你认为不正确的是(　　)
答案 D解析 温度通过影响光合作用中酶的活性来影响光合作用,在一定温度范围内,光合作用强度随温度的升高而增大,温度过高时,高温会使酶失活而导致光合作用强度下降。
经过众多科研工作者的努力探索,对光合作用原理的研究已取得了举世瞩目的进展,为指导农业生产提供了充分的理论依据。如1937年,英国植物学家希尔(R.Hill)发现的希尔反应;1941年,美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用同位素示踪的方法,研究了光合作用中氧气的来源等。
1.光合作用的光反应阶段发生的物质变化和能量变化有哪些?
答案 (1)物质变化
(2)能量变化光能转化为活跃的化学能,储存在ATP和NADPH中,均用于暗反应。
2.光合作用的暗反应阶段发生的物质变化和能量变化有哪些?答案 (1)物质变化①CO2的固定:1分子CO2+1分子五碳化合物→2分子三碳化合物。②三碳化合物的还原:在酶的催化下,三碳化合物接受ATP、NADPH释放的能量并被NADPH还原形成五碳化合物和糖类等。(2)能量变化:ATP和NADPH中的化学能转化为有机物中的化学能。
3.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多少?答案 图中A、B物质是氧气,均来自反应物中的水。A、B分别为O2、18O2,二者的相对分子质量之比为32∶36=8∶9。
4.希尔的实验说明水的光解产生氧气,是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水?是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应?答案 (1)不能说明氧元素全部都来自水。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解,产生氧气,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。(2)能够说明。希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的,悬浮液中有H2O,没有CO2,因此该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联,暗示希尔反应是相对独立的反应阶段。
【归纳提升】1.光反应与暗反应的区别
2.光反应与暗反应的联系
(1)光反应为暗反应提供ATP和NADPH。(2)暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+。
3.利用同位素示踪法判断光合作用中C、H、O的转移途径
4.环境改变时光合作用各物质含量的变化分析(1)分析方法:需从物质的生成和消耗两个方面综合分析示例:CO2供应正常,光照停止时C3的含量变化
(2)物质含量变化的比较
5.硝化细菌的化能合成作用硝化细菌(包括亚硝化细菌、硝化细菌)氧化土壤中的NH3释放的能量,将CO2和水合成有机物,并将能量储存在有机物中。其反应式如下:
【探究应用】1.将植物栽培在光照、温度适宜,CO2充足的条件下,如果将环境中CO2含量突然降至极低水平,此时叶肉细胞中C3化合物、C5化合物和ATP含量的变化情况依次是(　　)A.上升、下降、上升B.下降、上升、下降C.下降、上升、上升D.上升、下降、下降答案 C解析 在其他条件都适宜的前提下,CO2含量突然降低会导致CO2的固定受阻,致使C3化合物的来源受阻,C5化合物的去路受阻。而C3化合物的还原过程仍然在进行,导致C3化合物因不断被还原而减少,C5化合物因不断产生而增加,C3化合物的来源不足,致使ATP的利用减少,含量上升。
2.分析下图,①②③④所代表的生理过程依次是(　　)
A.光合作用、化能合成作用、无氧呼吸、有氧呼吸B.化能合成作用、乳酸发酵、酒精发酵、呼吸作用C.光合作用、无氧呼吸、酒精发酵、有氧呼吸D.主动运输、自由扩散、无氧呼吸、有氧呼吸答案 A
3.(多选)下列关于绿色植物光合作用光反应和暗反应的叙述,错误的是(　　)A.光反应为暗反应提供ATP和NADPH,暗反应可为光反应提供ADP和PiB.光反应在光下进行,暗反应在暗处进行C.光反应的场所是叶绿体基质,暗反应的场所是类囊体薄膜D.光反应完成能量转化过程,暗反应完成物质转变过程
答案 BCD解析 光反应可以为暗反应提供NADPH和ATP,暗反应可以为光反应提供NADP+、ADP和Pi,A项正确;光反应必须有光才能进行,暗反应有光无光都可以进行,B项错误;光反应的场所是类囊体薄膜,暗反应的场所是叶绿体基质,C项错误;光反应与暗反应都可以完成能量的转化和物质的转变,光反应过程中,光能转化为ATP中活跃的化学能,暗反应过程中,ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能,D项错误。
4.下图是光合作用过程的图解,图中甲、乙、丙、丁表示能量或物质,①②表示过程。据图回答下列问题。
(1)甲、丙分别表示　　　　　　、　　　　　　。丙在暗反应中的作用是　 。 (2)物质乙是　　　　　　,美国科学家鲁宾和卡门利用同位素示踪法进行探究,证明了光合作用产生的乙全部来自　　　　　　。 (3)物质丁是　　　　　　,过程①叫作　　　　　　　,过程②所需的还原剂是图中的　　　　　　。突然停止光照,短时间内叶绿体中C5的含量　　　　　　(填“增加”“不变”或“减少”)。 (4)写出光合作用的总反应式: 　　　　　　。 
