高考生物一轮复习学案 第11讲 能量之源——光与光和作用(学生版)

第11讲能量之源—光与光合作用（解析版）
本节课选自高中人教版必修一《分子与细胞》第五章第四节《能量之源—光与光合作用》。

本节内容主要包括“捕获光能的色素和结构”、“光合作用的原理和应用”两小节。

其中，“光合作用的过程”是本节课的重点，也是高考的重点，经常会和有氧呼吸结合在一起考，在《分子与细胞》的第3章中又学习了叶绿体的显微结构及其功能，以及第4章的《细胞的能量“通货”――ATP》一节，知道光合作用是合成ATP重要途径之一，学生已经具备进一步学习叶绿体的亚显微结构和光合作用原理的知识基础和兴趣。

在实验操作方面，学生已经能进行研磨、过滤等操作，但纸层析法是首次进行。

由于学生缺乏对基粒（类囊体）微观结构的直观认识，本节课又涉及到物理（光学）、化学知识，对于理解色素吸收色光，掌握有关化学试剂的使用方法与技巧，可能存在一定的难度。

光合作用等一系列知识是高考中的常考的点，且光合作用知识题型变化较多，因此本讲相关知识的运用非常重要。

一、捕获光能的色素和叶绿体的结构
1.捕获光能的结构——叶绿体
2. 叶绿体色素的种类和功能
色素功能
叶绿素叶绿素a：蓝绿色
吸收红光和蓝紫光叶绿素b：黄绿色
类胡萝卜素
叶黄素：黄色
胡萝卜素:橙黄色
吸收蓝紫光
二、绿叶中色素的提取和分离
1. 实验原理
（1）提取：叶绿体中的色素溶于有机溶剂而不溶于水，可用无水乙醇等有机溶剂提取色素。

（2）分离：各种色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢，从而使各种色素相互分离。

2.方法：纸层析法
3. 过程
（1）提取色素
①取材：称取5 g绿色叶片；（含有色素较多的，如菠菜叶片）
②研磨：加少许SiO2、CaCO3和10 mL无水乙醇；
③过滤：漏斗基部放一块单层尼龙布；
④收集：收集滤液，试管口用棉塞塞严
（2）色素的分离
①制备滤纸条：将干燥滤纸剪成长与宽略小于试管长和宽的滤纸条，并在一端剪去两角，在距剪去两个角一端1cm处用铅笔画一条细的横线。

②画滤液细线：用毛细吸管吸取少量滤液，在滤纸条上沿铅笔线画出一条细线，待滤液干后，重复画一两次。

③分离色素：将3 mL层析液倒入试管中，装置如下图所示，插入滤纸条，有滤液细线的一端朝下，随后用软木塞塞紧试管口。

将试管换成烧杯也可以。

注意：不能让滤纸条上的滤液细线触到层析液。

实验装置及实验结果如图所示:
④观察滤纸条上的色素带：滤纸条上色素带有四条。

如下表所示：
三、光合作用的发现历程（来自于课本）
1.1771年，英国普利斯特利指出：植物可以更新空气。

2.1779年，荷兰英格毫斯指出：植物要更新空气必须要有阳光和绿叶。

3.1845年，德国梅耶指出：植物能把光能转换成化学能。

4.1864年，德国萨克斯证明：光合作用的产物出除氧气外还有淀粉。

5.1880年，美国的恩格尔曼证明：氧气是由叶绿体释放出来的，叶绿体是进行光合作用的场所。

6.1939年，美国鲁宾和卡门利用同位素标记法证明：光合作用释放的氧气来自于水。

7.1948年，美国卡尔文利用14C标记的二氧化碳追踪检测其放射性，探明二氧化碳中的碳在光合作用中转化成有机物中的碳的途径。

四、光合作用的过程小结
1.光合图解
2.光合作用过程小结
项目光反应暗反应
条件需色素、光、酶不需色素和光，需要多种酶
场所叶绿体的类囊体薄膜叶绿体基质
物质转化①水光解：2H2O――→
光
4[H]＋
O2
②ATP的合成：ADP＋Pi＋光能酶ATP
能量转换光能→电能→ATP中活跃的化
学能
ATP中活跃的化学能→(CH2O)
中稳定的化学能
关系
3.探究外界条件变化时C5、C3、[H]等物质含量的变化主要是对光合作用的过程深刻理解并能进行分析
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
减少或没有增加增加减少(CH2O)的合成
量
减少增加减少增加五、光合作用的影响因素
与光合作用有关的因素都有可能影响光合作用。

1.光照强度：在一定光照强度范围内，增加光照强度可提高光合作用速率。

（1）曲线分析：
①A点：光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，释放CO2量表明此时的呼吸强度。

