第5章 第4节 第2课时 光合作用的原理和应用一.docx
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第5章第4节第2课时光合作用的原理和应用一
第2课时 光合作用的原理和应用
（一）
一、光合作用的概念及其探究过程
1．光合作用的概念
（1）场所：
绿色植物的叶绿体。
（2）能量来源：
光能。
（3）反应物：
CO2、H2O。
（4）产物：
O2、糖类等有机物。
（5）反应式：
CO2＋H2O
（CH2O）＋O2。
2．光合作用的探究历程
人物
实验过程及现象
结论
普利斯
特利
密闭玻璃罩＋绿色植物＋
植物生长能更新空气
英格豪斯
500多次植物更新空气实验
植物体只有存在绿叶且在有光条件下才能更新空气
梅耶
根据能量转换和守恒定律得出
光合作用时光能转化成化学能储存起来
萨克斯
绿叶
曝光处变深蓝色，遮光处无颜色变化
光合作用的产物除O2外还有淀粉
鲁宾和卡门
H
O＋CO2―→植物―→18O2H2O＋C18O2―→植物―→O2
光合作用释放的氧气来自水
续表
人物
实验过程及现象
结论
卡尔文
用14C标记的14CO2，供小球藻光合作用，追踪放射性
CO2中的C在光合作用中转化为有机物中的碳
二、光合作用的过程
1．反应式
CO2＋H2O
（CH2O）＋O2
2．过程分析
3．光反应与暗反应的比较
光反应
暗反应
场所
类囊体的薄膜上
叶绿体内的基质中
条件
需光
不需要光
物质转变
H2O―→[H]＋O2
ADP＋Pi―→ATP
能量转变
光能―→活跃化学能
活跃化学能―→稳定化学能
[共研探究]
人们对光合作用的认识是一个漫长的渐进过程，请阅读教材完成下列问题，理解光合作用的实质。
1．读教材P101～102内容，讨论并交流下列问题：
（1）根据实验设计原则，普利斯特利实验是否有不足之处？
提示：
有。
没有认识到光在植物更新空气中的作用，而将空气的更新归因于植物的生长。
（2）结合教材P102图5－13萨克斯的实验，思考下列问题：
①萨克斯实验设计的关键是什么？
提示：
实验的关键是饥饿处理，以使叶片中的营养物质消耗掉，增强实验的说服力。
②萨克斯实验中，自变量为光照；因变量为叶片颜色变化，对照类型为自身对照。
③此实验除了证明光合作用的产物有淀粉外，还证明了光是光合作用的必要条件。
（3）鲁宾和卡门实验利用什么方法研究物质来源？
实验中的自变量和因变量分别是什么？
提示：
放射性同位素标记法。
自变量是标记的物质，因变量是O2的放射性。
2．根据上述探究，总结光合作用的相关内容
（1）场所：
叶绿体。
（2）能量来源：
光能。
（3）反应物：
二氧化碳和水。
（4）产物：
有机物和氧气。
（5）实质：
合成有机物，储存能量。
3．结合上述分析，写出产物是葡萄糖的光合作用反应式，并标出各元素的去向。
答案：
[总结升华]
1．普利斯特利的实验
（1）实验过程及现象：
（2）实验分析：
①没有认识到光在植物更新空气中的作用，而将空气的更新归因于植物的生长。
②由于当时科学发展水平的限制，没有明确植物更新气体的成分。
2．萨克斯的实验
（1）实验过程及现象：
黑暗中饥饿处理的绿叶
（2）实验分析：
①设置了自身对照，自变量为光照，因变量是叶片颜色变化。
②实验的关键是饥饿处理，以使叶片中的营养物质消耗掉，增强了实验的说服力。
③本实验除证明了光合作用的产物有淀粉外，还证明了光是光合作用的必要条件。
3．鲁宾和卡门的实验
（1）实验过程及结论：
（2）实验分析：
设置了对照实验，自变量是标记物质（H
O和C18O2），因变量是O2的放射性。
[对点演练]
1．将下列科学家的实验和实验得出的结论连线
2．20世纪30年代，美国科学家鲁宾和卡门利用氧的同位素18O分别标记水和二氧化碳，使它们分别成为H
O和C18O2，然后进行如图所示的两组光合作用实验（容器中为一种低等绿色植物小球藻悬液）。
下列说法正确的是（ ）
A．两个装置，一个置于光下，一个置于暗处，放置相同时间
