1、秋人教版生物必修一同步名师导学讲义第五章 细胞的能量供应和利用 第4节 能量之源光与第4节能量之源光与光合作用学习目标1说出叶绿体的结构和功能。(重点)2说出色素的种类及功能。3提取和分离绿叶中色素。(难点)4描述光合作用的过程。(重点)5说出光合作用的概念。6阐述光合作用中物质和能量的变化。(难点)7体验科学探究的方法和技术。核心概念提取色素分离色素叶绿体吸收光谱光合作用光反应阶段暗反应阶段同位素标记法第1课时光合作用的探究历程、过程及色素一、光合作用的探究历程11864年，德国的萨克斯的实验证实了光合作用的产物有 淀粉 。21939年，美国的鲁宾和卡门利用 同位素标记法 证明了 光合作用释
2、放的氧气来自水 。320世纪40年代，美国的卡尔文，利用放射性同位素标记技术最终探明了 CO2 在光合作用中转化成 有机物中碳 的途径。二、绿叶中色素的提取和分离三、色素的含量和种类四、叶绿体的结构和功能1叶绿体的结构2叶绿体的功能：进行 光合作用 的场所。3恩格尔曼的实验实验设计：把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗中，然后用极细的光束照射水绵；之后再将临时装片暴露在光下。实验现象：极细的光束照射，细菌 只向叶绿体被光束照射到的部位集中 ；完全暴露在光下，细菌 分布在叶绿体所有受光的部位 。实验结论：叶绿体是 光合作用的场所 ，氧气是叶绿体释放的。五、光合作用的过程及应用1光反应
3、(1)场所：叶绿体的 类囊体薄膜 上。(2)条件： 光照 、色素、酶等。(3)物质变化：将水分解为 H和O2 ，将ADP和Pi合成ATP。(4)能量变化：光能转变为 活跃的化学能 。2暗反应(1)场所：叶绿体的 基质 中。(2)条件：酶、H、ATP。(3)物质变化：aCO2的固定：C5CO2 2C3 ；b.C3的还原：C3HATP C6H12O6 。(4)能量变化：ATP中活跃的化学能转变为 有机物中稳定的化学能 。？思考1夏季的树叶多为绿的海洋，到了深秋时节更有“看万山红遍，层林尽染”的美景，试从生物学角度分析其原因。提示：春夏时节叶绿素所占比例大，故叶子为绿色，而到了深秋叶绿素大量分解，类
4、胡萝卜素含量相对增加，故叶子为黄色或橙黄色。2植物能进行光合作用制造有机物，有位同学就想：“如果人能像绿色植物一样，岂不是不用吃饭了吗？”如果该同学的想法能实现，你认为人体细胞应具备什么样的结构？提示：细胞质中有叶绿体。3在大棚种植时一般选用哪种颜色的薄膜？为什么？提示：一般选用无色透明的薄膜，因为能够透过各种单色光。H判断题1植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光。()2叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光。()3利用纸层析法可分离出4种叶绿体色素。()4叶绿体中的色素主要分布在类囊体腔内。()5光合作用过程中光反应是暗反应进行的前提。()知识点1光合作用的探究历程Z1探究历程年代科学家
5、过程(依据)结论或结果1771年普利斯特利(英)植物可以更新空气1779年英格豪斯(荷兰)同普利斯特利的实验过程只有在阳光照射下和有绿叶时植物才可以更新空气1845年梅耶(德国)能量转换和守恒定律植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来1864年萨克斯(德国)黑暗中饥饿处理的绿叶绿色叶片在光合作用中产生淀粉1939年鲁宾和卡门(美国)HOCO2植物18O2C18O2H2O植物O2光合作用释放的氧气来自水2从光合作用的探究历程可知(1)普利斯特利的实验的优点和不足优点自变量明确：证明植物具有更新空气的作用对照明显：玻璃罩内只放小鼠或燃烧蜡烛作对照不足没有认识到光在植物更新空气中的作用没有
6、明确植物吸收和释放的气体(2)萨克斯实验的成功之处方法的成功：a设置了对照实验，自变量为光照，因变量是叶片颜色的变化。b实验的关键是饥饿处理，使叶片中的营养物质消耗掉，避免了对实验结果的干扰。认识上的成功：本实验在证明光合作用的产物是淀粉的同时，还证明了光照是光合作用的必要条件。(3)鲁宾和卡门实验巧妙之处：两组实验相互对照直观地表现出氧气是来自于水的光解，而不是来自于二氧化碳中的氧。自变量为被标记的C18O2和HO，因变量是O2的放射性。(4)卡尔文循环探究方法：同位素标记法。用14C标记CO2，追踪检测放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。实验结论。碳的转化途径：1
