高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》二 光合作用的原理和应用教案配套课件ppt

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第
节
4
光合作用与能量转化
第 5 章
高中生物学 必修1
1. 简述绿叶中色素的种类及功能。2. 解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点。3. 说明光合作用的过程，并从物质与能量观视角阐明光合作用的原理。4. 设计并实施实验，探究环境因素对光合作用强度的影响。5. 关注光合作用原理的应用。
学习目标
重点1.叶绿体中色素的种类及其作用。2.光合作用的发现及研究历史。3.光合作用的光反应、暗反应过程及相互关系。4.影响光合作用强度的环境因素。难点1.光反应和暗反应的过程。2.探究影响光合作用强度的环境因素。
重点难点
一　捕获光能的色素和结构叶绿体中捕获光能的色素分布在[1] 　　　　　　　　　，叶绿体内靠[2] 　　　　增大膜面积。绿叶中色素的提取和分离实验中，用[3] 　　　　　　提取绿叶中的色素，用[4] 　　　 　分离色素，分离的原理是四种色素在其中的[5] 　　　 　　不同。实验中加入碳酸钙的作用是[6] 　　　　 　，加入二氧化硅的作用是[7] 　　 　　。二　光合作用光合作用的光反应需要色素的参与，因而发生在[8] 　　 　　　　，其中叶绿素主要吸收可见光部分的[9] 　　　　　　，类胡萝卜素主要吸收[10] 　　　　。从物质转化来看，光反应又包含[11] 　　 　　和[12] 　　 　　两步反应。从能量转化角度来看，光反应是把光能转化成[13] 　　 　　　　。
课前预习
类囊体的薄膜上
基粒
无水乙醇
层析液
溶解度
保护色素不被破坏
有助于研磨充分
叶绿体类囊体的薄膜上
红光和蓝紫光
蓝紫光
水的光解
ATP 的合成
ATP 中活跃的化学能
光合作用的暗反应有光无光均可进行，发生在[14] 　 　　　 　中，主要包含的物质转化是[15] 　 　　和[16] 　　　的还原。从能量转化角度来看，主要是将ATP 中活跃的化学能转化为[17] 　　　　 　 　　。影响光合作用强度的环境因素有[18] 　　　　、[19] 　　 　　、[20] 　　　 　、和[21] 　　 　等。三　化能合成作用化能合成作用是指利用体外环境中的[22] 　　 　　　氧化时所释放的能量来制造有机物。例如，硝化细菌能利用[23] 　　　　氧化时释放的化学能将[24] 　　 　　合成为糖类，供自身利用。
叶绿体基质
二氧化碳的固定
C3
有机物中稳定的化学能
光照
二氧化碳浓度
温度
土壤含水量
某些无机物
氨
二氧化碳和水
判断题光合作用需要的色素和酶分别分布在叶绿体基粒和基质中 （　　） 2. 叶绿素a 和叶绿素b 都含有镁元素 （　　） 3. 叶绿素a 和叶绿素b 在红光区的吸收峰值不同 （　　） 4. 植物叶片呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光 （　　） 5. 叶片黄化，叶绿体对红光的吸收增多 （　　） 6. 绿叶中色素分离的原理是色素溶解在有机溶剂中 （　　） 7. H2O 在光下分解为［H］和O2 的过程发生在叶绿体基质中 （　　） 8. 离体的叶绿体的基质中添加ATP、［H］和CO2 后，可完成暗反应过程 （　　）
√
×
√
√
×
×
×
×
深度思考思考1 　为什么叶片一般呈现绿色？ 思考2 　为什么无色透明的大棚中植物的光合效率最高？
提示：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，所以无色透明的大棚中植物的光合效率最高。
提示：因为叶绿素对绿光的吸收量很少，绿光被反射出来，所以叶片一般呈现绿色。
内容精解
一 捕获光能的色素
绿叶中色素的提取和分离 实验原理1. 色素提取的原理：绿叶中的色素易溶于无水乙醇、丙酮、石油醚等有机溶剂。2. 色素分离的原理：不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快；反之，则慢。方法步骤
【问题思考】（1）为什么需要选用新鲜绿色的叶片做实验材料？ 提示：新鲜绿色的叶片中色素含量高，从而使滤液中色素含量较高，实验效果明显。（2）为什么研磨时要迅速？为什么研磨时要加入少量的碳酸钙和二氧化硅？ 提示：叶绿素不稳定，易被破坏，因此研磨要迅速、充分， 以保证提取较多的色素。二氧化硅会破坏细胞结构， 使研磨充分。碳酸钙可防止研磨过程中色素被破坏。（3）为什么盛放滤液的试管管口加棉塞？ 提示：防止无水乙醇挥发和色素氧化。（4）滤纸为什么需预先干燥处理？在制备滤纸条时， 为什么将一端的两个角剪掉？ 提示：干燥处理的目的是使层析液在滤纸上快速扩散；剪掉两角的目的是防止层析液沿滤纸边缘扩散过快，以保证色素带分离整齐。
（5）为什么滤液细线要画得直、细、齐，而且待滤液细线干燥后再重复画一两次？ 提示：滤液细线要画得直、细、齐的目的是使分离出的色素带平整、不重叠；滤液细线干燥后再重复画一两次，使分离出的色素带清晰分明。（6）在层析时，为什么不能让滤液细线触及层析液？ 提示：滤纸条上的滤液细线触及层析液，会使色素直接溶解到层析液中，结果使滤纸条上得不到色素带。（7）分析滤纸条上色素带宽窄不同的原因？ 提示：不同种类的色素在绿叶中的含量不同，含量多的色素带宽；反之，色素带窄。（8）叶绿体中各色素溶解度大小的关系是怎样的？ 溶解度大小：胡萝卜素> 叶黄素> 叶绿素a> 叶绿素b。
捕获光能的色素 种类（如图） 色素含量：叶绿素a> 叶绿素b> 叶黄素> 胡萝卜素。分布：叶绿体的类囊体薄膜上。作用：吸收光能用于光合作用。
叶绿体中的色素及色素的吸收光谱 由图中可以看出： 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。
例 1 难度★★☆ 典型★★★ 在做“绿叶中色素的提取和分离”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，他们所得到的实验结果依次应为图中的（　　） A. ①②③④ 　　 B. ②④①③ C. ④②③① 　　 D. ③②①④
【解析】无水乙醇用于溶解绿叶中的色素，甲同学未加无水乙醇，其滤纸条上应无色素带，对应②。乙同学操作正确，其滤纸条上的色素带应是正常的，对应④。碳酸钙能够防止研磨时色素被破坏，丙同学未加碳酸钙，其滤纸条上叶绿素a、叶绿素b 对应的色素带应较窄，对应①。二氧化硅能够使研磨更充分，丁同学未加二氧化硅，其滤纸条上的四条色素带均应较窄，对应③。【答案】B
