新教材2024版高中生物第5章细胞的能量供应和利用第4节光合作用与能量转化课件新人教版必修1

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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课前 · 新知导学1．实验原理绿叶中色素的提取与分离无水乙醇溶解度溶解度层析液5 g少许SiO2和CaCO3，再加入5～10 mL无水乙醇单层尼龙布棉塞剪去两角去角一端1 cm毛细吸管滤液干后一到两次滤液细线观察结果　滤纸条上色素带有四条(如图)滤纸条上色素带的宽窄代表什么含义？__________________________________________________。微思考提示：色素的含量。色素含量多、色素带宽，反之则窄关于光合色素提取和分离实验的叙述，正确的是 (　　)A．菠菜绿叶可被用作色素提取的材料，在使用前用清水浸泡清洗，提取效果会更好B．加入少许CaCO3能避免类胡萝卜素被破坏C．色素分离的原理是色素易溶解于层析液D．用某一叶黄素缺失突变体水稻叶片进行实验，分离色素时(从上往下)第二条色素带缺失【答案】D【解析】由于色素不溶于水，用清水洗绿叶不影响实验结果，A错误；加入少许CaCO3能避免叶绿素被破坏，B错误；色素分离的原理是各色素随层析液在滤纸上扩散速度不同，C错误；用某一叶黄素缺失突变体水稻叶片进行实验，分离色素时从上往下第二条色素带为叶黄素的色带，会缺失，D正确。1．绿叶中色素的种类与光能吸收色素的功能和叶绿体的结构和功能蓝绿色黄绿色黄色蓝紫光红光蓝紫光类囊体的薄膜2．叶绿体的结构和功能(1)分布：主要分布在植物的__________内。(2)形态：扁平的________或________。(3)结构：(4)功能：绿色植物进行__________的场所。叶肉细胞椭球形球形外类囊体叶绿体基质光合作用一般植物的叶片在春、夏季为绿色，而在秋季呈黄色。请分析出现这一现象的原因是什么？_____________________________________________。微思考提示：在春夏季节，叶子中叶绿素含量多于类胡萝卜素，叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射出来，所以呈绿色。在秋季，叶绿素被破坏，类胡萝卜素完好，叶子呈现出了类胡萝卜素的颜色，所以呈现黄色下图为叶绿体结构示意图，下列叙述不正确的是 (　　)A．①具有选择透过性B．吸收光能的色素分布在②上C．与光合作用有关的酶只分布在③中D．叶绿体具有双层膜【答案】C【解析】叶绿体是由双层膜构成的，它们具有选择透过性，A、D正确；吸收光能的色素分布在类囊体薄膜上，即②上，B正确；与光合作用有关的酶分布在类囊体薄膜上和基质中，C错误。1．光合作用的概念光合作用的原理及探索叶绿体二氧化碳氧气光能有机物2．探索光合作用原理的部分实验COO2CH2O糖氧气水氧气H2OATPCO2光合碳卡尔文循环作用3．光合作用的过程(1)光反应阶段：①条件：________。②场所：________________。③物质变化：a．将H2O分解为________，其中H＋与NADP＋结合形成NADPH。b．使ADP和Pi反应形成________。④能量变化：将光能转化为储存在_______________中的化学能。有光类囊体的薄膜上氧和H＋ATPNADPH、ATP有光无光叶绿体基质2C3有机物中稳定的化学能光合作用的过程可分为光反应和暗反应两个阶段，下列说法正确的是 (　　)A．叶绿体类囊体的薄膜上进行光反应和暗反应B．叶绿体类囊体的薄膜上进行暗反应，不进行光反应C．叶绿体基质中可进行光反应和暗反应D．叶绿体基质中进行暗反应，不进行光反应【答案】D【解析】光反应是在叶绿体类囊体的薄膜上进行的，暗反应是在叶绿体的基质中进行的。1．光合作用强度(1)概念：植物在单位时间内通过光合作用制造_______________。