7、4CO2C514C3 (14CH2O)知识贴士自身对照相互对照不能认为萨克斯实验和鲁宾及卡门实验的对照设计方法相同：其中萨克斯实验的对照方式为自身对照(一半曝光与另一半遮光)；而鲁宾和卡门实验的对照方式为相互对照(通过标记不同的物质：HO与C18O2)。D典例1如图表示德国科学家萨克斯做的实验，在叶片照光24 h后，经脱色、漂洗并用碘液处理后，结果被锡箔遮盖的部分呈棕色，而不被锡箔遮盖的部分呈蓝色。本实验说明(C)光合作用需要CO2光合作用需要光光合作用需要叶绿素光合作用放出氧光合作用制造淀粉A BC D解析将叶片照光24 h后，叶片曝光部分进行光合作用，经脱色、漂洗后用碘液处理变蓝，说明有淀
8、粉生成，应选；用锡箔遮盖的部分因没有照光，不能进行光合作用，未产生淀粉，用碘液处理不变蓝，说明光合作用需要光，还应选。变式训练1右图是恩格尔曼的实验示意图，下列有关叙述正确的是(D)A实验先进行“黑暗”处理，主要目的是消耗细胞中原有的淀粉B极细的光束照射是为了避免对水绵叶绿体造成灼伤C实验设置了一次对照D实验可证明叶绿体是光合作用的场所解析图示的实验中，先进行“黑暗”处理，目的是防止光的干扰。极细的光束照射是为了使叶绿体上分为有光照和无光照的部位，相当于一组对照实验，实验还进行了黑暗(局部光照)和完全光照对照实验，共设置了两次对照实验。该实验证明了叶绿体是光合作用的场所。知识点2绿叶中色素的提
9、取和分离Z1原理及试剂(1)原理：(2)试剂：2实验步骤步骤方法原因色素提取选取新鲜叶片：色素含量高加入少许二氧化硅和碳酸钙：作用分别是使研磨充分、保护色素加入10 mL无水乙醇：溶解、提取色素将研磨液迅速倒入基部垫有单层尼龙布的玻璃漏斗中过滤，滤液收集到试管中，及时用棉塞塞紧试管口试管口加棉塞：防止溶剂挥发，并充分溶解色素分离色素剪去两角：防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快画滤液细线画得细、齐、直；重复画层析液不能没及滤液细线：防止色素溶于层析液中试管加塞是为了防止层析液挥发(因为丙酮、苯等有毒性)观察与分析3有关色素带的分析(1)从色素带的位置可知道各种色素在层析液中溶解度的高低依次为：胡
10、萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b。(记忆口诀：胡黄ab)(2)从色素带的宽度可知各种色素的含量一般情况下为：叶绿素a叶绿素b叶黄素胡萝卜素。(3)在滤纸条上距离最近的两条色素带是叶绿素a与叶绿素b，距离最远的相邻的两条色素带是胡萝卜素和叶黄素。4绿叶中的色素对光的吸收特点(1)绿叶中的色素只吸收可见光，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，对其他可见光并非不吸收，只是吸收量较少。知识贴士实验中的注意事项加入无水乙醇后，要进行迅速、充分的研磨，迅速研磨可以防止溶剂挥发，充分研磨是为了使更多的色素溶解在溶剂中，否则提取的色素量减少。过滤时，不能用
11、滤纸，要用单层尼龙布(或脱脂棉)，因为滤纸可以吸附色素，降低滤液中色素的含量，使实验效果不明显。D典例2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、药品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(B)试剂甲乙丙丁无水乙醇水CaCO3SiO2A BC D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；CaCO3能够防止研磨时色素被破坏，丙同学未加CaCO3，其滤纸条上叶绿素a、叶绿素b对应的色素带应较窄；SiO2能够使研磨更充分，丁同学未加SiO2，其滤纸条上的四条色素带均应较窄