例 2 ［2020·河北三市联考］ 下列有关绿叶中色素的提取和分离实验的叙述中，正确的是 （　　）A. 叶绿素的提取需要加入层析液作为提取液B. 过滤时应使用单层尼龙布，并用棉塞塞住试管口C. 分离色素时应将滤液细线置于层析液中D. 选材不同，四条色素带在滤纸条上的排列顺序不同
【解析】提取叶绿素应使用无水乙醇，层析液用于分离色素，A 项错误；过滤时使用单层尼龙布，并用棉塞塞住试管口，以防止无水乙醇挥发，B 项正确；分离色素时不能将滤液细线置于层析液中，否则色素会溶入层析液中，C 项错误；不同材料中四种色素在层析液中的溶解度相同，来自不同材料叶绿体中的四种色素含量可能不同，经过纸层析后，在滤纸上的排列顺序相同，色素带粗细可能不同，D 项错误。【答案】B
1.（★★） ［2020·广东东莞高一期末］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. 应该在研磨叶片后立即加入碳酸钙，防止叶绿素被破坏B. 在画出一条滤液细线后紧接着重复画线2～3 次C. 若滤液细线全部没入层析液，则无法观察到色素带D. 在层析液中溶解度最高的叶绿素 a 在滤纸条上扩散得最快
【解析】在进行“绿叶中色素的提取和分离”实验中，应该在研磨叶片之前加入碳酸钙，防止研磨过程中叶绿素被破坏，A 项错误；在画出一条滤液细线后，要待滤液干燥后，再重复画线 1～2 次，使得滤液细线细、直、齐，而且色素含量较多，B 项错误；若滤液细线全部没入层析液，就会溶解到层析液中，则无法观察到色素带，C 项正确；在层析液中溶解度最高的是胡萝卜素，在滤纸条上扩散得最快，D 项错误。【答案】C
【即时练】
2. 下图是新鲜菠菜叶的光合色素纸层析的结果，下列叙述中正确的是 （　）A. 色素带①②都是由碳氢链组成的分子B. 色素带①②变窄的原因可能是未加碳酸钙C. 纸层析的原理是光合色素易溶于体积分数为 95% 的乙醇D. 色素带③④中的色素只能吸收红光和蓝紫光
【解析】由题图可知，色素带①是胡萝卜素，②是叶黄素，二者都是由碳氢链组成的分子，A 项正确；研磨时加入碳酸钙是为了保护叶绿素，而色素带①是胡萝卜素，②是叶黄素，B 项错误；纸层析的原理是不同光合色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的在滤纸条上扩散得快，而溶解度低的在滤纸条上扩散得慢，C 项错误；色素带③是叶绿素 a，④是叶绿素 b，叶绿素 a 和叶绿素 b 主要吸收红光和蓝紫光，而非只吸收红光和蓝紫光，D 项错误。【答案】A
3.（★★） ［2020·北京石景山区高一期末］某同学在做“绿叶中色素的提取和分离” 实验时，为了确定无水乙醇、CaCO3 和 SiO2 的作用，进行了 4 组实验来验证，4 组实验结果如下图所示，第④组是进行了正确操作的对照组。下列针对实验结果的分析，不正确的是 （　）A. ①可能是未加 CaCO3 而得到的实验结果B. ②可能是因用水取代了无水乙醇而得到的实验结果C. ③可能是因未加 SiO2 而得到的实验结果D. 绿叶中的色素都能够溶解在层析液中，四种色素的溶解度相同
【解析】①组实验结果不理想的原因可能是未加 CaCO3而使叶绿素被破坏，A 项正确；色素能溶解在无水乙醇中，而不能溶于水，所以用水取代无水乙醇不能分离出色素带，B 项正确；③中色素带较窄，分离出的色素少，原因可能是未加SiO2 而使得研磨不充分，C 项正确；绿叶中的色素都能够溶解在层析液中，但是四种色素的溶解度不同，D 项错误。【答案】D
4. 分别在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个研钵中加2 g 剪碎的新鲜菠菜绿叶， 并按下表所示添加试剂，经研磨、过滤得到三种不同颜色的溶液，即深绿色、黄绿色、几乎无色。注：“+”表示加，“-”表示不加。则Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个研钵中的溶液颜色分别是（　　） A. 几乎无色、黄绿色、深绿色B. 深绿色、几乎无色、黄绿色C. 黄绿色、深绿色、几乎无色D. 黄绿色、几乎无色、深绿色
【解析】由题干信息可知，研钵Ⅰ中未加入碳酸钙和蒸馏水，研钵Ⅱ中未加入无水乙醇，研钵Ⅲ中未加入蒸馏水。色素提取过程中，二氧化硅可使研磨充分，碳酸钙可保护叶绿素等色素免受破坏，无水乙醇用于溶解色素，色素不溶于蒸馏水。研钵Ⅰ中因未加入碳酸钙，部分叶绿素被破坏，因此溶液应呈黄绿色；研钵Ⅱ中未加入无水乙醇，色素不能被溶解，因而溶液几乎无色；研钵Ⅲ中能得到正常的提取液，溶液呈深绿色。【答案】D
5. 如图表示某同学做“绿叶中色素的提取和分离”实验时的改进装置，下列与之有关的叙述中，错误的是（　　） A. 应向培养皿中倒入层析液B. 应将滤液滴在a 处，而不能滴在b 处 C. 实验结果应是得到四个不同颜色的同心圆（近似圆形） D. 实验得到的若干个同心圆中，最小的一个圆呈橙黄色
【解析】题图所示是一个绿叶中色素分离的实验装置，所以应把层析液倒入培养皿中，灯芯起到传递层析液的作用，把滤液滴到a 处让其随层析液在定性滤纸上扩散，四个圆圈中扩散最慢的即为最小的，它应该是呈黄绿色的叶绿素b。【答案】D
6. 下列有关“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述，正确的是（　　） A. 加入碳酸钙防止滤液挥发B. 用NaCl 溶液提取叶片中的色素C. 用无水乙醇或丙酮分离滤液中的色素D. 加入二氧化硅（石英砂）有利于充分研磨
【解析】加入碳酸钙的目的是防止色素被破坏，用无水乙醇或丙酮提取色素而不是分离滤液中的色素。【答案】D
叶绿体的结构与功能结构（如图） 1. 双层膜：分为内膜和外膜，其主要功能是控制物质进出叶绿体。2. 基粒：由囊状结构（类囊体）堆叠而成。吸收光能的四种色素和光反应所需的酶就分布在类囊体的薄膜上。3. 基质：在基粒与基粒之间充满基质，基质中含有与光合作用暗反应有关的酶。另外，还含有少量DNA 与RNA，与叶绿体的遗传有关。
二　叶绿体的结构与功能
功能叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。叶绿体功能的验证实验 恩格尔曼的实验过程及现象
【特别提示】恩格尔曼实验的巧妙之处（1）实验材料选择妙实验材料选择水绵。水绵不仅具有细而长的带状叶绿体，而且叶绿体螺旋状地分布在细胞中，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氧气和光的干扰。（3）观测指标设计妙通过好氧细菌的分布进行检测，从而能够准确地判断出释放氧气的部位。（4）实验对照设计妙用极细的光束点状投射，叶绿体上可分为获得光照部位和无光照部位，相当于一组对照实验；进行黑暗（局部光照）和完全暴露在光下的对照实验；明确实验结果完全是由光照引起的等。
