版生物新学案同步必修1第5章 第4节 第2课时 光合作用的过程及原理的应用.docx
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第2课时 光合作用的过程及原理的应用
[学习目标] 1.掌握光合作用的光反应和暗反应过程以及二者的关系。
2.理解环境因素对光合作用的影响以及光合作用原理的实践应用。
3.简述化能合成作用。
一、光合作用的过程
1．反应式：
CO2＋H2O
（CH2O）＋O2。
2．光合作用的过程
（1）光反应阶段
①场所：
在叶绿体类囊体的薄膜上进行。
②条件：
必须有光、叶绿体中的色素和酶。
③过程
水的光解：
2H2O
4[H]＋O2；
ATP的生成：
ADP＋Pi
ATP。
④能量转变：
光能→ATP中活跃的化学能。
（2）暗反应阶段
①场所：
在叶绿体基质中进行。
②条件：
需要多种酶参与。
③过程
CO2的固定：
CO2＋C5
2C3；
C3的还原：
2C3＋[H]
（CH2O）＋C5。
④能量转变：
ATP中活跃的化学能→（CH2O）中稳定的化学能。
（3）光反应与暗反应的联系
①光反应为暗反应提供[H]、ATP；暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP＋。
②没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，有机物无法合成。
总之，光反应是暗反应所需物质和能量的准备阶段，暗反应是光反应的继续，是物质和能量转化的完成阶段。
（4）光合作用中各元素的去向
例1
如图为叶绿体的结构与功能示意图，下列说法错误的是（ ）
A．结构A中的能量变化是光能转变为ATP中的化学能
B．供给14CO2，放射性出现的顺序为CO2→C3→甲
C．结构A释放的氧气可进入线粒体中
D．叶绿体中的色素主要分布于类囊体腔中
答案 D
解析 叶绿体中的色素主要分布于类囊体的薄膜上。
例2
如图表示光照下叶肉细胞中A、B两种细胞器间的气体交换，下列有关此图的叙述正确的是（ ）
A．在黑暗中A将停止生理作用
B．A结构能产生ATP，B结构不能产生ATP
C．植物正常生长时，B结构产生的O2全部被A结构利用
D．夜晚适当降温，能降低A结构的生理功能，白天适当升温，B结构的生理功能提高比A结构更显著，故白天适当升温，夜晚适当降温能增加农作物的产量
答案 D
解析 分析题图可知，A结构为线粒体，B结构为叶绿体。
适当控制昼夜温差，可使光合作用强度增强，细胞呼吸强度减弱，有利于有机物的积累。
归纳提升
光合作用和细胞呼吸的区别和联系
项目
光合作用
细胞呼吸
场所
植物细胞内的叶绿体
细胞质基质和线粒体或细胞质基质
条件
只在光下进行
有光、无光都能进行
能量变化
光能→ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
有机物中稳定的化学能→ATP中活跃的化学能＋热能
实质
合成有机物，储存能量
分解有机物、释放能量
范围
含叶绿体的植物细胞和光合细菌
所有活细胞
联系
二、光合作用原理的应用
1．光合作用的强度
（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）影响因素和衡量指标
光合作用强度
2．探究光照强弱对光合作用强度的影响
（1）实验原理：
抽去小圆形叶片中的气体后，叶片在水中下沉，光照下叶片进行光合作用产生氧气，充满细胞间隙，叶片又会上浮。
光合作用越强，单位时间内小圆形叶片上浮的数量越多。
（2）实验流程
①打出小圆形叶片（30片）：
用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出（直径＝1cm）小圆形叶片
↓
②抽出叶片内气体：
用注射器（内有清水、小圆形叶片）抽出叶片内气体（O2等）
↓
③小圆形叶片沉到水底：