答案 (1)光能　NADPH　做还原剂,提供部分能量(2)O2　H2O　(3)C3　CO2的固定　丙　减少　(4)CO2+H2O (CH2O)+O2解析 (1)分析图示可知,图中甲是光能,乙是O2,丙是NADPH,丁是C3。(2)美国科学家鲁宾和卡门利用同位素示踪法进行探究,证明了光合作用产生的O2全部来自H2O。(3)暗反应过程包括CO2的固定和C3的还原,突然停止光照,NADPH和ATP减少,短时间内叶绿体中C5的含量减少。
下图所示为科学家研究环境因素对同一植物光合作用强度的影响。
1.该科学家的研究实验中有几个自变量?答案 有CO2浓度、光照强度和温度三个自变量。2.光照强度对光合作用强度有何影响?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什么?答案 在一定光照强度范围内,随着光照增强,光合作用强度增大,当光照强度超过一定范围后,光合作用强度不再随着光照增强而增大。光照作用强度为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。
3.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什么?试解释其作用原理。答案 曲线Ⅰ和Ⅱ的CO2浓度相同,光照强度为b时,光合作用强度存在差异的原因是温度不同。温度影响与光合作用有关的酶的活性,进而影响光合作用强度。4.通过该坐标曲线的分析,谈一谈一个坐标系中出现多个自变量的分析思路。答案 仍然遵循单一变量原则,分析某一个变量时,其他变量保持相同条件。
【归纳提升】影响光合作用的因素及在农业生产中的应用
方法技巧 光合速率辨析(1)净光合速率和真正光合速率①净光合速率:常用一定时间内O2释放量、CO2吸收量或有机物积累量表示。②真正光合速率:常用一定时间内O2产生量、CO2固定量或有机物产生量表示。③光合速率与呼吸速率的关系:a.用非绿色组织或黑暗条件下的绿色组织测得的数值为呼吸速率;b.绿色组织在有光条件下光合作用与细胞呼吸同时进行,测得的数据为净光合速率;c.真正光合速率=净光合速率+呼吸速率。
(2)多因子变量对光合速率的影响①P点时,限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因素,随其不断加强,光合速率不断提高。②Q点时,横坐标所表示的因素不再是限制光合速率的因素,要想提高光合速率,可采取适当改变图示中其他因素的方法。
【探究应用】1.下列四个处理中,沉入底部的叶片小块最先浮起的是(　　)
答案 C解析 叶片小块沉入水底是由于细胞间隙的空气被抽取掉,所以哪一支试管中叶片小块最先产生大量的氧气,充入细胞间隙中,哪一支试管中的叶片小块就最先浮上来。由于自来水中含有CO2,25 ℃的温度较为适宜,光照是光合作用必需的条件,所以C项所示试管的叶片小块最先浮起来。
2.冬季修建一些温室大棚可为居民提供新鲜蔬菜,下列有关说法正确的是(　　)A.一般情况下,大棚内的蔬菜进行光合作用利用的光都是自然光B.为提高产量,在阴雨天可适当提高大棚内的温度C.增施农家肥可提高大棚内的二氧化碳浓度,促进晚上暗反应的进行,有利于有机物的积累D.蔬菜中的叶绿素对光的吸收效率与光的波长呈正相关
答案 A解析 阴雨天光照强度太弱,光合作用强度弱,提高温度会增加有机物的消耗,B项错误;晚上没有光照,暗反应因缺乏ATP和NADPH的供应而不能进行,C项错误;叶绿素a、叶绿素b主要吸收蓝紫光(波长450 nm左右)和红光(波长650 nm左右),而对绿光(波长500 nm左右)的吸收则很少,因此叶绿素对光的吸收效率与光的波长不呈正相关,D项错误。
3.下图为某一植物在不同实验条件下测得的净光合速率,下列假设条件中能使图中结果成立的是(　　)
A.横坐标是CO2浓度,甲表示较高温度,乙表示较低温度B.横坐标是温度,甲表示较高CO2浓度,乙表示较低CO2浓度C.横坐标是光波长,甲表示较高温度,乙表示较低温度D.横坐标是光照强度,甲表示较高CO2浓度,乙表示较低CO2浓度
答案 D解析 据图分析,图示纵坐标的含义是净光合速率,是光合速率与呼吸速率的差值,在横坐标以下表示光合速率小于呼吸速率,在横坐标以上表示光合速率大于呼吸速率,与横坐标相交的点表示光合速率与呼吸速率相等。若横坐标是CO2浓度,较高温度下,呼吸速率高,较低温度下,呼吸速率低,则甲、乙曲线与纵坐标的交点不一样,A项错误;若横坐标是温度,则随着温度的升高光合速率与呼吸速率都会表现为先升高后降低的趋势,B项错误;若横坐标是光波长,随着波长增大,植物的净光合速率不应是先增大后趋于稳定,C项错误;若横坐标是光照强度,较高浓度的CO2有利于光合作用的进行,因此甲表示较高CO2浓度,乙表示较低CO2浓度,D项正确。
4.甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如图所示。
回答下列问题。(1)当光照强度大于a时,甲、乙两种植物中,对光能的利用率较高的植物是　　　　。 (2)甲、乙两种植物单独种植时,如果种植密度过大,那么净光合速率下降幅度较大的植物是　　　　,判断的依据是　　　　　　　　　　　。 
(3)甲、乙两种植物中,更适合在林下种植的是　 。 (4)某植物夏日晴天中午12时叶片的光合速率明显下降,其原因是进入叶肉细胞的　　　　　(填“O2”或“CO2”)不足。