能量之源光与光合作用.docx

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能量之源光与光合作用

第三单元细胞的能量供应和利用

第三讲能量之源——光与光合作用

第1课时　绿叶中色素的提取和分离（实验课）

1．注意事项及原因分析

过程

注意事项

操作目的

提取色素

（1）

选新鲜绿色的叶片

使滤液中色素含量高

（2）

研磨时加无水乙醇

溶解色素

（3）

加少量SiO2和CaCO3

研磨充分和保护色素

（4）

迅速、充分研磨

防止乙醇挥发，充分溶解色素

（5）

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

（1）

滤纸预先干燥处理

使层析液在滤纸上快速扩散

（2）

滤液细线要直、细、匀

使分离出的色素带平整不重叠

（3）

滤液细线干燥后再画一两次

使分离出的色素带清晰分明

（4）

滤液细线不触及层析液

防止色素直接溶解到层析液中

2．绿叶中色素提取分离异常现象分析

（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：

①滤液细线不直。

②滤液细线过粗。

（3）滤纸条看不见色素带：

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。

考向一　考查色素提取和分离实验的过程和结果

1．关于叶绿体中色素的提取和分离实验的操作，正确的是（　　）

A．使用定性滤纸过滤研磨液

B．将干燥处理过的定性滤纸条用于层析

C．在画出一条滤液细线后紧接着重复画线2～3次

D．研磨叶片时，用体积分数为70%的乙醇溶解色素

解析：

选B　实验过程中用单层尼龙布过滤研磨液；在滤纸条上画出一条滤液细线后，待干燥后再重复画线2～3次；研磨叶片时，用无水乙醇或95%的乙醇溶解色素。

2.右图表示叶绿体色素提取分离实验中纸层析的结果，据图判断用作实验材料的叶片颜色为（　　）

A．红色　　　　　　　　　B．黄色

C．绿色D．紫色

解析：

选B　在叶绿体色素提取和分离实验中，滤纸条上的四条色素带距点样处的距离由近及远分别是：

叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素，由图可知，叶绿素含量比类胡萝卜素含量少，用作实验材料的叶片应呈黄色。

考向二　考查叶绿体中色素的种类和功能

3．关于叶绿素的叙述，错误的是（　　）

A．叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素

B．被叶绿素吸收的光可用于光合作用

C．叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同

D．植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光

解析：

选D　镁是合成叶绿素a和叶绿素b的必需元素；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，用于光合作用的光反应过程；叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同；叶绿素不能有效地吸收绿光，绿光被反射出去，使植物呈现绿色。

4．某研究组获得了水稻的叶黄素缺失突变体。

将其叶片进行了红光照射光吸收测定和色素层析条带分析（从上至下），与正常叶片相比，实验结果是（　　）

A．光吸收差异显著，色素带缺第2条

B．光吸收差异不显著，色素带缺第2条

C．光吸收差异显著，色素带缺第3条

D．光吸收差异不显著，色素带缺第3条

解析：

选B　叶绿体中的叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光，所以对水稻叶黄素缺失突变体进行红光照射时，与正常叶片相比，光吸收差异不显著；对正常叶片叶绿体中的色素提取后，层析的结果自上而下依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b，即色素带缺失第2条。

不同色素对光的吸收及应用

（1）不同色素的吸收光谱：

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，对其他波段的光并非不吸收，只是吸收量较少。

（2）不同颜色温室大棚的光合效率：

①无色透明大棚能透过日光中各种色光，有色大棚主要透过同色光，其他光被其吸收，所以无色透明的大棚中植物的光合效率最高。

②叶绿素对绿光吸收最少，因此绿色塑料大棚中植物的光合效率最低。

③不同颜色的温室大棚光合效率不同，单色光中，红光下光合速率最快，蓝紫光次之，绿光最差。

考向三　借助实验原理，探究叶片颜色与色素的关系

5．植物的生长发育需要根从土壤中吸收水分和各种矿质元素，科学实验发现土壤中缺磷，会导致植株矮小，叶色暗绿。

依据叶色变化判断可能是缺少类胡萝卜素，试设计实验探究叶色暗绿是否是因为缺磷造成类胡萝卜素缺乏所致。

实验所需主要用具、试剂：

烧杯、漏斗、试管、研钵、完全培养液、仅缺磷的完全培养液、无水乙醇、SiO2、CaCO3、层析液等。

实验材料：

正常生长的黄瓜幼苗。

实验假设：

_______________________________________________________________。

实验步骤：

第一步：

取两个烧杯编号为A、B，各放入同样数量、________________________的黄瓜幼苗。

第二步：

A烧杯中加入________，B烧杯中加入等量______________，置于相同且适宜的条件下培养，培养到两组黄瓜苗叶片出现颜色差异为止。

第三步：

分别从A、B两组中选取________，用________提取叶片色素，用________法分离色素，观察比较____________________________________________________________