12、。乙同学操作正确，其滤纸条上的色素带应是正常的，如图所示。变式训练2关于叶绿素的叙述，错误的是(D)A叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素B被叶绿素吸收的光可用于光合作用C叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同D植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光解析叶绿素a和叶绿素b所含化学元素的种类相同，都由C、H、O、N、Mg组成，A项正确。叶绿素吸收的光能通过光合作用转变为储存在有机物中的化学能，B项正确。叶绿素a在红光区的吸收峰值约为660 nm，叶绿素b在红光区的吸收峰值约为640 nm，C项正确。绿叶中的色素对绿光的吸收极少，绝大多数绿光被反射出来，叶片中又含有大量的叶绿素，因此一般情况下植物呈
13、现绿色，D项错误。知识点3叶绿体的结构和功能Z1叶绿体的结构及功能(1)结构：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。基粒：由囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为类囊体。吸收光能的四种色素就分布在类囊体的薄膜上。基质：在基粒与基粒之间充满基质，基质中含有与光合作用有关的酶。(2)功能：叶绿体内的基粒和类囊体扩展了受光面积，含有许多吸收光能的色素分子和光合作用所必需的酶，因此叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。2叶绿体功能的验证实验(1)实验过程及现象：(2)实验结论：叶绿体是进行光合作用的场所。O2是由叶绿体释放的。(3)实验设计巧妙之处：实验材料选择水绵和好氧细菌：水绵的叶绿体
14、呈螺旋式带状，便于观察；用好氧细菌可确定释放氧气的部位。没有空气的黑暗环境：排除了氧气和光的干扰。用极细的光束点状投射：叶绿体上可分为获得光照和无光照的部位，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。知识贴士光合作用的酶分布在类囊体的薄膜上和基质中，但光合色素只分布在类囊体的薄膜上。叶绿体以囊状结构堆叠成基粒的方式增大膜面积，而线粒体以内膜向内腔折叠形成嵴的方式增大膜面积。D典例3下列关于叶绿体的描述，错误的是(C)A基粒由类囊体堆叠而成 B叶绿体被膜由双层膜组成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双层
15、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。易错提醒：与叶绿体有关的几点注意事项(1)与光合作用有关的酶分布在类囊体的薄膜上和基质中，但光合色素只分布在类囊体的薄膜上。(2)叶绿体以囊状结构堆叠成基粒的方式增大膜面积，而线粒体以内膜向内折叠形成嵴的方式增大膜面积。(3)叶绿体基粒是由类囊体堆叠而成，每个基粒含2100个类囊体，基粒之间不是孤立的，它们可通过薄膜相连。变式训练3叶绿体是植物进行光合作用的场所。下列关于叶绿体结构与功能的叙述，正确的是(D)A叶绿体中的色素主要分布在类囊体
16、腔内B吸收光能和四种色素分布在叶绿体基质中C叶绿体内膜折叠成基粒D光合作用的产物淀粉是在基质中合成的解析色素分布在类囊体藻膜上，基粒是由类囊体藻膜堆叠形成的。知识点4光合作用的过程Z1光合作用的过程图解(1)光反应过程(2)暗反应过程2光反应和暗反应的比较(1)区别项目光反应暗反应实质光能转化为化学能，并释放出O2同化CO2，合成有机物反应时间短促较缓慢需要条件外界条件：光照；内部条件：色素、酶不需要光照；内部条件：酶反应场所叶绿体类囊体的薄膜上叶绿体基质内物质变化水的光解：水分解成H和O2ATP的合成：在相关酶的作用下，ADP和Pi形成ATPCO2的固定：CO2C52C3C3的还原：2C3
17、(CH2O)C5能量变化光能活跃的化学能ATP中活跃的化学能有机物中稳定的化学能相应产物O2、ATP和H糖类等有机物(2)联系：光反应为暗反应提供H、ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi，如图所示：3光合作用过程中物质交换分析(1)光合作用过程中C、H、O元素转移途径3HO(2)14C18O2214C3 (14CHO)HO(3)光合作用总反应式与C、H、O元素的去向Y有关光合作用过程的四点提醒(1)叶绿体的内膜既不参与光反应，也不参与暗反应。(2)光反应阶段为暗反应提供ATP、H，ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质。而暗反应则为光反应提供ADP和Pi，ADP从叶绿体基质移向类囊体薄膜。(3)光
