2021届高考生物人教版一轮创新教学案：第3单元　第10讲　光与光合作用















第10讲　光与光合作用
[考纲明细]　1.光合作用的基本过程(Ⅱ)　2.影响光合作用速率的环境因素(Ⅱ)　3.光合作用与呼吸作用综合应用　4.实验：叶绿体色素的提取和分离
实验7　绿叶中色素的提取和分离

1．实验原理
(1)提取：绿叶中的色素能够溶于有机溶剂而不溶于水，可用无水乙醇等有机溶剂提取色素。
(2)分离：各种色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢，从而使各种色素相互分离。
2．实验步骤



3．结果分析
(1)色素带的条数与色素种类有关，四条色素带说明有四种色素。
(2)色素带的宽窄与色素含量有关，色素带越宽说明此种色素含量越多。色素带最宽的是叶绿素a，最窄的是胡萝卜素，叶绿素b比叶黄素稍宽。
(3)色素带扩散速度与溶解度有关，扩散速度越快说明溶解度越高。
(4)相邻两条色素带之间距离最远的是胡萝卜素和叶黄素，最近的是叶绿素a和叶绿素b。

(1)选材时应选择什么样的叶片？原因是什么？
提示　应选择鲜嫩、颜色深绿的叶片，以保证含有较多色素。
(2)研磨时加入二氧化硅和碳酸钙的作用是什么？
提示　二氧化硅有助于研磨得充分，碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。
(3)研磨时要迅速和充分的原因？
提示　防止无水乙醇挥发，保证提取较多的色素和色素浓度适宜。
(4)画滤液细线要细、直、匀的原因是什么？滤液细线干燥后再画一两次的原因是什么？
提示　滤液细线要细、直、匀，且干燥后重复画一两次，使滤液细线既有较多的色素，又使各色素扩散的起点相同，分离出的色素带平整不重叠。
(5)分离实验为何用棉塞塞紧试管口且在通风的条件下进行？
提示　层析液由石油醚、丙酮及苯混合而成，三者都是具有挥发性的有毒物质，故为防止层析液挥发及避免吸入过多层析液应用棉塞塞紧试管口且在通风条件下进行。
(6)滤纸上的滤液细线为什么不能触及层析液？
提示　防止色素被层析液溶解。

1．下列关于叶绿体中色素的提取和分离的叙述，正确的是(　　)
A．无机溶剂不能用于提取色素
B．研磨时加入SiO2目的是保护色素
C．第一次画完滤液细线后应立即再画第二次
D．叶绿素b在层析液中的溶解度最大
答案　A
解析　由于叶绿体中的色素不溶于水，只溶于有机溶剂，所以用无机溶剂不能提取光合色素，A正确；研磨时加入SiO2目的是增大摩擦力，使研磨更充分，B错误；第一次画完滤液细线后应等滤液干燥后再画第二次，C错误；叶绿素b在层析液中的溶解度最小，胡萝卜素溶解度最大，D错误。
2．某学生利用新鲜的菠菜叶进行叶绿体色素的提取和分离实验时，由于各组操作不同，出现了下列四种不同的层析结果。下列分析不合理的是(　　)

A．甲可能是用蒸馏水做提取液和层析液
B．乙可能是因为研磨时未加入SiO2
C．丙是正确操作得到的理想结果
D．丁可能是因为研磨时未加入CaCO3
答案　C
解析　甲的实验结果是没有分离出色素，色素不溶于水，可能是用蒸馏水做提取液和层析液所致，A正确；乙结果分离出了色素，但色素含量少，可能是研磨时未加入SiO2，研磨不充分所致，B正确；丙图分离出了色素，但四种色素的含量并不符合实际，C错误；丁的实验结果是胡萝卜素和叶黄素的含量正常，叶绿素的含量少，可能是因为研磨时未加入CaCO3，叶绿素遭到破坏所致，D正确。

1．收集到的滤液绿色过浅的原因
(1)使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)太少。
(2)未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。
(3)未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。
(4)一次加入大量的无水乙醇(正确做法：分次加入少量无水乙醇提取色素)。
2．滤纸条色素带重叠的原因
(1)滤液细线不直。
(2)滤液细线过粗。
3．滤纸条无色素带的原因
(1)忘记画滤液细线。
(2)滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。
4．滤纸条上只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带的原因所用叶片为黄叶。
3.(2016·上海高考)从种植于室内普通光照和室外强光光照下的同种植物中分别提取叶片的叶绿体色素，用纸层析法分离，结果如图所示。下列判断正确的是(　　)

A．室内植物叶片偏黄
B．室外植物叶片偏绿
C．室外植物叶片胡萝卜素含量>叶黄素含量
D．室内植物叶片叶绿素a含量>叶绿素b含量
答案　D
解析　图中从上往下的色素带依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b。对照图示结果可知，室外强光下叶绿素的含量明显低于室内普通光照，故室内植物叶片偏绿，室外植物叶片偏黄，A、B错误；图中显示，室外和室内植物叶片都是叶黄素含量大于胡萝卜素含量，室内植物叶片叶绿素a含量大于叶绿素b含量，C错误，D正确。

影响叶绿素合成的三大因素
光照
是影响叶绿素合成的主要条件，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，因而叶片发黄
温度
温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成
必需元素
叶绿素中含N、Mg等必需元素，缺乏N、Mg将导致叶绿素无法合成，叶变黄
考点1　捕获光能的色素和结构与光合作用的探究历程

1．叶绿体中的色素及色素的吸收光谱

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)叶绿素对红光和蓝紫光的吸收量大，类胡萝卜素对蓝紫光的吸收量大，对其他波段的光并非不吸收，只是吸收量较少。
[特别提醒]　叶片呈现绿色的原因
(1)叶绿体中含有叶绿素和类胡萝卜素，叶绿素含量是类胡萝卜素的3倍。
(2)叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光吸收最少，绿光被反射出来。
2．叶绿体的结构与功能
(1)结构模式图

