【暑假初升高】人教版生物初三（升高一）暑假预习-（必修1）第15讲 光合作用与能量转化 讲学案

这是一份【暑假初升高】人教版生物初三（升高一）暑假预习-（必修1）第15讲 光合作用与能量转化 讲学案，文件包含暑假初升高人教版生物初三升高一暑假预习-必修1第15讲光合作用与能量转化讲学案解析版docx、暑假初升高人教版生物初三升高一暑假预习-必修1第15讲光合作用与能量转化讲学案原卷版docx等2份学案配套教学资源，其中学案共90页， 欢迎下载使用。
第15讲 光合作用与能量转化
【学习目标】
1.通过设计和实施绿叶中色素提取和分离实验，了解色素提取和分离的原理，说明绿叶中色素的有四种。
2.通过对恩格尔曼光合作用实验的分析讨论，了解叶绿体吸收光能进行光合作用的证据，理解恩格尔曼实验设计的巧妙之处。
3.通过对探索光合作用原理的希尔实验、鲁宾和卡门实验、阿尔农实验资料的分析，尝试归纳光合作用的过程和基本原理。
4.通过分析、讨论教材光合作用过程示意图，从物质与能量观的视角，说明光合作用过程中的物质变化和能量变化，阐明光合作用的原理。
5.通过对光合作用光反应和暗反应过程的比较，厘清光反应和暗反应的区别和联系，说明光合作用的意义。
6.通过设计和实施探究环境因素对光合作用强度影响的活动，理解光照强度、二氧化碳浓度对光合作用强度的影响。
7.通过实施探究环境因素对光合作用强度影响的活动，进一步学会控制自变量，观察和检测因变量变化及设置对照实验的方法和技能。
8.通过总结影响光合作用强度的因素及原理分析，解释农业生产提高农作物产量的管理措施，并增强节约粮食的意识。

【基础知识】
一、绿叶中色素的提取和分离
1.实验原理：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。不同的色素溶解度不同。溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。这样，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。
2.提取绿叶中的色素：称取5g绿叶，剪去主叶脉，剪碎, 放入研钵中→向研钵中放入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入5～10mL无水乙醇，迅速、充分地进行研磨→将研磨液迅速倒入玻璃漏斗进行过滤。
3.分离绿叶中的色素：制备滤纸条→画滤液细线→分离绿叶中的色素→观察记录分离结果。
4.色素分离结果分析
色素种类
色素颜色
色素含量
溶解度
扩散速度
a
胡萝卜素
橙黄色
最少
最高
最快
b
叶黄素
黄色
较少
较高
较快
c
叶绿素a
蓝绿色
最多
较低
较慢
d
叶绿素b
黄绿色
较多
最低
最慢
二、恩格尔曼光合作用实验
1.德国科学家恩格尔曼把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论。
2.恩格尔曼用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。这说明叶绿体主要利用红光和蓝紫光。
三、叶绿体的结构适于进行光合作用
1.电子显微镜下可以看到叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒。每个基粒都由类囊体堆叠而成。吸收光能的4种色素分布在类囊体的薄膜上。在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。
2.叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光o这 4种色素吸收的光波长有差别，但是都可以用于光合作用。
四、探索光合作用的部分实验
1.光合作用的概念：
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。其化学式为：。
2.探索光合作用的部分实验
（1）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。
（2）1937年，英国植物学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂, 在光照下可以释放出氧气。像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。
（3）1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。第一组给植物提供H2O和 C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2 在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是 O2，第二组释放的都是18O2。
（4）1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成AIP。 1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
（5）.20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用经过14C标记的14CO2,供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。
五、光合作用的原理
1.光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应。根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应两个阶段。
2.光反应阶段必须有光才能进行，在类囊体的薄膜上进行。叶绿体中光合色素吸收的光能，一是将水分解为氧和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）。NADPH作为活泼的还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，同时也储存部分能量供暗反应阶段利用；二是在有关酶的催化作用下，提供能量促使ADP与Pi反应形成ATP。
3.暗反应阶段有没有光都能进行，在叶绿体的基质中进行。CO2,在特定酶的作用下， 与C5(一种五碳化合物)结合，这个过程称作CO2的固定。 一分子的CO2被固定后，很快形成两个C3分子。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。随后，一些接受能量并被还原的C3,在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类；另一些接受能量并被还原的C3,经过一系列变化，又形成C5 。这些C5又可以参与CO2的固定。这样，暗反应阶段就形成从C5到C3 再到C3的循环，可以源源不断地进行下去，因此暗反应过程也称作卡尔文循环。
六、影响光合作用强度的因素
1.影响光合作用强度的因素
（1）光合作用的强度就是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。光合作用的强度还可以表示为植物在单位时间内消耗CO2的数量或制造O2的数量。
（2）影响光合作用的因素包括水、光照强度、CO2浓度、温度及无机营养等。
2.探究环境因素对光合作用的影响
（1）实验原理：利用真空渗水法排出叶片细胞间隙中的气体，使其沉入水中。在光合作用的过程中植物吸收CO2并排出O2，产生O2的多少与光合作用的强度密切相关，O2溶解度很小，积累在细胞间隙从而使叶片上浮。因此可依据一定时间内叶片上浮的数量，来比较光合作用的强弱。
（2）实验步骤：①取生长旺盛的绿叶，用直径为0.6cm 的打孔器打出圆形小叶片30片（避开大的叶脉）。②将圆形小叶片置于注射器内。注射器内吸入清水，待排出注射器内残留的空气后，用手指堵住注射器前端的小孔并缓慢地拉动活塞，使圆形小叶片内的气体溢出。这一步骤可能需要重复2〜3次。处理过的小叶片因为细胞间隙充满了水，所以全部沉到水底。
③将处理过的圆形小叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。
④取3只小烧杯，分别倒入富含CO2 的清水o
⑤向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片，然后分别置于强、中、弱三种光照下。实验中，可用5 W的LED灯作为光源, 利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度。
⑥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。
七、化能合成作用
自然界中存在某些种类的细菌，细胞内没有叶绿素，不能进行光合作用，但能利用体外环境中某些无机物氧化时释放的能量来制造有机物，这一过程就称为化能合成作用。生活在土壤中的硝化细菌，能够利用氨（NH3）氧化为亚硝酸（HNO2）和亚硝酸（HNO2）氧化为硝酸（HNO3）所释放的能量，将CO2和H2O合成糖类，维持自身的生命活动。