例 1 难度★★☆ 典型★★☆ ［2020·沈阳铁路中学高三模拟］下列关于色素的叙述中，正确的是（　　）A. 植物体内所有的色素都位于叶绿体中B. 叶绿体中的不同色素在无水乙醇中的溶解度不同，所以会在滤纸条上分离C. 叶绿体中的各种色素都不能吸收绿光D. 叶绿体中的色素分布于类囊体薄膜上
【解析】植物体内光合色素都位于叶绿体中，液泡中也含有色素，A 项错误；由于色素在层析液中的溶解度不同，所以其在滤纸条上的扩散速度不同，能在滤纸条上分离，B 项错误；叶绿体中的色素对绿光吸收的很少，而不是不吸收，C 项错误；叶绿体中的光合色素分布于类囊体薄膜上，D 项正确。【答案】D
例 2 难度★★☆ 典型★★☆ 下列关于叶绿体的描述，错误的是（　　） A. 基粒由类囊体堆叠而成B. 叶绿体的外表有双层膜C. 暗反应发生在类囊体薄膜上D. 类囊体薄膜上具有叶绿素和酶
【解析】叶绿体是具有双层膜结构的细胞器，其中许多类囊体像圆饼一样叠在一起，形成基粒；类囊体薄膜上有许多与光合作用有关的色素和酶。在暗反应中，CO2 的固定和C3 的还原在叶绿体基质中进行。【答案】C
【即时练】1. 红枫是一种木本观赏植物，在生长季节叶片呈红色，下列关于该植物的叙述，正确的是（　　） A. 红枫叶片不含叶绿素B. 红枫叶片呈红色是因为吸收了红光C. 红枫叶片能吸收光能进行光合作用D. 液泡中色素吸收的光能用于光合作用
【解析】红枫叶片含叶绿素，可进行光合作用；红枫叶片呈红色是因液泡中含有花青素，花青素是不能吸收光能进行光合作用的。【答案】C
2.（★★） ［2020·辽宁大连高一期末］下图为叶绿体中色素吸收光能的情况，以下说法中正确的是 （ ）①在晚间用绿光照射行道树，目的是通过植物光合作用以增加夜间空气中的 O2 浓度　②据图可知，用波长 400 ～ 470nm 的光比用白光更有利于提高光合作用强度　③在经过纸层析法分离出来的色素带上，胡萝卜素的色素带在最上面　④一般情况下，光合作用所利用的都是可见光，波长范围是390 ～ 760 nm　⑤土壤中缺乏镁时，新叶对 620 ～ 670 nm 波长的光利用量无明显变化A. ②④⑤　　B. ③④⑤　C. ②③④　　D. ①②⑤
【解析】植物光合作用几乎不利用绿光，所以用绿光照射达不到增加夜间空气中的 O2 浓度的目的，①错误；波长 400 ～ 470 nm 的光只是白光的一部分，与白光相比不利于提高光合作用强度，②错误；胡萝卜素在层析液中的溶解度最高，因此在色素带上胡萝卜素的色素带在最上面，③正确；一般情况下，光合作用所利用的都是波长范围为390 ～ 760 nm 的可见光，④正确；土壤中缺镁时，老叶中的镁元素可以转移到新叶中，所以新叶对 620 ～ 670 nm 波长的光利用量无明显变化，⑤正确。【答案】B
三 探究光合作用原理的部分实验
例 科学家往小球藻培养液中通入14CO2 后，分别给予小球藻不同时间的光照，结果如下表： 根据上述实验结果分析，下列叙述错误的是 （　　） A. 小球藻没有叶绿体，CO2 的固定是在细胞质基质中发生的B. 每组照光后需将小球藻进行处理使酶失活才能测定放射性物质分布C. 本实验研究的是卡尔文循环D. 实验结果说明光合作用产生的有机物除糖类外还有其他有机物
【解析】小球藻是绿藻的一种，是单细胞真核生物，有叶绿体，A 项错误；由题意可知，用的是同位素标记法探究二氧化碳中碳元素的去向，而物质在体内会在酶的作用下进行代谢，要准确测出碳的去向就需要将小球藻进行处理使酶失活测定放射性物质分布，B 项正确；本实验研究的是卡尔文循环，C 项正确；表格中的数据说明光合作用除了产生的有机物除糖类外还有氨基酸、有机酸等，D 项正确。【答案】A
【即时练】1. 下图表示在较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量相等的条件下，小球藻进行光合作用的实验示意图。一段时间后，以下相关比较不正确的是（　 　） A. Y2 的质量大于Y3 的质量B. ④中小球藻的质量大于①中小球藻的质量C. ②中水的质量大于④中水的质量D. 试管①的质量大于试管②的质量
【解析】由题意可知，Y1 和Y3 是O2，Y2 和Y4 是18O2，因此Y2 的质量大于Y3 ；④中小球藻含有（CH218O），而①中小球藻中含有（CH2O），故④中小球藻的质量大于①中小球藻的质量； ④和②中的水都为H218O，且含量相同，因此质量相等；在试管①和②原有质量相等的情况下，②中释放出的是18O2，而①中释放出的是O2，故剩余质量①大于②。【答案】C
四 光合作用的过程
光反应阶段 概念：光合作用第一个阶段中的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫光反应阶段。场所：叶绿体的类囊体薄膜上。条件：必须有光、叶绿体中的色素和酶。过程水的光解：2H2O → 4［H］+O2 ATP 的合成：ADP+Pi → ATP 实质：将光能转变为储存在ATP 中的活跃的化学能，释放O2。
暗反应阶段 概念：光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都可以进行，这个阶段叫暗反应阶段。场所：叶绿体基质中。条件：多种酶参与。过程CO2 的固定：CO2+C5 → 2C3 C3 的还原：2C3+［H］→（CH2O）+C5 实质：同化CO2，将活跃的化学能转变为有机物中稳定的化学能。光反应阶段和暗反应阶段的关系 联系：光反应和暗反应是一个整体，二者紧密联系。光反应是暗反应的基础，为暗反应提供能量（ATP）和还原剂（［H］），暗反应产生的ADP 和Pi 为光反应合成ATP 提供原料。
区别
【特别注意】暗反应在有光、无光条件下都能进行。若光反应停止， 暗反应可利用光反应阶段产生的还未被利用的［H］ 和ATP 继续进行一段时间，但时间很短，大多数植物晚上只进行细胞呼吸，不进行暗反应。
例 1 难度★★☆ 典型★★★下图为叶绿体结构与功能示意图，下列说法错误的是（　　） A. 结构A 中的能量变化是光能转换为ATP 中的化学能B. 供给14CO2，放射性出现的顺序为CO2 → C3 →甲C. 结构A 释放的O2 可进入线粒体中D. 如果突然停止CO2 的供应，短时间内C3 的含量将会增加
【解析】结构A 为类囊体薄膜，分布有与光反应有关的酶和色素，能把光能转换为ATP 中活跃的化学能，A 项正确。从暗反应的过程可以看出，供给14CO2，放射性出现的顺序为CO2 → C3 →甲，B 项正确。光合作用产生的O2 可进入线粒体，被细胞呼吸利用，C项正确。在光合作用中，CO2 首先被C5 固定形成C3，若突然停止CO2 的供应，则C3 的生成量减少，而其消耗量不变，因此短时间内C3 的含量将会减少，D 项错误。【答案】D