(2)结构

3．光合作用的探究历程(连一连)

答案　①－A－b　②－C－a　③－E－f　④－D－c　⑤－F－e　⑥－B－d　⑦－G－g

1.(必修1 P99与社会的联系改编)温室或大棚种植蔬菜时，补充的光源是红光或蓝紫光，选择的玻璃无色透明，原因是有色玻璃主要透过同色光，其他色光很少或不能透过，光照强度会减弱，不利于光合作用；而无色透明玻璃能透过日光中各色光，光照强度较大，有利于光合作用的进行。
2．(必修1 P100拓展题T1改编)植物体吸收光能的色素存在部位是叶片细胞、幼嫩的茎和果实中。

题组一　光合色素吸收光能的分析
1．如图表示叶绿体中色素吸收光能的情况：据图判断，以下说法不正确的是(　　)

A．由图可知，类胡萝卜素主要吸收400～500 nm波长的光
B．用450 nm波长的光比600 nm波长的光更有利于提高光合作用强度
C．由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后，叶绿体中C3的量增加
D．土壤中缺乏镁时，植物对420～470 nm波长的光的利用量显著减少
答案　C
解析　由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后，色素吸收光能增强，光合作用增强，短时间内C3还原加速，C3生成不变，C3含量减少，C错误；叶绿素b主要吸收420～470 nm波长的光，缺镁时叶绿素合成减少，所以此波段的光的利用量显著减少，D正确。
2．(2017·海南高考)将叶绿体悬浮液置于阳光下，一段时间后发现有氧气放出。下列相关说法正确的是(　　)
A．离体叶绿体在自然光下能将水分解产生氧气
B．若将叶绿体置于红光下，则不会有氧气产生
C．若将叶绿体置于蓝紫光下，则不会有氧气产生
D．水在叶绿体中分解产生氧气需要ATP提供能量
答案　A
解析　光合作用的场所是叶绿体，离体的叶绿体在自然光下通过光反应能将水分解产生氧气，A正确；叶绿体中的光合色素既能吸收红光，也能吸收蓝紫光，将叶绿体置于红光和蓝紫光下，都有氧气产生，B、C错误；水在叶绿体中分解产生氧气不仅不需要ATP提供能量，还能产生ATP，D错误。
题组二　光合作用探究历程实验分析
3．下列关于光合作用探究历程的叙述，错误的是(　　)
A．普利斯特利的实验证明了植物可以更新空气
B．萨克斯的实验证明了光合作用的产物有淀粉
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的氧，证明了光合作用产生的氧气来自H2O而不是CO2
答案　C
解析　恩格尔曼的实验证明了水绵光合作用生成了氧气，但未定量分析，C错误。
4．下图是光合作用探索历程中恩格尔曼和萨克斯的实验示意图，下列有关叙述正确的是(　　)

A．两实验均需进行“黑暗”处理，以消耗细胞中原有的淀粉
B．两实验均需要光的照射
C．两实验中只有恩格尔曼的实验设置了对照
D．两实验均可证明光合作用的产物有氧气
答案　B
解析　图示的两实验中，只有萨克斯的实验需进行“黑暗”处理，目的是消耗掉细胞中原有的淀粉，A错误；恩格尔曼实验的目的是探究光合作用进行的场所，萨克斯实验的目的是探究光合作用产物，所以两实验均需要光的照射，B正确；恩格尔曼的实验中，照光处理与不照光、黑暗与完全曝光形成对照，萨克斯的实验中，暗处理的叶片一半曝光、一半遮光形成对照，C错误；恩格尔曼的实验可证明氧气是光合作用的产物，萨克斯的实验可证明淀粉是光合作用的产物，D错误。

1．光合作用探究历程中，用到同位素示踪法的实验
鲁宾和卡门证明光合作用释放的O2全部来自于水的实验和卡尔文证明光合产物中的碳来自CO2的实验。
2．恩格尔曼实验方法的巧妙之处
(1)实验材料选择妙：用水绵作实验材料。水绵的叶绿体呈带状，便于观察。
(2)排除干扰的方法妙：没有空气的黑暗环境排除了环境中光线和氧的影响，从而确保实验的准确性。
(3)观测指标设计妙：通过好氧细菌的分布，能够准确地判断出水绵细胞中释放氧气的部位。
(4)实验对照设计妙：进行黑暗＋极细光束照射和曝光的对比实验，从而明确实验结果完全是由光照引起的。
3．萨克斯实验
(1)黑暗处理的目的是消耗掉叶片中的营养物质。
(2)在用碘蒸气处理之前一般先用酒精进行脱色处理是为了防止颜色干扰。
(3)自变量：光照。因变量：是否产生淀粉。
(4)暗处理的叶片一半曝光、一半遮光形成对照。
考点2　光合作用的基本过程

1．光合作用的概念
指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把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．过程
(1)光合作用过程图解

