人教版高考生物必修1同步学案第5章 第4节 第3课时 光合作用的原理和应用二.docx
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人教版高考生物必修1同步学案第5章第4节第3课时光合作用的原理和应用二
第3课时 光合作用的原理和应用
（二）
一、光合作用原理的应用
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糖类的数量。
（2）表示方法：
用一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量表示。
（3）影响因素
①空气中CO2浓度。
②土壤中水分含量。
③光照的长短、强弱以及光的成分。
④温度的高低。
（4）应用
控制光照的强弱和温度的高低，适当增加作物环境中CO2的浓度来提高光合作用强度。
2．光照强度影响光合作用强度的实验
（1）实验流程：
（2）实验结论：
在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度不断增强（同一时间内产生O2越多，浮起的叶片越多）。
二、化能合成作用
1．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。
（2）实例：
硝化细菌能利用氧化NH3释放的化学能将CO2和H2O合成为糖类，供自身利用。
2．自养生物和异养生物
自养生物
异养生物
特点
能将无机环境中的CO2和H2O转化为有机物
只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动
代表
生物
绿色植物、硝化细菌等
人、动物、真菌以及大多数细菌
[共研探究]
多种环境因素对光合作用有着重要的影响，我们可以通过调控这些环境因素来增加光合作用的强度以达到增产的目的。
1．光照强度对光合作用强度的影响
（1）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
氧气充满细胞间隙，叶片上浮
②实验流程
打出小圆叶片
↓
抽出叶片内的气体
↓
将叶片放入清水中，叶片沉底
↓
强、中、弱三种光照处理
↓
观察一段时间内叶片浮起的数量
③实验结果分析：
光照越强，烧杯内小圆叶片浮起的数量越多，说明一定范围内，随着光照强度的不断增强，光合作用强度不断增强。
④在实验中，叶片下降的原因是什么？
光照后叶片为什么上升？
提示：
抽出气体后，细胞间隙充满水，叶片下降；光照后，叶片进行光合作用，细胞间隙又充满气体，叶片上升。
（2）光照强度和光合作用强度之间的关系：
①说出各点代表的生物学意义
A：
光照强度为零，只进行细胞呼吸；
B：
光合作用强度等于呼吸作用强度，为光补偿点；
C：
光合作用达到最大值时所需要的最小光照强度，即光饱和点。
②说出各线段代表的生物学意义
OA段：
呼吸作用强度；
AB段：
随光照增强，光合作用增强，但仍比呼吸作用弱；
BD段：
光合作用随光照强度的增强而增加，而且光合作用大于呼吸作用；
DE段：
光合作用达到饱和，不再随光照强度的增强而增加。
2．其他环境因素对光合作用强度的影响
（1）温度
①温度通过影响酶的活性来影响光合作用强度，温度和光合作用强度的关系曲线如图所示（一般植物光合作用的适宜温度在35℃左右）。
②曲线关键点含义
AB段：
随着温度升高，光合作用增强。
B点：
光合作用最强。
BC段：
随着温度升高，光合作用减弱。
温度过高时，酶失活，光合作用完全停止。
（2）CO2浓度
①图1和图2都表示在一定范围内，光合作用强度随CO2浓度的增大而增大，但当CO2浓度增加到一定值后，光合作用强度不再增加。
②关键点含义：
图1中A点表示光合作用强度等于细胞呼吸强度时的CO2浓度，即CO2补偿点；图2中的A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。