B．若两管在光下放置相同时间，甲管释放的氧气有放射性
C．将通入CO2改成溶解5%NaHCO3，会增加实验的可靠性
D．该实验的目的是要证明光合作用需要CO2
解析：
选C 对比甲、乙两组实验装置图，发现图中已呈现了变量，如果再将两装置一个置于光下，一个置于暗处相同时间，就不符合实验的单一变量原则；鲁宾和卡门的实验目的是研究光合作用释放氧气的来源。
[共研探究]
光合作用是一个非常复杂的过程，包括一系列的化学反应。
如图是光合作用的图解，结合该图和教材内容分析：
1．写出各种物质的名称或者符号
①叶绿体中的色素；②O2；③[H]；④ATP；⑤C3；
⑥CO2；⑦（CH2O）_。
2．光合作用中的化学反应过程
（1）根据光合作用的反应过程，回答下列问题：
①暗反应必须在无光条件下才能进行吗？
提示：
光反应必须在光下进行，而暗反应有光无光都能进行，但不能较长时间在黑暗条件下进行。
②为什么暗反应不能较长时间在黑暗条件下进行？
提示：
因为光反应为暗反应提供的[H]、ATP是有限的。
（2）光合作用过程中各元素的转移途径。
①用放射性同位素分别标记H2O中的H和O，则元素转移为：
O可在释放的氧气中检测到；H可在产生的糖类中检测到。
②标记CO2中的14C，元素转移途径为14CO2＋C5→2C3（只有一个14C）→C5＋（14CH2O）。
③光合作用总反应式及各元素去向：
（3）光照、CO2对叶绿体中C3、C5的影响
①停止光照：
C3含量相对增加，C5含量相对减少。
②停止CO2供应：
C3含量相对减少，C5含量相对增加。
3．结合光合作用过程，你认为早晨锻炼好还是傍晚锻炼好？
提示：
傍晚锻炼好。
因为植物在白天进行光合作用，吸收CO2产生O2；晚上只进行细胞呼吸，吸收O2释放CO2，所以傍晚时空气中O2含量比早晨多。
[总结升华]
1．光反应与暗反应的比较
项目
光反应（准备阶段）
暗反应（完成阶段）
场所
叶绿体的类囊体薄膜上
叶绿体的基质中
条件
光、色素、酶、水、ADP、Pi
多种酶、[H]、ATP、CO2、C5
物质变化
①水的光解：
2H2O
4[H]＋O2
②ATP的形成：
ADP＋Pi＋能量
ATP
①CO2固定：
CO2＋C5
2C3
②C3的还原：
2C3
（CH2O）
能量变化
光能转变成ATP中活跃的化学能
ATP中活跃的化学能转变成贮存在（CH2O）中的稳定的化学能
相互联系
光反应产物[H]、ATP为暗反应提供还原剂和能量；暗反应产生的ADP、Pi为光反应形成ATP提供了原料
2.外界条件（如光照、CO2浓度等）改变时，光合作用中C3、C5、[H]、ATP含量的变化
[注意]
（1）以上各物质的变化是相对含量的变化，不是合成速率，而且是在条件改变后的短时间内发生的。
（2）在以上各物质的含量变化中：
C3和C5含量的变化是相反的，即C3增加，则C5减少；[H]和ATP的含量变化是一致的，即都增加，或都减少。
[对点演练]
3．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24小时内的变化。
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表示________，B表示________，C表示________，D表示________。
（2）在a中发生的过程称为________，在a中含有的参与此过程的物质是________。
（3）在a中发生的能量转变是_________________________________。
（4）图乙中，从________点开始合成有机物，至____________________点有机物合成终止。
（5）AB段C3含量较高，其主要原因是_______________________________________________________________________________________________________________。
