生物新航标导学人教必修一讲义第5章+细胞的能量供应和利用+542及答案.docx
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生物新航标导学人教必修一讲义第5章+细胞的能量供应和利用+542及答案
第2课时 光合作用的原理和应用
课前自主预习案
一、光合作用的概念与探究历程
1.光合作用的概念[填图]
2.光合作用的探究历程[填表]
科学家
实验过程或依据
实验结论
1771年普利斯特利
密闭玻璃罩+绿色植物+
植物可以更新空气
1779年英格豪斯
500多次植物更新空气实验
在阳光照射下,植物体只有绿叶才能更新空气
1845年梅耶
根据能量转化和守恒定律
光合作用把光能转换成化学能储存起来
1864年萨克斯
绿叶→暗处放置→叶片一半曝光、一半遮光→碘蒸气处理→颜色变化(曝光处呈深蓝色)
植物叶片在光合作用中产生了淀粉
1941年鲁宾和卡门
光合作用释放的O2全部来自H2O
20世纪
40年代
卡尔文
用14C标记CO2
探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径,即卡尔文循环
二、光合作用的过程
1.过程及分析[据图填空]
2.反应式
CO2+H2O
(CH2O)+O2
判断下列有关光合作用叙述的正误
(1)光反应阶段发生在叶绿体内膜和类囊体薄膜上( )
(2)光反应过程中合成了ATP,需要的能量来源于呼吸作用分解的有机物( )
(3)光反应的进行不需要任何酶的参与( )
(4)高等绿色植物白天进行光反应,夜晚进行暗反应( )
(5)光反应为暗反应提供[H]和ATP( )
(6)暗反应必须在无光的条件下进行( )
(7)暗反应需要的ATP是由光合作用合成的糖经过有氧呼吸产生的( )
(8)在离体的叶绿体基质中添加[H]、ATP和CO2后,可以完成暗反应( )
(9)光反应和暗反应必须都在光照条件下才能进行( )
(10)光合作用产生的O2来自CO2和H2O中的O( )
(11)绿色植物光合作用的反应物是CO2和H2O,产物是有机物和O2( )
(12)绿色植物进行光合作用的能量来源于光能( )
答案:
(1)×
(2)× (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)×
(8)√ (9)× (10)× (11)√ (12)√
课堂互动探究案
【课程标准】
说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量,这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中,转化并储存为糖分子中的化学能
探究不同环境因素对光合作用的影响
【素养达成】
1.阅读科学家对光合作用的探究过程,了解人们对光合作用认识的过程。
(社会责任)
2.结合事例及教材图5—15,掌握光合作用的光反应和暗反应过程以及二者的关系。
(社会责任)
3.联系日常生活实际,思考影响光合作用的环境因素以及光合作用原理的实践应用。
(社会责任)
同学们,诗中的“你”是指什么?
为什么会给“我”生命的甘露、无穷的能量。
探究点一 光合作用的探究历程
【师问导学】
1.下图是萨克斯的实验,请分析:
(1)把绿叶先在暗处放置24小时的目的是什么?
(2)该实验是如何形成对照的?
(3)为什么要用酒精脱色后再用碘液处理?
(4)本实验的结论是什么?
答案:
(1)消耗掉叶片中原有的淀粉,防止干扰实验结果。
(2)绿叶一半遮光,一半曝光,形成了对照。
(3)避免叶片颜色对实验结果的干扰。
(4)光合作用的产物中有淀粉。
2.如图是利用小球藻进行光合作用实验的示意图,图中A物质和B物质的相对分子质量之比是多少?
