高中生物浙科版 (2019)必修1《分子与细胞》第五节 光合作用将光能转化为化学能备课ppt课件

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自主预习一、光合速率(又称光合强度)1.含义:　一定量　的植物(如一定的叶面积)在 单位时间　内进行的光合作用,如释放多少氧气、消耗多少二氧化碳。2.表示方法:单位时间内产生的 氧气 量或消耗的 二氧化碳　量。 
3.表观光合速率与真正光合速率(1)在光照条件下,人们测得的CO2吸收量是植物从外界环境吸收的CO2总量,称为表观光合速率,又称　净光合速率　。 (2)真正光合速率是指植物在光照条件下,从外界环境中吸收的CO2的量,加上细胞呼吸释放的CO2的量,即植物实际同化的CO2的量,又称总光合速率。表观光合速率 小于 真正光合速率。(3)真正光合速率=表观光合速率+ 呼吸速率 。
二、环境因素对光合速率的影响1.光强度光合速率随光强度的增加而　增加　,但在强度达到全日照之前,光合作用已达到光饱和点时的速率,即光强度再增加,光合速率也不会增加。因为在光饱和点的光强度下,光合作用的光反应已达到最快的速率,所以光强度再增加也不能使光合速率增加。 
2.温度光合作用是酶促反应,其速率受温度影响,一定范围内随温度的升高而　加快　。光合作用对温度比较敏感,温度过高则酶的活性减弱或丧失,所以光合作用有一个最适温度。光合作用的最适温度因植物种类而异。 3.CO2浓度CO2直接影响 碳 反应速率。空气中CO2浓度的增加会使光合速率加快。目前大气中CO2的浓度约为0.035%,当这一浓度增加至1%以内时,光合速率会随CO2浓度的增加而增加。
外界光照条件的改变如何影响碳反应的进行?提示:碳反应中三碳酸的还原需要消耗光反应产生的NADPH、ATP,即光照条件的改变通过影响NADPH和ATP的含量来影响碳反应。
预习检测1.判断题。(1)温度主要通过影响酶的活性对光合强度产生的影响。(　　)(2)光饱和点指植物在光强度达到全日照时的光合速率。(　　)(3)在气候寒冷时,可通过增强日光,使植物以最快的速率生长。(　　)
2.下图为光合速率与光强度之间的关系曲线,光强度在n点时,限制光合速率进一步增加的主要环境因素是(　　)①光强度　②CO2浓度　③温度　④叶绿体含量A.②③B.③④C.①②D.②④答案:A解析:光强度为n点时,达到了光饱和点,此时影响光合速率增加的主要环境因素有CO2浓度、温度。叶绿体含量不是环境因素,但其是内部限制因子。
3.下图为光合作用过程示意图,在适宜条件下栽培小麦,如果突然将c降至极低水平(其他条件不变),则a、b在叶绿体中含量的变化将会是(　　)A.a上升,b下降B.a、b都上升C.a、b都下降D.a下降,b上升答案:B
解析:图中a、b、c分别表示NADPH、ATP、CO2。若突然将CO2降至极低水平,叶绿体中三碳酸的含量会下降,三碳酸还原消耗的ATP和NADPH减少,由于光反应仍继续合成ATP和NADPH,故两者的含量都上升。
一 影响光合作用的环境因素及其曲线分析
重难归纳1.影响光合作用的环境因素(1)光强度①曲线
②曲线解读A点时,只进行细胞呼吸;AB段,随光强度增大,光合速率也逐渐增大;B点(光补偿点)时,光合速率等于细胞呼吸速率;BC段,光强度不断加强,光合速率不断加大,C点对应的光强度为光饱和点。③在生产上的应用根据喜阳植物和喜阴植物的光饱和点的差异,可对喜阳植物和喜阴植物间行种植,提高光能利用率。
(2)CO2浓度①曲线
②曲线解读在一定范围内,光合速率随CO2浓度的增加而增大,但当CO2浓度增加到一定范围后,光合速率不再增加;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。③在生产上的应用施用有机肥;温室栽培植物时,可以适当提高室内CO2浓度;农业生产时“正其行,通其风”,即提高CO2浓度,增加产量。
②曲线解读温度主要通过影响与光合作用有关酶的活性而影响光合速率。③在生产上的应用增加昼夜温差,保证植物有机物的积累。
2.多因素对光合作用的影响曲线分析