（6）G点C3含量极少，其原因是__________________________________________
________________________________________________________________________。
（7）G点与F点相比，G点时叶绿体中[H]的含量较____（填“高”或“低”）。
解析：
（1）根据图甲中物质转化关系可判断，A代表H2O，B代表CO2，C代表C3，D代表C5。
（2）图甲中a表示叶绿体的类囊体薄膜，其上分布有色素和酶，是光反应进行的场所。
（3）叶绿体的类囊体薄膜上发生的能量转变是光能→ATP中活跃的化学能。
（4）根据图乙中C3含量的变化曲线可知，C3含量从B点开始减少，说明在有光的条件下，C3被还原，至I点时，C3含量又保持不变，说明此时没有光，不能进行光反应，缺乏[H]和ATP，暗反应停止，不再合成有机物。
（5）图乙中AB段缺乏光，不能进行光反应，缺乏[H]和ATP，C3不能被还原。
（6）G点时光照强度强，蒸腾作用旺盛，导致气孔关闭，CO2不能通过气孔进入，缺乏CO2，CO2固定减弱，C3生成减少。
（7）G点时C3缺乏，光反应正常进行，[H]积累，而F点时，C3含量比G点时高，消耗[H]多，积累的[H]少。
答案：
（1）H2O CO2 C3 C5
（2）光反应 色素和酶 （3）光能→ATP中活跃的化学能 （4）B I （5）无光不能进行光反应，不产生[H]和ATP，C3不能被还原
（6）气孔关闭，叶肉细胞内CO2含量低，CO2的固定减弱 （7）高
1．德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处数小时“饥饿”处理（消耗掉叶片中的淀粉）后，再把叶片的一部分遮光，其余部分曝光。
一段时间后，将该叶片经脱色、漂洗后再用碘液处理，结果发现遮光部分不变蓝，曝光部分变蓝。
下列有关本实验的分析及结论合理的是（ ）
①本实验未设对照组 ②有无光照是遮光和曝光区域表现不同结果的唯一原因 ③实验初始时遮光和曝光区域均达到无淀粉状态 ④实验证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉
A．①～④全部 B．只有②③④
C．只有①②③D．只有②③
解析：
选D 该实验中曝光部分与遮光部分形成了对照，①错误。
该实验只能证明有淀粉的生成，但不能证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉，④错误。
2．鲁宾和卡门用H
O和CO2作为原料进行光合作用实验，下列符合实验结果的是（ ）
A．释放的氧气全是O2
B．释放的氧气一部分是O2，一部分是18O2
C．释放的氧气全是18O2
D．释放的氧气大部分是O2，少部分是18O2
解析：
选C 鲁宾和卡门用H
O和CO2作为原料进行光合作用实验，其目的是探究光合作用释放出的O2的来源，通过放射性检测，光合作用产生的氧气全部是18O2。
3．光合作用包括光反应和暗反应两个阶段，暗反应必需的物质是（ ）
A．H2O、CO2、ADPB．CO2、[H]、ATP
C．H2O、CO2、ATPD．[H]、H2O、ADP
解析：
选B 暗反应过程包括二氧化碳的固定和三碳化合物的还原，在此过程中需要CO2、[H]和ATP及多种酶参与反应。
4．如图为光合作用图解，请据图作答：
（1）填写图中物质的名称：
A__________、B__________、C________、D________、E________、F________、G________、H________。
（2）B存在于________内________的薄膜上；C是_____________________________
剂，参与暗反应；B还能将A转变成________能并贮存在________中。
（3）D与F结合形成E的过程叫做________；E接受光反应提供的能量，被________还原成________，同时将能量贮存于其中，这个过程叫做________。