图1和图2中的B和B′点都表示CO2饱和点。
3．内部因素对光合作用强度的影响是怎样的呢？
提示：
影响光合作用的内部因素主要包括色素的种类和含量、酶的数量、C5的含量等。
如叶龄对叶片光合能力的影响就是内部因素综合作用的结果。
4．光照强度和二氧化碳浓度骤变时，对光合作用中各种物质的影响
条件变化
ATP
[H]
C3
C5
C6H12O6
光照
强度
突然减弱
减少
减少
增多
减少
减少
突然
增强
增多
增多
减少
增多
增多
CO2
浓度
突然升高
减少
减少
增多
减少
增多
突然降低
增多
增多
减少
增多
减少
5.将下列生产实例和利用的光合作用原理连起来
6．化能合成作用
（1）自养生物和异养生物
①自养生物：
绿色植物等能将二氧化碳和水等无机物合成糖类等有机物的生物称为自养生物。
②异养生物：
人、动物、真菌和大多数的细菌，只能利用现成的有机物来维持自身的生命活动，属于异养生物。
（2）化能合成作用
少数种类的细菌能利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放出的能量来制造有机物，这种合成作用叫做化能合成作用，这些细菌也属于自养生物，如硝化细菌。
[总结升华]
1．影响光合作用强度的因素
（1）外界因素除光照强度、CO2浓度外，还有温度、土壤中水分、矿质离子（如Mg2＋）等。
（2）植物内部因素有叶绿体数量、光合色素含量、酶的数量及活性、离子载体数量等，由植物体内的遗传因素决定。
2．有机物变化曲线
（1）典型曲线
（2）曲线解读
①积累有机物时间段：
ce段。
②制造有机物时间段：
bf段。
③消耗有机物时间段：
Og段。
④一天中有机物积累最多的时间点：
e点。
⑤一昼夜有机物的积累量：
SP－SM－SN（SP、SM、SN分别表示P、M、N的面积）。
3．细胞呼吸和光合作用的曲线分析
植物叶肉细胞进行光合作用吸收CO2的同时，还进行呼吸作用释放CO2，所以测定的CO2的吸收量并不是真正光合速率，而是表观光合速率。
图1表示CO2的吸收与光照强度变化的关系，图2表示线粒体与叶绿体的关系。
结合图2与图1中的曲线分析如下：
（1）图1中a点光照强度为0，表示只进行呼吸作用，与图2中B对应。
（2）图1中ab段由于光照强度较弱，光合速率小于呼吸速率，所以呼吸作用释放的CO2一部分被叶绿体吸收，另一部分释放出去，与图2中A对应。
（3）图1中b点表示光合速率与呼吸速率相等，CO2表现为既不吸收也不释放，与图2中C对应。
（4）b点以后，由于光照强度变得较大，光合速率大于呼吸速率，呼吸作用释放的CO2不能够满足光合作用的需求，表现为从外界吸收CO2，与图2中D对应。
4．光合作用与细胞呼吸的相关计算
上面图1中，Oa段表示植物呼吸速率，Od段表示植物表观光合速率（即净光合速率），Oa＋Od即ad段表示真正光合速率（即实际光合速率或总光合速率），它们的关系为：
真正光合速率＝表观光合速率＋呼吸速率。
具体表述为：
（1）光合作用消耗的CO2总量＝从外界吸收的CO2量＋呼吸作用产生的CO2量。
（2）光合作用产生的O2量＝释放到外界的O2量＋呼吸作用消耗的O2量。
（3）一昼夜有机物的积累量（用CO2量表示）＝白天从外界吸收的CO2量－晚上呼吸作用释放的CO2总量。
5．提高农作物产量的措施
（1）选育并种植优质高产抗逆性强的优良品种。
（2）适当提高CO2的浓度。
（3）做好水、肥管理（合理灌溉、合理施肥）。
（4）杀虫除草等都是增产措施。
（5）大棚中可通过使用无色透明薄膜或玻璃，增大光照强度。
（6）白天适当提高温度，夜间适当降温等措施来增产。
（7）自然条件下，田间的光照强度不易控制，一般通过合理密植增加光合作用面积、通过套种等来延长光合作用时间，进而达到增产的目的。
[对点演练]
1．一般来说，光照增强，光合作用增强。
但在夏天光照最强的中午，光合作用反而下降。
其原因是（ ）
A．蒸腾作用太强，体内水分不足
B．酶的活性降低
C．气孔关闭，氧释放不出，抑制光反应