提示:
图中A、B物质是氧气,均来自于反应物中的水。
A、B分别为O2、18O2,二者的相对分子质量之比为32:
36=8:
9。
答案:
8:
9
【智涂笔记】
[名师点拨]
(1)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),检验试剂为碘蒸气;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:
H
O与C18O2)。
(2)萨克斯实验中黑暗处理的目的:
消耗掉叶片中原有的淀粉。
(3)鲁宾、卡门和卡尔文用的实验方法为同位素标记法。
【师说核心】
1.萨克斯实验
(1)实验过程:
绿叶
(2)实验分析:
①设置了自身对照,自变量为光照,因变量是叶片颜色的变化。
②实验的关键是饥饿处理,使叶片中的营养物质消耗掉,避免对实验结果的干扰。
③本实验除了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。
2.鲁宾和卡门实验
(1)巧妙之处:
两组实验相互对照直观地表现出氧气来自水中的氧,而不是来自二氧化碳中的氧。
(2)自变量为被标记的C18O2和H
O,因变量是O2的放射性。
3.卡尔文循环
(1)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。
(2)结论:
碳的转化途径:
14CO2+C5→14C3→(14CH2O)。
【检测反馈】
1.下图表示德国科学家萨克斯的实验,叶片光照24h后,经脱色并用碘液处理,结果有锡箔覆盖的部位不呈蓝色,而不被锡箔覆盖的部位呈蓝色。
本实验证明( )
①光合作用需要二氧化碳 ②光合作用需要光 ③光合作用需要叶绿素 ④光合作用放出氧气 ⑤光合作用产生淀粉
A.①② B.③⑤
C.②⑤D.①③
解析:
光照一段时间,叶片裸露的部分进行光合作用,脱色后用碘液处理变蓝,说明有淀粉生成;有锡箔覆盖的位置因无光照,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,没有光就不能进行光合作用。
答案:
C
2.历经一个多世纪,经过许多科学家的实验,才逐渐发现光合作用的场所、条件、原料和产物,在下面几个著名实验中,相关叙述不正确的是( )
A.普利斯特利的实验证明了植物可以更新空气
B.萨克斯的实验也可证明光是光合作用的必要条件
C.恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量
D.鲁宾和卡门的实验中,用18O分别标记H2O和CO2,证明了光合作用产生的氧气来自于H2O而不是CO2
解析:
恩格尔曼的实验能够证明氧气是由叶绿体释放出来的,叶绿体是进行光合作用的场所,但不能定量分析光合作用生成的氧气量。
答案:
C
3.A.Benson与M.Calvin于1949年采用放射性同位素自显影技术对光合作用进行研究。
以下是他们研究过程的简述:
往小球藻培养液中通入14CO2后,分别给予小球藻不同的光照时间后立即杀死小球藻。
从培养液中提出产生的放射性物质进行分析。
结果如下:
实验组别
光照时间(s)
放射性物质分布
1
20
12种磷酸化糖类
2
60
除上述12种磷酸化糖类外,还有氨基酸、有机酸等
3
2
大量3磷酸甘油酸
请根据上述实验资料分析,下列选项错误的是( )
A.本实验原料只有CO2,暗反应的产物是有机物
B.CO2进入叶绿体后,最初形成的主要物质是3磷酸甘油酸
C.实验结果还说明光合作用产生的有机物还包括氨基酸、有机酸等
D.从CO2进入叶绿体到产生有机物的整个过程看,产生的有机物主要是磷酸化糖类
解析:
从实验结果中放射性物质出现的时间分析,CO2进入叶绿体后,最早出现在3磷酸甘油酸中,因此最初形成的主要物质是3磷酸甘油酸,然后又形成磷酸化糖类,还有氨基酸、有机酸等。
参与光合作用的原料主要有CO2和H2O。
答案:
A
探究点二 光合作用的过程
【师问导学】
一、分析光合作用的探究历程
实验一:
1937年,英国剑桥大学的希尔用离体的叶绿体做实验。
他将离体的叶绿体加到具有H受体的水溶液中,在无CO2的条件下给予光照,发现叶绿体中有O2放出。
由实验一说明:
________________________________________________________________________。
答案:
叶绿体在有H受体的水溶液中光照可产生O2
实验二:
科学家在黑暗时把叶绿体基粒放在pH=4的溶液中,让基粒类囊体膜腔的pH值下降至4,然后将基粒移入pH=8并含有ADP和Pi的缓冲溶液中(如图)。
一段时间后,有ATP产生。
上述实验结果表明,基粒类囊体合成ATP的原因是膜内外存在H+梯度(H+浓度差)据此推测,叶绿体在自然状态下产生ATP的过程中,光能的作用是使水分解产生H+,使类囊体膜内外之间产生H+梯度(H+浓度差)。
实验三:
1954年美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验。
在给叶绿体照光时发现,当向反应体系中供给ADP、Pi和H受体时,体系中就会有ATP和[H]产生。
在黑暗条件下,只要供给了ATP和[H],叶绿体就能将CO2转变为糖。
上述实验说明:
________________________________________________________________________。
答案:
叶绿体照光条件下,反应体系中有ADP、Pi和H受体存在下可产生ATP和[H]。
在黑暗条件下,有ATP和[H]时,叶绿体可将CO2转变为糖
实验四:
20世纪50年代,卡尔文及其同事因在光合作用方面的研究成果,获得了1961年的诺贝尔化学奖。
卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中,通过一个通气管向容器中通入CO2,通气管上有一个开关,可控制CO2的供应,容器周围有光源,通过控制电源开关可控制光照的有无。
他向密闭容器中通入14CO2,当反应进行到5s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,将反应时间缩短到0.5s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中,上述实验中卡尔文等是通过控制反应时间来探究CO2中碳原子转移路径的,采用了同位素示踪法等技术方法,实验结果说明CO2中C的转移路径是CO2→C3→C5、C6(请用“→”表示)。
卡尔文及其同事们在实验过程中发现,在有光照和CO2供应的条件下,C3和C5的浓度很快达到饱和并保持稳定。
但是,当改变其中一个实验条件后,二者的浓度迅速出现了规律性的变化:
停止CO2供应时,C3的浓度急速降低,C5的浓度急速升高。
停止光照时,C3的浓度急速升高,C5的浓度急速降低。
由此可见C3和C5之间的关系是______(请用箭头表示)。
答案:
二、结合光反应过程与暗反应过程回答下列问题
1.为什么暗反应不能较长时间地在黑暗条件下进行?