例 2 难度★★☆ 典型★★★［2020·四川德阳一模］通过对光合作用的研究发现：叶绿体接受光照后，类囊体腔内的 pH 明显下降。下列有关该现象的原因的叙述，正确的是 （　　）A. NADPH 分解释放 H + 引起B. 大量 CO 2 进入叶绿体基质引起C. 与 ATP 水解后产生磷酸有关D. 该现象与 H 2 O 的光解有关
【解析】光反应阶段，H 2 O 被分解为 O 2 和 H + 等，H + 与NADP + 结合，形成 NADPH，A 项错误。CO 2 进入叶绿体后，参与暗反应，在叶绿体基质中进行，最终被还原为糖类等有机物，不会进入类囊体腔内导致 pH 下降，B 项错误。光反应产生的 ATP 参与暗反应，ATP 水解发生在叶绿体基质中，不是发生在类囊体腔内，C 项错误。光反应过程中，H 2 O 在光下分解产生 H + 和 O 2 等，H + 可以使类囊体腔内的 pH 明显下降，D 项正确。 【答案】D
【即时练】1. 光合作用过程包括光反应和暗反应。图表示光反应与暗反应的关系，据图判断下列叙述不正确的是（　　） A. 光反应为暗反应提供ATP 和NADPH（［H］） B. 停止光照，叶绿体中ATP 和NADPH 含量下降C. ATP 的移动方向是由类囊体到基质D. 植物在暗处可大量合成（CH2O）
【解析】光合作用必须在光照条件下进行，在暗处植物不能大量合成（CH2O）。【答案】D
2. 在适宜的条件下，植物光合作用的光反应与暗反应是平衡的，但是这个平衡会受到外界环境， 如光照突然增强的影响。请回答下列问题： （1）植物在光反应过程中，吸收的光能除了用于合成ATP 外， 还用于 　　　　　　　　　　；在暗反应过程中， CO2 通过气孔进入叶肉细胞的过程在夏季中午会受到抑制， 原因是 a 。（2）光照突然增强时，植物吸收CO2 的速率并没有迅速上升而是缓慢上升，可能的原因是 　　　　　　　　　；光照强度减弱时，植物吸收CO2 的速率并没有迅速降低，可能的原因是 　　　　　　　　　　　　　。
【解析】（1）光反应过程中，吸收的光能既可用于合成ATP， 又可将H2O 分解成O2 和［H］；夏季中午气温高，为减少蒸腾作用，气孔（部分）关闭，减少了CO2 的吸收，影响暗反应。（2）光照突然增强时，光反应先增强，光反应产生的［H］和ATP 增加，进而使C5 的生成量增加，固定的CO2 才会增加； 光照强度减弱时，光反应减弱，但光反应过程积累的［H］ 和ATP 可以继续利用，所以植物吸收CO2 的速率不会迅速降低。【答案】（ 1）将 H2O 分解成 O2 和［H］　 夏季中午气温高，为减少蒸腾 作用，气孔（部分）关闭　（2）叶绿体内C5 含量较低，C5 再生需要一段时间　光反应过程积累的ATP 和[H] 供暗反应继续利用
五　化能合成作用
概念 某些细菌（如硝化细菌、硫细菌等）能够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，这种合成作用叫作化能合成作用。举例 硝化细菌（包括亚硝化细菌和硝化细菌）利用将土壤中的NH3 氧化成HNO2、HNO3 释放的能量，将CO2 和H2O 合成为有机物，并将能量储存在有机物中。其反应式如下： 2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+ 能量2HNO2+O2 2HNO3+ 能量6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O
例 难度★★☆ 典型★★☆ 光合作用与化能合成作用的相似点是（　　） A. 都以太阳能作为能源B. 都需要将环境中的物质氧化释放能量C. 都能将无机物转变成有机物D. 都是高等生物的代谢类型
【解析】进行光合作用和化能合成作用的生物都是自养生物，两者的共同点是都能将外界环境中的无机物转变成储存着能量的有机物。【答案】C
深度拓展
一 影响光合作用的环境因素
单一环境因素对光合作用的影响光照强度（如图） 1. 原理分析：光照强度通过影响光反应阶段，影响ATP 和［H］的产生，进而制约暗反应阶段。
2. 曲线分析（1）A 点时，光照强度为0，只进行细胞呼吸（对应图中甲图）。植物表现为吸收O2 释放CO2。（2）AB 段，随着光照强度的增强，光合作用强度也逐渐增强，但是仍然小于细胞呼吸强度（对应图中乙图）。植物整体表现为吸收O2 释放CO2。（3）B 点时，光合作用强度等于细胞呼吸强度（对应图中丙图）。此时植物表现为既不吸收CO2 和O2，也不释放CO2 和O2，光合作用同化的有机物量与细胞呼吸消耗的有机物量相等。这一光照强度称为光补偿点。
（4）BC 段，随着光照强度的增强，光合作用强度不断增强（对应图中丁图）。光合作用强度大于细胞呼吸强度，植物表现为吸收CO2 释放O2，有有机物积累。（5）C 点对应的光照强度为光饱和点，C 点时，限制光合速率的环境因素不再是光照强度，可能是温度或CO2 浓度等。3. 应用分析：欲使植株正常生长，则必须使光照强度大于B 点对应的光照强度；适当提高光照强度可增加大棚作物产量。
CO2 浓度（如图） 1. 原理分析：通过影响暗反应阶段，制约C3 的生成。2. 曲线分析：图中A 点表示光合速率等于细胞呼吸速率时的CO2 浓度，即CO2 补偿点，B 点表示CO2 饱和点，该图表示在一定范围内，光合速率随CO2 浓度的增大而增大。3. 应用分析：大气中的CO2 浓度较低时，植物无法进行光合作用。在农业生产中可通过“正其行，通其风”和增施农家肥等措施增大CO2 浓度，以提高光合速率。
温度（如图） 1. 原理分析：温度通过影响与光合作用有关的酶的活性，进而影响光合作用。2. 曲线分析：低温导致酶的活性降低，引起植物的光合速率降低；在一定范围内，随着温度升高酶活性升高，进而引起光合速率增大；温度过高会引起酶活性降低甚至失活， 使植物光合速率减小。3. 应用分析：温室栽培中，白天适当升高温度，以提高光合速率；晚上适当降低温室内的温度，以降低细胞呼吸速率，保证植物有机物的积累。
（2）OB 段表明干物质量随光合作用强度的增大而增加。B 点以后，由于光合作用强度不再增大，但叶片随叶面积指数的不断增大，呼吸量（OC 段）不断增大，所以干物质量不断降低（BC 段）。2. 应用分析：适当间苗、修剪，合理施肥、浇水，避免徒长。封行过早，使中下层叶子所受的光照往往在光补偿点以下，白白消耗有机物，造成不必要的浪费。
光照面积（如图）1. 曲线分析（1）OA 段表明随叶面积指数的不断增大，光合作用实际量不断增大，A 点为光合作用叶面积指数饱和点，A 点以后，随着叶面积指数的增大，光合作用强度不再增大，原因是有很多叶被遮挡，接受光照不足。