(1)曲线分析:P点时,限制光合速率的因素为横坐标所表示的因素,随其不断增强,光合速率不断提高。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,要想提高光合速率,可采取适当提高其他因素的措施。
(2)说明:光强度、CO2浓度对光合作用的影响是综合性的,不同条件下,任何一个因素的减弱都可能限制光合作用。
1.我国新疆的西瓜为什么比东部地区的西瓜甜?提示:甜度来源于糖类等有机物的积累。与东部地区相比,新疆地区昼夜温差大,白天温度高,光照强,植物的光合作用较强,合成较多有机物,夜晚温度低,细胞呼吸消耗有机物较少,植物积累的有机物多,故西瓜较甜。
2.谚语“正其行,通其风”有什么实际意义?提示:“正其行,通其风”是指在播种植物时,要保持一定的行距和株距,使植物受到充足的阳光照射,使流动的空气进入农田的各个角落,增大CO2浓度。这是提高作物光合作用效率的有效手段。
典例剖析(2021年浙江学考)塑料大棚具有保温、增温和透光等功能。为了研究如何提高大棚内农作物的产量,科研工作者将某种蔬菜分别进行露天种植(甲组)和大棚种植(乙组)。在春末晴朗的白天,测定蔬菜的CO2吸收速率,结果如下图所示。回答下列问题。
(1)大棚一般选用　　　(填“无色”或“绿色”)透明的薄膜。 (2)测得的CO2吸收速率是植物进行光合作用消耗CO2的速率与　　　　　　　　　　　　之差。15:00—18:00,甲组CO2吸收速率下降,是由于光强度减弱,光反应产生的　　　　　　　减少,影响了碳反应过程,导致光合强度减弱。 (3)6:00—9:00和15:00—18:00,乙组CO2吸收速率均大于甲组,其共同的原因主要是大棚具有　　　　功能,6:00—9:00乙组CO2吸收速率大于甲组的可能原因还有　　　　　　。 11:00 乙组的CO2吸收速率小于甲组,此时若要提高大棚内蔬菜的CO2吸收速率,从而提高其产量,请提出一项可行的措施。
答案:(1)无色(2)细胞呼吸产生CO2的速率　ATP和NADPH(3)增温　夜间细胞呼吸产生的CO2积累在大棚内,导致CO2浓度较高　对大棚进行通风处理
规律总结光补偿点与光饱和点的移动规律
学以致用下图表示环境因素对光合速率的影响情况,除各图中所示因素外,其他因素均控制在最适范围。下列分析错误的是(　　)
A.图甲中A点的内在限制因素可能是叶绿体中酶的含量或色素的含量不足B.图乙中D点与C点相比,相同时间内叶肉细胞中三碳糖的生成量较多C.图丙中,随着温度的进一步升高,曲线走势将稳定不变D.图中M、N点的限制因素是光强度,P点的限制因素是温度答案:C
解析:由图甲可知,A点随着光强度的增加,光合速率不变,此时限制光合速率增加的内部因素可能是酶的含量或色素的含量,A项正确。图乙中D点与C点相比,光强度增加,光反应增强,产生的ATP和NADPH增加,因此相同时间内叶肉细胞中三碳酸的还原增加,三碳糖的合成增加,B项正确。图丙中,随着温度的升高,曲线走势有可能下降,因为超过最适浓度,酶的活性降低,C项错误。图中M、N、P三点的限制因素分别是光强度、光强度和温度,D项正确。
二 光合速率的测定方法及相关实验
重难归纳1.光合速率和呼吸速率的表示方法
2.常见测定方法及装置(1)气体体积变化法——测光合作用O2释放(或CO2吸收)的体积
①装置中溶液的作用:在测细胞呼吸速率时,NaOH溶液可吸收容器中的CO2;在测净光合速率时,NaHCO3溶液可提供CO2,保证了容器内CO2浓度的恒定。
②测定原理a.在黑暗条件下,甲装置中的植物只进行细胞呼吸。由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2,所以单位时间内红色液滴左移的距离代表植物的O2吸收速率,可代表呼吸速率。b.在光照条件下,乙装置中的植物进行光合作用和细胞呼吸。由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定,所以单位时间内红色液滴右移的距离代表植物的O2释放速率,可代表净光合速率。