将抽出内部气体的小圆形叶片放入黑暗处盛有清水的烧杯中，小圆
形叶片全部沉到水底
↓
④强、中、弱三种光照处理：
取3只小烧杯，分别倒入20mL富含CO2的清水，各放入10
片小圆形叶片，用强、中、弱三种光照分别照射
↓
⑤观察并记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量
（3）实验现象与结果分析：
光照越强，烧杯内小圆形叶片浮起的数量越多，说明在一定范围内，随着光照强度的不断增强，光合作用强度不断增强。
3．影响光合作用的因素曲线分析
（1）光照强度
①关键点：
A点光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，单位时间内释放的CO2量表示呼吸速率。
B点细胞呼吸释放的CO2量和光合作用吸收的CO2量相等，此时的光照强度称为光补偿点。
C点时已经达到了光饱和点，此时光照强度增加，光合作用强度不再增加。
②关键线段：
AB段光合作用的强度小于细胞呼吸的强度；BC段光合作用的强度大于细胞呼吸的强度。
（2）CO2浓度
①走势分析：
图甲和图乙都表示在一定范围内，光合作用速率随CO2浓度的增大而增大，但当CO2浓度增加到一定范围后，光合作用速率不再增加。
②关键点分析：
图甲中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点；图乙中的A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。
图甲和图乙中的B和B′点都表示CO2饱和点。
（3）温度
①影响原理：
温度通过影响酶的活性来影响光合作用强度。
②曲线分析：
B点对应的温度是最适温度，此时光合作用最强，高于或低于此温度，光合作用强度都会下降。
例3
某同学想探究二氧化碳浓度与光合速率的关系。
取A、B、C、D四株都有5片叶的小白菜，分别用直径1cm的打孔器打出叶圆片10片，并设法抽去叶片内的气体使之在水中下沉，置于光下。
取100mL三角瓶4个，编号1～4，按下表操作（光照、温度相同且适宜）并记录结果。
下列评价或修正不合理的是（ ）
编号
实验处理
30min内上浮叶圆片数（片）
叶圆片来源
叶圆片数（片）
自来水（mL）
NaHCO3
（克）
1
A
10
40
0
2
2
B
10
40
1
6
3
C
10
40
3
4
4
D
10
40
5
5
A.自变量二氧化碳浓度的控制不严格
B．只要控制光照、温度相同即可
C．实验材料本身存在的差异会影响实验结果
D．制备的叶圆片在投入三角瓶之前应放于黑暗处
答案 B
解析 自来水中也有少量二氧化碳，因此使用自来水时，会对二氧化碳浓度造成影响，A正确；在进行探究实验的过程中，叶圆片数、自来水的量等无关变量应保持相同且适宜，B错误；小叶圆片来自A、B、C、D四株小白菜，由于实验材料本身存在的差异会影响实验结果，C正确；制备的叶圆片在投入三角瓶之前可进行黑暗处理，目的是消耗掉叶圆片中的氧气，能够使叶圆片沉在烧杯中，D正确。
例4
甲图表示某植物叶肉细胞光合作用强度与光照强度的关系，乙图表示该植物叶肉细胞的部分结构（图中M和N代表两种气体）。
据图判断，下列说法正确的是（注：
不考虑无氧呼吸）（ ）
A．甲图中的纵坐标数值对应乙图中的m4
B．甲图中c点时，乙图中有m1＝n1＝m4＝n4
C．甲图中e点以后，乙图中n4不再增加，其主要原因是m1值太低
D．甲图中a、b、c、d、e任意一点，乙图中都有m1＝n1>0，m2＝n2>0
答案 B
解析 分析题图可知，乙图中上面的细胞器是线粒体，下面的细胞器是叶绿体。
M代表CO2，N代表O2。
