高中生物第5章第4节光合作用与能量转化第2课时光合作用的原理学案人教版必修1.docx
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高中生物第5章第4节光合作用与能量转化第2课时光合作用的原理学案人教版必修1
第2课时 光合作用的原理
课标要求
核心素养
1.说明光合作用以及对它的认识过程。
2.掌握光合作用过程中的物质变化和能量变化。
1.科学思维——分析与综合：
分析光合作用光反应和暗反应过程，认同两个阶段既有区别又有联系。
2.生命观念——用物质和能量观，阐明光合作用过程，能初步用结构和功能观，说明叶绿体是光合作用的场所。
知识导图
新知预习·双基夯实
一、光合作用的概念和探究历程
1．概念：
光合作用是指绿色植物通过__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．探究历程：
（1）19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，__CO2分子__的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成__甲醛__，然后甲醛分子缩合成糖。
1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过__光合作用__转化成糖。
（2）1937年，英国植物学家希尔发现，在离体__叶绿体__的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有水，没有二氧化碳），在光照下可以释放出__氧气__。
像这样，__离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气__的化学反应称作希尔反应。
（3）1941年，美国科学家鲁宾和卡门用__同位素示踪__的方法，研究了光合作用中氧气的来源。
他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H
O和C18O2。
然后，进行了两组实验：
第一组给植物提供__H2O和C18O2__，第二组给同种植物提供__H
O和CO2__。
在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是__O2__，第二组释放的都是__18O2__。
（4）1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成__ATP__。
1957年，他发现这一过程总是与__水的光解__相伴随。
（5）20世纪40年代，美国的卡尔文利用__同位素标记__法最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。
3．反应式：
__CO2＋H2O
（CH2O）＋O2__。
二、光合作用的原理
1．填写图中字母所代表的物质：
a：
__O2__ b：
__C3__ c：
__CO2__ d：
__[H]__
2．光反应（Ⅰ过程）：
场所
__叶绿体的类囊体的薄膜上__
外界条件
__光照__
物质变化
①H2O→__[H]＋O2__
②ADP＋Pi＋能量→__ATP__
能量变化
光能→__ATP__中活跃的化学能
3．暗反应（Ⅱ过程）：
场所
__叶绿体基质__
外界条件
CO2
物质变化
①CO2→__C3__→（CH2O）
②__ATP__→ADP＋Pi＋能量
能量变化
ATP中活跃的化学能→__有机物__中稳定的化学能
┃┃活学巧练__■
（1）光合作用产生的O2来自CO2和H2O中的O。
（×）
（2）绿色植物光合作用的反应物是CO2和H2O，产物是有机物和O2。
（√）
（3）绿色植物进行光合作用的能量来源于光能。
（√）
（4）光反应和暗反应必须都在光照条件下才能进行。
（×）
（5）光反应为暗反应提供NADPH和ATP；暗反应为光反应提供ADP和Pi。
（√）
（6）光反应产生的ATP可用于核糖体合成蛋白质。
（×）
（7）光合作用光反应阶段产生的NADPH可在叶绿体基质中作为还原剂。
（√）
（8）离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后，可完成暗反应。
（√）
