高考生物复习题细胞的能量供应和利用光与光合作用讲义.docx
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高考生物复习题细胞的能量供应和利用光与光合作用讲义
第9讲 光与光合作用
[考纲要求] 1.光合作用的基本过程（Ⅱ）。
2.影响光合作用速率的环境因素（Ⅱ）。
3.实验：
叶绿体色素的提取和分离。
考点一 绿叶中色素的提取和分离
1．实验原理
2．实验步骤
3．实验结果
色素种类
色素颜色
色素含量
溶解度
扩散速度
胡萝卜素
橙黄色
最少
最高
最快
叶黄素
黄色
较少
较高
较快
叶绿素a
蓝绿色
最多
较低
较慢
叶绿素b
黄绿色
较多
最低
最慢
实验注意事项和目的
注意事项
操作目的
提取色素
选新鲜绿色的叶片
使滤液中色素含量高
研磨时加无水乙醇
溶解色素
加少量SiO2和CaCO3
研磨充分和保护色素
迅速、充分研磨
防止乙醇过度挥发，充分溶解色素
盛放滤液的试管管口加棉塞
防止乙醇挥发和色素氧化
分离色素
滤纸预先干燥处理
使层析液在滤纸上快速扩散
滤液细线要细、齐、直
使分离出的色素带平整不重叠
滤液细线干燥后再画一两次
使分离出的色素带清晰分明
滤液细线不触及层析液
防止色素直接溶解到层析液中
命题点一 实验的基本原理和过程分析
1．甲、乙、丙、丁四位同学，在利用新鲜绿色菠菜叶为实验材料，用层析法进行叶绿体中色素的提取和分离实验时，由于操作不同，得到了四种不同的层析结果（如图所示）。
下列分析错误的是（ ）
A．甲可能误用蒸馏水作提取液和层析液
B．乙可能是因为研磨时加入无水乙醇过多
C．丙可能是正确操作得到的理想结果
D．丁可能是研磨时未加入CaCO3
答案 C
解析 甲图中看不到色素带，叶绿体中的色素属于有机物，易溶于酒精等有机溶剂，难溶于水，所以出现甲图结果可能是误用蒸馏水作提取液和层析液导致的，A项正确；乙图中每种色素都有，但含量很少，可能是无水乙醇过多，色素浓度太低导致的，B项正确；丙图中每种色素都有，但是胡萝卜素和叶黄素含量较多，叶绿素a和叶绿素b含量较少，这不是正确操作得到的理想结果，C项错误；丁结果中叶绿素a和叶绿素b含量很少，可能是研磨时未加入CaCO3，破坏了叶绿素类物质造成的，因为与类胡萝卜素相比，叶绿素更易受到破坏，D项正确。
科学探究
绿叶中色素提取和分离实验异常现象分析
（1）收集到的滤液绿色过浅的原因分析
①未加石英砂（二氧化硅），研磨不充分。
②使用放置数天的绿叶，滤液色素（叶绿素）太少。
③一次加入大量的无水乙醇，色素溶液浓度太低（正确做法：
分次加入少量无水乙醇提取色素）。
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：
没经干燥处理，滤液细线不能达到细、齐、直的要求，使色素扩散不一致。
（3）滤纸条看不到色素带：
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）滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带：
忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶”。
2．在做提取和分离叶绿体中的光合色素实验时，甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使用情况如下表所示（“＋”表示使用，“－”表示未使用），其余操作均正常，他们所得的实验结果依次应为（ ）
试剂
甲
乙
丙
丁
无水乙醇
－
＋
＋
＋
水
＋
－
－
－
CaCO3
＋
＋
－
＋
SiO2
＋
＋
＋
－
A．①②③④B．②④①③
C．④②③①D．③②①④
答案 B
解析 甲同学由于没有加入提取剂无水乙醇，所以提取液中不会出现色素，色素分离的结果是②；乙同学操作正确，色素分离后得到的色素带有四条，与④情况相符；丙同学由于未加CaCO3，所以叶绿素含量减少，所得到的色素带中两条叶绿素带比正常的色素带要窄，对应①；丁同学由于未加SiO2，导致叶片研磨不充分，最终导致各种色素的含量均减少，对应③。
命题点二 实验的拓展与应用
3．以圆形滤纸的中心为圆心，画叶绿体色素滤液的小圆进行色素分离，看到近似同心环状的四个色素圈，排列在最外圈的一个呈（ ）
A．蓝绿色B．黄绿色C．黄色D．橙黄色
答案 D
解析 绿叶中的色素能够在滤纸上彼此分离的原因是色素在层析液中的溶解度不同，在滤纸上的扩散速度不同。
其中胡萝卜素（橙黄色）的溶解度最大，故其扩散速度最快，排列在最外圈。
4．利用无水乙醇提取出叶绿体中的色素，设法分离得到各种色素，并将叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素和混合液依次点样在滤纸的1、2、3、4、5位置（如下图所示）。