③测定方法a.将植物(甲装置)置于黑暗中一定时间,记录红色液滴移动的距离,计算呼吸速率。b.将同一植物(乙装置)置于光下一定时间,记录红色液滴移动的距离,计算净光合速率。c.根据呼吸速率和净光合速率可计算得到真正光合速率。
(2)叶圆片上浮法利用真空渗入法排除叶肉细胞间隙的空气,并投入水中,使叶片沉于水底。在光合作用过程中,植物吸收CO2,释放O2,O2在水中溶解度很小而在细胞间积累,使原来下沉的叶片上浮。根据叶片全部上浮所需时间的长短,比较光合作用的强弱。
(3)半叶法将叶片均分成两半,分别测定质量;然后一半遮光,一半曝光,一段时间后再分别测定质量。遮光的一半的质量变化代表呼吸作用强度值,曝光的一半的质量变化代表表观光合作用强度值,最后计算真正光合作用强度值。需要注意的是该种方法在实验之前需对叶片进行特殊处理,以防止有机物运输。
(4)黑白瓶法黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶,其中的植物只能进行细胞呼吸,而白瓶中植物既能进行光合作用又能进行细胞呼吸。所以,一段时间后黑瓶(无光照的一组)中的质量变化代表呼吸作用强度值,白瓶(有光照的一组)中的质量变化代表表观光合作用强度值,综合两者即可得到真正光合作用强度值。
3.光合作用和细胞呼吸相关实验试题分析(1)若已给出实验装置图,则结合实验目的分析实验装置的设计原理,理解装置各部分的作用。例如,毛细刻度管中液滴的移动方向和距离反映装置中气体体积的变化及原因; NaHCO3溶液可维持密闭装置中CO2含量的相对稳定;NaOH溶液可吸收装置中的CO2;清水对实验装置中的气体没有影响;植物油用于密封,构建无氧环境;煮沸液体的目的是除去溶解氧。
(2)若已给出实验步骤,首先根据实验目的判断自变量、因变量和无关变量,然后通过比较实验组和对照组的结果,分析自变量和因变量的关系,得出实验结论。
在测定光合速率、呼吸速率的实验中,如何选择NaOH溶液或NaHCO3溶液?其作用是什么?提示:以NaOH溶液为代表的碱性溶液吸收细胞呼吸产生的CO2,用于测定需氧呼吸速率;NaHCO3溶液(CO2缓冲液)能维持CO2浓度稳定,用于测定光合作用产生O2与呼吸作用消耗O2的差值。
右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,再用气泵抽出叶圆片内气体直至叶片沉入水底,然后将等量的叶圆片转至盛有不同浓度NaHCO3溶液的培养皿中,给予一定的光照,测量每个培养皿中所有叶圆片上浮至液面所用的平均时间(见图乙),以研究光合作用速率与NaHCO3溶液浓度的关系。下列相关分析正确的是(　　)
A.在AB段,随着NaHCO3溶液浓度的增加,光合作用速率逐渐减小B.在BC段,单独增加光照、温度或NaHCO3溶液浓度,都可以缩短叶圆片上浮的时间C.在C点以后,NaHCO3溶液浓度过高,使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降D.因配制的NaHCO3溶液中不含O2,所以整个实验过程中叶片不能进行细胞呼吸答案:C
解析:由图乙可知,在AB段,随着NaHCO3溶液浓度的增加,叶圆片上浮至液面所用的平均时间变短,表明光合作用速率逐渐增大;在BC段,单独增加光照或温度可能缩短叶圆片上浮至液面所用的时间,但单独增加NaHCO3溶液浓度不一定能缩短叶圆片上浮至液面所用的时间;在C点以后,NaHCO3溶液浓度过高,使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降;凡是活细胞都能进行细胞呼吸。
学以致用为了探究环境因素对光合作用的影响,某生物兴趣小组利用下图装置进行了相关实验,下列说法错误的是(　　)
A.该装置可用于探究光强度对光合速率的影响,但会因温度变化影响实验结果B.本实验采用O2释放量作为检测实验结果的指标C.置于黑暗环境中,该装置可直接用于探究黑藻的呼吸速率D.多组该实验装置可用来探究CO2浓度对光合速率的影响答案:C