思考：
1．鲁宾、卡门实验方法是什么？
提示：
同位素标记法。
2．若突然停止光照，光反应和暗反应如何变化？
提示：
光反应立即停止，暗反应仍能进行一段时间，最后也停止。
3．光合作用产生的[H]与呼吸作用产生的[H]是否相同？
提示：
不同。
光合作用产生的[H]为NADPH，而呼吸作用产生的[H]为NADH。
学霸记忆·素养积累
重点呈现
1．光合作用的实质是合成有机物，储存能量；而呼吸作用的实质是分解有机物，释放能量。
2．光合作用的反应式为：
CO2＋H2O
（CH2O）＋O2。
3．光反应的场所是类囊体薄膜，产物是O2、[H]和ATP。
4．暗反应的场所是叶绿体基质，产物是糖类等物质。
5．光合作用中的物质转化为：
①14CO2―→14C3―→（14CH2O）；②H
O―→18O2。
6．光合作用的能量转换为：
光能―→ATP中活跃的化学能―→有机物中稳定的化学能。
课内探究·名师点睛
知识点
光合作用的探究历程
1．希尔实验
（1）实验过程：
离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。
（2）实验结论：
在适当条件下叶绿体产生氧气。
2．鲁宾和卡门实验
（1）巧妙之处：
两组实验相互对照直观地表现出氧气来自水中的氧，而不是来自二氧化碳中的氧。
（2）自变量为被标记的C18O2和H
O，因变量是O2的放射性。
3．卡尔文循环
（1）探究方法——同位素标记法：
用14C标记CO2，追踪检测放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。
（2）结论：
碳的转化途径：
14CO2＋C5→14C3→（14CH2O）。
名师点拨：
萨克斯和鲁宾、卡门实验对照方式不同
萨克斯实验的对照方式为自身对照（一半曝光与另一半遮光）；而鲁宾和卡门实验的对照方式为相互对照（通过标记不同的物质：
H
O与C18O2）。
┃┃典例剖析__■
典例1科学是在实验和争论中前进的，光合作用的探究历程就是如此。
在下面几个关于光合作用的实验中，相关叙述正确的是（ B ）
A．恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量
B．阿尔农的实验证明了在光照下叶绿体可合成ATP
C．希尔发现在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他还原剂在光照下可以释放出氧气
D．鲁宾和卡门的实验中，用18O分别标记H2O和CO2，证明了光合作用产生的氧气来自CO2而不是H2O
解析：
恩格尔曼的实验证明了水绵光合作用生成氧气，没有定量分析生成氧气的量，A错误；阿尔农通过实验说明了在光照下叶绿体可合成ATP，B正确；希尔加入的是氧化剂，C错误；鲁宾和卡门的实验中，用18O分别标记H2O和CO2，证明了光合作用产生的氧气来自H2O而不是CO2，D错误。
┃┃变式训练__■
1．下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（ C ）
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的质量大于试管②的质量
解析：
②与④中H2O均被18O标记，单位时间内消耗等量的水，剩余水的质量也相等。
知识点
光合作用的过程
1．光合作用的过程图解
（1）光反应过程
（2）暗反应过程
2．光反应和暗反应的比较
（1）区别
项目
光反应
暗反应
实质
光能转化为化学能，并释放出O2
同化CO2，合成有机物
反应时间
短促
较缓慢
需要条件
外界条件：
光照；内部条件：
色素、酶
不需要光照；内部条件：
酶
反应场所
叶绿体类囊体的薄膜
叶绿体基质
物质变化
①水的光解：
水分解成[H]和O2
②ATP的合成：
在相关酶的作用下，ADP和Pi形成ATP
①CO2的固定：
CO2＋C5
2C3
②C3的还原：
2C3
（CH2O）＋C5
能量变化
光能→ATP中活跃的化学能
ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
相应产物
O2、ATP和[H]
糖类等有机物
（2）联系：
光反应为暗反应提供[H]、ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi，如图所示：