（4）用18O标记后的H2O灌溉某株植物，短时间内18O不可能出现在（ ）
A．植物周围的氧气中
B．植物周围的水蒸气中
C．细胞质的水中
D．叶肉细胞生成的糖类中
解析：
（2）（3）光反应发生在类囊体的薄膜上，物质变化有：
水的光解，光反应的产物是O2、[H]和ATP；暗反应发生在叶绿体的基质中，物质变化有①CO2的固定：
CO2＋C5→2C3，②C3的还原：
产物有（CH2O）和C5。
光合作用过程中的能量变化是：
光能→ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能。
（4）解题关键是明白被18O标记的是H2O而不是CO2。
用18O标记的H2O灌溉植物，植物可通过根毛区细胞把H
O吸入细胞中，H
O大部分通过蒸腾作用散失到周围空气中，小部分被光解成18O2，散失到空气中，还有一部分18O2被细胞呼吸所利用和[H]结合生成H
O。
答案：
（1）光能 叶绿体中的色素 [H] CO2 C3 C5 （CH2O） 多种酶
（2）叶绿体 类囊体 还原 化学 ATP （3）CO2的固定 [H] （CH2O） C3的还原 （4）D
【基础题组】
1．2,6二氯酚靛酚是一种蓝色染料，能被还原剂还原成无色，从叶绿体中分离出类囊体，置于2,6二氯酚靛酚溶液中，对其进行光照，发现溶液变成无色，并有O2释放。
此实验证明（ ）
A．光合作用在类囊体上进行
B．光合作用产物O2中的氧元素来自CO2
C．光反应能产生还原剂和O2
D．光合作用与叶绿体基质无关
解析：
选C 依据题中信息可判断，光照后溶液变为无色，说明有还原剂产生；有O2释放，说明该过程有O2产生；类囊体是光合作用光反应阶段的场所。
2．下列关于光合作用的叙述，正确的是（ ）
A．光合作用制造的有机物中的氧全部来自于水
B．光合作用中各种酶的活性都与温度呈正相关
C．光反应阶段和暗反应阶段均有ATP的合成
D．光反应阶段为暗反应阶段提供了还原剂[H]
解析：
选D 光合作用产生的有机物中的氧来自CO2，H2O光解产生的O2释放到了外界环境中；温度过高时酶的活性降低；光反应产生ATP，暗反应消耗ATP；光反应为暗反应提供还原剂[H]和ATP。
3．下列关于叶绿素的叙述，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 叶绿素的中心元素是镁离子，A正确；色素的作用是吸收、传递、转化光能，进行光合作用，B正确；叶绿素a比叶绿素b在红光区的吸收峰值高，C正确；植物色素主要的吸收峰在蓝紫光区和红光区，绿光吸收最少，反射多，所以叶片呈现绿色，D错误。
4．离体的叶绿体在光照下进行稳定的光合作用时，如果突然中断CO2的供应，短暂时间内叶绿体中C3与C5相对含量的变化是（ ）
A．C3增多、C5减少B．C3增多、C5增多
C．C3减少、C5增多D．C3减少、C5减少
解析：
选C 在光合作用的暗反应过程中，CO2首先与C5结合，形成2个C3，最后经一系列的循环后又产生C5。
所以叶绿体在光照下进行光合作用时，C3和C5含量都维持在相对平衡的状态。
如果突然中断CO2的供应，CO2固定减弱，所以短时间内C3减少而C5增多。
5．光合作用的光反应和暗反应依次发生在（ ）
A．细胞质、细胞核中
B．叶绿体的外膜、内膜上
C．叶绿体的类囊体薄膜上、叶绿体的基质中
D．叶绿体的基质中、叶绿体的类囊体膜上
解析：
选C 光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上，暗反应发生在叶绿体的基质中。
6．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，原因是（ ）
A．光反应强度升高，暗反应强度降低
B．光反应强度降低，暗反应强度降低
C．光反应强度不变，暗反应强度降低
D．光反应强度降低，暗反应强度不变
解析：