当滤纸下方浸入层析液后，滤纸条上各色素正确的位置应为（ ）
答案 B
解析 在层析液中四种色素的溶解度从大到小的顺序依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b，色素溶解度越大，随层析液在滤纸上扩散的速度越快，混合液中含4种色素，扩散后在滤纸条上形成4条色素带。
考点二 捕获光能的色素和结构及光合作用的探究历程
1．捕获光能的色素及色素的吸收光谱
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）叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
2．叶绿体的结构与功能
（1）结构模式图
（2）结构
↓决定
（3）功能：
进行光合作用的场所。
3．光合作用的探究历程（连线）
（1）植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光（ × ）
（2）叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素（ √ ）
（3）叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同（ √ ）
（4）叶片黄化，叶绿体对红光的吸收增多（ × ）
（5）光合作用需要的色素和酶分布在叶绿体基粒和基质中（ × ）
（6）叶绿体内膜的面积远远大于外膜的面积（ × ）
下面是光合作用探究历程中恩格尔曼和萨克斯的实验示意图，请分析：
（1）恩格尔曼实验在实验材料的选取上有什么巧妙之处？
提示 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。
（2）恩格尔曼实验要在没有空气的黑暗环境中进行的原因是什么？
提示 排除氧气和除极细光束外的其他光的干扰。
（3）萨克斯实验中进行“黑暗”处理的目的是什么？
提示 消耗掉细胞中原有的淀粉，防止对实验结果造成干扰。
（4）萨克斯实验中在染色前通常用酒精对叶片进行脱色处理，目的是什么？
提示 防止叶片中色素颜色对实验结果的干扰。
（5）两实验设计中是如何形成对照的？
提示 恩格尔曼的实验中，照光处理与不照光、黑暗与完全曝光形成对照；萨克斯的实验中，暗处理的叶片一半曝光、一半遮光形成对照。
命题点一 捕获光能的色素和结构分析
1．（2016·全国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
答案 C
解析 叶绿体中的色素能够溶解在包括乙醇在内的有机溶剂中，A项正确；镁作为细胞中的无机盐，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项正确；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项错误；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项正确。
生命观念
影响叶绿素合成的因素
2．（2018·衡水模拟）如图是在电子显微镜下观察到的高等植物叶绿体结构模式图，下列有关叙述错误的是（ ）
A．①和②均为选择透过性膜
B．③上分布有与光反应有关的色素和酶，这些色素对绿光吸收最少
C．③上所含色素均含Mg2＋，故缺Mg2＋时这些色素都无法合成
D．在③上形成的产物[H]和ATP进入④中为暗反应提供物质和能量
答案 C
解析 ①和②分别为叶绿体的外膜和内膜，膜结构均具有选择透过性，A项正确；③为类囊体，其上分布有与光反应有关的色素和酶，这些色素对绿光吸收最少，所以叶片一般为绿色，B项正确；叶绿素分子中含Mg2＋，胡萝卜素、叶黄素中不含Mg2＋，C项错误；在类囊体上形成的产物[H]和ATP进入④中为暗反应提供物质和能量，D项正确。
命题点二 探究光合作用的相关实验分析
3．人们对光合作用这一重要生命现象的发现及认识经历了漫长的过程，以下是光合作用探究历程中的几个经典实验，请结合所学知识回答下列问题：
实验一：
普利斯特利的实验
密闭玻璃罩＋绿色植物＋蜡烛/小鼠→蜡烛不易熄灭/小鼠不易窒息死亡。
（1）本实验缺乏________组，应该如何改进？
_______________________________________
_____________________________________________________________________________。
实验二：
萨克斯的实验
黑暗中饥饿处理的绿叶
（2）本实验的自变量为______________，因变量为_____________________________________，实验组是________（填“曝光组”或“遮光组”）。