(2)影响因素和衡量指标：光合作用原理的应用糖类的数量水分CO2温度长短与强弱原料产物2．探究环境因素对光合作用强度的影响实验流程：生长旺盛的绿叶小圆形叶片30片小圆形叶片内的气体逸出充满水CO2强、中、弱小圆形叶片浮 起的数量用一水生植物做如图所示的处理，不影响单位时间内产生气泡数的是 (　　)A．玻璃容器的容积B．台灯与玻璃容器的距离C．溶于水中的CO2的量D．水生植物的叶片数【答案】A【解析】台灯与玻璃容器的距离决定了光照强度，溶于水中的CO2是光合作用的原料，水生植物叶片数目决定了叶绿体数目。课堂 · 重难探究[知识归纳]1．绿叶中色素的提取与分离实验的异常现象分析绿叶中色素的提取与分离2．注意事项及原因分析[对点精练]1．(2023·吉林辽源期末)下图是新鲜绿叶的四种光合色素在滤纸上分离的情况，以下说法正确的是 (　　)A．连续多画几次滤液细线，以增加色素含量B．四种色素都能溶解在层析液中，乙色素的溶解度最大C．水稻在收获时节，叶片中色素量的变化是(甲＋乙)<(丙＋丁)D．甲、乙、丙、丁依次表示胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b【答案】C【解析】画滤液细线应等上一次画线干燥后，再进行下一次画线，从而增加色素含量，A错误；四种色素都能溶解在层析液中，溶解度越大，扩散的距离越大，所以丁色素的溶解度最大，B错误；甲是叶绿素b，乙是叶绿素a，丙是叶黄素，丁是胡萝卜素，水稻在收获时节，叶绿素分解，叶片中色素量的变化是(甲＋乙)<(丙＋丁)，C正确；甲、乙、丙、丁依次表示叶绿素b、叶绿素a、叶黄素和胡萝卜素，D错误。2．(2023·湖北荆州期末)为研究光照强度对植物光合色素的影响，某同学进行了不同光照条件下菠菜叶片的光合色素提取和分离实验，如图为滤纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。有关叙述正确的是(　　)A．实验结果说明，增加光照能促进光合色素的合成B．Ⅲ条带颜色呈蓝绿色，通常情况下，其中色素含量最多C．Ⅰ条带中的色素在层析液中的溶解度最小D．为保证层析效果，滤纸条插入层析液中越深越好【答案】B【解析】在强光条件下，Ⅰ、Ⅱ条带变宽，Ⅲ、Ⅳ条带变窄，说明增加光照能促进类胡萝卜素的合成，但抑制叶绿素的合成，A错误；Ⅲ条带是叶绿素a，颜色呈蓝绿色，通常情况下，4种色素中叶绿素a占的比例最多，B正确；Ⅰ条带中的色素在层析液中的溶解度最大，C错误；在将滤纸插入层析液中时，一定不能让层析液没及滤液细线，D错误。[知识归纳]1．叶绿体中的色素与吸收光谱色素功能和叶绿体的结构和功能(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吸收量大，对其他可见光并非不吸收，只是吸收量较少。2．叶绿体功能的验证实验——恩格尔曼实验(1)实验过程及现象：(2)实验结论：①叶绿体是进行光合作用的场所。②O2是由叶绿体释放的。(3)实验设计的“四妙”：①实验材料选得“妙”：实验材料选择水绵和需氧细菌。水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；用需氧细菌可确定释放氧气多的部位。②排除干扰的方法“妙”：没有空气的黑暗环境，排除了空气中氧气和光的干扰。③观测指标设计得“妙”：用极细的光束点状投射，叶绿体上可分为获得光照多和光照少的部位，相当于一组对照实验。④实验对照设计得“妙”：进行黑暗(局部光照)和曝光对照实验，明确实验结果完全是由光照引起的。[对点精练]1．如图是在电子显微镜下观察到的高等植物叶绿体结构模式图，下列有关叙述错误的是 (　　)A．①和②均为选择透过性膜B．③上分布有与光反应有关的色素和酶，这些色素对绿光吸收最少C．③上所含色素均含Mg2＋，故缺Mg2＋时这些色素都无法合成D．在③上形成的产物NADPH和ATP进入④中为暗反应提供物质和能量【答案】C【解析】叶绿素分子中含Mg2＋，胡萝卜素、叶黄素中不含Mg2＋。