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第8讲 光能的捕获和利用
考纲考情——知考向
核心素养——提考能
最新考纲
1.光合作用的基本过程（Ⅱ）
2.实验：
叶绿体色素的提取与分离
生命观念
通过比较光反应与暗反应及它们之间的关系，建立对立统一的观点
近三年
考情
2018全国卷Ⅰ（30）、2018全国卷Ⅱ（30）、
2018全国卷Ⅲ（30）、2017全国卷Ⅰ（30）、
2016全国卷Ⅰ（30）
科学思维
理解C3、C5等物质变化和光合作用的相关曲线
科学探究
探究光照强度、CO2浓度等对光合作用强度的影响
考点一 实验：
叶绿体中色素的提取和分离
1.色素的提取与分离
（1）实验原理
（2）实验流程
2.叶绿体的结构与功能
（1）结构模式图
3.色素的种类与吸收光谱
（1）分布：
叶绿体类囊体薄膜上。
（2）功能：
吸收、传递（四种色素）和转换光能（只有少量叶绿素a）。
由图可以看出：
①叶绿体中的色素只吸收可见光，而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。
1.进行色素提取时滤纸条上的滤液细线为何不能被层析液没及？
提示 层析液为脂溶性有机溶剂，倘若层析液没及滤液细线，则会使滤纸条上色素溶解于层析液中，从而导致滤纸条上无色素带。
2.提取叶绿体中的色素，也可用下图所示的方法：
即在圆心处滴加适量滤液，待干燥后再滴加适量层析液进行层析，结果会出现不同颜色的4个同心圆，则①～④依次对应哪种色素及颜色？
提示 ①——胡萝卜素（橙黄色） ②——叶黄素（黄色） ③——叶绿素a（蓝绿色） ④——叶绿素b（黄绿色）。
结合色素的提取与分离，考查科学思维和科学探究能力
1.（2016·全国卷Ⅱ，4）关于高等植物叶绿体中色素的叙述，错误的是（ ）
A.叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂乙醇中
B.构成叶绿素的镁可以由植物的根从土壤中吸收
C.通常，红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用
D.黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由于叶绿素合成受阻引起的
解析 叶绿体中的色素能够溶解在包括无水乙醇在内的有机溶剂中，A正确；叶绿素分子中含有镁元素，可以离子状态由植物的根从土壤中吸收，进而参与叶绿素的合成，B正确；一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光，可见光不包括红外光和紫外光，C错误；叶绿素的合成需要光，黑暗中生长的植物幼苗，因没有光照而导致叶绿素合成受阻，使类胡萝卜素的颜色显现出来，因而叶片呈黄色，D正确。
答案 C
2.（2019·焦作市新高三入学检测）迁移率（Rf）是用纸层析法分离混合色素中各种成分的重要指标，也可用于各色素的鉴定，迁移率＝色素移动距离/溶剂移动距离。
下表是叶绿体中色素层析结果（部分数据）。
相关叙述正确的是（ ）
叶绿体中色素层析结果（部分数据）
项目
溶剂移动距离
色素1移动距离
色素2移动距离
色素3移动距离
色素4移动距离
实验组1
7.8
1.9
实验组2
8.2
1.5
实验组3
8.0
1.4
平均移动距离
8.0
7.6
0.8
迁移率
0.95
0.53
0.10
A.可用无水乙醇、丙酮、石油醚等的混合试剂对色素进行分离
B.色素3的迁移率为0.2，若植物体缺Mg2＋，其含量会减少
C.在层析液中的溶解度最大的是色素1，在滤纸条上扩散速度最快的是色素4
D.可用根尖细胞作为该实验的材料
解析 无水乙醇和丙酮是提取色素使用的试剂，应用层析液分离色素，A错误；根据色素3的实验组1、2、3三组数据可求出平均移动距离为1.6，即Rf为0.2。
根据Rf的大小可知，色素1是胡萝卜素，色素2是叶黄素，色素3是叶绿素a，色素4是叶绿素b，镁是合成叶绿素的原料，缺镁时叶绿素的含量会减少，B正确；溶解度越高，随层析液在滤纸条上扩散速度越快，即胡萝卜素的溶解度最高，扩散速度最快，C错误；根尖细胞没有叶绿体，因此不含有进行光合作用的色素，不能用来作为提取和分离色素的实验材料，D错误。
答案 B
色素提取分离四个常见异常现象原因分析
1.滤液绿色过浅的原因
①未加石英砂（二氧化硅），研磨不充分；
②使用放置数天的菠菜叶，滤液色素（叶绿素）太少；
③一次加入大量的无水乙醇，提取液浓度太低（正确做法：
分次加入少量无水乙醇）；
④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏
2.滤纸条色素带重叠的原因
①滤液细线不直；②滤液细线过粗。
3.滤纸条无色素带的原因
①忘记画滤液细线；
②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。