解析:探究光强度对黑藻光合速率的影响,实验的自变量为光强度,温度是无关变量,要严格控制,A项正确。本实验采用O2释放量作为黑藻净光合速率的指标,B项正确。细胞呼吸消耗O2,释放CO2,CO2溶于水,无法用此装置测定,C项错误。可通过设置多组该实验装置,改变CO2浓度的方法,来探究CO2浓度对光合速率的影响,D项正确。
1.下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。下列有关光合作用强度变化原因的分析,错误的是(　　) A.AB段变化的主要原因是光照增强,气温上升B.BC段变化的主要原因是温度过高,酶失活C.CD段变化的主要原因是气孔逐渐打开,CO2供应增加D.DE段变化的主要原因是光照减弱,气温下降
解析:图中BC段变化的主要原因是气温过高,导致气孔关闭,使CO2供应不足。
2.研究人员以生长状态相同的绿色植物为材料,在相同的条件下进行了四组实验。其中D组连续光照T秒,A、B、C组依次加大光照-黑暗的交替频率,每组处理的总时间均为T秒,发现单位光照时间内光合作用产物的相对含量从A到C依次增多。下列相关说法正确的是(　　)A.实验说明白天给予一定频率的遮光有利于农作物增产B.实验过程中C组积累的有机物最多C.实验结束后立即检测植物体内NADPH的含量,D组最高D.实验组由黑暗变为光照时,光反应速率增加,碳反应速率减弱
解析:实验说明增大光照-黑暗的交替频率,光合速率可以提高,但白天遮光会缩短光照时间,同样不利于农作物增产,A项错误。实验过程中D组光照时间最长,D组积累的有机物最多,B项错误。因为D组持续光照,有NADPH积累,故实验结束后D组NADPH最高,C项正确。实验组由黑暗变为光照时,光反应速率增加,碳反应速率也增加,D项错误。
3.下图是水生植物黑藻在光照等环境因素影响下光合速率变化的示意图。下列有关叙述正确的是(　　)A.t1→t2,叶绿体类囊体膜上的色素吸收光能增加,基质中水的裂解加快,O2释放增多B.t2→t3,碳反应限制光合作用,若在t2时刻增加光照,光合速率将继续提高C.t3→t4,光强度不变,光合速率的提高是光反应速率不变、碳反应增强的结果D.t4后短暂时间内,叶绿体中ADP和Pi含量升高,三碳酸还原后的直接产物产生量逐渐减少
解析:光强度主要影响光合作用的光反应阶段(发生在类囊体膜上),在t1时刻给予充足恒定光照,光合速率增加,t1~t2阶段叶绿体类囊体膜上的色素吸收光能增加,类囊体膜上水的裂解加快,O2释放增多,A项错误。图中t2时刻出现光饱和点,此时光强度不是限制因素,主要限制因素为CO2浓度,因此是碳反应限制光合作用,若在t2时刻增加光照,光合速率将不再提高,B项错误。t3→t4,CO2浓度增加,碳反应增强,碳反应需要消耗光反应产生的NADPH和ATP,所以碳反应增强也会促使光反应增强,C项错误。t4时撤去光照,故光反应不再进行,短暂时间内叶绿体中的ATP被消耗,导致叶绿体中ADP和Pi含量升高,三碳酸还原后的直接产物产生量逐渐减少,D项正确。
4.为研究多种环境因子对马铃薯植株光合作用的影响,某生物兴趣小组做了实验研究,实验结果(数据表示测得植株在不同条件下的CO2吸收速率)如下图所示。据图分析,下列叙述正确的是(　　)
A.图中影响马铃薯植株光合速率的因素只有CO2的体积分数和温度B.在弱光、CO2的体积分数为0.03%、20 ℃条件下,马铃薯植株叶肉细胞的叶绿体中无O2产生C.在适当遮阴、CO2的体积分数为0.03%、40 ℃条件下,光强度不是限制马铃薯植株光合速率的因素D.实验中马铃薯植株CO2固定速率最大时所需的条件是全光照、CO2的体积分数为1.22%和35 ℃答案:D
解析:由题图可知,图中影响马铃薯植株光合速率的因素有CO2的体积分数、温度和光强度,A项错误。在弱光、CO2的体积分数为0.03%、20 ℃条件下,CO2的吸收速率为0,表示此时植物的光合作用强度等于呼吸作用强度,即马铃薯植株叶肉细胞的叶绿体可以进行光合作用,因此其叶绿体中有O2产生,B项错误。CO2的体积分数为0.03%、40 ℃时,在弱光、适当遮阴以及全光照三种条件下,植物的CO2吸收速率不同,说明光强度仍然是限制光合速率的因素,C项错误。曲线纵轴的CO2吸收速率表示净光合速率,而CO2固定速率表示总光合速率,结合黑暗条件的曲线分析可知,全光照、CO2的体积分数为1.22%和35 ℃时,总光合速率最大,D项正确。