【考点剖析】
考点一、叶绿体色素的提取与分离
例1．关于“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述，不正确的是（ ）
A．该实验结果表明，叶绿素a在层析液中溶解度最大
B．用无水乙醇作溶剂，提取的叶绿体色素中含有胡萝卜素
C．若研磨时不加二氧化硅，则滤纸条上各色素带均变窄
D．将滤液细线画粗些并不能增强实验效果
【答案】A
【解析】纸层析法分离叶绿体色素的实验结果表明，胡萝卜素在层析液中溶解度最大，A错误；用丙酮、无水乙醇等有机溶剂溶解和提取叶绿体中色素，提取的叶绿体色素中含有胡萝卜素，B正确；加入SiO2的目的是为了研磨充分，不加二氧化硅，则滤纸条上各色素带均变窄，C正确；用毛细管吸少量滤液，沿铅笔线处小心均匀地画出一条滤液细线，待晾干后再重复2-3次，太粗色素带会重叠，D正确。
【解题必备】绿叶中色素的提取和分离实验中知识点总结：
1．色素提取和分离过程中几种化学物质的作用：
（1）无水乙醇作为提取液，可溶解绿叶中的色素。
（2）层析液用于分离色素。
（3）二氧化硅破坏细胞结构，使研磨充分。
（4）碳酸钙可防止研磨过程中色素被破坏。
2．分离色素原理：各色素随层析液在滤纸上扩散速度不同，从而分离色素。
3．滤纸条从上到下依次是：胡萝卜素（最窄）、叶黄素、叶绿素a（最宽）、叶绿素b（第2宽），色素带的宽窄与色素含量相关。
归纳总结
叶绿体色素提取与分离注意事项
过程
注意事项
目的
提取色素
选新鲜绿色的叶片
使滤液中色素含量高
研磨时加无水乙醇
溶解色素
加少量SiO2和CaCO3
使研磨充分和保护色素
迅速、充分研磨
防止乙醇挥发，充分溶解色素
盛放滤液的试管口加棉塞
防止乙醇挥发和色素氧化
分离色素
滤纸预先干燥处理
使层析液在滤纸上快速扩散
滤纸条一端剪去两角
防止层析液在滤纸条边缘扩散过快，使形成的色素带不整齐
滤液细线要直、细、匀
使分离出的色素带平整不重叠
滤液细线干燥后再画一两次
增加色素的量，使分离出的色素带清晰
滤液细线不触及层析液
防止色素直接溶解到层析液中
【特别提醒】SiO2有助于研磨充分；CaCO3可以防止研磨时色素被破坏。
考点二：恩格尔曼光合作用实验
例2．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，装片需要给与一定的条件，这些条件是（    ）
A.光照、有空气、临时装片中无NaHCO3稀溶液
B.黑暗、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.光照、无空气、临时装片中有NaHCO3稀溶液
【答案】D
【解析】若要证明叶绿体进行光合作用有释放氧气的功能，则需要在有光照的条件、没有空气（排除空气中氧气的干扰）、有NaHCO3稀溶液（提供二氧化碳），故D正确。
【归纳总结】
1.恩格尔曼选择水绵和好氧细菌为实验材料的原因是：水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；好氧细菌向氧气丰富的地方移动，可以确定释放氧气多的部位。
2.恩格尔曼先将载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中，这样做的目的是作对照。环境中没有空气有利于排除了氧气的干扰，在黑暗环境中进行有利于排除了光的干扰。
3.极细的光束使叶绿体上可分为有光和无光部位形成对照实验，还可使叶绿体上分为光多和光少的部位形成对比实验。
4.临时装片要重新暴露在光下，反过来再一次验证实验结论。
考点三：光合作用的过程
例3．下图是光合作用示意图，下列说法错误的是（ ）