D．气孔关闭，CO2不足
解析：
选D 炎热中午光照过强时，为了防止植物体内水分过度散失，植物通常进行适应性调节，气孔关闭（此时水分主要通过叶表面表皮细胞直接蒸发散失，降低叶表面温度）。
进入叶肉细胞叶绿体中的CO2分子数减少，影响暗反应中葡萄糖的产生。
2．下图为夏季晴朗的白天，植物光合作用强度曲线图，据图思考问题：
（1）在12时左右，光合作用强度明显减弱的原因是什么？
提示：
光照过强→气孔关闭→CO2供应不足→光合作用下降。
（2）C点与B点相比，C3和C5的含量发生了怎样的变化？
提示：
与B点相比，C点C3含量相对下降，C5含量相对上升。
1．光合作用强度可以用多种指标表示，以下不适合的是（ ）
A．植物体鲜重增加量 B．植物体干重增加量
C．O2释放量D．CO2吸收量
解析：
选A 植物光合作用消耗CO2，产生有机物和O2，因此，光合作用强度的指标可以是B、C、D选项中的指标。
植物体鲜重增加量主要是水分的增加，不能作为光合作用强度的指标。
2．如图表示20℃时玉米光合作用强度与光照强度的关系，S1、S2、S3表示图中所示区域的面积，下列叙述错误的是（ ）
A．S1＋S3表示玉米呼吸消耗的有机物量
B．S2＋S3表示玉米光合作用产生的有机物总量
C．若土壤中缺Mg，则B点右移，D点左移
D．S2－S3表示玉米光合作用有机物的净积累量
解析：
选D 如题图所示，纵坐标CO2吸收量表示光合作用强度，CO2吸收量为负值表示呼吸作用强度，则S1＋S3表示玉米呼吸消耗的有机物量，S2＋S3表示玉米光合作用产生的有机物总量，玉米光合作用有机物的净积累量为（S2＋S3）－（S1＋S3）＝S2－S1。
B点为光补偿点，D点为光饱和点，缺Mg条件下，植物光合作用强度低，达到最大光合强度时，光照强度较低，D点左移，B点右移。
3．下列关于化能合成作用的叙述，正确的是（ ）
A．进行化能合成作用的生物为细菌、真菌
B．进行化能合成作用的生物利用无机物中的化学能
C．硝化细菌能将二氧化碳和水合成糖类
D．进行化能合成作用的生物属于异养生物
解析：
选C 进行化能合成作用的是部分细菌，利用无机物氧化时释放的化学能将CO2和水合成糖类，这些细菌属于自养生物。
4．图甲为某校生物兴趣小组探究光照强度对茉莉花光合作用强度影响的实验装置示意图，图乙为测得的结果。
据图分析：
（1）请写出控制本实验自变量的一种方法___________________________________
________________________________________________________________________。
（2）为了防止无关变量对实验结果的干扰，本实验还应设置对照实验，请问对照装置如何设计？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）B点以后，限制茉莉花光合强度的主要环境因素有________________________________等。
（4）图甲所示装置无法测得A点数据，除非将其中的NaHCO3溶液换为____________溶液，且将装置放在____________环境中。
在A点，产生ATP的结构有________________。
解析：
（1）要改变光照强度，有两种方法，一是灯泡不变，通过改变灯与广口瓶的距离来改变光照强度，二是灯与广口瓶的距离不变，通过改变灯泡的功率大小来改变光照强度。
（2）该对照实验装置在外界环境不变时，液滴不移动，因此应不放植物或放一株同样的死植物。
（3）图乙中B点时，光合作用强度达到最大，以后随着光照强度的增加不再发生变化，说明光照强度不再是限制因素，温度、CO2浓度可能会成为限制因素。
（4）图乙中A点只进行呼吸作用，不进行光合作用，要测量呼吸强度，必须将装置放在黑暗处，并将其中的NaHCO3溶液换成NaOH溶液，否则植物进行光合作用产生O2，会对结果产生影响。
答案：
（1）用不同瓦数灯泡或改变灯与广口瓶的距离