2．无论是在植物工厂里，还是在自然界中，植物捕获光能都要依靠光合色素。下列有关叙述错误的是 (　　)A．类胡萝卜素主要在蓝紫光区吸收光能用于光反应B．叶片中光合色素对不同波长光的吸收会影响叶片的颜色C．一般情况下，光合色素所利用的光都是可见光D．纸层析法分离光合色素时，色素的含量变化不影响实验结果【答案】D【解析】叶绿体色素包括类胡萝卜素和叶绿素，其中类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，用于光合作用光反应阶段，A正确；叶片中光合色素对不同波长光的吸收会影响叶片的颜色，B正确；一般情况下，光合色素所利用的光都是可见光，主要吸收可见光中的蓝紫光和红光，C正确；纸层析法分离光合色素时，色素的含量变化会影响实验结果，D错误。【方法技巧】 影响叶绿素合成的3个因素[知识归纳]1．光反应与暗反应的比较光合作用的过程2．光照和CO2浓度变化对光合作用物质含量变化的影响当外界条件改变时，光合作用中C3、C5、NADPH、ATP含量的变化可以采用如图分析：①以上各物质的变化是相对含量的变化，不是合成速率，且是在条件改变后的短时间内发生的。②在以上各物质的含量变化中：C3和C5含量的变化是相反的，即C3增加，则C5减少；NADPH和ATP的含量变化是一致的，都增加或都减少。如图为光合作用过程，请分析回答：(1)光反应和暗反应都需要光吗？原料分别有哪些？(2)光反应和暗反应的酶分布在叶绿体的什么部位？(3)光反应的产物有哪些？产物的去向、用途如何？(1)提示：光反应需要光，暗反应有光无光都可以；光反应的原料：H2O、ADP、Pi、NADP＋；暗反应的原料：CO2以及光反应产生的ATP、NADPH。(2)提示：光反应的酶分布在叶绿体的类囊体薄膜上，暗反应的酶分布在叶绿体的基质中。(3)提示：光反应的产物有ATP、NADPH以及O2；ATP、NADPH将进入叶绿体基质参与暗反应，用于C3的还原；而O2则进入线粒体参与细胞呼吸，或以气体形式从植物表皮的气孔释放进入大气。[对点精练]1．(2023·四川宜宾期末)下图表示某植物的光合作用过程，A、B代表生理过程，①②③④代表物质。据图分析，下列叙述不正确的是(　　)A．希尔研究了离体叶绿体在适当条件下利用H2O产生①的过程B．A过程中的能量变化为光能转化为ATP、NADPH中活跃的化学能C．鲁宾、卡门利用同位素标记法研究CO2中碳原子的转移途径D．土壤中缺乏N、P、Mg，会影响光合作用强度【答案】C【解析】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(悬浮液中有H2O，没有CO2)，在光照下可以释放出氧气，得出结论：离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生①氧气，A正确；A光反应过程将光能转化为ATP、NADPH中活跃的化学能，B正确；卡尔文用14C标记CO2，研究出碳原子在光合作用中的转移途径，即CO2→C3→有机物，C错误；N、P、Mg等元素是光合作用正常进行的必需元素，缺乏时会影响光合作用，D正确。2．(2023·湖南名校校考)如图表示绿色植物光合作用部分过程的图解，下列分析错误的是 (　　)A．该过程不需要光，发生的场所为叶绿体基质B．细胞呼吸过程中也产生物质A，同样具有还原C3的作用C．CO2中碳原子的转移途径是CO2→C3→糖类、C5D．突然降低CO2浓度，短时间内C5的含量上升【答案】B【解析】图示过程是光合作用的暗反应阶段，不需要光，发生的场所为叶绿体基质，A正确；题图中A是NADPH，细胞呼吸中产生的[H]实际上是还原型辅酶I(NADH)，故细胞呼吸和光合作用产生的[H]不是同一种物质，细胞呼吸中产生的[H]不具有还原C3的作用，B错误；暗反应中CO2首先被C5固定生成C3，C3再被还原生成(CH2O)和C5，故CO2中碳原子的转移途径是CO2→C3→糖类、C5，C正确；突然降低CO2浓度，短时间内C5的消耗量降低，而C5的合成量不变，所以C5的含量升高，D正确。