(2)光反应与暗反应的区别与联系

比较项目
光反应
暗反应
实质
光能转换为化学能，并放出O2
同化CO2形成有机物(酶促反应)
时间
短促，以微秒计
较缓慢
条件
色素、光、酶、水、ADP、Pi、NADP＋
多种酶、ATP、[H]、CO2、C5
场所
叶绿体的类囊体薄膜
叶绿体基质中
物质转化
①水的光解：
2H2O4[H]＋O2；
②ATP的合成：
ADP＋Pi＋能量ATP
①CO2的固定：
CO2＋C52C3；
②C3的还原：
2C3(CH2O)＋C5＋H2O
能量转化
光能→ATP中活跃的化学能
ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
关系
①光反应为暗反应提供[H]和ATP；暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP＋；
②没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，有机物无法合成
3．反应式(写出反应式并标出元素的去向)
(1)若有机物为(CH2O)：
。
(2)若有机物为C6H12O6：
。
4．化能合成作用
(1)化能合成作用的概念：自然界中少数种类的细菌，能够利用体外环境中某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物，此过程称为化能合成作用，此类生物属于化能自养型生物。
(2)化能合成作用与光合作用的比较
项目
光合作用
化能合成作用
原料
CO2和H2O等无机物
产物
糖类等有机物
条件
光、色素、酶
酶
能量来源
光能
某些无机物氧化时释放的能量
生物种类
绿色植物、蓝藻等
硝化细菌、硫细菌等
5．光合作用与有氧呼吸的区别与联系
项目
光合作用
呼吸作用
发生范围
含叶绿体的植物细胞；蓝藻、光合细菌等
所有活细胞
发生场所
叶绿体(真核生物)；细胞质(原核生物)
细胞质基质、线粒体
发生条件
光下
时时刻刻进行
实质
无机物有机物；储存能量
有机物无机物；释放能量
能量转化的联系

物质转化联系
光合作用为有氧呼吸提供有机物和O2，有氧呼吸为光合作用提供CO2
元素转移的联系
C：CO2(CH2O)丙酮酸CO2
O：H2OO2H2O
H：H2O[H](CH2O)
[H]H2O
过程联系


(必修1 P103相关信息)光合作用中产生的[H]是还原型辅酶Ⅱ(NADPH)简化的表示方式，而细胞呼吸中产生的[H]是还原型辅酶Ⅰ(NADH)简化的表示方式，二者不是一种物质，尽管书写形式相同。

环境条件骤变后C3、C5及[H]、ATP的含量在短时间内变化分析
(1)环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
“过程法”分析各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化：

(2)“模型法”表示C3、C5、[H]和ATP的含量变化

[特别提醒]　


题组一　光合作用过程分析
1．如图表示光合作用的暗反应过程。下列叙述错误的是(　　)

A．①是C3，⑤是C5
B．②和③在类囊体薄膜上产生
C．光照的强弱对该过程无影响
D．⑥可在细胞质基质中转变为丙酮酸
答案　C
解析　由图可知，①是C3，②是ATP，③是NADPH，④是NADP＋，⑤是C5，⑥是葡萄糖，A正确；ATP和NADPH在叶绿体的类囊体薄膜上产生，B正确；光照的强弱会影响ATP和NADPH的生成量，从而影响暗反应，C错误；光合作用产生的葡萄糖(⑥)在细胞质基质中可进行细胞呼吸的第一阶段，转变为丙酮酸，D正确。
2.如图表示发生在叶绿体中的相关代谢过程，其中①②表示相关过程，A、B表示两种气体物质，下列说法错误的是(　　)

A．过程①表示光反应，过程②的场所是叶绿体基质
B．物质A表示O2，物质B表示CO2
C．过程②能将活跃的化学能转变成稳定的化学能
D．过程②的两个阶段都需要消耗过程①产生的[H]和ATP
答案　D
解析　过程①表示光反应，过程②表示暗反应，暗反应的场所是叶绿体基质，A正确；据图分析，A表示氧气，B表示二氧化碳，B正确；过程②表示暗反应阶段，能够将光反应产生的ATP和还原氢中活跃的化学能转变成有机物中稳定的化学能，C正确；过程②的三碳化合物的还原阶段需要消耗过程①产生的[H]和ATP，D错误。
3．如图表示绿色植物光合作用的部分过程，图中A～C表示相关物质。下列有关分析错误的是(　　)

A．图中A为氧气，可部分释放到空气中
B．图中B为NADPH，是还原剂
C．该过程消耗的NADP＋和C来自于叶绿体的类囊体薄膜
D．该过程将光能转化为活跃的化学能储存在ATP和NADPH中
答案　C
解析　水的光解产物是氧气和[H]，若光合作用强度大于呼吸作用强度，氧气会部分释放到空气中，A正确；题图中B是在NADP＋、H＋和电子参与下形成的，为NADPH，参与C3的还原，是一种还原剂，B正确；题图中C表示ADP和Pi，光反应中消耗的NADP＋、ADP和Pi来源于暗反应，暗反应发生在叶绿体基质中，C错误；光合作用中，光反应过程将光能转化成活跃的化学能储存在ATP和NADPH中，D正确。

1．光合作用中的几种能量关系
(1)光反应中光能转换为活跃的化学能并非只储存于ATP中，NADPH([H])中也含有能量。
(2)C3还原消耗的能量不只来自于ATP，还可由NADPH提供。
(3)光反应产生的ATP用于C3的还原，不用于叶绿体之外的其他生命活动。
2．突破光合作用过程的四个误区
(1)绿色植物中参与光合作用的色素只存在于叶绿体类囊体薄膜上，液泡中的色素不参与光合作用。
(2)绿色植物中参与光合作用的酶存在于叶绿体类囊体薄膜上和叶绿体基质中。
(3)不要认为暗反应不需要光。光合作用的过程可以分为两个阶段，即光反应和暗反应。前者在光下才能进行，并在一定范围内随着光照强度的增加而增强；后者在有光、无光的条件下都可以进行，但需要光反应的产物[H]和ATP，因此暗反应在无光条件下不可以长期进行。
(4)叶绿体并不是进行光合作用的必要场所：进行光合作用的细胞不一定含叶绿体，如蓝藻、光合细菌能进行光合作用，但没有叶绿体。
题组二　环境条件骤变后C3、C5等物质含量变化分析
4．(2019·陕西商洛丹凤中学高三月考)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化，说法正确的是(　　)
A．突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值减少
B．突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值增加
C．突然将红光改变为绿光会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值增加
D．突然将绿光改变为红光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值减少
答案　B
解析　突然中断CO2供应，使暗反应中二氧化碳固定停止，而三碳化合物还原仍在进行，导致C3含量减少，C5含量增多，因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值增加，A错误；突然中断CO2供应使C3减少，因此三碳化合物还原利用的ATP减少，导致ATP积累增多，而ADP含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值增加，B正确；由于光合色素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光吸收最少，突然将红光改变为绿光，会导致光反应产生的ATP和[H]减少，这将使暗反应中三碳化合物的还原减慢，而短时间内CO2的固定不变，导致C5含量减少，C3含量增多，因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值减少，C错误；突然将绿光改变为红光会导致光反应吸收的光能增加，光反应产生的ATP和[H]增加，而ADP相对含量减少，因此暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值增加，D错误。
5．在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势如图。回答问题：

