2020-2021学年高中生物新教材人教版必修1学案：第5章第4节 第2课时光合作用的原理（教师备课专用） 10页

第 2 课时　光合作用的原理 课标要求 核心素养 1.说明光合作用以及对它 的认识过程。 2.掌握光合作用过程中的 物质变化和能量变化。 1.科学思维——分析与综合：分析光合作用光反应和暗反应 过程，认同两个阶段既有区别又有联系。 2.生命观念——用物质和能量观，阐明光合作用过程，能初 步用结构和功能观，说明叶绿体是光合作用的场所。 知识 导图 新知预习·双基夯实 一、光合作用的概念和探究历程 1．概念： 光合作用是指绿色植物通过__叶绿体__，利用__光__能，把__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。 2．探究历程： (1)19 世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，__CO2 分子__的 C 和 O 被分开，O2 被释 放，C 与 H2O 结合成__甲醛__，然后甲醛分子缩合成糖。1928 年，科学家发现甲醛对植物有 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(悬浮液中有水，没有二氧化碳)，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。他们用 16O 的同位素 18O 分别标记 H2O 和 CO2，使它们分别变成 H182 O 和 C18O2。然后， 进行了两组实验：第一组给植物提供__H2O 和 C18O2__，第二组给同种植物提供__H182 O 和 CO2__。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是__O 2__，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__ATP__。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，美国的卡尔文利用__同位素标记__法最终探明了 CO2 中的碳在光合 作用中转化成有机物中碳的途径。 3．反应式：__CO2＋H2O ― ― →光能 叶绿体 (CH2O)＋O2__。 二、光合作用的原理 1．填写图中字母所代表的物质： a：__O2__　b：__C3__　c：__CO2__　d：__[H]__ 2．光反应(Ⅰ过程)： 场所 __叶绿体的类囊体的薄膜上__ 外界条件 __光照__ 物质变化 ①H2O→__[H]＋O2__ ②ADP＋Pi＋能量→__ATP__ 能量变化 光能→__ATP__中活跃的化学能 3．暗反应(Ⅱ过程)： 场所 __叶绿体基质__ 外界条件 CO2 物质变化 ①CO2→__C3__→(CH2O) ②__ATP__→ADP＋Pi＋能量 能量变化 ATP 中活跃的化学能→__有机物__中稳定的化学能 ┃┃活学巧练__■ (1)光合作用产生的 O2 来自 CO2 和 H2O 中的 O。(×) (2)绿色植物光合作用的反应物是 CO2 和 H2O，产物是有机物和 O2。(√) (3)绿色植物进行光合作用的能量来源于光能。(√) (4)光反应和暗反应必须都在光照条件下才能进行。(×) (5)光反应为暗反应提供 NADPH 和 ATP；暗反应为光反应提供 ADP 和 Pi。(√) (6)光反应产生的 ATP 可用于核糖体合成蛋白质。(×) (7)光合作用光反应阶段产生的 NADPH 可在叶绿体基质中作为还原剂。(√) (8)离体的叶绿体基质中添加 ATP、NADPH 和 CO2 后，可完成暗反应。(√) 思考： 1．鲁宾、卡门实验方法是什么？ 提示：同位素标记法。 2．若突然停止光照，光反应和暗反应如何变化？ 提示：光反应立即停止，暗反应仍能进行一段时间，最后也停止。 3．光合作用产生的[H]与呼吸作用产生的[H]是否相同？ 提示：不同。光合作用产生的[H]为 NADPH，而呼吸作用产生的[H]为 NADH。 学霸记忆·素养积累 重点呈现 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．光合作用的反应式为：CO2＋H2O ― ― →光能 叶绿体 (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，产物是糖类等物质。 5．光合作用中的物质转化为： ①14CO2―→14C3―→(14CH2O)；②H182 O―→18O2。 6．光合作用的能量转换为：光能―→ATP 中活跃的化学能―→有机物中稳定的化学能。 课内探究·名师点睛 知识点 光合作用的探究历程 1．希尔实验 (1)实验过程：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 H 2O，没有 CO2)，在光照下可以释放出氧气。 (2)实验结论：在适当条件下叶绿体产生氧气。 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 H182 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)。 