甲图中的纵坐标数值为净光合作用量，故当光照强度小于c点对应的光照强度时，对应图乙中的m2，当光照强度大于c点对应的光照强度时，对应图乙中的m3，即从外界吸收的CO2量，A项错误；甲图中c点既没有CO2的释放也没有CO2的吸收，因此m1＝n1＝m4＝n4，B项正确；甲图中e点以后，乙图中n4不再增加，说明光合作用强度不再随光照强度的增强而增加，其主要原因不是m1值太低，而是受外界CO2量的影响，也就是受m3的影响，C项错误；甲图中a、b、c、d、e任意一点，乙图中都有m1＝n1>0，但由于d、e点细胞呼吸强度小于光合作用强度，应为m3＝n3>0，c点细胞呼吸强度等于光合作用强度，m3＝n3＝0，c、d、e点时都有m2＝n2＝0，D项错误。
三、化能合成作用
1．自养生物和异养生物
（1）自养生物：
绿色植物等能以二氧化碳和水等无机物为原料合成糖类等有机物。
（2）异养生物：
人、动物、真菌以及大多数细菌，细胞中没有叶绿素，不能进行光合作用，它们只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
2．化能合成作用
（1）概念：
自然界中少数种类的细菌能够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，这种合成作用叫做化能合成作用。
（2）实例：
硝化细菌
硝化细菌能利用氨氧化成亚硝酸，进而将亚硝酸氧化成硝酸这两个过程中释放出的化学能，将二氧化碳和水合成为糖类，这些糖类可供硝化细菌维持自身的生命活动。
归纳总结
光合作用与化能合成作用的比较
项目
光合作用
化能合成作用
生物类型
绿色植物和光合细菌
硝化细菌等
能量来源
光能
体外物质氧化释放的化学能
环境条件
光、CO2、水、适宜温度等
NH3、O2、CO2、水、适宜温度等
相同点
从外界环境摄取简单无机物合成有机物，并储存能量
例5
（2017·武汉部分学校联考）硝化细菌通过化能合成作用形成有机物，需要下列哪种环境条件（ ）
A．具有NH3和氧B．具有NH3及缺氧
C．具有硝酸和氧D．具有硝酸及缺氧
答案 A
解析 硝化细菌能利用NH3氧化成亚硝酸，进而氧化成硝酸的过程中释放的能量将CO2和H2O合成有机物。
硝化细菌氧化NH3，需在有氧的条件下进行。
例6
（2017·长沙一中模拟）下列有关化能合成作用的叙述，正确的是（ ）
①不利用光能 ②利用环境中物质氧化释放的能量 ③在叶绿素作用下 ④将水和二氧化碳合成有机物 ⑤储能不多，对自然界作用不大 ⑥属异养型
A．①②③B．①②④
C．①④⑤D．②④⑥
答案 B
解析 化能合成作用是利用氧化体外环境中的无机物产生的化学能，将无机物H2O和CO2合成有机物的过程。
该过程不需要叶绿素，此类生物的新陈代谢类型为化能自养型。
1．下列叙述，正确的打“√”，错误的打“×”。
（1）光反应的场所是叶绿体中的类囊体薄膜，光反应产生的O2、ATP和[H]都用于暗反应（ ）
（2）暗反应包括CO2的固定和C3的还原，两个阶段都在叶绿体基质中进行（ ）
（3）整个光合作用过程中，能量的转化是：
光能→ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能（ ）
（4）光合作用释放的O2都来自水（ ）
（5）光照强度影响光合作用但光质不影响（ ）
（6）温度只影响暗反应过程，因为只有暗反应需要酶的催化（ ）
（7）CO2浓度是通过影响暗反应过程来影响光合作用的（ ）
（8）化能合成作用不消耗能量（ ）
答案
（1）×
（2）√ （3）√ （4）√ （5）× （6）× （7）√ （8）×
2．下列四个处理中，沉入底部的叶片小块最先浮起的是（ ）
答案 C
解析 叶片沉入水底是由于细胞间隙的空气被抽取掉，所以哪一个叶片最先产生大量的氧气，充入到细胞间隙中，哪一个叶片就最先浮上来。
由于自来水中含有CO2,25℃的温度较为适宜，光照是光合作用必需的条件，所以C项所示的叶片最先浮起来。
3．已知某植物光合作用和细胞呼吸的最适温度分别为25℃和30℃，如图表示30℃时光合速率与光照强度的关系。