选B 镁是构成叶绿素的重要成分，缺镁会导致番茄幼苗不能合成叶绿素。
叶绿素含量降低使光合作用的光反应强度降低；因光反应为暗反应提供[H]和ATP，故光反应强度降低，其为暗反应提供的[H]和ATP减少，暗反应的强度也降低。
7．如图表示较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量相等的条件下，小球藻进行光合作用的实验示意图。
一段时间后，以下相关比较不正确的是（ ）
A．Y2的质量大于Y3的质量
B．④中小球藻的质量大于①中小球藻的质量
C．②中水的质量大于④中水的质量
D．试管①的质量小于试管②的质量
解析：
选C 根据题意及图中实验处理可知，②④试管利用H
O标记，③④试管利用C18O2标记，①试管没有标记，作为空白对照组，光合作用释放出的氧气全部来自于水，因此图中Y1＝Y3＜Y2＝Y4，各试管中水的质量①＝③<②＝④，各试管中小球藻的质量①＝②＜③＝④。
8．如图所示某植物上的绿叶经锡箔覆盖处理后在阳光照射24小时后，将其脱色并用碘液处理，结果有锡箔覆盖的位置不呈蓝色，而不被锡箔覆盖的部分呈蓝色，本实验证明（ ）
①光合作用需要CO2 ②光合作用需要光 ③光合作用需要叶绿体 ④光合作用放出氧 ⑤光合作用制造淀粉
A．①②B．③⑤
C．②⑤D．①③
解析：
选C 根据题中实验处理可知，实验中控制的实验变量是光照的有无。
根据实验结果可知，有光照的绿叶部分，进行光合作用制造了淀粉，没有光照的部分，不能进行光合作用，没有淀粉生成。
【能力题组】
9．为了研究光合作用，生物小组的同学把菠菜叶磨碎，分离出细胞质基质和全部叶绿体。
然后又把部分叶绿体磨碎分离出叶绿素和叶绿体基质，分别装在四支试管内，并进行光照，如图所示。
哪一支试管能检测到光合作用的光反应过程（ ）
A．甲 B．乙 C．丙 D．丁
解析：
选B 光合作用的光反应过程发生在叶绿体的类囊体薄膜上，需要叶绿素和相关酶。
10．在叶绿体中，ATP和ADP的运动方向是（ ）
A．ADP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动，ATP则向相反方向运动
B．ATP与ADP同时由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动
C．ATP与ADP同时由叶绿体的基质向类囊体薄膜运动
D．ATP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动，ADP的运动方向则正好相反
解析：
选D 叶绿体是进行光合作用的场所，光反应在叶绿体的类囊体薄膜上进行，此过程中消耗来自叶绿体基质的ADP，产生ATP，供暗反应阶段C3的还原，所以叶绿体中ATP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动，ADP则由叶绿体的基质向类囊体薄膜运动。
11．如图表示植物细胞内的物质转化过程，下列分析不正确的是（ ）
A．发生在生物膜上的生理过程有a、c、d
B．有ATP产生的生理过程是b、c、d
C．人体细胞内具有的过程是b、d
D．在光照充足、条件适宜的条件时，a强于b，c强于d
解析：
选A a表示光合作用的暗反应阶段，b表示有氧呼吸第一、二阶段，c表示光合作用的光反应阶段，d表示有氧呼吸第三阶段。
四个过程中a过程的场所是叶绿体基质；b过程的有氧呼吸第一阶段发生的场所是细胞质基质，有氧呼吸第二阶段发生的场所是线粒体基质，二者都不是在生物膜上发生的。
12．根据下面的光合作用图解，判断下列说法正确的是（ ）
A．⑤过程发生于叶绿体的基质中
B．⑥过程发生于叶绿体的类囊体薄膜上
C．图示①～④依次为[H]、ATP、CO2、（CH2O）
D．②不仅用于还原C3，还可促进③与C5的结合
解析：
选C 根据光合作用的过程判断①②③④⑤⑥分别表示[H]、ATP、CO2、（CH2O）、光反应、暗反应。