（2）将装置中的茉莉花换成死花，其他设置与装置甲一样 （3）温度、CO2浓度 （4）NaOH 黑暗（或遮光） 细胞质基质和线粒体
【基础题组】
1．生长于较弱光照条件下的植物，当提高CO2浓度时，其光合速率也不会随之增加，主要限制因素是（ ）
A．呼吸作用和暗反应 B．光反应
C．暗反应D．呼吸作用
解析：
选B 生长于较弱光照条件下的植物光反应弱，生成的ATP和[H]少，即使提高CO2浓度，暗反应的速率不会提高，光合速率也不会随之增加。
2．下列措施可以提高农作物净光合速率的是（ ）
①通风 ②增施有机肥 ③延长生长期
④施NH4HCO3
A．①B．①②③
C．①②④D．①②
解析：
选C 影响光合速率的外界因素通常为CO2浓度、温度和光照强度，而增施有机肥和NH4HCO3都会提高CO2的浓度，从而提高光合速率。
延长生长期可提高光合产量，但不能提高光合速率。
3．硝化细菌将二氧化碳和水合成糖类，其能量来自于（ ）
A．光能B．电能
C．化学能D．生物能
解析：
选C 硝化细菌利用将NH3氧化成亚硝酸（HNO2）、硝酸（HNO3）所释放的能量将CO2和H2O合成糖类。
4．下图曲线Ⅰ表示黄豆光合速率与光照强度的关系（适宜温度、CO2浓度为0.03%）。
在y点时改变某条件，曲线变为Ⅱ。
下列分析合理的是（ ）
A．与y点相比，x点叶绿体中的C3含量较低
B．在y点时，升高温度导致曲线由Ⅰ变为Ⅱ
C．制约x点光合作用的因素主要是叶绿体中色素的含量
D．制约z点光合作用的因素可能是CO2浓度
解析：
选D x点的光照强度比y点弱，所以x点的C3含量较y点高；本来处于适宜温度下的y点，升高温度会导致酶的活性降低，则所得曲线应在曲线Ⅰ的下方；x点光合作用的限制因素主要是光照强度；在大于光饱和点的光照强度处增加CO2浓度，会提高光合作用强度。
5．光合作用和化能合成作用的相同之处是（ ）
A．都以太阳能作为能源
B．都需要环境中的物质氧化释放的能量
C．都可以将无机物转变为有机物
D．都是高等生物的代谢类型
解析：
选C 光合作用是绿色植物利用光能把CO2和H2O转化为有机物的过程；化能合成作用是某些微生物利用环境中的物质氧化释放的化学能把CO2和H2O转变成有机物的过程。
两者的不同点是前者利用的能量是光能，后者利用的能量是化学能，两者的相同点是都把无机物转变为有机物。
从生物类型来看，前者是所有绿色植物都能进行的，而后者只有低等生物——硝化细菌等微生物才能进行。
6．某同学在玻璃温室里进行植物栽培实验。
为此，他对室内空气中的二氧化碳含量进行24小时的测定，下列曲线中能正确表示其测定结果的是（ ）
解析：
选C 根据一天24小时光的有无及光照强度变化规律可知，从0点→6点→12点→18点→24点，光从无→有→无，有光后经历由弱→强→弱的过程，光合作用则从不能进行→能够进行且光合速率小于呼吸速率→光合速率与呼吸速率相等→光合速率大于呼吸速率→光合速率与呼吸速率相等→光合速率小于呼吸速率→只能进行呼吸作用，因此密闭玻璃温室内CO2含量变化经历了增加→减少→增加的变化。
7．以测定的CO2吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与细胞呼吸的影响，结果如图所示。
下列分析正确的是（ ）
A．光照相同时间，35℃时光合作用制造的有机物的量与30℃时相等
B．光照相同时间，在20℃条件下植物积累的有机物的量最多
C．温度高于25℃时，光合作用制造的有机物的量开始减少
D．两曲线的交点表示光合作用制造的有机物的量与细胞呼吸消耗的有机物的量相等
解析：
选A “光照下CO2的吸收量”为净变化量或积累量，即“光合实际量－呼吸量”，“黑暗中CO2释放量”为呼吸量。
由图可知，在35℃时光合作用制造的有机物的量与30℃时相等，都是3＋3.5＝6.5（mg/h）。
有机物积累量最多的温度为25℃，此时光合实际量约为2.25＋3.75＝6（mg/h），此后实际光合量还在增加。