若温度降到25℃（原光照强度和二氧化碳浓度不变），理论上图中相应点a、b、d的移动方向分别是（ ）
A．下移、右移、上移B．下移、左移、下移
C．上移、左移、上移D．上移、右移、上移
答案 C
解析 图中a、b、d三点分别表示细胞呼吸强度、光补偿点和在光饱和点时的光合作用速率。
据题意可知，由于植物光合作用和细胞呼吸的最适温度分别为25℃和30℃，当温度由30℃降到25℃时，细胞呼吸强度降低，a点上移；光合作用速率增大，d点上移。
b点表示光合作用速率＝细胞呼吸速率，在25℃时细胞呼吸速率降低，在除光照强度外其他条件不变的情况下要使其仍然与细胞呼吸速率相等，需降低光照强度以使光合作用速率减弱，即b点左移。
4．下列关于光合作用和化能合成作用的叙述，正确的是（ ）
①都需要叶绿素 ②都将CO2和水合成为有机物
③都属于自养生物的营养方式 ④合成作用所利用的能量相同
A．①②B．①③
C．②③D．②④
答案 C
解析 光合作用和化能合成作用都能将无机物转化成有机物，只是所利用的能量不同，光合作用利用的是光能，化能合成作用利用的是无机物氧化时释放的化学能。
5．下图表示光合作用过程的部分图解，请据图分析完成下列问题：
（1）图示表示光合作用的________过程，其中B表示____________________。
（2）图示过程中，能量变化是______________________________。
（3）如果用含14C的CO2来追踪小麦光合作用过程中碳原子的转移途径，则14C首先出现在________中。
（4）叶绿体是进行光合作用的场所，在充足的光照条件下，ADP在叶绿体内的移动方向是______________________________；如果将此植物由光照充足的条件下移至阴暗处，则[H]在叶绿体中的含量将________。
答案
（1）暗反应 C3的还原
（2）ATP中活跃的化学能转变成有机物中稳定的化学能 （3）C3 （4）从叶绿体基质到类囊体薄膜 减少
解析 题图表示光合作用的暗反应过程，B表示C3的还原。
CO2进入叶绿体后，先被C5固定成C3，C3被[H]还原后生成葡萄糖，因此，碳的转移途径应是CO2→C3→葡萄糖。
ADP要到类囊体薄膜上参与光反应转化成ATP。
光反应需要光照，移至阴暗处后，光照强度降低，光反应减弱，所以[H]减少。
[对点训练]
题组一 光合作用的过程
1．以下反应过程在叶绿体基质中完成的变化有（ ）
①H2O→[H]＋O2 ②ATP→ADP＋Pi＋能量
③2C3→（CH2O）＋C5 ④CO2＋C5→2C3
A．①②③B．①③④
C．②③④D．①②④
答案 C
解析 叶绿体基质中完成的是暗反应，有②③④。
2．（2017·大庆高一检测）人参为“东北三宝”之首，其茎单生，直立，叶为掌状复叶。
当叶片进行光合作用时，光反应阶段为暗反应阶段提供的物质是（ ）
A．O2和C3B．叶绿体色素
C．O2和[H]D．[H]和ATP
答案 D
解析 光反应阶段将光能转变成化学能，产生ATP，为暗反应提供能量，并合成[H]，为暗反应提供还原剂，D项正确。
3．白天，叶绿体中ATP和ADP的运动方向是（ ）
A．ATP与ADP同时由类囊体薄膜向叶绿体基质运动
B．ATP与ADP同时由叶绿体基质向类囊体薄膜运动
C．ATP由类囊体薄膜向叶绿体基质运动，ADP的运动方向正好相反
D．ADP由类囊体薄膜向叶绿体基质运动，ATP则向相反方向运动
答案 C
解析 光反应阶段的场所是类囊体薄膜，暗反应阶段的场所是叶绿体基质。
光反应为暗反应提供[H]、ATP，暗反应为光反应提供ADP、Pi，则ATP由类囊体薄膜向叶绿体基质运动，ADP的运动方向正好相反。
4．下面是光合作用和细胞呼吸过程中产生[H]的细胞器及[H]的来源和用途的比较，其中正确的是（ ）
细胞器
来源
用途
①
叶绿体
水的分解
还原二氧化碳
②
叶绿体
水的分解
还原三碳化合物
③
线粒体
丙酮酸的分解
与氧结合生成水
④
线粒体
葡萄糖和丙酮酸的分解