(1)图中物质A是________(填“C3”或“C5”)。
(2)将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后，物质B浓度升高的原因是_____________________________________________________________________
_________________________________________________________________。
(3)CO2浓度为0.003%时，该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的________(填“高”或“低”)，其原因是_____________________________________________________________________
________________________________________________________________。
答案　(1)C3
(2)当CO2浓度突然降低时，C5的合成速率不变，消耗速率却减慢，导致C5积累
(3)低　CO2浓度低时，暗反应强度低，所需ATP和[H]少
解析　(1)(2)CO2浓度降低时，C3的合成减少而消耗不变，故C3的含量降低，与物质A的变化趋势一致；C5的合成不变而消耗减少，故C5的含量增加，与物质B的变化趋势一致。
(3)CO2浓度较低时，暗反应强度低，需要的[H]和ATP的量少，故在较低的光照强度时就能达到此CO2浓度时的最大光合速率。
题组三　光合作用与细胞呼吸的关系
6．如图表示在有氧条件下某高等植物体内有关的生理过程示意图，①～⑤表示有关过程，X、Y、Z和W表示相关物质。请据图判断下列说法错误的是(　　)

A．X、Y、Z物质分别表示C3、丙酮酸和ATP
B．①～⑤过程中能产生ATP的有①②③④
C．②⑤过程分别表示C3的还原和CO2的固定
D．光合速率小于呼吸速率时，④过程产生的CO2会释放到细胞外
答案　B
解析　分析图示，①过程表示光反应阶段，②过程表示C3的还原，⑤过程表示CO2的固定，③④过程表示有氧呼吸的第一阶段和第二阶段，C正确；Z物质是ATP，Y物质是丙酮酸，X物质是C3，A正确；①～⑤过程中能产生ATP的有①③④，②⑤过程不产生ATP，B错误；光合速率小于呼吸速率时，呼吸作用产生的CO2会有一部分先进入叶绿体参与CO2的固定，多余部分释放到细胞外，D正确。
7．下列有关放射性同位素示踪实验的叙述，错误的是(　　)
A．给水稻提供14CO2，则其根细胞在缺氧环境有可能出现14C2H5OH
B．给水稻提供14CO2，则14C的转移途径是：14CO2→14C3→(14CH2O)
C．给水稻提供C18O2和H2O，释放的氧气中不含18O
D．小白鼠吸入18O2，则在其尿液中可以检测到HO，呼出的二氧化碳也可能含有18O
答案　C
解析　给水稻提供14CO2，水稻通过光合作用会产生(14CH2O)，则其根细胞在缺氧环境会利用(14CH2O)进行无氧呼吸，有可能出现14C2H5OH，A正确；给水稻提供14CO2，则14C的转移途径是：14CO2→14C3→(14CH2O)，B正确；给水稻提供C18O2和H2O，光合作用过程中18O的去路是6C18O2＋12H2O→C6HO6＋6O2＋6HO，其中产物HO又作为光反应的原料，在水的光解中产生18O2，所以释放的氧气中含18O，C错误；小白鼠吸入18O2,18O2参与有氧呼吸第三阶段，与[H]结合形成HO，则在其尿液中可以检测到HO，HO参与有氧呼吸第二阶段，与丙酮酸结合产生二氧化碳和[H]，所以呼出的二氧化碳也可能含有18O，D正确。
8．(2018·江苏高考节选)如图为某植物叶肉细胞中有关甲、乙两种细胞器的部分物质及能量代谢途径示意图(NADPH指[H])，请回答下列问题：

(1)甲可以将光能转变为化学能，参与这一过程的两类色素为__________________，其中大多数高等植物的________需在光照条件下合成。
(2)在甲发育形成过程中，细胞核编码的参与光反应中心的蛋白，在细胞质中合成后，转运到甲内，在________(填场所)组装；核编码的Rubisco(催化CO2固定的酶)小亚基转运到甲内，在________(填场所)组装。
(3)甲输出的三碳糖在氧气充足的条件下，可被氧化为________后进入乙，继而在乙的________(填场所)彻底氧化分解成CO2。
答案　(1)叶绿素、类胡萝卜素　叶绿素
(2)类囊体膜上　基质中
(3)丙酮酸　基质中
解析　(1)甲为叶绿体，甲中能将光能转化为化学能的色素有叶绿素和类胡萝卜素，其中大多数高等植物叶绿素的合成需要光。
(2)光反应发生的场所是类囊体薄膜，所以细胞核编码的参与光反应中心的蛋白质在类囊体膜上组装；CO2固定的场所是叶绿体基质，所以核编码的Rubisco小亚基在叶绿体基质中组装。
(3)由甲(叶绿体)输出的三碳糖在氧气充足的条件下，可被氧化为丙酮酸后进入乙(线粒体)，在线粒体的基质中被彻底分解成CO2。