3．光合作用过程中物质交换分析
（1）光合作用过程中C、H、O元素转移途径
（2）14C18O2
214C3
（14CH
O）＋H
O
（3）光合作用总反应式与C、H、O元素的去向
知识贴士：
有关光合作用过程的四点提醒
（1）叶绿体的内膜既不参与光反应，也不参与暗反应。
（2）光反应阶段为暗反应提供ATP、[H]，ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质。
而暗反应则为光反应提供ADP和Pi，ADP从叶绿体基质移向类囊体薄膜。
（3）光反应阶段必须是在有光条件下进行，而暗反应阶段有光无光都能进行，但需光反应提供的[H]和ATP，故暗反应不能长期在无光环境中进行。
（4）在自然条件下，光反应阶段和暗反应阶段同时进行，不分先后。
┃┃典例剖析__■
典例2（2019·吉林友好学校高一）下列关于光合作用的叙述，错误的是（ A ）
A．光反应阶段不需要酶的参与
B．暗反应阶段既有C5的生成又有C5的消耗
C．光合作用过程中既有[H]的产生又有[H]的消耗
D．光合作用过程将光能转换成有机物中的化学能
解析：
光反应阶段光的吸收不需要酶的参与，ATP的生成需要酶的参与，A符合题意；暗反应阶段既有C3的还原生成C5，又有CO2与C5的结合（CO2固定）消耗C5，B不符合题意；光合作用过程中光反应阶段产生[H]，暗反应阶段又有C3的还原消耗[H]，C不符合题意；光合作用过程将光能转
换成暗反应能利用的化学能，储存在有机物中，D不符合题意。
故选A。
┃┃变式训练__■
2．如图为高等绿色植物光合作用图解。
相关说法不正确的是（ D ）
A．②是氧气，可参与有氧呼吸的第三阶段
B．光合作用可分为两个阶段，光反应和暗反应阶段
C．三碳化合物在[H]、ATP和酶的作用下，被还原形成（CH2O）
D．③为C3，在叶绿体类囊体薄膜上转化为C5和（CH2O）
解析：
②是水光解的产物之一氧气，可参与有氧呼吸的第三阶段，A项正确；光合作用可分为光反应和暗反应阶段，B项正确；三碳化合物在光反应产生的[H]、ATP和叶绿体基质中酶的作用下，被还原形成（CH2O），C项正确；C3在叶绿体基质中转化为C5和（CH2O），D项错误。
指点迷津·拨云见日
光照和CO2浓度骤变时，C3、C5、[H]和ATP物质含量变化分析
1．分析思路
当外界条件改变时，光合作用中C3、C5、[H]、ATP含量的变化可以采用下图分析：
2．分析结果
条件
C3
C5
[H]和ATP
模型分析
光照由强到弱，CO2供应不变
增加
减少
减少或没有
光照由弱到强，CO2供应不变
减少
增加
增加
光照不变，CO2由充足到不足
减少
增加
增加
光照不变，CO2由不足到充足
增加
减少
减少
典例3玉兰叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时，如果将它移至暗室中，短时间内叶绿体中C3与C5相对含量的变化分别是（ A ）
A．增多 减少 B．减少 增多
C．增多 增多D．减少 减少
解析：
叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时，C3和C5处于动态平衡状态；移至暗室后，短时间内由于光反应速度下降，ATP和[H]的合成减少，C3还原成C5的过程受到影响，而C5仍能正常和CO2反应生成C3，故C3增多，C5减少。
典例4在正常条件下进行光合作用的某植物，当突然改变某条件后，即可发现其叶肉细胞内C5含量突然上升，则改变的条件可能是（ D ）
A．停止光照B．停止光照并降低CO2浓度
C．升高CO2浓度D．降低CO2浓度
解析：
CO2是暗反应进行的条件之一，如果CO2减少，自然就不能顺利地形成C3，已有的C3仍会通过C3还原途径而生成C5。
这样C3减少，C5形成后却不能进一步转变，于是就积累起来。
解疑答惑
思考·讨论⇨P102
1．提示：
否。
2．提示：
是。
3．提示：
光合作用释放的氧气中的氧元素来自参加反应的水而不是来自CO2。
4．提示：
思考·讨论⇨P104
1．提示：
光反应阶段与暗反应阶段的区别如表所示：
光合作用
的过程
对比项目
光反应阶段
暗反应阶段
所需条件
必须有光
有光无光均可
进行场所
类囊体的薄膜上
叶绿体的基质中
物质变化
H2O分解成O2和H＋；H＋与NADP＋结合形成NADPH，形成ATP