与氧结合生成水
A.①②B．②③
C．②④D．③④
答案 B
解析 在叶绿体囊状结构薄膜上，水在光下分解成氧气和[H]，[H]为三碳化合物的还原提供还原剂，①错误，②正确；有氧呼吸第一阶段发生在细胞质基质中，是葡萄糖分解成丙酮酸和[H]，第二阶段发生在线粒体中，是丙酮酸和水反应生成二氧化碳和[H]，第三阶段是上述两个阶段产生的[H]在线粒体内膜上与氧气发生氧化反应产生水，③正确，④错误。
5．如图表示植物光合作用的一个阶段，下列各项叙述正确的是（ ）
A．该反应的场所是叶绿体的类囊体
B．C3生成（CH2O）需要[H]、ATP和多种酶
C．提高温度一定能促进（CH2O）的生成
D．无光条件有利于暗反应进行
答案 B
解析 暗反应阶段包括CO2的固定和C3的还原，发生在叶绿体基质中；如果温度过高，会降低酶的活性，使酶促反应受影响，会抑制（CH2O）的生成；无光时，不能形成ATP和[H]，会影响C3的还原，从而不利于暗反应的进行。
6．（2018·泰州高一检测）下图表示光合作用的过程，其中Ⅰ、Ⅱ表示光合作用的两个阶段，a、b表示相关物质。
下列相关叙述正确的是（ ）
A．阶段Ⅰ表示暗反应
B．阶段Ⅱ表示光反应
C．物质a表示[H]
D．物质b表示C3
答案 C
解析 Ⅰ、Ⅱ分别表示光反应和暗反应，A、B项错误；光反应为暗反应提供ATP和[H]，所以图中的a表示的是[H]，物质b表示的是ATP，C项正确，D项错误。
题组二 光合作用原理的应用及化能合成作用
7．下面是一位同学根据实验结果绘制的一组曲线，你认为不正确的是（ ）
答案 D
解析 温度会通过影响光合作用中酶的活性来影响光合作用，在一定温度范围内，光合作用强度随温度的升高而增大，温度过高时，高温使酶失活而导致光合作用强度下降。
8．（2016·天津，2）在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。
下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是（ ）
A．红光，ATP下降
B．红光，未被还原的C3上升
C．绿光，[H]下降
D．绿光，C5上升
答案 C
解析 叶绿体中的色素对红光的吸收率高，光反应快，对绿光的吸收率很低，光反应慢，A项错误，C项正确；光反应快，C3被还原的量多，剩余的少，B项错误；绿光照射时，光反应速率降低，C5下降，D项错误。
9．（2017·甘肃天水一中期中）如图表示在夏季晴朗的白天，植物细胞内C3和C5的相对含量随一种环境因素的改变而变化的情况，下列对这一环境因素的改变分析正确的是（ ）
A．突然停止光照
B．突然增加CO2浓度
C．降低环境温度
D．增加光照强度
答案 D
解析 突然停止光照，光反应产生的[H]和ATP减少，被还原的C3减少，生成的C5减少，而CO2被C5固定形成C3的过程不变，故C3的含量将增加，C5的含量将减少，A项错误；突然增加CO2浓度，CO2被C5固定形成的C3增加，则消耗的C5增加，故C5的含量将减少，B项错误；降低环境温度，光合作用的过程均会变慢，故C3、C5的含量都将减少，C项错误；增加光照强度，光反应产生的[H]和ATP增多，被还原的C3增多，生成的C5增多，而CO2被C5固定形成C3的过程不变，故C3的含量将减少，C5的含量将增加，D项正确。
10．如何使作物最大限度地利用太阳光能以进行光合作用是现代化农业生产中提高作物产量的根本问题。
下列措施不能够有效提高光能利用效率的是（ ）
A．阴雨天气提高温室中的CO2浓度
B．将玉米与大豆混合种植
C．为农作物补充镁元素，保证叶绿素的含量
D．合理灌溉，使植株保持挺拔
答案 A
解析 阴雨天气，光照强度减弱，这种情况下补充CO2达不到提高光能利用率的目的；玉米与大豆混合种植可以充分利用光能，进而达到提高光能利用率的目的；充足的叶绿素可以保证对光的最大吸收；植株挺拔，叶片充分展开，有利于对光的吸收。