4.滤纸条上只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带的原因
①忘记加CaCO3，导致叶绿素被破坏；
②所用叶片为黄叶。
围绕捕获光能的色素和结构，考查科学思维能力
3.（2017·全国卷Ⅲ，3）植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应（如O2的释放）来绘制的。
下列叙述错误的是（ ）
A.类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成
B.叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制
C.光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示
D.叶片在640～660nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的
解析 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，不吸收红光，所以在蓝紫光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成，A错误；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，其吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制，B正确；CO2的吸收速率和O2的释放速率随光波长的变化均可表示光合作用的作用光谱，C正确；根据叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱可知，叶片在640～660nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的，D正确。
答案 A
4.（2019·山东潍坊模拟）叶绿体中的类囊体有两种：
基粒类囊体和基质类囊体（如下图），基质类囊体能将单个基粒类囊体连接起来。
下列有关叙述正确的是（ ）
A.叶绿体中的色素主要分布于类囊体腔内
B.H2O在光下分解为[H]和O2的过程发生在基质类囊体上
C.CO2的固定过程发生在基粒类囊体上
D.在类囊体上含有与光反应有关的酶和色素
解析 叶绿体中的色素分布于类囊体薄膜上，A错误；H2O的光解在两种类囊体上都能发生，因为类囊体上含有与光反应有关的酶和色素，B错误，D正确；CO2的固定发生在叶绿体基质中，C错误。
答案 D
影响叶绿素合成的三大因素
考点二 光合作用的探究历程与光合作用的过程
1.光合作用的探究历程（连线）
答案 ①—A—b ②—C—a ③—E—f ④—D—c ⑤—F——e ⑥—B—d ⑦—G—g
如图1、2、3所示为光合作用探索历程中的经典实验的分析及拓展（图1中叶片黄白色部分不含叶绿体）请思考：
（1）图1中a～e可构成哪些对照组？
其验证的结论分别是什么？
进行图1所示实验应事先对叶片作何处理，目的是什么？
（2）图2所示实验运用了何种技术？
可得出何种推论？
（3）图3所示实验在实验材料的选取上有什么巧妙之处？
该实验对环境有何特殊要求？
其目的是什么？
实验结果怎样？
可得出何种结论？
提示
（1）图1中b和c部位都是绿色叶片，即都含有叶绿体，二者的区别在于有无光照，通过对比可以说明光合作用需要光照；a和b部位都有光照，二者的区别在于有无叶绿体，通过对照可以说明光合作用需要叶绿体；进行图1所示实验应事先将植株置于暗处作饥饿处理，以排除原有淀粉对实验结果的干扰。
（2）图2所示实验运用了同位素标记技术，该对比实验说明光合作用产生的O2来源于H2O，而不是来自CO2。
（3）图3实验选择水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；用好氧细菌可以确定释放氧气多的部位。
该实验要在没有空气的黑暗环境中进行以排除氧气和极细光束外的其他光的干扰，实验结果是好氧细菌分布于叶绿体被光束照射的部位，由此证明叶绿体是光合作用的场所，氧气是由叶绿体释放出来的。
2.光合作用的过程
（1）光反应为暗反应提供[H]、ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi。
没有光反应，暗反应无法进行，没有暗反应，有机物无法合成。
（2）光合作用反应式及元素去向分析：
①O：
H
O
O
C18O2
C3
（CH
O）＋H
O
②C：
14CO2
14C3
（14CH2O）
③H：
H2O→[H]→（CH2O）＋H2O
[巧学助记] 光合作用过程的“一、二、三、四”
3.环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