[知识归纳]1．单因子变量对光合速率的影响(1)光照强度(如图)：影响光合作用的因素①曲线分析：②应用：阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低，如图中虚线所示。间作套种农作物，可合理利用光能。(2)CO2浓度(如图)：①曲线分析：图1中A点表示CO2补偿点，即光合速率等于呼吸速率时的CO2浓度，图2中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。②应用：在农业生产上可以通过“正其行，通其风”，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光合速率。(3)温度(如图)：①曲线分析：温度主要通过影响与光合作用有关酶的活性，进而影响光合速率。②应用：冬季，温室栽培白天可适当提高温度；晚上可适当降低温度，以降低细胞呼吸消耗有机物。2．多因子变量对光合速率的影响(1)曲线分析：P点：限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随着因子的不断加强，光合速率不断提高。Q点：横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的因子，影响因素主要为各曲线所表示的因子。(2)应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，也可同时适当增加CO2浓度，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浓度以提高光合速率。[对点精练]1．科学家研究CO2浓度、光照强度和温度对同一种植物光合作用强度的影响，得到实验结果如下图。请据图判断下列叙述不正确的是 (　　)A．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CO2浓度不同B．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温度不同C．光照强度为a～b时，曲线Ⅰ光合作用强度随光照强度升高而升高D．光照强度为a～c时，曲线Ⅰ、Ⅲ光合作用强度随光照强度升高而升高【答案】D【解析】从图中可以看出，光照强度为a～c时，曲线Ⅰ光合作用强度随光照强度升高而升高，而曲线Ⅲ光合作用强度并没有随光照强度升高而升高。在a点时曲线Ⅱ和Ⅲ的外界条件只有一个不同，那就是CO2浓度。在光照强度为a～b时，图中曲线Ⅰ的趋势是上升的。2．(2023·湖南邵阳期末)图甲为某阳生植物在不同温度条件下，CO2吸收或产生速率的变化曲线，其中实线表示净光合速率，虚线表示呼吸速率，图乙为该植物叶片不同光照强度条件下，CO2吸收量的变化曲线(单位均为mmol·cm-2·h-1)。下列叙述不正确的是 (　　)A．温度为30 ℃和40 ℃时，该植物叶绿体暗反应固定CO2的速率相等B．该植物在光照强度为1 klx时，只要白天时间比晚上长，即可正常生长C．如果换成阴生植物，图乙中的C点一般要上移D．图乙中影响D点光合速率的主要环境因素是光照强度【答案】B【解析】据图甲分析，温度为30 ℃时，叶绿体固定二氧化碳的速率为2＋8＝10，温度为40 ℃时，叶绿体固定二氧化碳的速率5＋5＝10，A正确；该植物在光照强度为1 klx时，叶片光合速率等于呼吸速率，对于整株植株而言光合速率小于呼吸速率，即使一直光照植株都不能正常生长，B错误；如果换成阴生植物，所需光照强度减弱，合成的有机物也会减少，呼吸作用减弱，因此图乙的C点一般要上移，C正确；图乙中影响D点光合速率的主要环境因素是光照强度，D正确。课堂 · 延伸提分光合作用的实质是一系列能同时进行，又相互影响的化学反应。反应中某些物质的合成和消耗呈现动态平衡，使得各化学反应相互联系、相互影响。