11．（2017·长沙高一检测）下列关于硝化细菌的描述中，错误的是（ ）
A．其细胞内没有叶绿素B．细胞内有线粒体
C．自身能合成有机物D．属自养型生物
答案 B
解析 硝化细菌为原核生物，其细胞内没有叶绿素，不含线粒体，其自身能将二氧化碳合成有机物，属于自养型生物。
12．如图是夏季晴朗的白天，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
答案 B
解析 图中B→C主要原因是气温过高，导致气孔关闭，使CO2供应不足。
[综合强化]
13．如图所示，图甲为叶绿体结构与功能示意图，图乙表示一株小麦叶片细胞内C3相对含量在一天24h内的变化，请据图分析：
（1）图甲中A、B、C、D分别表示参与光合作用或光合作用生成的物质，则A、B、C、D依次为__________、________、________、__________。
（2）在a中发生的过程称为光反应，a中参与此过程的物质是____________。
光合作用全过程中能量转换过程是____________________________________。
（3）AB段C3含量较高，其主要原因是________________________________________________。
（4）E点C3含量极少，其原因是：
气孔_______________________________________________。
答案
（1）H2O CO2 C3（三碳化合物） C5（五碳化合物）
（2）色素和酶 光能→活跃化学能→稳定化学能
（3）无光不进行光反应，C3（三碳化合物）不能被还原
（4）叶肉细胞内CO2含量低，CO2的固定下降
解析
（1）H2O参与的是光反应，生成O2；CO2参与暗反应形成C3（三碳化合物），C3形成C5（五碳化合物）和糖类。
（2）光反应需要色素吸收光能，并转化成ATP中活跃的化学能；同时ATP的合成需要酶的参与。
暗反应中能量是由活跃的化学能转化成稳定的化学能。
（3）无光条件下，不能进行光反应，所以缺少[H]、ATP，C3（三碳化合物）不能被还原。
（4）E点时光照强烈，温度较高，蒸腾作用散失水分较多，导致气孔关闭，气体交换停止，使叶肉细胞内CO2含量低，CO2的固定下降。
14．对农作物光合作用和细胞呼吸的研究，可以指导我们的农业生产。
下面是某研究小组以番茄为材料所做的相关实验及其结果，请回答下列问题：
（1）由图甲可推知，与P点相比，Q点限制单株光合作用强度的外界因素是_______________（写出两种），甲实验给我们的启示是在栽培农作物时要注意__________。
（2）种植番茄的密闭大棚内一昼夜空气中的CO2含量变化如图乙所示。
C～F段，叶绿体内ADP含量最高的地方是________，叶绿体内O2的含量将________，一昼夜内植株是否显示生长现象？
并说明理由。
_______________________________________________________________________________。
图乙给我们的启示是在密闭大棚内种植作物时要注意__________________。
（3）将对称叶片左侧遮光、右侧曝光（如图丙），并采用适当的方法阻止两部分之间的物质和能量的转移。
在适宜光照下照射12小时后，从两侧截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为a和b（单位：
g）。
则b－a所代表的是_________________________________________________。
（4）装置丁（如图丁）可用来探究光照强度对光合作用强度的影响。
根据该图的材料及设置，可以确定该实验的因变
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