(1)“图解法”理解光合作用与细胞呼吸过程之间的关系

(2)光合作用与有氧呼吸过程中[H]和ATP的来源和去向

考点3　光合作用的影响因素及应用

1．单因子外部因素对光合速率的影响
(1)光质
原理
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。
③单色光中，蓝紫光下光合速率最快，红光次之，绿光最差。
应用
①大棚薄膜的选择：无色透明大棚能透过日光中各种色光，有色大棚主要透过同色光，其他光被其吸收，所以无色透明的大棚中植物的光合效率最高。
②补充单色光的选择：蓝紫光。
(2)光照强度
①原理
光照强度通过影响植物的光反应进而影响光合速率。光照强度增加，光反应速率加快，产生的[H]和ATP增多，使暗反应中还原过程加快，从而使光合作用产物增加。
②在不同的光照条件下，光合速率与呼吸速率的相关曲线分析

a．绿色组织在黑暗条件下或非绿色组织只进行呼吸作用，测得的数值为呼吸速率(A点)。
b．绿色组织在有光条件下，光合作用与呼吸作用同时进行，测得的数据为净光合速率。
c．真光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。
d．各点(段)的光合作用和呼吸作用分析
曲线
对应点
细胞生理活动
ATP产生场所
植物组织外观表现
图示
A点
只进行呼吸作用
细胞质基质和线粒体
从外界吸收O2，向外界释放CO2

AB段
(不含
A、B
点)　
呼吸速率大于光合速率
细胞质
基质、线
粒体、叶
绿体　
从外界吸收
O2，向外界
释放CO2　

B点
光合速率等于呼吸速率
与外界不发
生气体交换

B点
之后
光合速率大于呼吸速率
从外界吸收
CO2，向外
界释放O2

e．限制因素
光饱和点之前：光照强度(横坐标)。光饱和点之后：CO2浓度等外因(除横坐标以外的因素)、叶绿体中色素及酶的含量等内因。
③应用
a．温室生产中，适当增强光照强度，以提高光合速率，使作物增产。
b．阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低，间作套种农作物，可合理利用光能。
[特别提醒]　植物能进行光合作用的只有绿色组织器官，而所有细胞都要进行呼吸作用。若B点是植株的光补偿点，则对于叶肉细胞而言，光合速率大于叶肉细胞的呼吸速率，即吸收CO2释放O2。
(3)CO2浓度
原理
CO2影响暗反应阶段，制约C3的形成
曲线模型及分析

A点：表示CO2补偿点，即光合速率等于呼吸速率时的CO2浓度
A′点：表示进行光合作用所需CO2的最低浓度
B和B′点：都表示CO2饱和点对应的光合作用强度
应用
①农田中增加空气流动，以增加CO2浓度，如“正其行，通其风”；
②温室中可增施有机肥，以增大CO2浓度，因为有机肥在被微生物分解的时候会释放CO2，增加了大棚中的CO2浓度，促进光合作用
(4)温度
原理
温度通过影响酶的活性影响光合作用
曲线模型及分析

AB段：随着温度升高，光合速率增大
B点：酶的最适温度，光合速率最大
BC段：随着温度升高，酶的活性下降，光合速率减小，50 ℃左右光合速率几乎为零
应用
温室栽培植物时，白天调到光合作用最适温度，以提高光合速率；晚上适当降低温室内温度，以降低细胞呼吸速率，提高植物有机物的积累量
(5)水分、矿质元素
原理
水既是光合作用的原料，又是化学反应的媒介；水分通过影响气孔关闭间接影响光合作用。矿质元素通过影响与光合作用有关的化合物的合成，对光合作用产生直接或间接的影响，如镁可以影响叶绿素的合成，从而影响光反应
应用
根据作物的需水规律，合理灌溉和施肥
2．多因子变量对光合速率影响分析
(1)多因素对光合速率影响的曲线变化规律分析如图所示：

(2)曲线分析：①P点前，限制光合速率的因素为横坐标所表示的因子，随该因素的不断加强，光合速率不断提高。
②当到Q点时，横坐标所表示的因素不再是限制光合速率的因素，影响因素为除横坐标表示因素以外的其他因素。
③PQ间的主要因素有两个：一是横坐标表示的因素，二是多条曲线上标注的因素。
(3)应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天可适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，也可同时适当补充CO2，进一步提高光合速率；当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合作用速率。

(必修1 P106拓展题T1改编)如图是夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图并回答：

(1)AB段表明在这一时间内光合作用强度不断增强，其原因是：光照强度不断增加。
(2)C点表明在12时左右的光合作用强度明显减弱，此时限制光合作用强度的因素是CO2浓度。其原因是：此时温度很高，蒸腾作用很强，水分大量散失，气孔大量关闭，CO2的供应减少，光合作用强度明显减弱。
(3)DE段光合作用强度不断下降的原因是光照强度逐渐减弱。

题组一　单一因素对光合作用影响的分析和探究
1．(光照强度)(2019·湖北孝感一中等八所重点高中协作体联考)在CO2浓度为0.03%和适宜的恒定温度条件下，测定植物甲和植物乙在不同光照条件下的光合速率，结果如图。下列有关分析正确的是(　　)