多个环境因素同时对光合作用的影响（下图） 曲线分析：P 点及P 点之前，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因素，随横坐标所示因素的不断加强，光合速率不断提高。Q 点及Q 点之后，横坐标所表示的因素不再是光合速率的限制因素，要想提高光合速率，可适当提高图示中的其他因素。应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增强与光合作用有关的酶的活性，以提高光合速率。也可同时充入适量的CO2 进一步提高光合速率。当温度适宜时，可适当提高光照强度和CO2 浓度，以提高光合速率。
【误区警示】影响光合作用因素中的两个易忽略点（1）易忽略温度改变对光合作用的影响。温度改变时， 不管是光反应还是暗反应，均会受到影响，但主要影响暗反应，因为参与暗反应的酶的种类和数量比参与光反应的多。（2）易忽略CO2 浓度对光合作用的影响。CO2 浓度很低时，光合作用不能进行；当CO2 浓度大于某值时，光合作用才能进行。对于植物来说，存在CO2 的补偿点和饱和点，CO2 浓度过高时，会抑制植物的细胞呼吸， 进而影响光合作用。【提醒】植物自身因素对光合作用的影响不同的植物、同种植物的不同器官和不同的发育时期，叶绿体的数量、叶绿体中色素的含量、酶的种类和数量均有差异，光合作用强度亦受影响。
例 1 难度★★★ 典型★★★ 某学校研究小组利用叶面积相等的A、B 两种植物的叶片分别进行了以下两组实验（假设两组实验在相同且适宜的温度下进行，且忽略光照对细胞呼吸的影响）。实验一：将A、B 两种植物的叶片分别放置在相同的密闭小室中，给予充足的光照，利用红外测量仪每隔5 min 测定一次小室中的CO2 浓度，结果如图中图1 所示。实验二：给予不同强度的光照，测量A、B 两种植物叶片的CO2 吸收量和CO2 释放量，结果如图2 所示。 1 2
【解析】（1）由图1 可知，0 ～ 20 min，随着CO2 浓度的降低，B 植物光合速率降低，因此影响其光合作用强度的主要环境因素是CO2 浓度。从两个装置内CO2 浓度达到的最低值来看， B 植物所在装置内CO2 浓度更低，可以判断B 植物具有更强的固定CO2 的能力。（2）实验一从开始到10 min 时，两种植物从外界吸收CO2 的量相等，说明两种植物的净光合速率相同，由于光合作用的实际速率= 净光合速率+ 呼吸速率，由图2 可知，A 植物的呼吸速率小于B 植物的呼吸速率，所以A 植物光合作用产生的有机物总量小于B 植物。（3）若在第5 min 时光照强度突然降低，则光反应减弱，产生的［H］和ATP 的量减少，C3 的消耗量减少，因此C3 含量增加。植物一昼夜（24 h）有机物积累量的变化等于白天的净积累量- 晚上的消耗量，据图分析，当光照强度在a、b 之间时，每日光照12 h，B 植物白天的有机物净积累量小于24 mg·m-2，其晚上呼吸的消耗量为24 mg·m-2， 故一昼夜有机物的积累量为负值，说明一昼夜后B 植物的干重减少。【答案】（1）CO2 浓度　B 植物　（2）少　虽然10 min 时CO2 浓度下降值相同，但A 植物的细胞呼吸强度小于B 植物的细胞呼吸强度　（3）增加　减少
1.某兴趣小组研究光照强度和光合作用的关系，得到下图曲线，下列叙述错误的是 （　）A. A 点时植物只进行细胞呼吸B. B 点对应的光照强度下光合速率等于呼吸速率C. D 点光合速率达到最大D. DE 段的限制因素是光照强度
【即时练】
【解析】在 A 点，对应的光照强度为 0，植物只进行细胞呼吸，A 项正确；在 B 点即光补偿点时，光合速率与呼吸速率相等，B 项正确，据图可知，D 点以后，CO2 吸收速率不再变化，表示净光合速率不再发生变化且达到最大，光合速率= 净光合速率 + 呼吸速率，而呼吸速率不会随着光照强度的变化而变化，因此 D 点光合速率达到最大，C 项正确；D 点已经达到光的饱和点，因此 D 点以后即 DE 段的限制因素不再是光照强度，而是光照强度之外的其他因素，如温度、CO2浓度等，D 项错误。【答案】D
2. 为探究影响光合作用强度的因素，将同一品种玉米苗置于 25 ℃条件下培养，实验结果如下图所示。下列叙述中，错误的是（ ）A. 此实验有两个自变量B. D 点比 B 点 CO2 吸收量高的主要原因是光照强度大C. 实验结果表明，在土壤含水量为 40% ～ 60% 的条件下施肥效果明显D. 制约 C 点光合作用强度的因素主要是土壤含水量
【解析】影响光合作用强度的因素有光照强度、CO2 浓度、温度、肥料、水等，由题意可知本实验探究的自变量有光照强度、肥料、水三个，A 项错误；由图示曲线可知，与 D 点相比，B 点的光照强度较弱，光合作用强度也较弱，因此 D点比B点CO2吸收量高的主要原因是光照强度大，B项正确；根据图示，同一光照条件下，当土壤含水量在 40% ～ 60% 之间时，施肥的效果明显，C 项正确；C 点土壤含水量较少，光合作用强度较低，因此制约 C 点时光合作用强度的因素主要是土壤含水量，D 项正确。【答案】A
3. 下图甲为研究光合作用的实验装置。用打孔器在某植物的叶片上打出多个叶圆片，再用气泵抽出气体直至叶圆片沉入水底，然后将等量的叶圆片转至含有不同浓度的 NaHCO3 溶液中，给予一定的光照，测量每个玻璃皿中叶圆片上浮至液面所用的平均时间（如图乙），以研究光合速率与 NaHCO3 溶液浓度的关系。下列有关分析正确的是 （ ）在 ab 段，随着 NaHCO3 溶液浓度的增加，光合速率逐渐减小B. 在 bc 段，单独增加 NaHCO3 溶液浓度，可以缩短叶圆片上浮至液面的平均时间C. 在 c 点以后，因 NaHCO3 溶液浓度过高，使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降D. 因 NaHCO3 溶液中不含 O2 ，所以整个实验过程中叶圆片不能进行细胞呼吸
【解析】由图乙可知，在 ab 段，随着 NaHCO3 溶液浓度的增加，光合速率逐渐增大，释放的 O2 量增多，叶圆片上浮至液面所用的平均时间减少，A 项错误；由图乙可知，在 bc段，单独增加 NaHCO 3 溶液浓度，不能缩短叶圆片上浮至液面的平均时间，B 项错误；在 c 点以后，因 NaHCO3 溶液浓度过高，使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降，产生的 O2量减少，叶圆片上浮至液面所用的平均时间增加，C 项正确；整个实验过程中叶圆片都在进行细胞呼吸，D 项错误。【答案】C