（1）“过程法”分析各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，当外界条件（如光照、CO2）突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化：
（2）“模型法”表示C3和C5的含量变化
■助学巧记
结合光合作用的探究历程，考查科学探究能力
1.（2019·安阳市新高三定位考试）下列有关探究光合作用过程实验的描述，正确的是（ ）
A.将充分暗处理后的绿叶一半遮光，光照一段时间，遮光部分遇碘变蓝
B.载有水绵和好氧细菌的临时装片，用透过三棱镜的光照射一段时间，绿光区域聚集的好氧细菌最多
C.向绿色植物提供H
O和CO2，光照一段时间，释放的气体为18O2
D.向小球藻提供14CO2，光照一段时间，14C5化合物先于14C3化合物出现
解析 将充分暗处理后的绿叶一半遮光，光照一段时间，光照部分遇碘变蓝，A错误；载有水绵和好氧细菌的临时装片，用透过三棱镜的光照射一段时间，红光和蓝紫光区域聚集的好氧细菌最多，B错误；鲁宾和卡门利用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H
O和C18O2，然后进行两组实验：
第一组向植物提供H2O和C18O2；第二组向同种植物提供H
O和CO2。
在其他条件都相同的情况下，他们分析了两组实验释放的氧气。
结果表明，第一组释放的氧气全部是O2；第二组释放的氧气全部是18O2。
这一实验有力地证明光合作用释放的氧气来自水，C正确；向小球藻提供14CO2，光照一段时间，14C5化合物后于14C3化合物出现，D错误。
答案 C
2.（2019·长郡中学新高三实验班选拔考试）银边天竺葵叶片的边缘呈白色，中间呈绿色（如图所示）。
不考虑叶片中光合产物的转移，请以银边天竺葵的叶片为材料，设计一组实验，验证叶绿体是进行光合作用的场所，简要写出
（1）实验思路，
（2）预期实验结果即可。
解析 为了排除叶片内原来所含有的淀粉对实验的干扰，应先将叶片置于暗处一段时间进行“饥饿”处理，以消耗原来积累的淀粉；然后将叶片置于光照下一段时间，最后分别检测白色部分和绿色部分中是否有淀粉生成。
绿色部分含有叶绿体，而白色部分不含叶绿体，因此，在光照下应只有绿色部分生成淀粉。
答案
（1）实验思路：
先把叶片在暗处放置一段时间，然后再将其置于光下一段时间，最后用碘液分别检测白色部分和绿色部分中是否有淀粉生成
（2）预期实验结果：
叶片白色部分不变蓝，没有淀粉生成，绿色部分变蓝，有淀粉生成。
围绕光合作用过程的分析，考查科学思维能力
3.（2018·北京卷，3）光反应在叶绿体类囊体上进行。
在适宜条件下，向类囊体悬液中加入氧化还原指示剂DCIP，照光后DCIP由蓝色逐渐变为无色。
该反应过程中（ ）
A.需要ATP提供能量B.DCIP被氧化
C.不需要光合色素参与D.会产生氧气
解析 光合作用中的光反应发生在类囊体薄膜上，光合色素吸收光能，一方面使水光解，释放出氧气和形成[H]，另一方面在有关酶的催化作用下，促使ADP与Pi发生化学反应形成ATP，D正确，A、C错误；结合题干信息，加入氧化还原指示剂DCIP后，DCIP会被[H]还原，B错误。
答案 D
4.（2019·广东省中山市调研）如图所示为叶肉细胞中叶绿体进行光合作用的过程，A、B代表物质。
下列叙述错误的是（ ）
A.叶绿体能将光能转变为化学能储存在有机物中
B.①上产生的B物质移动到②参与C3的还原
C.②中产生的NADP＋移动到①上参与水的光解
D.①上产生的A物质可用于CO2的固定和C3的还原
解析 光合作用的场所是叶绿体，叶绿体通过光合作用将光能转变为化学能储存在有机物中，A正确；①类囊体膜上产生的B物质[H]移动到②叶绿体基质中，参与C3的还原，形成糖类等有机物，B正确；②叶绿体基质中产生的NADP＋移动到①类囊体膜上参与水的光解，C正确；①类囊体膜上产生的A物质ATP可用于C3的还原，而CO2的固定不需要消耗能量，D错误。
答案 D
突破光合作用过程的4个误区
（1）绿色植物中参与光合作用的色素只存在于叶绿体类囊体薄膜上，液泡中的色素不参与光合作用。
（2）绿色植物中参与光合作用的酶存在于叶绿体类囊体薄膜上和叶绿体基质中。
（3）不要认为暗反应不需要光。
光合作用的过程可以分为两个阶段，即光反应和暗反应。
前者在光下才能进行，并在一定范围内随着光照强度的增加而增强；后者在有光、无光的条件下都可以进行，但需要光反应的产物[H]和ATP，因此在无光条件下不可以长期进行。
（4）叶绿体并不是进行光合作用的必要场所：
进行光合作用的细胞不一定含叶绿体，如蓝藻、光合细菌能进行光合作用，但没有叶绿体。
围绕条件骤变时对叶绿体中物质含量的影响，考查科学思维的能力
5.（2019·长春市质检）光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。