A．当光照强度为1 klx时，植物甲开始进行光合作用
B．当光照强度为3 klx时，植物乙的总光合速率是0 mg/(100 cm2叶·h)
C．若在c点时突然停止CO2供应，短时间内植物甲的叶绿体中C3的含量会增加
D．d点时限制植物乙的光合速率增大的主要环境因素是CO2的浓度
答案　D
解析　光照强度为1 klx时，植物甲的光合作用强度等于呼吸作用强度，A错误；当光照强度为3 klx时，总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝0＋20＝20 mg/(100 cm2叶·h)，B错误；c点时植物甲光合作用的限制因素主要是CO2浓度，因此突然停止CO2供应，CO2固定受阻，C3生成减少，C3的还原不变，所以短时间内C3的含量会减少，C错误；d点时植物乙到达光饱和点，因此光照强度不再是限制因素，而题中又提出此过程处于“适宜的恒定温度条件”，因此此时限制植物乙的光合速率增大的主要环境因素是CO2的浓度，D正确。
2．(CO2浓度)如图所示，在适宜温度和一定的光照强度下，甲、乙两种植物叶片的CO2净吸收速率与CO2浓度的关系，下列说法正确的是(　　)

A．在CO2浓度低于b的环境中植物乙比植物甲生长得更好
B．CO2浓度大于a时，甲才能进行光合作用
C．适当增加光照强度，a点将右移
D．CO2浓度为b时，甲、乙植物的实际光合作用强度相等
答案　A
解析　据图分析，可知在CO2浓度低于b的环境中，植物乙比植物甲的CO2净吸收速率大，所以植物乙生长得更好，A正确；由图可知，CO2浓度等于a时植物甲的CO2净吸收速率为0，即甲的光合作用速率与呼吸作用速率相等，在CO2浓度低于a时已开始进行了光合作用，B错误；适当增加光照强度，光合作用增强，会使CO2补偿点(光合速率等于呼吸速率时的CO2浓度)即a点左移，C错误；CO2浓度为b时，甲、乙两种植物的净光合作用强度相等，但是由于不知道甲、乙的呼吸作用强度，因此不能比较二者的实际光合作用强度，D错误。
3．(温度)某植物光合作用、呼吸作用与温度的关系如图所示。则有关叙述错误的是(　　)

A．25 ℃时该植物积累有机物最快
B．在0～30 ℃范围内，温度对光合作用有关酶的影响相对于呼吸作用有关酶的影响更大
C．45 ℃时叶肉细胞的光合速率等于呼吸速率
D．春季大棚栽培该植物白天适当提高温度可提高产量
答案　C
解析　由图可知25 ℃时总光合速率与呼吸速率的差值即净光合速率最大，所以此时积累有机物最快，A正确；0～30 ℃范围内总光合速率比呼吸速率上升得快，所以温度对光合作用有关酶影响较大，B正确；春季气温较低，应适当在白天提高温度，增加净光合速率，使植物有机物积累速率加大，D正确；45 ℃时整个植物的光合速率等于呼吸速率，因为植物体中存在非光合作用的细胞，所以此时叶肉细胞的光合速率大于呼吸速率，C错误。
4．(光质)分别用相同光照强度的三种可见光照射同种植物的叶片，在不同CO2浓度下，测定各组叶片的CO2补偿点、CO2饱和点和最大净光合速率(各组呼吸速率相同且基本不变)，数据如下表所示。下列叙述错误的是(　　)
组别
光的成分(μmol·mol－1)
CO2补偿点(μmol·mol－1)
CO2饱和点(μmol·mol－1)
最大净光合速率[μmol(CO2)·m－2·s－1]
甲
红光
83.1
1281.3
26.1
乙
黄光
91.8
1174.9
20.4
丙
蓝光
99.2
1334.6
33.4
注：CO2补偿点指叶片光合速率与呼吸速率相等时的外界环境中的CO2浓度；CO2饱和点指叶片的光合速率达到最大时的最低CO2浓度。
A．叶绿体中主要吸收蓝紫光的色素有叶绿素和类胡萝卜素
B．环境CO2浓度为83.1 μmol·mol－1时，甲组实验中，植物叶绿体释放O2的量与线粒体消耗O2的量相等
C．环境CO2浓度为1174.9 μmol·mol－1时，影响甲、丙两组植物光合作用的主要因素不同
D．由表格分析，三种光中不宜用黄光作为大棚栽培的补充光源
答案　C
解析　由表格分析，环境CO2浓度为1174.9 μmol·mol－1时，只有乙组植物达到CO2饱和点，甲、丙两组植物未达到CO2饱和点，光合速率随环境CO2浓度增大而增大，因此，影响甲、丙两组植物光合速率的主要环境因素都是CO2浓度，C错误。
题组二　多因素对光合速率影响的分析
5．如图分别表示两个自变量对光合速率的影响情况，除各图中所示因素外，其他环境因素均控制在最适范围内。下列分析正确的是(　　)

A．乙图中D点与C点相比，相同时间内叶肉细胞中C5的生成量较少
B．图中M、N、P点的环境限制因素分别是CO2浓度、温度、光照强度
C．丙图中，随着温度的继续升高，曲线走势将稳定不变
D．甲图中A点的限制因素可能是叶绿体中色素的含量
答案　D
解析　乙图中，D点时光照强度比C点时的大，光反应生成的[H]、ATP增多，暗反应的C3还原过程增强，C5的生成量较多，A错误；据题干“除各图中所示因素外，其他环境因素均控制在最适范围内”，又因为M点时高CO2和低CO2的光合速率相同，所以M点环境下限制因素是横坐标代表的因素光照强度，N、P点同理，即图中M、N、P点的限制因素分别是光照强度、光照强度、温度，B错误；丙图中，若温度过高则酶的活性下降，光合速率会下降，C错误；甲图中A点之后限制因素不再是光照强度、CO2浓度或温度(由题干信息可知，除各图中所示因素外，其他环境因素均控制在最适范围内)，故很可能是内因影响，如叶绿体中色素的含量、酶的含量等，D正确。
6．(2014·全国卷Ⅱ)某植物净光合速率的变化趋势如图所示。