A．物质②和物质③均可为C3的还原供能
B．当物质④供应停止时，物质①的生成速率将下降
C．当温度适当升高时，暗反应速率可能升高，而光反应不受影响
D．为叶肉细胞提供H2l8O，一段时间后在（CH2O）中能检测到18O
【答案】C
【解析】②为ATP，③为[H]，都可以为C3的还原提供能量A正确；当物质④CO2供应停止时，暗反应速率降低，从而影响光反应，导致物质①O2的生成速率将下降，B正确；当温度适当升高时，暗反应速率可能升高，而光反应随之升高，C错误；H2l8O参与有氧呼吸第二阶段的反应生成C18O2，被植物吸收利用，所以一段时间后在（CH2O）中能检测到18O，D正确。
归纳总结
1.光反应和暗反应的区别：
项目
光反应
暗反应
反应条件
光照、色素、酶
多种酶、C5、NADPH、ATP
外界原料
水
CO2
产物
O2、NADPH、ATP
有机物
场所
类囊体的薄膜
叶绿体基质
能量变化
光能→ATP中活跃的化学能
ATP中活跃的化学能→（CH2O）中稳定的化学能
2.光反应和暗反应的联系：
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，两个反应阶段相辅相成、密切联系。
②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， 二者相互制约。
考点四：光合作用过程中C、H、O的转移途径
例4．卡尔文用同位素标记法追踪碳元素在光合作用过程中的运行：在供给小球藻14CO2后的60s内，相隔不同时间取样，杀死细胞并以层析法分析细胞代谢产物。发现7s后的代谢产物中有多达12种产物含有放射性，而5s内的代谢产物大多集中在一种物质上，该物质是（ ）
A．1,5—二磷酸核酮糖（五碳化合物） B．ATP
C．3—磷酸甘油酸（三碳化合物） D．葡萄糖
【答案】C
【解析】在光合作用中CO2中C转移途径是CO2→C3→有机物，7秒后多达12种产物含放射性说明：光合作用的所有中间产物及最终产物都被标记了，因此完成一次光合作用的时间小于7秒。那么在5秒的时候主要进行CO2的固定，每三个CO2经过反应都会进一步被还原成C3，C3三碳糖而后要么被叶绿体利用要么被运到叶绿体外形成其他物质。5秒的时候则是产生的C3三碳糖还没来得及被利用，故C正确。
归纳总结
光合作用总反应式中各元素的来源和去路分析如下：

①H2O中的H：H2O→H+→NADPH→（CH2O）；
②H2O中的O：H2O→O2；
③CO2中的C：CO2→C3→（CH2O）；
④CO2中的O：CO2→C3→（CH2O）。
考点五：叶绿体中C3和C5的含量变化
例5．下图为叶绿体结构与功能示意图，A、B、C、D表示叶绿体的结构，①②③④⑤表示有关物质。下列叙述不正确的是(　　)

A．参与光合作用的色素位于图中的A部位
B．CO2进入叶绿体后，通过固定形成⑤物质
C．若突然停止光照，C3的含量会升高
D．用14C标记CO2进行光合作用，可在④⑤中测到较高放射性
【答案】B
【解析】参与光合作用的色素位于叶绿体类囊体薄膜，图中的A部位为叶绿体类囊体薄膜，A正确；图中④物质和⑤物质分别为C3、（CH2O），CO2通过固定形成④物质，B错误；突然停止光照时，NADPH和ATP减少，C3被消耗的量减少，故其含量增多，C正确；用14C标记CO2进行光合作用，放射性先出现在④物质，再出现在⑤物质，D正确。
归纳总结
CO2在暗反应阶段与C5结合形成C3，C3利用光反应场所的ATP、NADPH被还原为糖类等有机物，或重新形成C5。当外界条件（如光照、CO2）突然发生变化时，C3、C5的物质含量在短时间内会发生改变。
1.CO2供应不变，光照条件突然发生变化，可以分为两种情况：
光照
C3含量变化
C5含量变化
减弱
Ⅰ过程减弱→［H］和ATP合成减少→Ⅲ过程减弱、Ⅱ过程暂时不变→C3消耗减少、合成暂时不变→C3含量增加
Ⅰ过程减弱→［H］和ATP合成减少→Ⅲ过程减弱、Ⅱ过程暂时不变→C5消耗暂时不变、合成减少→C5含量减少
增强
与上述分析相反，结果是C3含量减少，C5含量增加
2.光照条件不变，CO2供应突然发生变化，可以分为两种情况：
CO2供应
C3含量变化
C5含量变化
减少
Ⅱ过程减弱、Ⅲ过程暂时不变→C3合成减少、消耗暂时不变→C3含量减少
Ⅱ过程减弱、Ⅲ过程暂时不变→C5消耗减少、合成暂时不变→C5含量增加
增加
与上述分析相反，结果是C3含量增加，C5含量减少
3.当外界因素中光照强弱、CO2浓度骤然变化时，短时间内将直接影响光合作用过程中C3、C5、[H]、ATP及C6H12O6生成量，进而影响叶肉细胞中这些物质的含量，它们的关系归纳如下表：