（3）实验中进行饥饿处理的目的是__________________________________________________
______________________________________________________________________________。
实验三：
鲁宾和卡门的实验
（4）鲁宾和卡门应用了__________法追踪CO2和H2O中的氧元素在光合作用中的转移途径。
（5）写出光合作用总反应式，并用同位素18O标明H2O中氧的转移途径：
___________________
_______________________________________________________________________________。
答案
（1）对照（或空白对照） 将点燃的蜡烛和小鼠分别单独置于密闭玻璃罩内，作为空白对照
（2）光的有无 叶片颜色变化 遮光组 （3）使叶片中的营养物质（淀粉）被消耗掉，排除对实验的干扰，增强实验的说服力 （4）同位素标记 （5）CO2＋H218O
（CH2O）＋18O2
解析
（1）在设计探究性实验时应遵循单一变量和对照性原则，而本实验缺乏对照（或空白对照）组，应将点燃的蜡烛和小鼠分别单独置于密闭玻璃罩内，作为空白对照。
（2）分析实验可知，本实验的自变量为光的有无，因变量为叶片颜色变化。
本实验中曝光组为对照组，遮光组是实验组。
（3）实验中进行饥饿处理的目的是使叶片中的营养物质（淀粉）被消耗掉，排除对实验结果的干扰，增强实验的说服力。
（4）鲁宾和卡门应用了同位素标记法追踪CO2和H2O中的氧元素在光合作用中的转移途径。
（5）由于产生的氧气全部来自于水，在反应中标明同位素（如18O），总反应式为CO2＋H218O
（CH2O）＋18O2。
考点三 光合作用的基本过程
1．概念：
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．过程
3．反应式
（1）产物为（CH2O）：
CO2＋H2O
（CH2O）＋O2。
（2）产物为C6H12O6：
6CO2＋12H2O
C6H12O6＋6O2＋6H2O。
4．光反应和暗反应的比较
项目
光反应
暗反应
条件
光、色素、酶
ATP、[H]、CO2、多种酶
场所
类囊体薄膜
叶绿体基质
物质变化
水的光解、ATP的合成
CO2的固定、C3的还原
能量变化
光能转化为活跃的化学能
活跃的化学能转化为稳定的化学能
联系
光反应为暗反应提供[H]和ATP，暗反应为光反应提供NADP＋、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
5.光合作用和化能合成作用的比较
项目
光合作用
化能合成作用
区别
能量来源
光能
氧化无机物释放出的能量
代表生物
绿色植物
硝化细菌
相同点
都能将CO2和H2O等无机物合成有机物
（1）H2O在光下分解为[H]和O2的过程发生在叶绿体基质中（ × ）
（2）叶肉细胞在叶绿体外膜上合成淀粉（ × ）
（3）离体的叶绿体基质中添加ATP、[H]和CO2后，可完成暗反应过程（ √ ）
（4）番茄幼苗在缺镁的培养液中培养一段时间后，与对照组相比，其叶片光合作用强度下降的原因是光反应强度和暗反应强度都降低（ √ ）
（5）正常生长的绿藻，照光培养一段时间后，用黑布迅速将培养瓶罩上，其叶绿体内CO2的固定立即停止（ × ）
（6）光合作用和细胞呼吸均能产生[H]，二者还原的物质不同（ √ ）
（7）土壤中的硝化细菌可利用CO2和H2O合成糖（ √ ）
分析光合作用的过程图解
（1）图中的甲表示光反应阶段，发生在叶绿体的类囊体薄膜上。
（2）乙表示暗反应阶段，又称作卡尔文循环。
（3）图中的物质a是[H]，物质c是CO2。
（4）图中的ATP不能（填“能”或“不能”）运出所在的细胞器，用于其他生命活动。
1．光合作用中元素的转移途径
（1）H：
3H2O
[3H]
（C3H2O）。
（2）C：
14CO2
14C3
（14CH2O）。
（3）O：
H218O
18O2;C18O2
C3
（CH218O）。
2．环境条件改变时光合作用中相关物质的含量变化
（1）分析方法：
需从物质的生成和消耗两个方面综合分析。
示例：
CO2供应正常，光照停止时C3的含量变化
（2）物质含量变化
条件
光照由强到弱，CO2供应不变
光照由弱到强，CO2供应不变
CO2供应由充足到不足，光照不变
CO2供应由不足到充足，光照不变
C3含量
增加
减少
减少
增加
C5含量
减少
增加
增加
减少
[H]和ATP的含量
减少
增加
增加
减少
（CH2O）的合成量
减少
增加
减少
增加
3.连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析