两曲线的交点表示呼吸量＝净光合量，或者说光合量是呼吸量的两倍，不代表二者相等。
8．如图是在夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。
下列有关光合作用强度变化原因的分析中，错误的是（ ）
A．从A→B主要原因是光照增强，气温上升
B．从B→C主要原因是温度过高，酶失活
C．从C→D主要原因是气孔逐渐打开，CO2供应增加
D．从D→E主要原因是光照减弱，气温下降
解析：
选B 根据光照强度随时间变化规律及曲线的变化分析可知，A→B主要原因是光照增强，气温上升，酶活性增加，光合作用强度增强；B→C段由于光照强度强，蒸腾作用旺盛，叶片气孔关闭，导致缺乏CO2，光合作用强度减弱；C→D段，光照强度降低，蒸腾作用减弱，气孔逐渐打开，CO2供应增加，光合作用强度增强；D→E段的变化主要原因是光照减弱，气温下降，光合作用强度减弱。
【能力题组】
9．图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时，单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化，图乙表示单位时间内水稻CO2吸收量与光照强度的关系。
下列有关说法正确的是（ ）
A．图甲中，光照强度为b时，光合速率等于呼吸速率
B．图甲中，光照强度为d时，单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2
C．图甲中的c点和图乙中的h点对应
D．图乙中，限制e、f、g点光合速率的因素主要是光照强度
解析：
选B 分析图甲可知，光照强度为b时，CO2释放量和O2产生总量相等，都为3个单位，呼吸作用释放的CO2首先供应叶绿体进行光合作用，剩余部分释放到外界，说明此时呼吸作用大于光合作用，A错误；光照强度为d时，水稻叶肉细胞光合速率大于呼吸速率，光照强度为a时，CO2释放量即为呼吸速率，则光照强度为d时，O2产生总量为8个单位，需要消耗的CO2也为8个单位，所以单位时间内需从外界吸收的CO2为2个单位，B正确；图甲中的c点和图乙中的f点对应，C错误；图乙中，限制g点光合速率的因素不是光照强度，可能是CO2浓度及温度等，D错误。
10．如图表示温度对某种植物在光照下和黑暗中二氧化碳吸收量和释放量（单位：
mg/h）的影响情况。
已知除了温度变化之外，其他环境条件（如光照强度等）不变，下列说法正确的是（ ）
A．根据图中曲线，无法确定呼吸作用的最适温度
B．光照下二氧化碳的吸收量表示光合作用所固定的二氧化碳量
C．图中a点表示光合作用强度与呼吸作用强度相等
D．环境温度超过25℃时，植物体内有机物会减少
解析：
选A 曲线显示在黑暗中随着温度上升，二氧化碳的释放量在逐渐增加，没有出现最大值，A项正确；植物光合作用固定的二氧化碳包括光照下二氧化碳的吸收量和呼吸作用释放的二氧化碳量，B项错误；图中a点表示净光合作用强度与呼吸作用强度相等，真正光合作用强度大于呼吸作用强度，C项错误；环境温度超过25℃时，植物体内有机物的量并没有减少，仍在不断积累，D项错误。
11．下图是叶肉细胞在不同光照强度下叶绿体与线粒体代谢简图。
以下相关叙述，错误的是（ ）
A．若细胞①处于黑暗环境中，那么该细胞单位时间放出的CO2量即为呼吸速率
B．细胞②没有与外界发生O2和CO2交换，可断定此时光合速率等于呼吸速率
C．细胞③处在较强光照条件下，细胞光合作用所利用的CO2量为n1与n2的和
D．对细胞④进行分析可得出，此时的光照强度较弱且物质的量N1小于m2
解析：
选D 黑暗中叶肉细胞只能进行细胞呼吸，不能进行光合作用，A项正确；细胞②中线粒体释放的CO2正好用于叶绿体的光合作用，而叶绿体光合作用释放的O2正好用于线粒体的有氧呼吸，此时光合速率等于呼吸速率，B项正确；细胞③需要不断从外界吸收CO2，可见光合速率大于呼吸速率，细胞光合作用利用的CO2为线粒体呼吸释放的CO2量n2与从外界吸收的CO2量n1之和，C项正确；细胞④需要不断从外界吸收O2可见其光合作用释放的O2不足以供给线粒体呼吸，所以N1等于m2，D项错误。