18、反应阶段必须是在有光条件下进行，而暗反应阶段有光无光都能进行，但需光反应提供的H和ATP，故暗反应不能长期在无光环境中进行。(4)在自然条件下，光反应阶段和暗反应阶段同时进行，不分先后。D典例4如图为叶绿体结构与功能示意图，下列说法错误的是(D)A结构A中的能量变化是光能转变为ATP中的化学能B供给14CO2，放射性出现的顺序为CO2C3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，能把光能转换为ATP中活跃的化学能。从暗反应的过程可以看出，供给14CO2，放射性出现的顺序为CO2C3甲。光合作用产生的O
19、2可进入线粒体，被细胞呼吸所利用。在光合作用中，CO2首先被C5固定形成C3，如果突然停止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。知识贴士：不同的条件下叶绿体内各种物质的动态变化规律条件C3C5H和ATP(CH2O)合成量停止光照CO2供应不变增加减少减少减少突然光照CO2供应不变减少增加增加增加光照不变停止CO2供应减少增加增加减少光照不变CO2供应增加增加减少减少增加说明：以上各物质含量的变化是在外界条件改变后的短时间内发生的，且是相对含量的变化。变式训练4为研究棉花去棉铃(果实)后对叶片光合作用的影响，研究者选取至少具有10个棉铃的植株，去除不同
20、比例棉铃，3天后测定叶片的CO2固定速率以及蔗糖和淀粉含量，结果如图所示。(1)光合作用暗反应利用光反应产生的ATP和 H(NADPH) ，在 叶绿体基质 中将CO2转化为C3，进而形成淀粉和蔗糖。(2)由图甲可知，随着去除棉铃百分率的提高，叶片光合速率 逐渐下降 。本实验中对照组(空白对照组)植株的CO2固定速率相对值是 28 。(3)由图乙可知，去除棉铃后，植株叶片中 淀粉和蔗糖含量 增加。已知叶片光合产物会被运到棉铃等器官并被利用，因此去除棉铃后，叶片光合产物利用量减少， 输出量 降低，进而在叶片中积累。(4)综合上述结果可推测，叶片中光合产物的积累会 抑制 光合作用。(5)一种验证上述
21、推测的方法为：去除植株上的棉铃并对部分叶片遮光处理，使遮光叶片成为需要光合产物输入的器官，检测 未遮光 叶片的光合产物含量和光合速率。与只去除棉铃植株的叶片相比，若检测结果是 光合产物含量下降，光合速率上升 ，则支持上述推测。解析(1)光合作用光反应可为暗反应提供H(NADPH)和ATP，并在叶绿体基质中将CO2转化为C3，进而形成淀粉和蔗糖。(2)由图甲信息可知，随去除棉铃百分率的提高，叶片固定CO2能力明显降低；对照组(未摘除棉铃)植株CO2固定速率的相对值应为“去除棉铃百分率为0”时的CO2固定值，即28。(3)由图乙可知，去除棉铃后，植株叶片中淀粉和蔗糖含量增加。由题干信息可知，叶片光
22、合产物被运到棉铃等器官并被利用，故除去棉铃后，叶片光合产物输出量降低，从而导致相应产物在叶片中积累。(4)综合图甲、乙中的相关信息可知，叶片中光合产物积累将使CO2固定速率明显降低，即抑制光合作用。(5)该验证实验中，推测若去除植株上的棉铃，使遮光叶片成为需要光合产物输入的器官，则未遮光叶片光合产物会不断转运至遮光叶片中，从而导致未遮光叶片中蔗糖和淀粉含量下降，进而解除产物积累对光合速率的抑制，因此，检测未遮光叶片的光合产物含量和光合速率，若与只去除棉铃植株的叶片相比，检测结果为光合产物含量下降，光合速率上升，则可支持相关推测。第2课时光合作用的原理和应用一、探究光照强度对光合作用强度的影响1
23、光合作用强度2探究光照强度对光合作用强度的影响二、光合作用的原理在生产实践中的应用实例原理间作套种不同植物对 光照 的需求不同冬季大棚温度白天适当提高，晚上适当降低一定范围内 温度 升高，光合作用和细胞呼吸都会增强“正其行、通其风”增大 CO2 浓度，有利于光合作用的进行合理灌溉 水分 缺少导致气孔关闭，CO2供应不足三、化能合成作用1概念：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 的合成作用。2实例硝化细菌3自养生物和异养生物类型概念代表生物自养生物能将 无机物 合成 有机物 的生物光能自养生物： 绿色植物 化能自养生物： 硝化细菌 异养生物只能利用环境中 现成的有机物