CO2被固定；C3被NADPH还原，最终形成糖类；ATP转化成ADP和Pi
能量转化
光能转变为化学能，储存在ATP中
ATP中的化学能转化为糖类中储存的化学能
2.提示：
（1）物质联系：
光反应阶段产生的NADPH，在暗反应阶段用于还原三碳化合物；
（2）能量联系：
光反应阶段生成的ATP在暗反应阶段中将其储存的化学能释放出来，为三碳化合物形成糖类提供能量，ATP中的化学能则转化为储存在糖类中的化学能。
训练巩固·课堂达标
1．（2020·武汉外国语学校）关于光合作用的叙述，正确的是（ D ）
A．类囊体上产生的ATP可用于吸收矿质元素离子
B．夏季晴天光照最强时，植物光合速率一定最高
C．进入叶绿体的CO2能被NADPH直接还原
D．正常光合作用的植物突然停止光照，C5与ATP含量会下降
解析：
类囊体上产生的ATP只用于叶绿体内的生命活动，A项错误；夏季晴天光照最强时，蒸腾作用过强导致气孔关闭，植物光合速率较低，B项错误；进入叶绿体的CO2被C5固定为C3后被NADPH还原，C项错误；正常光合作用的植物突然停止光照，[H]与ATP的来源减少，暗反应中C3还原减弱，CO2固定仍在进行，故C5含量下降，D项正确。
2．（2019·山西省临汾一中、晋城一中高一）下图为高等绿色植物的光合作用图解。
下列相关说法正确的是（ D ）
A．①是光合色素，可用层析液提取
B．②是O2，全部用于该植物有氧呼吸的第三阶段
C．③是C3，能被氧化为（CH2O）
D．④是ATP，在叶绿体基质中被消耗
解析：
①是光合色素，可用无水乙醇提取，A错误；②是O2，当光合作用大于呼吸作用时，一部分氧气释放到细胞外，B错误；三碳化合物被还原氢还原形成有机物，不是被氧化形成有机物，C错误；④是ATP，是光反应的产物，用于暗反应中三碳化合物的还原阶段，其消耗场所是叶绿体基质，D正确。
3．下列叙述正确的是（ B ）
A．光反应不需要酶，暗反应需要多种酶
B．光反应消耗水，暗反应消耗ATP
C．光反应储存能量，暗反应消耗能量
D．光反应固定CO2，暗反应还原CO2
解析：
光反应、暗反应都需要酶的催化，A错误；光反应消耗水、产生ATP，暗反应产生水、消耗ATP，B正确；光反应将光能转化成ATP和[H]中化学能储存并参与暗反应，暗反应则将ATP和[H]中的能量转化成稳定的化学能储存到糖类等化合物中，C错误；暗反应固定CO2，D错误。
4．在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势如图所示。
回答问题：
（1）图中物质A是__C3__（填“C3”或“C5”）。
（2）在CO2浓度为1%的环境中，物质B的浓度比A的低，原因是__暗反应速率在该环境中已达到稳定，即C3和C5的含量稳定。
根据暗反应的特点，此时C3的分子数是C5的2倍__；将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后，物质B浓度升高的原因是__当CO2浓度突然降低时，C5的合成速率不变，消耗速率却减慢，导致C5积累__。
（3）若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中，暗反应中C3和C5浓度达到稳定时，物质A的浓度将比B的__高__（填“低”或“高”）。
（4）CO2浓度为0.003%时，该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的__低__（填“高”或“低”），其原因是__CO2浓度低时，暗反应的强度低，所需ATP和[H]少__。
解析：
（1）CO2浓度降低时，C3的产生减少而消耗不变，故C3的含量降低，与物质A的变化趋势一致；而C5的产生不变却消耗减少，故C5的含量增加，与物质B的变化趋势一致。
（2）在正常情况下，1molCO2与1molC5结合形成2molC3，即C3的分子数是C5的2倍。
CO2浓度迅速下降后，C5的产生不变却消耗减少，故C5的浓度升高。
（3）在达到相对稳定时，C3的含量是C5含量的2倍。
（4）CO2浓度较低时，暗反应强度低，需要的[H]和ATP的量少，故在较低的光照强度时就能达到此CO2浓度时的最大光合速率。
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