如NADPH、ATP、C3和C5等。例1　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增多、C5减少 B．C3增多、C5增多C．C3减少、C5增多 D．C3减少、C5减少易错易混：光合作用中的物质变化【答案】C【解析】叶绿体在光照条件下进行的光反应为暗反应提供ATP和NADPH。C3在NADPH的还原作用下形成有机物或C5。此时中断CO2供应，C5不能与CO2结合成C3，短时间内C3减少，C5增多。错因分析：一是不清楚C3、C5的合成与消耗是一种动态平衡；二是不理解改变环境因素之后对平衡的影响。例2　在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射，下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是 (　　)A．红光，ATP下降B．红光，未被还原的C3上升B．绿光，NADPH下降D．绿光，C5上升【答案】C解题技巧：信息题的答题方法【解析】叶绿体中的色素主要吸收利用红光和蓝紫光。若由白光突然改用光照强度与白光相同的红光，则光反应速率有所增强，即ATP和NADPH增加，被还原的C3增加，未被还原的C3减少，C5生成增加，C5含量上升，故A、B项错误；叶绿体色素对绿光吸收最少，若由白光突然改用光照强度与白光相同的绿光，可导致光反应速率减慢，光反应产生的NADPH和ATP减少，故短时间内NADPH含量会下降，C项正确；同理，绿光下由于NADPH和ATP含量下降，导致C3被还原为C5的速率减慢，而暗反应中CO2的固定仍以原来的速率消耗C5，故短时间内C5的含量会下降，D项错误。审题流程：第一步　题干信息的提取。找到核心描述和要求，进行解读和转化，能帮助我们迅速地接近答案。如“在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间”，意味着叶绿体内各化学反应已达到动态平衡，各类化合物含量相对稳定。“突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射”意味着光反应对光能的利用突然增强或减弱，平衡被打破，瞬间叶绿体内化合物含量有所变化。“组合正确”意味着对应关系准确，要从四个选项中找到正确的答案。第二步 选项信息的判断。对每个选项的描述作出准确的判断。选项描述的知识要迅速与自己记忆的知识和题干信息做出比对，判断对错。当描述的知识综合性较强时，要学会分割和推理。第三步　做出选择。技法指导：本题考查光合作用的基本过程和影响因素的相关知识，意在考查学生理解所学知识的要点，把握知识间的内在联系的能力。光合作用是由一系列化学反应组成的，在内外因素不发生变化时各化学反应处于动态平衡中，叶绿体中各类化合物含量保持稳定。内外因素突然改变对各类化学反应速率的影响，时间有先后，在建立新的平衡之前，叶绿体中各类化合物含量有变化，从变化时间先后入手分析能解决此类问题。四个选项彼此联系紧密，可直接选出答案。小练 · 素养达成1.(2023·山东泰安开学考)图甲是叶绿体结构示意图，图乙是绿叶中色素分离的结果(①～④代表叶绿体结构，A～D代表4种色素)，下列相关叙述错误的是(　　)A．②上与光反应有关的色素对绿光吸收较少B．利用无水乙醇分离色素的原因是色素溶于乙醇C．A色素带为胡萝卜素，溶解度最大D．在②和④中，有许多进行光合作用所必需的酶【答案】B【解析】②为类囊体薄膜，上面分布有与光反应有关的光合色素，光合色素对绿光吸收最少，主要吸收红光和蓝紫光，A正确；色素易溶于有机溶剂，故可用无水乙醇提取色素，因色素在层析液中的溶解度不同，故分离色素用的是层析液，B错误；A色素带为胡萝卜素，因其在层析液中的溶解度最高，扩散速度最快，离滤液细线距离最远，C正确；②类囊体薄膜为光反应的场所，④叶绿体基质为暗反应的场所，在②和④中，有许多进行光合作用所必需的酶，D正确。2．