（1）光反应为暗反应提供的[H]和ATP在叶绿体中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。
（2）一直光照条件下，会造成[H]、ATP的过度积累，利用不充分；光照和黑暗间隔条件下，[H]、ATP基本不积累，能够被充分利用；因此在光照时间相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。
例如：
若同一植物处于两种不同情况下进行光合作用，甲一直光照10分钟，黑暗处理10分钟；乙光照5秒，黑暗处理5秒，持续20分钟，则光合作用制造的有机物：
甲＜乙。
命题点一 光合作用过程的综合分析
1．（2015·福建，3）在光合作用中，RuBP羧化酶能催化CO2＋C5（即RuBP）→2C3。
为测定RuBP羧化酶的活性，某学习小组从菠菜叶中提取该酶，用其催化C5与14CO2的反应，并检测产物14C3的放射性强度。
下列分析错误的是（ ）
A．菠菜叶肉细胞内RuBP羧化酶催化上述反应的场所是叶绿体基质
B．RuBP羧化酶催化的上述反应需要在无光条件下进行
C．测定RuBP羧化酶活性的过程中运用了同位素标记法
D．单位时间内14C3生成量越多说明RuBP羧化酶活性越高
答案 B
解析 RuBP羧化酶催化上述反应即二氧化碳的固定，属于暗反应，其场所是叶绿体基质，A项正确；暗反应不需要光，有光和无光条件下都可进行，B项错误；实验中利用14C标记CO2并检测产物放射性强度，采用了同位素标记法，C项正确；单位时间内产物生成量可代表化学反应的催化效率，酶对化学反应的催化效率即可反映酶活性，D项正确。
2．下图为绿色植物光合作用过程示意图（图中a～g为物质，①～⑥为反应过程，物质转换用实线表示，能量传递用虚线表示）。
下列有关叙述错误的是（ ）
A．图中①表示水分的吸收，③表示水的光解
B．c为ATP，f为[H]
C．将b物质用18O标记，最终在（CH2O）中能检测到放射性
D．图中a物质主要吸收红光和蓝紫光，绿色植物能利用它将光能转换成活跃的化学能
答案 B
解析 图中a～g分别代表光合色素、O2、ATP、ADP、NADPH（[H]）、NADP＋、CO2，①～⑥分别代表水分的吸收、ATP的合成、水的光解、CO2的固定、C3的还原、有机物的合成，A项正确、B项错误；18O2
H218O
C18O2
（CH218O），C项正确；光合色素具有吸收、传递和转化光能的作用，D项正确。
命题点二 分析条件骤变对叶绿体中物质含量的影响
3．（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错误、C正确；光反应快，C3被还原的量多，剩余的少，B错误；绿光照射时，光反应速率降低，C5下降，D错误。
4．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改变的变化情况，下列对这一环境因素改变的分析正确的是（ ）
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 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的相对含量将减少、C5的相对含量将增加，D正确。
命题点三 连续光照和间隔光照条件下的有机物的合成量分析
5．（2015·全国Ⅰ，29）为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。
各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。
处理方法和实验结果如下：
A组：
先光照后黑暗，时间各为67.5s；光合作用产物的相对含量为50%。
B组：
先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5s；光合作用产物的相对含量为70%。
C组：
先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75ms（毫秒）；光合作用产物的相对含量为94%。
D组（对照组）：
光照时间为135s；光合作用产物的相对含量为100%。
回答下列问题：
（1）单位光照时间内，C组植物合成有机物的量________（填“高于”“等于”或“低于”）D组植物合成有机物的量，依据是__________________________________；C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要________，这些反应发生的部位是叶绿体的________。
（2）A、B、C三组处理相比，随着____________________________________________________