名师点拨：萨克斯和鲁宾、卡门实验对照方式不同 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：H182 O 与 C18O2)。 ┃┃典例剖析__■ 典例 1 科学是在实验和争论中前进的，光合作用的探究历程就是如此。在下面几 个关于光合作用的实验中，相关叙述正确的是(　B　) A．恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量 B．阿尔农的实验证明了在光照下叶绿体可合成 ATP C．希尔发现在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他还原剂在光照下可以释放出氧气 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 CO2 而不是 H2O 解析：恩格尔曼的实验证明了水绵光合作用生成氧气，没有定量分析生成氧气的量，A 错 误；阿尔农通过实验说明了在光照下叶绿体可合成 ATP，B 正确；希尔加入的是氧化剂，C 错 误；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 H2O 而不是 CO2，D 错误。 ┃┃变式训练__■ 1．下图表示较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量相等的条件下，小球藻进行光合 作用的实验示意图。一段时间后，以下相关比较不正确的是(　C　) A．Y2 的质量大于 Y3 的质量 B．④中小球藻的质量大于①中小球藻的质量 C．②中水的质量大于④中水的质量 D．试管①的质量大于试管②的质量 解析：②与④中 H2O 均被 18O 标记，单位时间内消耗等量的水，剩余水的质量也相等。 知识点 光合作用的过程 1．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 叶绿体基质 物质变化 ①水的光解：水分解成[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 ― ― →酶 2C3 ②C3 的还原：2C3 ― ― →酶 (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] 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 (2)14C18O2 ― ― →CO2固定 214C3 ― ― →C3还原 (14CH182 O)＋H182 O (3)光合作用总反应式与 C、H、O 元素的去向 知识贴士：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。 ┃┃典例剖析__■ 典例 2 (2019·吉林友好学校高一)下列关于光合作用的叙述，错误的是(　A　) A．光反应阶段不需要酶的参与 B．暗反应阶段既有 C5 的生成又有 C5 的消耗 C．光合作用过程中既有[H]的产生又有[H]的消耗 D．光合作用过程将光能转换成有机物中的化学能 解析：光反应阶段光的吸收不需要酶的参与，ATP 的生成需要酶的参与，A 符合题意； 暗反应阶段既有 C3 的还原生成 C5，又有 CO2 与 C5 的结合(CO2 固定)消耗 C5，B 不符合题意； 光合作用过程中光反应阶段产生[H]，暗反应阶段又有 C3 的还原消耗[H]，C 不符合题意；光 合作用过程将光能转 换成暗反应能利用的化学能，储存在有机物中，D 不符合题意。故选 A。 ┃┃变式训练__■ 2．如图为高等绿色植物光合作用图解。相关说法不正确的是(　D　) A．②是氧气，可参与有氧呼吸的第三阶段 B．光合作用可分为两个阶段，光反应和暗反应阶段 C．三碳化合物在[H]、ATP 和酶的作用下，被还原形成(CH2O) D．③为 C3，在叶绿体类囊体薄膜上转化为 C5 和(CH2O) 解析：②是水光解的产物之一氧气，可参与有氧呼吸的第三阶段，A 项正确；光合作用可 分为光反应和暗反应阶段，B 项正确；三碳化合物在光反应产生的[H]、ATP 和叶绿体基质中 酶的作用下，被还原形成(CH2O)，C 项正确；C3 在叶绿体基质中转化为 C5 和(CH2O)，D 项错 误。 指点迷津·拨云见日 光照和 CO2 浓度骤变时，C3、C5、[H]和 ATP 物质含量变化分析 1．分析思路 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： 2．分析结果 条件 C3 C5 [H]和 ATP 模型分析 光照由强到弱，CO2 供应不变 增加 减少 减少或没有 光照由弱到强，CO2 供应不变 减少 增加 增加 光照不变，CO2 由充足到不足 减少 增加 增加 光照不变，CO2 由不足到充足 增加 减少 减少 典例 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　) 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。 典例 4 在正常条件下进行光合作用的某植物，当突然改变某条件后，即可发现其 叶肉细胞内 C5 含量突然上升，则改变的条件可能是(　D　) A．