据图回答下列问题：
(1)当CO2浓度为a时，高光强下该植物的净光合速率为 ________。CO2浓度在a～b之间时，曲线________表示了净光合速率随CO2浓度的增高而增高。
(2)CO2浓度大于c时，曲线B和C所表示的净光合速率不再增加，限制其增加的环境因素是________。
(3)当环境中CO2浓度小于a时，在图示的3种光强下，该植物呼吸作用产生的CO2量________(填“大于”“等于”或“小于”)光合作用吸收的CO2量。
(4)据图可推测，在温室中，若要采取提高CO2浓度的措施来提高该种植物的产量，还应该同时考虑_______这一因素的影响，并采取相应措施。
答案　(1)0　A、B和C　(2)光强　(3)大于　(4)光强
解析　(1)根据曲线图可知，当CO2浓度为a时，高光强下(曲线A)该植物的净光合速率为0；CO2浓度在a～b之间时，曲线A、B和C的净光合速率都随着CO2浓度的增高而增高。
(2)由图可知，影响净光合速率的因素为CO2浓度和光强。当CO2浓度大于c时，由于受光强的限制，光反应产生的[H]和ATP不足，光合作用受到限制，曲线B和C的净光合速率不再增加。
(3)当环境中的CO2浓度小于a时，在图示的3种光强下，植物的净光合速率均小于0，即该植物呼吸作用产生的CO2量大于光合作用吸收的CO2量。
(4)据图可推测，光强和CO2浓度都会影响植物的净光合速率，因此若要采取提高CO2浓度的措施来提高该种植物的产量，还要考虑光强这一因素的影响。

解答光合作用相关曲线的基本步骤
明标
即明确横坐标和纵坐标所表示的含义
找点
即找出曲线中的起点、止点、顶点、交点和转折点等关键点。
如光照强度(或CO2浓度)对光合作用强度影响的曲线中，在光照强度为0时，曲线在纵坐标上对应的点表示细胞呼吸所释放的CO2量或消耗的O2量；曲线在横坐标上的交点为光补偿点(或CO2补偿点)，即表示光合作用强度与细胞呼吸强度相同时的光照强度(或CO2浓度)
析线
即找出曲线上升、下降或波动等变化趋势，并找出变化的原因。如夏天一天中的光合作用曲线，往往会呈现“M”型变化，其“午休”效应出现的原因是中午时温度过高，蒸腾作用过强，导致气孔关闭，使得CO2供应不足
找因
在受多种因素影响时，找出曲线的限制因素。方法是对纵坐标或横坐标画垂线、或者只看某一条曲线的变化，从而将多因素转变为单一因素，进而确定限制因素
题组三　光合作用与细胞呼吸的“关键点”移动
7．已知某植物光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25 ℃和30 ℃，如图表示30 ℃ 时光合作用与光照强度的关系。若温度降到25 ℃(原光照强度和二氧化碳浓度不变)，理论上图中相应点a、b、c、d的移动方向分别是(　　)

A．下移、右移、左移、左上移
B．下移、左移、左移、左下移
C．上移、左移、右移、右上移
D．上移、右移、右移、右上移
答案　C
解析　图中a、b、d三点分别表示细胞呼吸强度、光补偿点和光饱和点时的光合作用强度。由题干“光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25 ℃和30 ℃”可知，当温度从30 ℃降到25 ℃时，细胞呼吸强度降低，a点上移；光合作用强度增强，所以光饱和点(c点)时吸收的CO2增多，需要的光照强度也增大，所以c点右移，d点右上移。b点时光合作用强度等于呼吸作用强度，若温度由30 ℃降到25 ℃时细胞呼吸作用强度降低，光合作用强度增强，此时要使光合作用强度仍然与细胞呼吸强度相等，需降低光照强度来降低光合作用强度，即b点左移。
8．图甲中试管A与试管B敞口培养相同数量的小球藻，研究光照强度对小球藻氧气产生量的影响，试管A的结果如图乙曲线所示。据图分析，下列叙述正确的是(　　)

A．Q点的O2净释放量为零，是因为此点光合作用强度为零
B．P点为负值的原因是细胞呼吸消耗氧气；适当降低温度，P点将下降
C．在图乙上绘制装置B的曲线，Q点应右移
D．降低CO2浓度时，在图乙上绘制装置A的曲线，R点应右移
答案　C
解析　Q点时净光合速率为0，光合作用强度不为0，A错误；P点对应数值的绝对值代表呼吸速率，若适当降低温度，呼吸速率会下降，则P点会上移，B错误；装置B中缺镁影响叶绿素的合成，光合速率低，Q点应右移，C正确；CO2浓度降低，光合速率下降，R点应向左下方移动，D错误。

曲线中各关键点的移动规律

(1)各点移动的可能情况
①A点代表呼吸速率，凡能改变呼吸速率的因素(例：温度等)都能使A点沿纵坐标上下移动。
②B点代表光合速率等于呼吸速率即光(CO2)补偿点，凡能改变光合速率或呼吸速率的因素(例：温度、CO2浓度、光照强度等)都能使B点沿横坐标左右移动。
③C点代表达到最大光合速率所需的最小CO2浓度(光照强度)即光(CO2)饱和点，凡能改变光合速率的因素都能使C点沿横坐标左右移动。
④D点代表最大光合速率，凡能影响光合速率的因素都能使D点向左下或右上方移动。例如光照强度降低时，光合速率下降，D点对应的横坐标左移，纵坐标下移，即D点向左下方移动。
(2)光补偿点与光饱和点的变化(注：只有横坐标为自变量，其他条件不变)

光补偿点
光饱和点
CO2浓度增大
左移
右移
CO2浓度减小
右移
左移
土壤缺Mg2＋
右移
左移
题组四　自然和密闭环境中植物光合速率和呼吸速率曲线分析
9．将一植物放在密闭的玻璃罩内，置于室外进行培养，假定玻璃罩内植物的生理状态与自然环境中相同。获得实验结果如图所示。下列有关说法不正确的是(　　)