对于改变反应条件而引起的变化，说法正确的是（ ）
A.突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值减小
B.突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值增加
C.突然将红光改变为绿光会暂时引起叶绿体基质中C3/C5比值减小
D.突然将绿光改变为红光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值减小
解析 突然中断CO2供应导致CO2的固定速率降低，叶绿体中C5含量增加、C3含量减少，A错误；突然中断CO2供应使C3含量减少，进而使ATP和[H]含量增多，所以ATP/ADP比值增加，B正确；突然将红光改变为绿光后光能利用率降低，ATP和[H]含量减少，进而使C3含量增多、C5含量减少，C错误；突然将绿光改变为红光后光能利用率提高，ATP和[H]含量增加，ATP/ADP比值增加，D错误。
答案 B
考点三 影响光合作用的因素及应用
1.内部因素
（1）植物自身的遗传特性（如植物品种不同）以阴生植物、阳生植物为例，如图所示。
（2）植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶
2.外部因素
（1）单因子变量对光合作用影响的曲线分析
①光照强度
②CO2浓度
③温度
④水分和矿质元素
（2）多因子对光合速率的影响
单因子对光合作用的影响
1.（2018·全国卷Ⅰ，30）甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如图所示。
回答下列问题：
（1）当光照强度大于A时，甲、乙两种植物中，对光能的利用率较高的植物是________。
（2）甲、乙两种植物单独种植时，如果种植密度过大，那么净光合速率下降幅度较大的植物是________，判断的依据是________。
（3）甲、乙两种植物中，更适合在林下种植的是________。
（4）某植物夏日晴天中午12：
00时叶片的光合速率明显下降，其原因是进入叶肉细胞的________（填“O2”或“CO2”）不足。
解析
（1）由题图可知，乙的光饱和点及光补偿点都比甲低，因此甲、乙两种植物在光照强度较低时乙更具有生长优势。
当光照强度大于A时，甲种植物光合作用强度高于乙种植物，因此甲种植物对光能的利用率较高。
（2）根据曲线图可知，甲种植物的光饱和点较高，对光照的需求大。
当甲、乙两种植物单独种植时，如果种植密度过大，植株接受的光照强度减弱，甲种植物净光合速率下降幅度较大。
（3）乙种植物的光补偿点较低，所以更适合在光照较弱的林下种植。
（4）夏日晴天中午温度过高，气孔部分关闭，因此进入叶肉细胞的CO2不足，叶片的光合速率明显下降。
答案
（1）甲
（2）甲 光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大，种植密度过大，植株接受的光照强度减弱，导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大
（3）乙 （4）CO2
2.（2019·天一大联考）温度是影响植物光合作用的一个重要的外部因素。
在一定温度范围内，随着温度的变化，植物的光合速率呈“钟形”曲线（如图所示）。
据图回答下列相关问题：
（1）温度主要通过影响光合作用的________阶段来影响光合速率。
据图可知，影响光合作用的温度应该存在三个重要的基点，即最低温度、最适温度和最高温度，超过最适温度，光合速率下降的主要原因是___________________________________________________________________。
（2）据图可知，影响光合作用的另一个外部因素是________。
对图中两条光合速率曲线进行比较，可以得出的结论是________________________。
所以大田种植时，在光照充足、温度适宜的情况下，可以采取________的措施提高光合速率。
（3）炎热的夏季，某些多肉植物在一段时期内几乎停止生长，处于“休眠”期，据图推测，可能的原因是___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
（4）水是植物生长不可缺少的物质。
深夜时我们把一盆绿色植物放在透明玻璃钟罩内，给它提供一定量的18O2，第二天再把该装置放在阳光下，夜晚在根系的有机物中检测到了放射性物质，请用简单的文字或箭头加简单文字的方式说明原因。
_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
解析
（1）由题干可知，在一定温度范围内，随着温度的变化，植物的光合速率呈“钟形”，表示有起点、终点和最高点，相对于温度而言，对应着“最低”“最高”和“最适”温度。