12．如图甲为研究光合作用的实验装置。
用打孔器在某植物的叶片上打出多个叶圆片，再用气泵抽出气体直至叶片沉入水底，然后将等量的叶圆片转至含有不同浓度NaHCO3的溶液中，给予一定的光照，测量每个培养皿中叶圆片上浮至液面所用的平均时间（见图乙），以研究光合速率与NaHCO3溶液浓度的关系。
下列有关分析正确的是（ ）
A．在a～b段，随着NaHCO3溶液浓度的增加，光合速率逐渐减小
B．在b～c段，单独增加光照或温度或NaHCO3溶液浓度，都可以缩短叶圆片上浮的时间
C．在c点以后，因NaHCO3溶液浓度过高，使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降
D．因配制的NaHCO3溶液中不含氧气，所以整个实验过程中叶片不能进行呼吸作用
解析：
选C 在a～b段，随着NaHCO3溶液浓度的增加，叶圆片上浮至液面所用的平均时间变短，表明光合速率逐渐增大；在b～c段，单独增加光照或温度可以缩短叶圆片上浮至液面所用的时间，但单独增加NaHCO3溶液浓度不能缩短叶圆片上浮至液面所用的时间；在c点以后，因NaHCO3溶液浓度过高，使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降；凡是活细胞都能进行呼吸作用。
13．如图是有关光合作用的图示，请回答：
（1）写出图甲中下列物质的名称：
A________，C________。
（2）由图甲可知：
光合作用包括D和E两个阶段，E是________，在叶绿体的________中进行，该阶段需要D阶段提供的物质是________和________。
（3）叶绿体的色素分布在________（用图中字母回答）上，可用________法分离。
（4）影响绿色植物光合作用的外界因素有光照强度、CO2浓度、温度等。
①若图乙中的x代表光照强度，光照强度影响光合作用强度主要是影响________阶段（用图甲中的字母回答）。
②若图乙中的x代表温度，其主要通过影响________来影响光合作用强度。
③光合作用强度在图丙的a点时达到最大值，请在图丙中画出CO2浓度继续增加时曲线的变化趋势。
解析：
（1）
（2）图甲中A是O2，B是ATP，C是C3，D是光反应，E是暗反应，F是基粒。
（3）叶绿体中的色素分布在类囊体的薄膜上，可用纸层析法分离绿叶中的色素。
（4）光照主要影响光合作用的光反应阶段，温度主要影响酶的活性。
答案：
（1）O2 三碳化合物（或C3）
（2）暗反应 基质 [H] ATP（或B） （3）F 纸层析 （4）①D ②酶的活性 ③如图
14．甲图表示植物光合速率受光照强度影响的变化曲线，乙图表示植物在不同外界环境条件下，光合速率受CO2浓度影响的变化曲线。
据图回答问题：
（1）甲图中，当光照强度为n时，叶肉细胞中产生ATP的场所有________________________________________________________________________。
（2）甲图中，当光照强度为k时，叶绿体中ADP的移动方向是从______________移向________________________________________________________________________。
（3）乙图中，a点对应条件下，叶肉细胞中C3含量____于b点；c点对应条件下，叶肉细胞中C5含量________于b点；结合甲图信息，d点对应条件下，叶肉细胞中C5含量________于c点。
（4）根据甲图信息，乙图中的光照强度为n对应的曲线与光照强度为k对应的曲线应重合，而实际情况不是这样的。
写出一个引起乙图中出现阴影部分的主要外界因素
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