________________________________________________________________________。

实验结果预测：

（1）A、B两组类胡萝卜素色素带宽度和颜色一致，说明缺磷导致的叶色暗绿，不是由于类胡萝卜素缺乏所致。

（2）________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案：

实验假设：

缺磷导致类胡萝卜素缺乏，引起叶色暗绿

实验步骤：

第一步：

同一品种且长势相近、苗龄相同

第二步：

完全培养液　仅缺磷的完全培养液

第三步：

等量叶片　无水乙醇　纸层析　A、B两组色素带中类胡萝卜素色素带的宽度和颜色的深浅

实验结果预测：

（2）A组比B组类胡萝卜素色素带宽度大、颜色深（或B组缺少类胡萝卜素色素带），说明缺磷导致的叶色暗绿，是由于类胡萝卜素缺乏所致

第2课时　光合作用的过程及影响因素

知识点一　捕获光能的色素和叶绿体的结构

知识点二　光合作用的探索历程

知识点三　光合作用的过程

2．连线科学家和相关实验结论

考点一光合作用的过程分析

[必备知能]

1．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和Pi。

（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。

（3）反应式及元素去向分析：

①反应式：

以生成C6H12O6为例。

6CO2＋12H2O

C6H12O6＋6O2＋6H2O

②元素去向

2．环境因素骤变对物质含量动态变化的判断

当外界条件改变时，光合作用中C3、C5、[H]、ATP的含量变化可以采用下图分析：

（1）图示：

（2）分析：

条件

过程变化

[H]和ATP

模型分析

光照由强到弱，CO2供应不变

①过程减弱

②③过程减弱　

④过程正常进行　

增加

减少

减少或没有

光照由弱到强，CO2供应不变

①过程增强　　

②③过程增强　

④过程正常进行

减

少

增

加

增

加

光照不变，CO2由充足到不足

④过程减弱　　

①②③过程正常

进行，随C3减少

②③减弱，①过

程正常　　　　

减

少

增

加

增加

光照不变，CO2由不足到充足

④过程增强　　

①②③正常进行，

随C3增加②③

增强，①过程正常

增

加

减

少

减少

[易误提醒]

C3、C5含量变化的两点注意

（1）以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化，而非长时间。

（2）以上各物质变化中，C3和C5含量的变化是相反的，[H]和ATP的含量变化是一致的。

[必明考向]

考向一　考查光合作用的物质转化和能量转化

1．关于小麦光合作用的叙述，错误的是（　　）

A．类囊体上产生的ATP可用于暗反应

B．夏季晴天光照最强时，小麦光合速率最高

C．进入叶绿体的CO2不能被NADPH[H]直接还原

D．净光合速率长期为零时会导致幼苗停止生长

解析：

选B　类囊体上进行光反应产生的ATP可用于暗反应；夏季晴天光照最强时，由于高温导致气孔关闭，CO2吸收减少，小麦光合速率下降；进入叶绿体中的CO2必须先经过固定，形成C3后才能被NADPH[H]还原；净光合速率长期为零时，说明有机物的积累量为零，幼苗会因缺乏营养物质而停止生长。

2．下图为甘蔗叶肉细胞内的一系列反应过程，有关说法正确的是（　　）

A．过程①中叶绿体中的四种色素都主要吸收蓝紫光和红光

B．过程②只发生在叶绿体基质中，过程③只发生在线粒体中

C．过程①产生[H]，过程②消耗[H]，过程③既产生也消耗[H]

D．若过程②的速率大于过程③的速率，则甘蔗的干重就会增加

解析：

选C　叶绿体中的叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，而类胡萝卜素主要吸收蓝紫光；图示过程③为呼吸作用，发生在线粒体和细胞质基质中；图示过程①（光合作用光反应）产生[H]，图示过程②（光合作用暗反应）消耗[H]，图示过程③（细胞呼吸）既产生[H]，也消耗[H]；甘蔗干重增加的条件是整个植株的有机物合成量大于消耗量，而图示仅为一个细胞中能量代谢过程。

考向二　光照、CO2浓度变化与C3、C5、[H]（NADPH）和ATP变化的关系

3．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，此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是（　　）

A．O2的产生停止　　　　B．CO2的固定加快

C．ATP/ADP比值下降D．NADPH/NADP＋比值下降

解析：

选B　用黑布迅速将培养瓶罩上，导致绿藻细胞叶绿体内的光反应停止，不再产生O2、ATP和NADPH，使ATP/ADP、NADPH/NADP＋比值下降；光反应停止，使暗反应中的C3还原受阻，导致C5含量减少，从而使CO2的固定减慢。