的增加，使光下产生的________________能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。
答案
（1）高于 C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94% 光照 基质
（2）光照和黑暗交替频率 ATP和[H]
解析
（1）C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94%，说明C组黑暗条件下进行了部分光合作用，暗反应消耗了ATP和[H]，为下一次的光照时间内光反应提供了充足的原料ADP、Pi和NADP＋等，所以单位光照时间内，C组合成有机物的量高于D组。
光合产物的生成场所为叶绿体基质。
（2）A、B、C三组实验中光照时间之和均为67.5s，但是处理方法不同，结果也不一样，并且是单位时间内光照和黑暗交替频率越高，光合作用产物相对量越高，可知光照时产生的ATP和[H]在光照时没有用完，可以在黑暗中继续利用，还原C3生成糖类等有机物及C5，C5继续与CO2结合，因此提高了光合作用中CO2的同化量。
考点四 影响光合作用的因素及应用
1．光照强度
（1）原理：
光照强度通过影响植物的光反应进而影响光合速率。
光照强度增加，光反应速度加快，产生的[H]和ATP增多，使暗反应中还原过程加快，从而使光合作用产物增加。
（2）曲线分析
①A点：
光照强度为0，此时只进行细胞呼吸。
②AB段：
随光照强度增强，光合作用强度也逐渐增强，CO2释放量逐渐减少。
③B点：
为光补偿点，细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合作用强度等于细胞呼吸强度。
④BC段：
表明随着光照强度不断增强，光合作用强度不断增强，到C点后不再增强了。
⑤D点：
为光饱和点，限制D点以后光合作用强度不再增加的内部因素是光合色素含量、酶的数量和活性，外部因素是CO2浓度等除光照强度之外的环境因素。
（3）应用：
①温室生产中，适当增强光照强度，以提高光合速率，使作物增产；②阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低，间作套种农作物，可合理利用光能。
2．CO2浓度
（1）原理：
CO2影响暗反应阶段，制约C3的形成。
（2）曲线分析
图1中A点表示CO2补偿点，即光合速率等于呼吸速率时的CO2浓度，图2中A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。
B点和B′点对应的CO2浓度都表示CO2饱和点。
（3）应用：
在农业生产上可以通过“正其行，通其风”，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光合速率。
3．温度
（1）原理：
温度通过影响酶的活性影响光合作用，主要制约暗反应。
（2）曲线
（3）应用：
温室栽培植物时，白天调到光合作用最适温度，以提高光合速率；晚上适当降低温室内温度，以降低细胞呼吸速率，保证植物有机物的积累。
4．水分和矿质元素
（1）原理
①水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的介质，如植物缺水导致萎蔫，使光合速率下降。
另外，水分还能影响气孔的开闭，间接影响CO2进入植物体内。
②矿质元素通过影响与光合作用有关的化合物的合成，对光合作用产生直接或间接的影响。
如镁可以影响叶绿素的合成从而影响光反应。
（2）曲线（如图）
（3）应用：
农业生产中，可根据作物的生长规律，合理灌溉和施肥。
据图分析多因素对光合作用的影响
（1）三条曲线在P点之前限制光合速率的因素分别是什么？
提示 P点之前，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，依次为光照强度、光照强度和温度。
（2）三条曲线在Q点之后横坐标所表示的因子还是影响光合速率的主要因素吗？
此时的限制因素分别是什么？
提示 Q点之后横坐标所表示的因子不再是影响光合速率的主要因素，此时的主要影响因素依次为温度、CO2浓度和光照强度。
（3）在北方的冬暖大棚中施用有机肥有哪些益处？
提示 有机肥中的有机物被土壤中的微生物分解成各种矿质元素，增加了土壤的肥力，另外还释放出热量和CO2，增加了大棚内的温度和CO2浓度，有利于光合作用的进行。
命题点一 单因素对光合作用的影响分析
1．（2015·海南，9）植物甲与植物乙的净光合速率随叶片温度（叶温）变化的趋势如图所示。
下列叙述错误的是（ ）
A．植物甲和乙光合作
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