4. 下图甲为研究光合作用的实验装置。用打孔器在某植物的叶片上打出多个叶圆片，再用气泵抽出气体直至叶圆片沉入水底，然后将等量的叶圆片转至含有不同浓度的 NaHCO3 溶液中，给予一定的光照，测量每个玻璃皿中叶圆片上浮至液面所用的平均时间（如图乙），以研究光合速率与 NaHCO3 溶液浓度的关系。下列有关分析正确的是 （ ）在 ab 段，随着 NaHCO3 溶液浓度的增加，光合速率逐渐减小B. 在 bc 段，单独增加 NaHCO3 溶液浓度，可以缩短叶圆片上浮至液面的平均时间C. 在 c 点以后，因 NaHCO3 溶液浓度过高，使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降D. 因 NaHCO3 溶液中不含 O2 ，所以整个实验过程中叶圆片不能进行细胞呼吸
【解析】曲线由 a 点转向 b 点时，光照强度增大，光反应速率增大，为暗反应提供的［H］和能量增多，C3 的还原反应速率增加，消耗C3 的数量增多，而 CO2 浓度不变，C5 结合 CO2生成 C3的数量暂时不变，故 C3浓度降低，A 项错误；曲线由 b 点转向 d 点时， CO2浓度降低，固定 CO2消耗 C5的数量减少，而 C3还原生成 C5的速率暂时不变， C5浓度升高，B 项正确；对比 a 点和 b 点可知适当增加光照强度可提高光合速率，对比 b 点和 d 点可知，适当提高 CO2浓度有利于提高光合速率，C 项正确；在一定的 CO2浓度条件下，光合速率不能随着光照强度的增大而继续增大，是因为叶绿体中酶的数量有限，限制了光合速率的进一步提升，D 项正确。 【答案】A
二 光照、CO2 浓度对光合作用中各物质含量的影响
图示分析
例 难度★★★ 典型★★★ 右图表示大棚栽培的植物在环境因素发生改变时，叶绿体内暗反应中C3 和C5 含量的变化情况。下列选项中最可能导致这种变化的环境因素是（　　） A. 给植物增施氮肥和镁肥B. 大棚栽培的植物通过增施农家肥料补充CO2 C. 给植物补充适宜强度的人工光照D. 夜间适当降低植物的环境温度
【特别提醒】 　（1）以上各种物质的含量变化是在外界条件改变的短时间内发生的，且是相对含量的变化。（2）以上各物质变化中，C3 和C5 含量的变化总是相反的，［H］和ATP 含量的变化总是一致的。
【解析】氮、镁是构成植物体内叶绿素的重要元素，增施氮肥和镁肥有利于叶绿素的合成，使光反应产生的［H］和ATP 增加， 促进C3 的还原，导致C3 的含量减少，C5 的含量增加。CO2 和C5 结合生成C3，CO2 增多会导致C3 的含量增加，C5 含量减少。补充适宜强度的光照，使光反应产生的［H］和ATP 增加， 加速C3 的还原，导致C3 含量减少，C5 含量增多。夜间适当降低植物的环境温度对光合作用没有影响，C3 和C5 的含量基本不变。【答案】B
1.（★★）［2020·北京怀柔区高一期末］适宜环境下进行光合作用时，如果突然停止光照，短时间内叶绿体中 C5 与［H］相对含量的变化是 （　）A. C5增多， ［H］减少 B. C5 增多， ［H］增多C. C5 减少， ［H］减少 D. C5 减少， ［H］增多
【即时练】
【解析】在其他条件适宜的情况下，在供试植物正常进行光合作用时突然停止光照后，光反应即停止，不再产生［H］和 ATP，而CO2 的固定则继续进行，不断消耗 C5 ，但由于缺少［H］和 ATP， C3的还原减弱直至停止，C3 不能被还原 C5 ，故 C5含量将迅速减少。【答案】C
2.（★★）离体的叶绿体在光照下进行稳定光合作用时，如果突然中断CO2 的供应，短时间内叶绿体中 C3 与 C5 相对含量的变化是 （　　）A. C3减少， C5增多B. C3 增多， C5 增多C. C3减少， C5 减少D. C3 增多， C5 减少
【解析】突然中断 CO2 的供应，导致消耗的 C5减少，所以短时间内 C5的含量增多；中断 CO2供应后，C3 的生成减少，而其还原仍在进行，所以短时间内 C 3 的含量减少，故 C3与 C5相对含量的变化分别是减少、增多，A 项正确。【答案】A
3.（★★）下图表示某植物叶肉细胞中 C3 和C5 含量的变化情况，该植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下，Ⅱ阶段是某个环境条件降低引起的瞬时变化。下列分析正确的是 （　）A.Ⅰ阶段在类囊体薄膜上进行，Ⅱ阶段在叶绿体基质中进行B. 图中Ⅱ阶段的变化很可能是降低光照强度引起的C. 图中甲转变成乙需要光反应提供的 ATP 和 NADPHD. 达到最大光合作用强度时，Ⅱ阶段所需的最小光照强度比Ⅰ阶段低
【解析】题图表示植物叶肉细胞中 C3 和 C5 浓度的变化情况，因此两个阶段均表示光合作用暗反应，发生在叶绿体基质中，A 项错误。在适宜环境条件下，植物叶肉细胞内 C3含量约为 C5含量的 2 倍，故甲应为 C5 ，乙应为 C3 。当光照强度降低时，短时间内光反应产生的［H］、ATP 减少，导致C3 的还原减少，而 C5与 CO2 反应生成的 C3不变，因此 C3含量将上升， C5含量将下降，不符合题图中的变化趋势；而当 CO2浓度降低时，短时间内光反应产生的［H］、ATP 不变， C5与 CO2反应生成的 C3减少，导致 C5的消耗减少，而 C3的还原继续进行，因此 C3含量下降， C5含量将上升，符合题图中的变化趋势，故Ⅱ阶段发生的变化应为CO2浓度降低，B 项错误。甲是 C5 ，乙是 C3 ，甲转变成乙需要 CO2 ，C 项错误。由以上分析可知，发生改变的是CO2浓度降低，达到最大光合作用强度时，Ⅱ阶段所需的光照强度比Ⅰ阶段低，D 项正确。【答案】D
4. ［2020·广东佛山质检］为研究不同环境因素对光合作用的影响，某小组取弱光下培养的黑藻，在适宜且稳定的温度下，逐步进行了以下实验：第一步：给予黑藻充足恒定的光照，一段时间内（t 1 → t 2 ）测得黑藻的光合速率逐渐提高，但至 t 2 后不再提高，而是保持稳定。第二步：维持光照，充入 CO 2 ，一段时间内（t 3 → t 4 ）测得黑藻的光合速率进一步提高。第三步：将黑藻转入黑暗环境中培养，测得光合速率逐渐下降。回答下列问题：（1）在第一步实验中，t 2 后限制光合速率提高的环境因素是　　　　　　　。（2）在第二步实验中，光照强度不变，光反应速率　　　　（填“提高”“降低”或“不变”）。（3）在第三步实验中，转入黑暗后叶绿体内首先积累起来的物质是　　，原因是　　　　　　　 。

【解析】（1）根据给予黑藻充足恒定的光照时，t 2 后光合速率不再提高，再结合第二步充入CO 2 ，光合速率进一步提高，可知 t 2 后限制光合速率提高的环境因素是 CO 2 浓度。（2）第二步实验中，提高了 CO 2 浓度后暗反应速率加快，NADPH和 ATP 的消耗加快，促进了光反应的进行，因此在光照强度不变的情况下，光反应速率提高。（3）黑暗条件下无光照，则 NADPH 和 ATP 的合成停止，C 3 还原受阻，而此时 CO 2的固定仍在进行，因此首先积累起来的物质是 C 3 。【答案】（1）CO 2 浓度　（2）提高　（3）C 3 　转入黑暗后 C 3 还原受阻，而此时 CO 2 的固定仍在进行