(2023·广东肇庆期末)1937年，英国植物学家希尔(R.Hill)发现，将离体的叶绿体加入具有氢受体(如NADP＋)的水溶液中，在无CO2的条件下给予光照，发现叶绿体有氧气放出，生成NADPH(还原型辅酶Ⅱ)。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。下列相关分析错误的是 (　　)A．希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应B．在此过程中，H2O分解产生O2的同时，还生成了NADPHC．光合作用中O2的释放和CO2的利用，是可以暂时分离的D．光合作用整个过程都直接需要光照【答案】D【解析】希尔实验的悬浮液中只有水，没有CO2不能合成糖类，说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应，A正确；根据题意可知，H2O在光下分解产生O2的同时生成了H＋，H＋与NADP＋结合生成NADPH(还原型辅酶Ⅱ)，B正确；希尔实验中在没有加入CO2的情况下生成了O2，说明O2的释放和CO2的利用，是可以暂时分离的，C正确；光合作用过程分为光反应和暗反应，光反应需要有光照，暗反应有无光照都可发生，D错误。3．(2021·广东卷)在高等植物光合作用的卡尔文循环中，唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco，下列叙述正确的是 (　　)A．Rubisco存在于细胞质基质中B．激活Rubisco需要黑暗条件C．Rubisco催化CO2固定需要ATPD．Rubisco催化C5和CO2结合【答案】D【解析】CO2的固定发生于暗反应阶段，场所是叶绿体基质，A错误。CO2的固定过程在有光和无光条件下都能进行，但Rubisco需要光激活，B错误。CO2的固定过程需要酶的参与，不需要消耗ATP，C错误。由题干信息可知，催化CO2固定形成C3的酶是Rubisco，D正确。4．(2023·山东青岛开学考)沃柑果皮易剥，汁多香甜，深受消费者喜爱。图甲表示沃柑植株进行光合作用的部分过程，A～E表示物质；图乙表示适宜温度下光照强度对沃柑叶肉细胞光合作用的影响。下列说法错误的是 (　　)A．图甲中C、D两种物质分别代表ATP和C5B．长期处于图乙中b点的光照强度下，沃柑无法合成有机物C．其他条件不变，适当提高图甲中A的浓度，图乙中b点会左移D．d点之后限制CO2吸收速率的主要因素可能是CO2浓度【答案】B【解析】图甲中C、D两种物质分别代表ATP和C5，光反应产生的ATP为C3还原过程提供能量，产生的C3重新还原成一分子C5和一分子有机物，A正确；图乙b点表示叶肉细胞呼吸作用的速率等于光合作用的速率，长期处于b点的光照强度下，沃柑无法积累有机物，B错误；甲中A是CO2，适当提高其浓度，光合作用增强，则达到叶肉细胞呼吸作用的速率等于光合作用的速率所需的光照强度减小，即图乙中b点会左移，C正确；图乙中d点之后，光照强度饱和，限制植物光合速率的外界因素主要是CO2浓度、水分等，D正确。5．右面分别是叶绿体结构模式图和绿色植物光合作用过程图解，请据图回答：(1)吸收光能的色素分布在叶绿体的[②]__________上。(2)暗反应的场所是在____________，暗反应需要光反应提供[④]________和[⑤]________。(3)过程Ⅰ中能量变化情况是____________________________。(4)过程Ⅲ称为____________，其产物是________。(5)夏日的午后，如果气温过高，叶片的气孔关闭，导致[　] _______供应大大减少，C3的产量随之_______(填“增加”或“减少”)。(6)写出绿色植物光合作用的总反应式：______________。【答案】(1)类囊体薄膜　(2)叶绿体基质　NADPH　ATP(3)光能转变成ATP中(活跃)的化学能　(4)CO2的固定　C3　(5)⑥　CO2　减少