停止光照 B．停止光照并降低 CO2 浓度 C．升高 CO2 浓度 D．降低 CO2 浓度 解析：CO2 是暗反应进行的条件之一，如果 CO2 减少，自然就不能顺利地形成 C3，已有 的 C3 仍会通过 C3 还原途径而生成 C5。这样 C3 减少，C5 形成后却不能进一步转变，于是就积 累起来。 解疑答惑　　 思考·讨论⇨P102 1．提示：否。 2．提示：是。 3．提示：光合作用释放的氧气中的氧元素来自参加反应的水而不是来自 CO2。 4．提示： 思考·讨论⇨P104 1．提示：光反应阶段与暗反应阶段的区别如表所示： 光合作用 的过程 对比项目 光反应阶段 暗反应阶段 所需条件 必须有光 有光无光均可 进行场所 类囊体的薄膜上 叶绿体的基质中 物质变化 H2O 分 解 成 O2 和 H ＋ ； H ＋ 与 CO2 被固定；C3 被 NADPH 还原，最 NADP＋结合形成 NADPH，形成 ATP 终形成糖类；ATP 转化成 ADP 和 Pi 能量转化 光能转变为化学能，储存在 ATP 中 ATP 中的化学能转化为糖类中储存 的化学能 2.提示：(1)物质联系：光反应阶段产生的 NADPH，在暗反应阶段用于还原三碳化合物； (2)能量联系：光反应阶段生成的 ATP 在暗反应阶段中将其储存的化学能释放出来，为三碳化 合物形成糖类提供能量，ATP 中的化学能则转化为储存在糖类中的化学能。 训练巩固·课堂达标 1．(2020·武汉外国语学校)关于光合作用的叙述，正确的是(　D　) A．类囊体上产生的 ATP 可用于吸收矿质元素离子 B．夏季晴天光照最强时，植物光合速率一定最高 C．进入叶绿体的 CO2 能被 NADPH 直接还原 D．正常光合作用的植物突然停止光照，C5 与 ATP 含量会下降 解析：类囊体上产生的 ATP 只用于叶绿体内的生命活动，A 项错误；夏季晴天光照最强 时，蒸腾作用过强导致气孔关闭，植物光合速率较低，B 项错误；进入叶绿体的 CO2 被 C5 固 定为 C3 后被 NADPH 还原，C 项错误；正常光合作用的植物突然停止光照，[H]与 ATP 的来 源减少，暗反应中 C3 还原减弱，CO2 固定仍在进行，故 C5 含量下降，D 项正确。 2．(2019·山西省临汾一中、晋城一中高一)下图为高等绿色植物的光合作用图解。下列相 关说法正确的是(　D　) A．①是光合色素，可用层析液提取 B．②是 O2，全部用于该植物有氧呼吸的第三阶段 C．③是 C3，能被氧化为(CH2O) D．④是 ATP，在叶绿体基质中被消耗 解析：①是光合色素，可用无水乙醇提取，A 错误；②是 O2，当光合作用大于呼吸作用 时，一部分氧气释放到细胞外，B 错误；三碳化合物被还原氢还原形成有机物，不是被氧化形 成有机物，C 错误；④是 ATP，是光反应的产物，用于暗反应中三碳化合物的还原阶段，其 消耗场所是叶绿体基质，D 正确。 3．下列叙述正确的是(　B　) A．光反应不需要酶，暗反应需要多种酶 B．光反应消耗水，暗反应消耗 ATP C．光反应储存能量，暗反应消耗能量 D．光反应固定 CO2，暗反应还原 CO2 解析：光反应、暗反应都需要酶的催化，A 错误；光反应消耗水、产生 ATP，暗反应产 生水、消耗 ATP，B 正确；光反应将光能转化成 ATP 和[H]中化学能储存并参与暗反应，暗反 应则将 ATP 和[H]中的能量转化成稳定的化学能储存到糖类等化合物中，C 错误；暗反应固定 CO2，D 错误。 4．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__C3__(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__暗反应速率在该环境 中已达到稳定，即 C3 和 C5 的含量稳定。根据暗反应的特点，此时 C3 的分子数是 C5 的 2 倍 __；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__当 CO2 浓度突然降 低时，C5 的合成速率不变，消耗速率却减慢，导致 C5 积累__。 (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__高__(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__低__(填“高”或“低”)，其原因是__CO2 浓度低时，暗反应的强度低，所需 ATP 和[H] 少__。 解析：(1)CO2 浓度降低时，C3 的产生减少而消耗不变，故 C3 的含量降低，与物质 A 的变 化趋势一致；而 C5 的产生不变却消耗减少，故 C5 的含量增加，与物质 B 的变化趋势一致。(2) 在正常情况下，1 mol CO2 与 1 mol C5 结合形成 2 mol C3，即 C3 的分子数是 C5 的 2 倍。CO2 浓 度迅速下降后，C5 的产生不变却消耗减少，故 C5 的浓度升高。(3)在达到相对稳定时，C3 的含 量是 C5 含量的 2 倍。(4)CO2 浓度较低时，暗反应强度低，需要的[H]和 ATP 的量少，故在较 低的光照强度时就能达到此 CO2 浓度时的最大光合速率。