三 光合作用与细胞呼吸的相关计算
呼吸速率的表示方法 将植物置于黑暗环境中，测定实验容器内CO2 增加量、O2 减少量或有机物减少量，则可用单位时间内CO2 增加量、O2 减少量或有机物减少量表示呼吸速率。净光合速率和真正光合速率的表示方法 净光合速率，又叫表观光合速率：常用在光照条件下测得的单位时间内O2 释放量、CO2 吸收量或有机物积累量表示。真正光合速率，又叫实际光合速率、总光合速率：常用单位时间内O2 产生量、CO2 固定量或有机物产生量（或制造量）表示。
呼吸速率、净光合速率与真正光合速率的关系（如图） 由图可知，在不考虑光照强度对呼吸速率影响的情况下，OA 段表示植物呼吸速率，OD 段表示植物净光合速率，OA+OD 段表示真正光合速率，即真正光合速率= 净光合速率+ 呼吸速率。
当植物的光合作用与细胞呼吸同时进行时，存在如下关系光合作用实际产氧量（叶绿体产氧量）= 实测植物氧气释放量+ 细胞呼吸耗氧量。光合作用实际CO2 消耗量（叶绿体固定CO2 量）= 实测植物CO2 吸收量+ 细胞呼吸CO2 释放量。光合作用葡萄糖净产生量（葡萄糖积累量）= 光合作用实际葡萄糖产生量（叶绿体产生或合成的葡萄糖量）- 细胞呼吸葡萄糖消耗量。
以净光合速率的大小来判断植物能否正常生长（自然状态下，以一天24 h 为单位） 净光合速率大于0 时，植物因积累有机物而正常生长。净光合速率等于0 时，植物因没有有机物积累而不能生长。净光合速率小于0 时，植物因有机物减少而不能生长，且长时间处于此种状态下植物将死亡。【易错提醒】植物进行光合作用的同时，一定进行细胞呼吸，但在进行细胞呼吸时不一定进行光合作用。因为光合作用只有在有光条件下才能进行，而细胞呼吸有光无光都能进行。
例 难度★★★ 典型★★☆ 以测定的CO2 吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与细胞呼吸的影响，结果如图所示。下列分析正确的是（　　） A. 光照相同时间，35 ℃时光合作用制造的有机物的量与30 ℃时相等B. 光照相同时间，在20 ℃条件下植物积累的有机物的量最多C. 温度高于25 ℃时，光合作用制造的有机物的量开始减少D. 两曲线的交点表示光合作用制造的有机物的量与细胞呼吸消耗的有机物的量相等
【解析】图中虚线表示的是光照下CO2 的吸收量，即光合作用有机物净合成量。在光照时间相同的情况下（以1 h 为例），30 ℃时光合作用有机物合成的总量为3.50（有机物净合成量）+3.00（细胞呼吸消耗量）=6.50 mg，35 ℃时光合作用有机物合成的总量为3.00（有机物净合成量）+3.50（细胞呼吸消耗量） = 6.50 mg，两者相等。在 25 ℃时，单位时间内CO2 吸收量最大，即光合作用有机物净合成量最大。温度高于25 ℃（如30 ℃）时，光合作用制造的有机物的量还在增加。两曲线的交点表示光合作用的有机物净合成量等于细胞呼吸消耗量。【答案】A
【即时练】1. 下图是叶肉细胞在不同光照强度下叶绿体与线粒体的代谢简图，下列叙述错误的是（　　） A. 细胞①处于黑暗环境中，该细胞单位时间内释放的CO2 量即为呼吸速率B. 细胞②没有与外界环境发生O2 和CO2 的交换，可断定此时光合速率等于呼吸速率C. 细胞③处在较强光照条件下，细胞光合作用所利用的CO2 量为N1 与N2 的和D. 分析细胞④可得出，此时的光照强度较弱且N1 小于m2
【解析】结合图示可知，细胞①中仅线粒体中有气体的消耗和生成，故应处在黑暗环境中，此时细胞单位时间内释放的CO2 量可表示呼吸速率；细胞②没有与外界环境进行气体交换，此时光合速率与呼吸速率相等；细胞③需要从外界环境吸收CO2，并向细胞外释放O2，此时细胞所处环境的光照强度大于光补偿点，细胞所利用的CO2 包括细胞呼吸产生的N2 和从环境中吸收的N1 ；细胞④中，线粒体利用的O2 除来自叶绿体外，还要从外界环境中吸收，说明此时细胞呼吸强度大于光合作用强度，细胞进行有氧呼吸和光合作用的过程中，O2 的净消耗量（吸收量）m2 与CO2 的净生成量N1 相等。【答案】D
例 1 ［2019·江苏卷］下图为某次光合作用色素纸层析的实验结果，样品分别为新鲜菠菜叶和一种蓝细菌经液氮冷冻研磨后的乙醇提取液。下列叙述正确的是 （　　）研磨时加入 CaCO 3 过量会破坏叶绿素B. 层析液可采用生理盐水或磷酸盐缓冲液C. 在敞开的烧杯中进行层析时，需通风操作D. 实验验证了该种蓝细菌没有叶绿素 b
【解析】研磨时加入 CaCO 3 的目的是防止叶绿素被破坏，故研磨时加入 CaCO 3 过量不会破坏叶绿素，但会影响色素提取液的纯度，A 项错误。光合色素易溶于有机溶剂不溶于水，故层析液应选用有机溶剂，而生理盐水和磷酸盐缓冲液为无机溶剂，B 项错误。层析液易挥发，故进行层析时要用培养皿覆盖烧杯，C项错误。比较题图所示分离结果可知，该种蓝细菌没有叶黄素和叶绿素 b，D 项正确。【答案】D
走向高考
一 光合作用
例 2 ［2016·全国Ⅱ高考］ 难度★★☆ 典型★★★ BTB 是一种酸碱指示剂。BTB 的弱碱性溶液颜色可随其中CO2 浓度的增高而由蓝变绿再变黄。某同学为研究某种水草的光合作用和细胞呼吸，进行了如下实验：用少量的NaHCO3 和BTB 加水配制成蓝色溶液，并向溶液中通入一定量的CO2 使溶液变成浅绿色，之后将等量的浅绿色溶液分别加入到7 支试管中。其中6 支加入生长状况一致的等量水草，另一支不加水草，密闭所有试管。各试管的实验处理和结果见下表。
* 遮光是指用黑纸将试管包裹起来，并放在距日光灯100 cm 的地方。
若不考虑其他生物因素对实验结果的影响，回答下列问题。（1）本实验中，50 min 后1 号试管的溶液是浅绿色，则说明2 至7 号试管的实验结果是由 引起的；若1 号试管的溶液是蓝色，则说明2 至7 号试管的实验结果是 　　　　　　　（填“可靠的”或“不可靠的”）。（2）表中X 代表的颜色应为 　　（填“浅绿色”“黄色” 或“蓝色”），判断依据是　　　。（3）5 号试管中的溶液颜色在照光前后没有变化，说明在此条件下水草 。
【读题】以光照强度（距日光灯的距离）为自变量，以溶液颜色的变化为因变量，研究某种水草的光合作用和细胞呼吸。【思路建立】①阅读题表，提取有效信息：溶液的颜色在由蓝→绿→黄的变化过程中，CO2 浓度逐渐升高；2 号试管内的水草只能进行细胞呼吸释放CO2，溶液中CO2 浓度最高；3 ～ 7 号试管内水草的光合作用强度随光照强度的增大而逐渐增强，吸收的CO2 逐渐增多，溶液中CO2 的浓度逐渐降低；1 号试管为对照组。②以提取的“有效信息”作为解题的切入点，结合光合作用与细胞呼吸的关系进行分析判断。