答案:
因为光反应为暗反应提供的[H]、ATP是有限的。
2.试利用同位素示踪法,分析光合作用过程中各元素的转移途径。
(1)用放射性同位素分别标记H2O中的H和O,则能在光合作用的哪些物质中检测到放射性?
(2)若标记CO2中的14C,请写出光合作用中14C的转化途径。
(3)试总结光合作用各元素的去向。
答案:
(1)O可在释放的O2中检测到;H可在产生的糖类中检测到。
(2)14CO2+C5―→2C3(只有一个14C)―→(14CH2O)
(3)光合作用总反应式及各元素去向:
3.结合光反应和暗反应过程分析,若突然停止光照或停止CO2供应,叶绿体中C3和C5相对含量发生怎样的变化?
答案:
①停止光照:
C3含量相对增加,C5含量相对减少。
②停止CO2供应:
C3含量相对减少,C5含量相对增加。
【智涂笔记】
1.还原剂[H]是指还原型辅酶II(NADPH),由氧化型辅酶II(NADP+)接受电子和H+形成。
2.光合产物主要是糖类(蔗糖、淀粉),蛋白质、脂肪和有机酸也是光合作用的直接产物。
3.当外界条件改变时,光合作用中C3、C5、[H]、ATP含量的变化可以采用下图分析:
(1)改变光照条件
(2)改变CO2浓度
4.光合作用过程中元素的去向:
【师说核心】
1.过程图解
2.两者的区别
比较项目
光反应
暗反应
实质
光能转换为化学能,并放出O2
固定CO2,形成有机物
时间长短
短促
较缓慢
需要条件
色素、光照、酶
不需要色素和光,需要多种酶
反应场所
叶绿体类囊体的薄膜上
叶绿体的基质中
物质变化
①水的光解:
水分解生成[H]和O2;
②ATP的合成:
在相关酶的作用下ADP和Pi形成ATP
①CO2的固定:
CO2+C5→2C3;
②C3的还原:
2C3+[H]
(CH2O)+C5
能量变化
光能→ATP中活跃的化学能
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]
葡萄糖等有机物
3.两者的联系
(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,即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。
【检测反馈】
1.如图为高等绿色植物光合作用图解,说法正确的是( )
A.①是光合色素,分布在叶绿体和细胞质基质中
B.②是O2,可参与有氧呼吸的第三阶段
C.③是C3,能被氧化为(CH2O)
D.④是ATP,在叶绿体基质中生成
解析:
①表示光合色素,②表示O2,③表示C3,④表示ATP。
叶绿体中的色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上;有氧呼吸第三阶段,[H]与O2反应生成H2O和ATP;C3被[H]还原形成有机物;光反应阶段形成ATP,场所是叶绿体的类囊体薄膜。
答案:
B
2.如用14C标记的CO2来追踪光合作用过程中的碳原子,则14C的转移途径是( )
A.14CO2→叶绿素→糖类
B.14CO2→C5→C3→糖类
C.14CO2→C3→糖类
D.14CO2→叶绿素→ATP
解析:
光合作用过程中,CO2首先与C5相结合,形成C3,然后C3被还原形成糖类等有机物。
答案:
C
3.玉兰叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时,如果将它移至暗室中,短时间内叶绿体中C3与C5相对含量的变化分别是( )
A.增多 减少B.减少 增多
C.增多 增多D.减少 减少
解析:
叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时,C3和C5处于动态平衡状态;移至暗室后,短时间内由于光反应速度下降,ATP和[H]的合成减少,C3还原成C5的过程受到影响,而C5仍能正常和CO2反应生成C3,故C3增多,C5减少。
答案:
A
【网络建构】
【主干落实】
1.光合作用的实质是合成有机物,储存能量;而呼吸作用的实质是分解有机物,释放能量。
2.光合作用的反应式:
CO2+H2O
(CH2O)+O2。
3.光反应的场所是类囊体薄膜,产物是O2、[H]和ATP。
4.暗反应的场所是叶绿体基质,产物是糖类等有机物质。
5.光合作用中的物质转变:
(1)14CO2―→14C3―→(14CH2O);
(2)H
O―→18O2。
6.光合作用的能量转变:
光能―→ATP中活跃的化学能―→有机物中稳定的化学能。
课后分层检测案20 光合作用的原理和应用
【基础巩固练】
1.下列是关于光合作用的实验,叙述错误的是( )
选项
科学家
实验结论
A
普利斯特利的小鼠实验
证明了绿色植物在光照下吸收CO2,放出O2,从而更新了空气
B
萨克斯的实验
证明绿色叶片在光合作用中产生了淀粉
C
恩格尔曼的水绵实验
证明O2是由叶绿体释放出来的,叶绿体是植物进行光合作用的场所
D
鲁宾和卡门的同位素标记实验
证明光合作用释放的O2全部来自参加反应的H2O
解析:
普利斯特利的实验中无对照组,并没有具体到哪种气体成分;萨克斯的实验中有对照,光为自变量,淀粉为因变量;恩格尔曼的实验中的自变量是光照处理的位置,所以得出叶绿体是产生O2的场所;鲁宾和卡门用同位素标记H2O和CO2,形成对照,得出光合作用释放的O2来自H2O的结论。
答案:
A
2.在光合作用过程中,光能最初用于( )
A.CO2的固定
B.C3的还原
C.将水分解为O2和[H]
D.将淀粉分解为葡萄糖
解析:
光能被转化成ATP中活跃的化学能,同时分解水产生[H]和O2。
答案:
C
3.在光合作用中,不需要酶参与的过程是( )
A.CO2的固定
B.叶绿素吸收光能
C.C3的还原
D.ATP的形成
解析:
CO2的固定和C3的还原过程都需要酶的参与;ATP的形成也需要相应的酶参与;而叶绿素吸收光能不需要酶的参与。
答案:
B
4.在实验室中,如果要测定藻类植物是否能完成光反应,最好是检验( )
A.葡萄糖的合成B.二氧化碳的消耗
C.叶绿体的含量D.氧气的释放
解析:
光合作用的光反应产生了氧气,而二氧化碳的消耗和葡萄糖的产生在光合作用的暗反应阶段。
答案:
D
5.光合作用过程中,与光反应相比,暗反应阶段的特点是( )
A.需要光、叶绿体色素和酶
B.在酶、ATP和[H]的作用下完成CO2的固定和C3的还原,最终形成有机物
C.把水光解为[H]和O2
D.把光能转化为储存在糖类中的化学能
解析:
暗反应阶段是一系列的酶促反应,主要的物质变化是CO2的固定和C3的还原。
答案:
B
6.光合作用过程中,水的光解及三碳化合物形成糖类所需要的能量分别来自( )
A.细胞呼吸产生的ATP和光能
B.都是细胞呼吸产生的ATP
C.光能和光反应产生的ATP
D.都是光反应产生的ATP
解析:
光合作用中水的光解发生在光反应阶段,需要光能作能源;三碳化合物在暗反应中被还原,其动力来自光反应产生的ATP,还原剂是光反应产生的[H]。
答案:
C
7.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,并在黑暗中立即开始连续取样分析,在短时间内叶绿体中C3和C5含量的变化是( )
A.C3和C5都迅速减少
B.C3和C5都迅速增加
C.C3迅速增加,C5迅速减少
D.C3迅速减少,C5迅速增加
解析:
突然停止光照,光反应停止,[H]和ATP产生停止,由于暗反应中C3还原继续进行,消耗[H]和ATP,随着[H]和ATP的减少,C3还原减慢甚至停止,但CO2的固定依然进行,因此在短时间内C3积累,C5减少。
答案:
C
8.如图表示叶绿体的结构和功能,请回答:
(1)与光合作用有关的色素分布在图中[ ]________上。
(2)光反应是在________________上进行的,暗反应是在[ ]________________________中进行的。
(3)光反应的生理意义是:
光反应所产生的[③]________和[ ]________________是暗反应所必需的。
(4)暗反应包括[⑥]____________和[ ]____________。
答案:
(1)[②]类囊体的薄膜
(2)类囊体的薄膜 [⑧]叶绿体的基质
(3)[H] [④]ATP
(4)CO2的固定 [⑤]C3的还原
【能力提升练】
9.下列关于光合作用和呼吸作用的叙述,正确的是( )
A.光合作用和呼吸作用总是同时进行的
B.光合作用产生的ATP主要用于呼吸作用
C.光合作用形成的糖类在细胞呼吸中被利用
D.光合作用与细胞呼吸分别在植物的叶肉细胞和根细胞中进行
解析:
光合作用只有在有光的条件下进行,呼吸作用在有光和无光的条件下都能进行,所以在有光的条件下能够进行光合作用和呼吸作用,在黑暗中只能进行呼吸作用;光合作用产生的ATP只用于暗反应的C3还原,不能用于其他的生命活动;光合作用合成的糖类可用于呼吸作用被分解;活细胞都能进行呼吸作用,光合作用只能在绿色植物的绿色组织细胞中进行。