4．离体叶绿体在光下进行稳定的光合作用时，如果突然中断CO2的供应，下列关于一段时间内叶绿体中ATP与O2的相对含量变化的示意图中，正确的是（　　）

解析：

选B　离体叶绿体在光下进行稳定的光合作用时，突然中断CO2的供应使C3合成减少，一段时间内暗反应逐渐减弱，暗反应消耗的ATP也逐渐减少，故ATP相对含量逐渐增加；随着暗反应的减弱，光反应也逐渐减弱，所以叶绿体内氧气含量逐渐减少。

物质含量变化的分析方法

叶绿体内相关物质含量变化可通过对物质的来路和去路是否平衡的分析来进行：

（1）来路

去路，则物质含量相对稳定。

（2）来路不变，去路增加，或来路减少，去路不变，则物质含量减少。

（3）来路不变，去路减少，或来路增加，去路不变，则物质含量增加。

考点二影响光合作用的环境因素分析及应用

1．单因子变量对光合作用速率影响

（1）光照强度（如下图）：

①曲线分析：

②应用：

阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低，如图中虚线所示。

间作套种农作物，可合理利用光能。

（2）CO2浓度：

①曲线分析：

图1中A点表示CO2补偿点，即光合作用速率等于呼吸作用速率时的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和B′点都表示CO2饱和点。

②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，提高光合作用速率。

（3）温度：

①曲线分析：

温度主要通过影响与光合作用有关酶的活性而影响光合作用速率。

②应用：

冬季，温室栽培可适当提高温度；晚上可适当降低温度，以降低细胞呼吸消耗有机物。

2．多因子变量对光合作用速率的影响

（1）曲线分析：

P点：

限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随着因子的不断加强，光合速率不断提高。

Q点：

横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的因子，影响因素主要为各曲线所表示的因子。

（2）应用：

温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，也可同时适当增加CO2，进一步提高光合速率，当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合速率。

[必明考向]

考向一　以图表形式考查影响光合作用的因素

1．观测不同光照条件下生长的柑橘，结果见下表。

请回答下列问题：

光照强度

叶色

平均叶面积（cm2）

气孔密度（个·mm－2）

净光合速率

（μmolCO2·m－2·s－1）

强

浅绿

13.6（100%）

826（100%）

4.33（100%）

中

绿

20.3（149%）

768（93%）

4.17（96%）

弱

深绿

28.4（209%）

752（91%）

3.87（89%）

注：

括号内的百分数以强光照的数据作为参照。

（1）CO2以________方式进入叶绿体后，与________结合而被固定，固定产物的还原需要光反应提供的____________________________________________________________。

（2）在弱光下，柑橘通过____________和________________来吸收更多的光能，以适应弱光环境。

（3）与弱光下相比，强光下柑橘平均每片叶的气孔总数________，单位时间内平均每片叶CO2吸收量________。

对强光下生长的柑橘适度遮阴，持续观测叶色、叶面积和净光合速率，这三个指标中，最先发生改变的是______________，最后发生改变的是________。

解析：

（1）气体通过自由扩散进出叶绿体；CO2进入叶绿体后与叶绿体基质中的C5相结合形成C3；C3的还原需要光反应提供的ATP和[H]。

（2）据表可知，弱光下柑橘通过增加叶绿素的含量和增大叶面积来吸收更多的光能，以适应弱光环境。

（3）通过分析表中数据，强光下柑橘平均每片叶的气孔总数比弱光下的多，单位时间内平均每片叶CO2吸收量比弱光下的大。

对强光下生长的柑橘适度遮阴，最先发生改变的是净光合速率，因为光照强度减小，光反应减弱，实际光合速率减弱；最后发生改变的是叶面积，因为叶面积适应环境的变化是长期进化的结果。

答案：

（1）自由扩散　C5　[H]和ATP

（2）增加叶面积　提高叶绿素含量

（3）较少　较多　净光合速率　叶面积

考向二　以曲线为载体考查影响光合作用的因素

2．某植物净光合速率的变化趋势如下图所示。

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。

解析：

（1）由图可知，当CO2浓度为a时，高光强下该植物的净光合速率为0；CO2浓度在a～b之间时，曲线A、B和C都表示净光合速率随CO2浓度的增高而增高。

（2）对比A、B、C3条曲线可知，当CO2浓度大于c时，限制B、C净光合速率增加的环境因素为光强。

（3）当环境中CO2浓度小于a时，在图示的3种光强下，该植物净光合速率都小于0，说明该植物呼吸作用产生的CO2量大于光合作用吸收的CO2量。

（4）由图可以看出光强和CO2浓度都会影响植物的光合作用，所以在温室栽培植物时，可通过控制光强和CO2浓度等措施来提高产量。

答案：

（1）0　A、B和C　

（2）光强　（3）大于　（4）光强

解读密闭容器及自然环境中植物光合作用曲线

[典型图示]