A．图乙中的C点对应图甲中的C点，此时细胞内的气体交换状态对应图丙中的①
B．图甲中的F点对应图乙中的H点，此时细胞内的气体交换状态对应图丙中的③
C．到达图乙中的D点时，玻璃罩内CO2浓度最高，此时细胞内气体交换状态对应图丙中的③
D．经过一昼夜，植物体的有机物含量会增加
答案　A
解析　图乙中C、D点分别表示光合作用即将开始、光合速率等于呼吸速率，分别对应图甲中的B点和C点，细胞内的气体交换状态分别为图丙的①、③，到达图乙中D点时，玻璃罩内的CO2浓度最高，A错误，C正确；图甲中的F点是一天中第二次光合速率等于呼吸速率的点，对应图乙中的H点、图丙中的③，B正确；经过一昼夜，玻璃罩内的CO2浓度降低，说明植物体内的有机物含量增加，D正确。
10．图甲中曲线Ⅰ表示夏季某一天的温度变化，图乙曲线表示放置于密闭玻璃罩内的某植物在这一天内引起的玻璃罩内CO2浓度变化，请据图分析回答下列问题：


(1)若图甲曲线Ⅱ和Ⅲ中有一条代表该植物的总光合速率，则应该是曲线________；结合曲线Ⅰ分析，曲线Ⅲ的A点出现小波动的原因是________________________________________________________。
(2)若第(1)小题的分析正确，则曲线Ⅱ的B点和曲线Ⅲ的E点分别代表________________和____________________。
(3)曲线Ⅲ的D点对应图乙曲线中________段的某一点，此时限制光合速率的外界因素主要是________；图乙曲线中H点对应图甲中________点。
(4)图甲中可用______________________表示该植物一天内的有机物积累量；而由图乙可知，该植物在密闭玻璃罩的一天时间内，植物体内的有机物量________(填“增加”“减少”或“基本不变”)。
答案　(1)Ⅱ　凌晨时气温较低，导致催化植物细胞呼吸的酶活性降低，从而影响细胞呼吸(有氧呼吸)释放CO2的速率(答案合理即可)
(2)开始进行光合作用(或光合速率为0)　光合速率等于呼吸速率(或净光合速率为0)
(3)FG　CO2浓度　E
(4)曲线Ⅲ与横轴围成的正面积与负面积之差　增加
解析　(1)由图甲可知，曲线Ⅲ在夜间也有速率变化，而曲线Ⅱ的速率变化只在白天体现，因此，曲线Ⅲ代表净光合速率，曲线Ⅱ代表总光合速率；由图中横轴所表示时间可知，A点对应的温度较低，由此可推知，由于气温降低导致酶活性降低，从而影响植物细胞呼吸释放CO2的速率。
(2)B点为曲线Ⅱ(代表总光合速率)与横轴的交点，即此时该植物开始进行光合作用；E点为曲线Ⅲ(代表净光合速率)与横轴的交点，即此时该植物的净光合速率为0(光合速率等于呼吸速率)。
(3)甲图中曲线Ⅲ的D点出现小波动的原因是中午气温过高，植物蒸腾作用加强，水分大量散失出现气孔关闭现象，引起CO2供应不足，导致光合速率下降，可从乙图的时间判断或从FG段比EF段玻璃罩内CO2浓度下降速率变小了来判断，故D点对应图乙曲线中FG段的某一点；图乙曲线的H点代表净光合速率在傍晚为0的点，所以对应图甲中曲线Ⅲ的E点。
(4)图甲中曲线Ⅲ代表该植物的净光合速率，因此，一天时间内，有机物的积累量可由曲线Ⅲ与横轴围成的面积来判断；图乙曲线代表密闭环境中CO2浓度变化，一天时间内，有机物的积累量可由曲线的起点和终点的高低来判断，由图乙可知，图乙曲线的终点低于起点，说明一天内密闭玻璃罩内的CO2浓度降低，植物吸收CO2积累了有机物。

1．夏季的一天中CO2吸收和释放变化曲线图如下(会分析，理解，不死记)：

(1)Ob段：只进行细胞呼吸。
(2)a点：凌晨2～4时，温度降低，呼吸作用减弱，CO2释放量减少。
(3)b点：上午6时左右，太阳出来，开始进行光合作用。
(4)bc段：由于光照较弱，光合速率小于呼吸速率。
(5)c点：上午7时左右，光合速率等于呼吸速率。
(6)ce段：上午7时至下午6时左右，光合速率大于呼吸速率。
(7)d点：温度过高，失水过多部分气孔关闭，出现“光合午休”现象。
(8)e点：下午6时左右，光合速率等于呼吸速率。
(9)ef段：光合速率小于呼吸速率，f点之后植物停止光合作用。
温馨提示：关于有机物情况：
积累有机物时间段：ce段；
制造有机物时间段：bf段；
消耗有机物时间段：Og段；
一天中有机物积累最多的时间点：e点；
一昼夜有机物的积累量：SP－SM－SN。
2．相对密闭的环境中，一昼夜CO2含量的变化曲线图和O2含量的变化曲线图的比较
比较项目
一昼夜CO2含量的变化曲线图(小室中CO2变化状况)
一昼夜O2含量的变化曲线图(小室中O2变化状况)
图示


曲线分析
C点、E点：光合作用强度＝呼吸作用强度。
CE段：CO2含量下降(O2含量上升)，光合作用强度>呼吸作用强度。
MC段和EN段：CO2含量上升(O2含量下降)，光合作用强度0时，植物因积累有机物而生长。
②当净光合速率＝0时，植物不能生长。
③当净光合速率