温度会影响酶的活性，因而主要影响光合作用的暗反应阶段，超过最适温度，光合速率下降的原因主要是（与光合作用有关的）酶的活性下降。
（2）一定范围内，提高CO2浓度能提高光合速率，但是大田种植面积大，最好的提高光合速率的办法就是增施农家肥，既能提供一定量的CO2，还能补充无机盐。
（3）植物通过光合作用合成有机物，同时也要不断呼吸消耗有机物，只有净光合作用大于零时，植物才会生长。
所以夏季温度过高，植物休眠，说明其光合作用减弱，净光合作用为零。
（4）植物体是一个统一的整体，植物细胞在有氧呼吸的第三阶段消耗了18O2，产生了H
O；这些H
O再用于有氧呼吸的第二阶段，于是H
O中的氧元素转移到C18O2中；在光下，植物叶片利用C18O2进行光合作用，C18O2中的氧元素转移到有机物中，然后这些有机物由茎运输到根。
答案
（1）暗反应 （与光合作用有关的）酶的活性下降
（2）CO2浓度 一定范围内，提高CO2浓度能提高光合速率 增施农家肥（或增加CO2浓度，答案合理即可）
（3）温度过高，导致光合速率下降，光合作用减弱，净光合作用为零
（4）植物细胞在有氧呼吸的第三阶段消耗了18O2，产生了H
O；这些H
O再用于有氧呼吸的第二阶段，于是H
O中的氧元素转移到C18O2中；在光下植物叶片利用C18O2进行光合作用，C18O2中的氧元素转移到有机物中，然后这些有机物由茎运输到根（或18O2＋[H]
H
O
C18O2
有机物中18O
根）
结合多因素对光合作用的影响，考查综合分析问题能力
3.（2014·全国卷Ⅱ，29）某植物净光合速率的变化趋势如图所示。
据图回答下列问题：
（1）当CO2浓度为A时，高光强下该植物的净光合速率为________。
CO2浓度在A～B之间时，曲线________表示了净光合速率随CO2浓度的增高而增高。
（2）CO2浓度大于C时，曲线b和c所表示的净光合速率不再增加，限制其增加的环境因素是________________________________________________________
_________________________________________________________________。
（3）当环境中CO2浓度小于A时，在图示的3种光强下，该植物呼吸作用产生的CO2量________（填“大于”、“等于”或“小于”）光合作用吸收的CO2量。
（4）据图可推测，在温室中，若要采取提高CO2浓度的措施来提高该种植物的产量，还应该同时考虑____________这一因素的影响，并采取相应措施。
[慧眼识图 获取信息]
答案
（1）0 a、b、c
（2）光强 （3）大于 （4）光强
结合教材实验拓展，考查科学探究能力
4.（2018·河南顶级名校考前最后一卷）为探究氮元素对小麦植株成熟叶片光合速率的影响，一科技小组在外界环境因素适宜的条件下测得实验数据如下表所示（假设不同实验组中小麦植株的呼吸速率相同）。
请回答下列问题：
氮素水平/（mmol·L－1）
5（低氮）
10（中氮）
15（中高氮）
20（高氮）
叶绿素含量/（μg·cm－2）
86
99
103
103
净光合速率/（O2μmol·m2·s－1）
19.4
20.7
21.4
22.0
（1）实验中光照强度和CO2浓度属于________，故需要保持相同且适宜；实验中各组需要测量多株小麦并进行多次测定，其目的是____________________________________________________________________。
（2）从表格分析可知，低氮条件下小麦植株净光合速率较低，其机理为：
①缺乏氮元素，影响叶绿素含量和叶绿体膜的形成；②缺乏氮元素，影响________的合成，进而影响光合作用中的能量转化；③缺乏氮元素会影响合成与光合作用有关的酶及________的合成进而影响叶绿体内遗传信息传递。
（3）实验中若要测定各组实验条件下小麦植株的总光合速率，还需补充的实验为____________________________________________________________________。
（4）为增加小麦产量，给小麦植株增施氮肥时，施肥浓度过大会引起小麦植株萎蔫甚至死亡，其原因是__________________________________________________
____________________________________________________________________。
解析
（1）实验中光照强度和CO2浓度均适宜，属于无关变量；实验中各组需要测量多株小麦并进行多次测定，其目的是排除偶然误差对实验结果的影响。
（2）缺乏氮元素会降低光合速率，主要原因有：
①缺乏氮元素，影响叶绿素含
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