24、 来维持自身生命活动的生物人、动物、真菌、大多数细菌？思考1光饱和点后，限制光合速率的内部因素主要有哪些？提示：色素含量、酶的数量、C5的含量等。2下面是有关农业种植的谚语“黑夜下雨白天晴，打的粮食没处盛”。请从光合作用的角度分析这句谚语的含义。提示：夜晚降雨不仅提供水分，还降低温度，减弱细胞呼吸消耗，白天晴天，提供良好光照，光合作用强，经过一昼夜中，有机物的积累量高。H判断题1光照强度对光合作用强度的影响实验中，可以通过调节台灯与实验装置的距离来调节光照强度。()2探究实验中，小圆形叶片浮起的原因是叶片进行细胞呼吸产生了CO2。()3绿色植物和硝化细菌都为自养生物，都可通过光合作用制造有机物
25、。()4化能合成作用与光合作用所利用的无机物原料都是CO2和H2O。()5原核生物都是异养生物。()6自养生物合成有机物时只能利用光能。()知识点1探究环境因素对光合作用强度的影响Z1光合作用强度(1)概念：简单地说，光合作用强度(又称光合速率)是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量，是描述光合作用强弱的指标。(2)表示方法2探究光照强弱对光合作用强度的影响(1)实验原理叶片含有空气，上浮叶片下沉充满细胞间隙，叶片上浮(2)实验中沉水叶片的制备小圆形叶片的制备：用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出小圆形叶片。沉水：用注射器抽出叶片内气体，放入黑暗处盛有清水的烧杯中，小圆形叶片全部沉到水底。黑
26、暗条件的设计是为了防止光合作用的进行。(3)实验装置分析自变量的设置：光照强度是自变量，通过调整台灯与试管之间的距离来调节光照强度的大小。中间盛水的玻璃柱的作用：吸收灯光的热量，避免光照对试管内水温产生影响。因变量是光合作用强度，可通过观测单位时间内被抽去空气的小圆形叶片上浮的数量或者是浮起相同数量的叶片所用的时间长短来衡量光合作用的强度。(4)实验结论：在一定范围内，随着光照强度的不断增强，光合作用强度也不断增强。(假设正确)Y取材关键及实验结果分析(1)打孔时避开大叶脉是因为大叶脉部分含有的叶绿体少。(2)用注射器排出小圆形叶片内的气体是为了防止细胞内原本存在的气体影响实验结果。(3)该实
27、验中所取的叶片大小和生理状态应该是相同的，打孔时要取叶片的相同部位。(4)本实验中的数值并不代表真正的光合速率，而是光合作用的净积累值，即光合作用与细胞呼吸的差值。D典例1正常生长的绿藻，照光培养一段时间后，用黑布迅速将培养瓶罩上，此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是(B)AO2的产生停止 BCO2的固定加快CATP/ADP比值下降 DNADPH/NADP比值下降解析本题考查光照变化对光合作用过程的影响。用黑布将培养瓶罩住，相当于停止光照，光反应停止，不再产生氧气。H和ATP的产生停止，导致暗反应C3的还原速度减慢，C3在叶绿体内积累导致二氧化碳固定减慢。光反应停止，ATP的生成减少，AT
28、P/ADP比值下降。光反应停止，NADPH(H)的产生减少，NADPH/NADP比值下降。解答本题的关键是弄清楚光照和哪些反应有关，引起哪些物质发生变化。变式训练1将植物栽培在光照、温度适宜，CO2充足的条件下，如果将环境中CO2含量突然降至极低水平，此时叶肉细胞中C3化合物、C5化合物和ATP含量的变化情况依次是(C)A上升、下降、上升 B下降、上升、下降C下降、上升、上升 D上升、下降、下降解析在其他条件都适宜的前提下，CO2含量突然降低会导致CO2的固定受阻，致使C3化合物的来源受阻，C5化合物的去路受阻。而C3化合物的还原过程仍然在进行，导致C3化合物因不断被还原而减少，C5化合物因不断产生而增加，C3化合物的来源不足，致使ATP的利用减少，含量上升。知识点2影响光合作用的环境因素及在生产中的应用Z1光照强度：(1)原理：光照强度主要影响光反应阶段ATP和H的产生，进而影响暗反应阶段。(2)曲线关键点A点光照强度为0，此时只进行细胞呼吸；A点的CO2释放量表示细胞呼吸速率B点光合作用强度细胞呼吸强度(细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用)，此时光照强度称为光的补偿点C点光照强度增强，光合作