答案:
C
10.下图表示某绿色植物在生长阶段内物质的转变情况,下列叙述正确的是( )
A.过程④产生ATP最多,过程②光能转变为化学能储存在ATP中
B.进行过程②的CO2都来自大气,产生的有机物存在于液泡中
C.进行过程③时,需要水参与,产生少量的ATP
D.给植物浇H
O后,根细胞会产生少量C18O2,过程④不会产生H
O
解析:
过程②是暗反应,此过程ATP中活跃的化学能转变成有机物中稳定的化学能;进行过程②的CO2除来自大气外,还可以由自身呼吸作用提供,合成的有机物存在于叶绿体中;过程③是有氧呼吸的第一、二阶段,有氧呼吸第二阶段需要水的参与,产生少量的ATP;植物根细胞吸收的H
O运输到叶片参与光合作用生成18O
O2可进入线粒体参与过程④产生H
O。
答案:
C
11.现有四个实验装置,若要验证植物的光合作用需要二氧化碳,则应选用的装置组合是( )
A.①和② B.①和③C.②和③D.③和④
解析:
在探究光合作用过程的实验中,确认实验目的、实验变量非常关键。
本实验的目的是“验证植物的光合作用需要二氧化碳”,自变量是有无二氧化碳,无关变量必须相同且适宜。
因此,实验装置必须置于光照条件下,由图示可以看出,①③均有光照,保证了无关变量不干扰实验结果。
二者唯一不同的是小烧杯外的溶液:
①中的NaOH溶液具有除去二氧化碳的作用,③中的清水不具此作用。
对比①③,有二氧化碳的③中能进行光合作用,不含二氧化碳的①中不能进行光合作用。
答案:
B
12.科学家提取植物细胞中的叶绿体,用高速离心法打破叶绿体膜后,分离出类囊体和基质,在不同条件下进行实验(如下表所示),用来研究光合作用过程,下列选项中各试管得到的产物情况正确的是( )
试管
叶绿体结构
光照
C18O2
ATP、[H]
C5
甲
类囊体
+
+
-
-
乙
基质
-
+
+
+
丙
基质
+
+
-
+
丁
基质和类囊体
+
+
-
+
注:
表中的“+”表示“添加”,“-”表示“不添加”。
A.甲试管可得到18O2
B.乙试管可得到C3
C.丙试管可得到葡萄糖和淀粉
D.丁试管可得到乳糖
解析:
光合作用产生的O2来源于水的光解,甲试管中没有H18O2,所以没有18O2;乙试管中有C18O2和C5,可得到C3;丙试管不含ATP、[H],所以得不到葡萄糖和淀粉;乳糖是动物细胞内合成的二糖。
答案:
B
13.离体叶绿体在光下进行稳定的光合作用时,如果突然中断CO2的供应,下列关于一段时间内叶绿体中ATP与O2的相对含量变化的示意图中,正确的是( )
解析:
离体叶绿体在光下进行稳定的光合作用时,突然中断CO2的供应使C3合成减少,一段时间内暗反应逐渐减弱,暗反应消耗的ATP也逐渐减少,故ATP相对含量逐渐增加;随着暗反应的减弱,光反应也逐渐减弱,所以叶绿体内O2含量逐渐减少。
答案:
B
14.在光照等适宜条件下,将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中,其叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势如图所示。
回答问题:
(1)图中物质A是________(填“C3”或“C5”)。
(2)在CO2浓度为1%的环境中,物质B的浓度比A的低,原因是________________________________________________________________________;将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后,物质B浓度升高的原因是________________________________________________________。
(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中,暗反应中C3和C5浓度达到稳定时,物质A的浓度将比B的________(填“低”或“高”)。
(4)CO2浓度为0.003%时,该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的________(填“高”或“低”),其原因是________________________________
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