光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上，暗反应发生在叶绿体的基质中。
C3还原过程中需要ATP，CO2固定过程中不需要ATP。
13．如图是绿色植物体内能量转换过程的示意图，请据图回答：
（1）图中A表示的过程为________，其中生成的ATP所需的能量来自____________，写出生成ATP的反应式：
________________；这些ATP将用于________。
（2）图中B表示的过程为________，此过程发生的场所是________。
（3）图中C表示的过程为________，产生的ATP中的能量来自______________，ATP水解释放的能量直接用于________，这里产生的CO2是在第________阶段形成的，产生的水是在第________阶段形成的，整个C过程的反应式可以写成：
________________________________________________________________________。
解析：
（1）图中A表示的过程为光反应，其中生成的ATP所需的能量来自光能。
生成ATP的反应式为：
ADP＋Pi＋光能
ATP。
这些ATP将用于暗反应（暗反应中合成葡萄糖或者C3的还原）。
（2）图中B表示的过程为暗反应，此过程发生的场所是叶绿体基质。
（3）图中C表示的过程为有氧呼吸，产生的ATP中的能量来自葡萄糖氧化分解，ATP水解释放的能量直接用于植物的各项生命活动。
有氧呼吸的第二阶段丙酮酸和水反应生成二氧化碳和[H]，故CO2是在有氧呼吸第二阶段形成的。
有氧呼吸的第三阶段氧气和[H]反应生成水，故水是在有氧呼吸第三阶段形成的，整个C（有氧呼吸）过程的反应式为：
C6H12O6＋6H2O＋6O2
6CO2＋12H2O＋能量。
答案：
（1）光反应 光能 ADP＋Pi＋光能
ATP 暗反应（暗反应中合成葡萄糖或者C3的还原）
（2）暗反应 叶绿体基质 （3）有氧呼吸 葡萄糖氧化分解 植物的各项生命活动 二 三 C6H12O6＋6H2O＋6O2
6CO2＋12H2O＋能量
14．如图是玉米光合作用的过程，据图回答：
（1）[H]由____________细胞的叶绿体提供，它来自光合作用的__________阶段。
（2）能固定CO2的物质有______________________________________________。
PEP酶与CO2的亲和力是Rubisco酶的60倍，而马铃薯没有C4生成这一途径，则玉米和马铃薯在炎热夏天的中午，两种植物细胞内C3含量的变化及差异是______________________________。
（3）要探明CO2中的碳在光合作用中的转化过程，可采用的方法是________________。
（4）施有机肥能有效促进玉米生长，其原理是有机肥经分解后可为光合作用提供________。
（5）玉米有氧呼吸过程中也有丙酮酸的产生，该物质可在________________被彻底分解。
解析：
（1）由于只有其叶肉细胞中有类囊体，所以[H]由叶肉细胞中的叶绿体提供，来自光合作用的光反应阶段。
（2）由图示可知参与固定CO2的物质有PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）、C5。
在炎热夏天的中午，由于气温过高，会导致气孔关闭，二氧化碳无法进入，但光反应仍可提供充足的[H]和ATP，则两种植物的C3含量都会下降，但是后者由于无C4生成途径，不能利用较低浓度的二氧化碳，所以下降幅度较玉米大。
（3）要探明CO2中的碳在光合作用中的转化过程，可采用同位素标记法（同位素示踪法）。
（4）有机肥经微生物分解后可产生二氧化碳、无机盐，从而供光合作用利用。
（5）丙酮酸可在线粒体内被彻底分解，生成二氧化碳等无机物。
答案：
（1）叶肉 光反应
（2）PEP（磷酸烯醇式丙酮
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