[H]
ATP
C3
C5
C6H12O6
停止（减弱）光照
↓
↓
↑
↓
↓
突然增强光照
↑
↑
↓
↑
↑
停止（减少）CO2供应
↑
↑
↓
↑
↓
突然增加CO2供应
↓
↓
↑
↓
↑
考点六：光照强度对光合作用的影响
例6．如图表示光照下叶肉细胞中A、B两种细胞器间的气体交换。下列叙述正确的是（ ）

A．黑暗条件下A不能产生CO2
B．A能产生ATP，B不能产生ATP
C．植物正常生长时，B产生的O2全部被A利用
D．白天适当升温，夜晚适当降温能增加农作物的产量
【答案】D
【解析】根据图中光照下叶肉细胞中A、B两种细胞器间的气体交换，可以判断出A是线粒体、B是叶绿体。线粒体是真核细胞主要细胞器（动植物都有），机能旺盛的含量多。程粒状、棒状，具有双膜结构，内膜向内突起形成“嵴”，内膜基质和基粒上有与有氧呼吸有关的酶，是有氧呼吸第二、三阶段的场所，生命体95%的能量来自线粒体，又叫“动力工厂”．含少量的DNA、RNA。叶绿体：只存在于植物的绿色细胞中．扁平的椭球形或球形，双层膜结构．基粒上有色素，基质和基粒中含有与光合作用有关的酶，是光合作用的场所。含少量的DNA、RNA。A是线粒体、B是叶绿体。黑暗条件下，不能发生光合作用，只能进行呼吸作用，B的生理功能将停止，A的生理功能继续进行，所以能继续产生CO2，A错误；A是线粒体、B是叶绿体，两者都可以产生ATP，B错误；当光合作用强度大于呼吸作用强度时，植物才可以正常生长，B结构产生的O2被A结构全部利用以外，还有剩余的被排出细胞外，C错误；夜间适当降温，与呼吸作用有关的酶的活性降低，呼吸作用强度减弱，即能降低A结构的生理功能；白天适当升温，由于有光照和与光合作用有关的酶活性升高，B结构的生理功能提高比A结构更明显，故白天适当升温，夜晚适当降温能增加农作物的产量，D正确。
归纳总结
光是绿色植物光合作用的能量来源，光照强度直接影响光合速率。
1.原理：光直接影响光反应阶段，制约NADPH和ATP的生成，进而制约暗反应阶段。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，光反应速度加快，产生的ATP和NADPH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.在一定范围内，光合速率随光照强度的增强而加快，但光照强度增加到一定强度时，光合速率不再加快，甚至降低(细胞灼伤)。绿色植物光照强度对光合作用强度影响曲线如下图所示：

①曲线分析
项目
曲线
点、段
进行的生理过程
气体转移情况
对应的生理状态模型
A点
只有呼吸作用，没有光合作用。细胞呼吸产生的CO2释放到外界环境，细胞呼吸消耗的O2全部从外界环境吸收。
吸收O2、释放CO2

AB段
细胞呼吸、光合作用同时进行且细胞呼吸强度>光合作用强度。细胞呼吸产生的CO2一部分进入叶绿体用于光合作用，一部分释放到外界环境，细胞呼吸消耗的O2一部分来自叶绿体的光合作用，一部分从外界环境吸收。
吸收O2、释放CO2

B点
细胞呼吸、光合作用同时进行且细胞呼吸强度＝光合作用强度。细胞呼吸产生的CO2全部进入叶绿体用于光合作用，细胞呼吸消耗的O2全部来自叶绿体的光合作用。
不与外界进行气体交换

B点以后
细胞呼吸、光合作用同时进行且细胞呼吸强度