图1　夏季一昼夜CO2吸收和释放变化曲线

图2　密闭玻璃罩内CO2浓度与时间的关系曲线

[信息解读]

（1）图1中各点含义及形成原因分析：

a点：

凌晨2时～4时，温度降低，呼吸作用减弱，CO2释放减少。

b点：

有微弱光照，植物开始进行光合作用。

bc段：

光合作用小于呼吸作用。

c点：

上午7时左右，光合作用等于呼吸作用。

ce段：

光合作用大于呼吸作用。

d点：

温度过高，部分气孔关闭，出现“午休”现象。

e点：

下午6时左右，光合作用等于呼吸作用。

ef段：

光合作用小于呼吸作用。

fg段：

没有光照，停止光合作用，只进行呼吸作用。

（2）图2中各点含义及形成原因分析：

AB段：

无光照，植物只进行呼吸作用。

BC段：

温度降低，呼吸作用减弱。

CD段：

4时后，微弱光照，开始进行光合作用，但光合作用强度＜呼吸作用强度。

D点：

随光照增强，光合作用强度＝呼吸作用强度。

DH段：

光照继续增强，光合作用强度＞呼吸作用强度。

其中FG段表示“光合午休”现象。

H点：

随光照减弱，光合作用强度下降，光合作用强度＝呼吸作用强度。

HI段：

光照继续减弱，光合作用强度＜呼吸作用强度，直至光合作用完全停止。

（3）图2中植物生长与否的判断：

①Ⅰ点低于A点，说明一昼夜，密闭容器中CO2浓度减小，即光合作用＞呼吸作用，植物生长。

②若Ⅰ点高于A点，说明光合作用＜呼吸作用，植物体内有机物总量减少，植物不能生长。

③若Ⅰ点等于A点，说明光合作用＝呼吸作用，植物体内有机物总量不变，植物不生长。

第3课时　光合作用与细胞呼吸的关系

考点一光合作用与细胞呼吸的物质和能量转化

1．过程图解

2．物质转化关系

3．能量转化关系

[例]　下面是绿色植物体内几项生理活动关系示意图，有关描述正确的是（　　）

A．能量a是光能，能量b、c和d中有一部分形成ATP

B．①过程是光反应，②过程是暗反应，③④过程都是无氧呼吸

C．①过程是光合作用，②、③、④过程都是有氧呼吸

D．①、②过程只能发生在植物细胞内，③、④过程只能发生在动物细胞内

[解析]　选A　图中①过程是光合作用，②过程是有氧呼吸，③、④过程都是无氧呼吸。

①过程可发生在植物细胞或蓝藻、硝化细菌等自养型生物细胞内，②过程能发生在需氧型生物细胞内，③过程可发生在动物细胞中，也能发生在一些植物细胞中（如马铃薯的块茎），④过程不能发生在动物细胞内，可发生在植物细胞或酵母菌等细胞内。

[H]和ATP的来源，去向分析

项目

光合作用

有氧呼吸

无氧呼吸

[H]

来源

H2O光解产生

有氧呼吸第一、二阶段

无氧呼吸第一阶段

去向

还原C3

用于第三阶段还原O2

用于第二阶段还原丙酮酸

ATP

来源

光反应阶段产生

三个阶段都产生

只在第一阶段产生

去向

用于C3还原

用于各项生命活动（植物的光合作用C3的还原除外）

考点二真正光合作用速率、净光合作用速率与呼吸速率的关系

1．净光合作用速率与真正光合作用速率的关系

（1）绿色组织在黑暗条件下或非绿色组织测得的数值为呼吸速率（A点）。

（2）绿色组织在有光条件下光合作用与细胞呼吸同时进行，测得的数据为净光合速率。

（3）真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。

2．光合速率与呼吸速率的常用表示方法

真正光合速率

O2产生（生成）速率

CO2固定速率

有机物产生（制造、生成）速率

净光合速率

O2释放速率

CO2吸收速率

有机物积累速率

呼吸速率

黑暗中O2吸收速率

黑暗中CO2释放速率

有机物消耗速率

3．光合速率与植物生长

（1）当净光合速率＞0时，植物因积累有机物而生长。

（2）当净光合速率＝0时，植物不能生长。

（3）当净光合速率＜0时，植物不能生长，长时间处于此种状态，植物将死亡。

[例]　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，结果如下图所示。