5.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,结果如图甲所示。下列分析正确的是(　　)
A.光照相同时间,20 ℃时植物积累有机物的量最多B.光照相同时间,35 ℃时光合作用制造有机物的量与30 ℃时相等C.如果该植物原重X kg,置于暗处4 h后重(X-1) kg,然后光照4 h后重(X+2) kg,则总光合速率为3/4 kg/h　D.若将乙装置中NaHCO3溶液换成蒸馏水,则在黑暗条件下可测得b曲线答案:B
解析:图甲a曲线表示净光合速率,b曲线表示呼吸速率,由题图可知,在光照相同时间时,25 ℃左右时植物积累的有机物量最多,A项错误。光照相同时间,35 ℃时光合作用制造的有机物为3.0+3.5=6.5(mg/h),30 ℃时光合作用制造的有机物为3.5+3.0=6.5(mg/h),B项正确。如果植物原重X kg,置于暗处4 h后重(X-1) kg,然后光照4 h后重(X+2) kg,则该植物的呼吸速率为1/4 kg/h,净光合速率为3/4 kg/h,则总光合速率为1 kg/h,C项错误。若将乙装置中的NaHCO3溶液换成蒸馏水,黑暗条件下测得的数据是O2消耗量和CO2产生量的差值,D项错误。
6.(2021年慈溪选考模拟)某实验小组欲探究外源NO处理对干旱胁迫下玉米幼苗光合作用的影响,共做了4组实验。下图中甲组为空白对照组,乙组表示用外源NO处理非干旱玉米幼苗,丙组表示只进行干旱胁迫处理,其他条件相同且适宜,3 d后测定相关指标,结果如下图所示。请回答下列问题。
(1)实验中丁组的处理为　　　　　　　　　　　　　。经相应变量长期处理的甲组和丙组幼苗,叶肉细胞内的五碳糖含量甲组相比丙组　　　(填“较高”“较低”或“基本相等”)。 (2)欲研究干旱胁迫下光合色素含量的变化,可采用________ (填方法)对色素进行分离,然后再与对照组进行比较。进一步研究发现,干旱胁迫会使部分叶绿体基粒片层结构解体,直接影响光反应,进而影响碳反应的　　　　　　　　　　　(填反应)过程,使光合速率下降。 
(3)影响光合作用的因素可分为气孔因素和非气孔因素。若胞间CO2浓度升高而Gs下降,则光合速率下降的主要影响因素是　　　　　　　因素。本实验中干旱胁迫下玉米Pn的下降主要是由　　　　　　　引起的,由此推测,NO的作用可能是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (4)欲确定玉米幼苗光合产物去向,可采用　　　　　　　法。
答案:(1)同时利用外源NO处理和干旱胁迫　较高(2)纸层析法　三碳酸的还原(3)非气孔　气孔因素　通过减轻干旱对气孔因素的限制作用来缓解其对光合速率的抑制作用(4)14CO2的同位素示踪
解析:(1)该实验的目的是探究外源NO处理对干旱胁迫下玉米幼苗光合作用的影响,其中有空白对照,有单独外源NO处理,有干旱胁迫处理,因此探究外源NO处理对干旱胁迫下玉米幼苗光合作用的影响,还需要丁组同时进行外源NO处理和干旱胁迫处理,其他条件相同且适宜。由题图可知,甲组相比丙组的净光合速率更大,因此叶肉细胞内的五碳糖,甲组相比丙组较高。
(2)分离色素的方法是纸层析法。进一步研究发现,干旱胁迫会使部分叶绿体基粒片层结构解体,而叶绿体基粒片层结构,即类囊体,是光反应的场所,其受损会直接影响水的裂解产生ATP和NADPH,进而影响碳反应中三碳酸的还原,最终影响光合速率。
(3)影响光合作用的因素可分为气孔因素和非气孔因素,如温度为气孔因素,而与光合作用有关的酶的活性为非气孔因素。若胞间CO2浓度升高,但Gs下降,则说明气孔不是限制因素,因此是非气孔因素起主要作用。本实验中干旱胁迫下玉米Pn的下降主要是Gs下降所致,是受气孔因素(限制)的影响,题图所示实验结果丁组的Pn和Gs都高于丙组的,说明NO的作用可能是通过减轻干旱对气孔因素的限制作用来缓解其对光合速率的抑制作用。