【解析】（1）依题意并结合表中信息可知：距日光灯的距离表示光照的强弱。2 号试管遮光，其内的水草不能进行光合作用， 但能进行细胞呼吸；3 ～ 7 号试管内的水草在有光的条件下，溶液颜色的变化是光合作用吸收的CO2 量与细胞呼吸释放的CO2 量的综合反映；1 号试管为对照组，其中的NaHCO3 可维持CO2 浓度的相对稳定，2 ～ 7 号试管为实验组。综上所述，若50 min 后，1 号试管的溶液是浅绿色， 则说明2 ～ 7 号试管的实验结果是由不同光强下水草的光合作用与细胞呼吸引起的；若1 号试管的溶液是蓝色，则说明2 ～ 7 号试管的实验结果是不可靠的。（2）2 号试管因遮光，其内的水草不能进行光合作用消耗CO2，但能通过细胞呼吸释放CO2，所以试管内CO2 浓度高于3 号试管的，X 代表的颜色应为黄色。（3）5 号试管中的溶液颜色与对照组1 号试管的相同，均为浅绿色，说明在此条件下水草的光合作用强度等于细胞呼吸强度。【答案】（1）不同光强下水草的光合作用与细胞呼吸　不可靠的　（2）黄色　水草不能进行光合作用，只能进行细胞呼吸，溶液中CO2 浓度高于3 号试管　（3）光合作用强度等于细胞呼吸强度，吸收与释放的CO2 量相等
例 3 ［2017·全国Ⅱ高考］ 难度★★☆ 典型★★★下图是表示某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。据图回答下列问题： （1）图中①、②、③、④代表的物质依次是 　　　　　　　、 　　　　　　　、 　 　　　　　、 　　　　　　， ［H］代表的物质主要是 　　　　　　　　。（2）B 代表一种反应过程，C 代表细胞质基质，D 代表线粒体，则ATP 合成发生在A 过程，还发生在 　　　　（填“B 和C”“C 和D”或“B 和D”）。（3）C 中的丙酮酸可以转化成酒精，出现这种情况的原因是 。
【解析】（1）由图可知，A、B 过程分别为光合作用的光反应和暗反应阶段，类囊体薄膜上发生水的光解，产生［①］O2、NADPH 和ATP ；暗反应首先发生CO2 的固定，④为C5，再进行C3 的还原，消耗ATP 和NADPH，产生［②］NADP+、［③］ADP 和Pi ；细胞呼吸（呼吸作用）的第一和第二阶段产生的［H］为还原型辅酶Ⅰ（NADH）。（2）植物叶肉细胞产生ATP 的生理过程有：光合作用的光反应阶段（A）和有氧呼吸的三个阶段（C 和D）。（3）植物叶肉细胞中，有氧条件下，丙酮酸进入线粒体最终分解成CO2 和H2O ；在缺氧条件下，转化成酒精和CO2。【答案】（1）O2 　NADP+ 　ADP+Pi 　C5 　NADH（或答：还原型辅酶Ⅰ）　（2）C 和D 　（3）在缺氧条件下进行无氧呼吸
例 4 ［2017·北京高考］ 难度★★★ 典型★★☆ 某植物光合作用、呼吸作用与温度的关系如图。据此，对该植物生理特性理解错误的是（　　） A. 呼吸作用的最适温度比光合作用的高B. 净光合作用的最适温度约为25 ℃ C. 在0 ～ 25 ℃范围内，温度变化对光合速率的影响比对呼吸速率的大D. 适合该植物生长的温度范围是10 ～ 50 ℃
二 影响光合作用的因素
【读题】依据两坐标轴读懂题图：温度对总光合速率、净光合速率及呼吸速率的影响。【思路建立】解读图中总光合速率和呼吸速率随温度的升高发生变化的趋势，找出最适温度并分析该趋势形成的原因， 以及净光合速率最大时的最适温度。【解析】A 对、B 对：据图可知，总光合作用的最适温度约为30 ℃， 呼吸作用的最适温度要高于50 ℃，净光合作用的最适温度约为25 ℃。C 对：在0 ～ 25 ℃范围内，随着温度升高，光合速率曲线的升高幅度要远大于呼吸速率，这说明温度变化对光合速率的影响比对呼吸速率的大。D 错：净光合作用是指一定时间内光合作用合成量与呼吸作用消耗量的差值，也称为净积累量。只有净积累量为正值时，植物才能生长。在45 ～ 50 ℃范围内，呼吸速率比光合速率大，净积累量为负值，植物不能生长。【答案】D
例 5 ［2018·全国Ⅰ卷］ 难度★★☆ 典型★★★ 甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如下图所示。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 ：00 时叶片的光合速率明显下降，其原因是进入叶肉细胞的　　　　（填“O 2 ”或“CO 2 ”）不足。
【解析】（1）由曲线图可知，光照强度大于 a 时，甲植物的净光合速率随着光照强度的增加而增加的幅度更大，说明甲植物对光能的利用率较高。（2）当种植密度过大时，植株的叶片会相互遮挡，植株接受的光照强度减弱，导致植物净光合速率下降。由曲线图可知，光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大。（3）由曲线图可知，在低光照强度下，乙植物的净光合速率较高，在高光照强度下，乙植物的净光合速率明显低于甲植物，所以乙植物更适合在林下低光照强度的环境下种植。（4）夏日晴天中午 12 ：00时，温度较高，部分气孔关闭，进入叶肉细胞的 CO 2 明显减少，抑制了暗反应，导致叶片的光合速率明显降低。 【答案】 （1）甲　（2）甲　光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大，种植密度过大，植株接受的光照强度减弱，导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大　（3）乙　（4）CO 2
三　条件骤变对光合作用中各物质含量的影响例 6 ［2018·江苏卷］ 难度★★☆ 典型★★★ 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 CO 2 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 CO 2 浓度，乙表示较低 CO 2浓度C. 横坐标是光波长，甲表示较高温度，乙表示较低温度
【解析】随着 CO 2 浓度的增大，净光合速率先增大后趋于稳定，但由于净光合速率最大时对应着一个温度，即最适温度，低于或高于此温度，净光合速率都将下降，所以无法确定在 CO 2 浓度足够大时，较高温度下的净光合速率是否高于较低温度，A 项错误。植物进行光合作用存在最适温度，高于最适温度后，净光合速率减小，所以随着温度升高，净光合速率不应先升高后趋于稳定，B 项错误。由于光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在相应光波长时，植物的净光合速率存在峰值，不应呈现先升高后趋于稳定的状态，且光波长一定时，较高温度下的净光合速率不一定较高，C 项错误。随着光照强度的增加，净光合速率先增大后趋于稳定，在光照强度足够时，较高的CO 2 浓度下净光合速率较大，D 项正确。【答案】D