高中生物人教版必修1 542 光合作用的原理和应用 学案.docx

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高中生物人教版必修1542光合作用的原理和应用学案

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。