②AB：表明光照强度加强，光合作用逐渐加强。

③B点：光合作用强度=细胞呼吸强度，称B点对应的光照强度为光补偿点（白天的光照强度在光补偿点以上，植物才能正常生长）。

④BC：随着光照强度不断加强，光合作用强度不断加强。

⑤C点：对应的光照强度为光饱和点。

（2）应用：阴生植物的光补偿点和光饱和点比较低，如上图中虚线所示。

间作套种时农作物的种类搭配，林带树种的配置，冬季温室栽培避免高温等都与光补偿点有关。

2.光照面积（如下图所示）。

（1）曲线分析：
①OA：随叶面积指数的不断增大，光合作用实际量不断增大。

②A点：为光合作用面积的饱和点。

此后随叶面积指数的增大，光合作用不再增加，原因是有很多叶被遮挡。

③OB：干物质量随光合作用增加而增加。

④OC：叶片随叶面积指数的不断增加，呼吸量不断增加，而由于A点后光合作用不再增加，所以干物质积累量不断降低。

（2）应用：应适当间苗、修剪，合理施肥、浇水，避免徒长，合理密植。

3.CO2浓度（如下图所示）。

（1）曲线分析：曲线表示在一定范围内，光合作用速率随CO2浓度的增加而增大，但当CO2浓度增加到一定范围后，光合作用速率不再增加。

A点：即CO2达到饱和时，光合作用速率就不再增加了。

（2）应用：“正其行，通其风”，温室内充CO2，即提高CO2浓度，是增加产量的方法。

4.含水量及矿质元素（如下图所示）。

（1）曲线分析：
①OA：水是光合作用的原料，矿质元素直接或间接影响光合作用。

在一定范围内，水和矿质元素越多，光合作用速率越快。

②A点：即水、矿质元素达到饱和时，光合作用速率就不再增加了。

（2）应用：
①合理施肥可促进叶片面积增大，提高酶的合成速率，增加光合作用速率。

②施用有机肥后，经土壤微生物分解后，既可为植物补充CO2，又可为植物提供各种矿质元素。

5.温度（如下图所示）。

（1）曲线分析：
光合作用是在酶催化下进行的，温度直接影响酶的活性。

一般植物在10～35 ℃下正常进行光合作用，其中AB段（10～35 ℃）光合作用随温度的升高而逐渐加强，B点（35 ℃）以上光合酶活性下降，光合作用开始下降，50 ℃左右光合作用完全停止。

（2）应用：冬天，温室栽培可适当提高温度；夏天，温室栽培可适当降低温度。

白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用速率；晚上适当降低温室温度，以降低细胞呼吸速率，保证植物有机物的积累。

6.叶龄（如下图所示）。

（1）曲线分析：
①OA：为幼叶，随幼叶的不断生长，叶面积不断增大，叶内叶绿体不断增多，叶绿素含量不断增加，光合作用速率不断增加。

②AB：为壮叶，叶片的面积、叶绿体和叶绿素都处于稳定状态，光合作用速率也基本稳定。

③BC：为老叶，随着叶龄的增加，叶片内叶绿素被破坏，光合作用速率也随之下降。

（2）应用
农作物、果树管理后期，适当摘除老叶、残叶及茎叶，可降低其细胞呼吸，减少有机物的消耗。

6. 多种因子对光合作用的影响
（1）曲线分析：P点时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随该因子的不断加强，光合速率不断提高。

当到Q点时，横坐标所表示的因子不再影响光合速率，要想提高光合速率，可适当提高图示中的其他因子。

（2）应用：为了获得更大产量应该协调控制多个光合作用的影响因素，当一个条件受限时，可以通过加强其他条件来改善光合作用状况。

六、化能合成作用
1.概念：少数种类的细菌不能进行光合作用，但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，这种合成作用叫化能合成作用。

2.实例：生活在土壤中的硝化细菌，能将土壤中的氨氧化成亚硝酸，进而将亚硝酸氧化成硝酸。

它能利用这两个化学反应中释放出的化学能，将二氧化碳和水合成为糖类，供硝化细菌维持自身的生命活动，过程图解如下图所示。

因此，硝化细菌属于生产者。

一、叶绿体的结构
例1：（山东省实验中学2018届高三第二次模拟考试理科综合生物试题）某科学家用分离的叶绿体进行下列实验：先将叶绿体浸泡在pH= 4的溶液中，使类囊体空腔中的pH为4。

然后将此叶绿体转移到pH=8的溶液中，结果此叶绿体在黑暗中就能合成ATP。

据此推测下列说法错误的是（）
A．植物叶片中的叶绿体在光照和黑暗的条件下都能产生ATP
B．此叶绿体在黑暗中合成ATP的原因是类囊体内外存在H+梯度
C．叶绿体光下产生ATP，其中光照的作用可能是使类囊体内外产生H+梯度
D．此叶绿体在黑暗中合成ATP的同时不会释放氧气
【答案】A
【解析】正常情况下，植物叶片在光照下可以合成ATP，而在黑暗条件下不能合成ATP，A 错误；根据以上分析可知，当类囊体腔中的H+浓度高于叶绿体基质（或叶绿体基质中的pH 高于类囊体腔）时，此叶绿体在黑暗中可以合成ATP，B正确；叶绿体光下发生水的光解产生H+，导致类囊体内外产生H+梯度，因此可以合成ATP，C正确；此叶绿体在黑暗中合成ATP 的同时不会发生水的光解，因此没有氧气的产生，D正确。

变式训练1：（山东省实验中学2018届高三第二次模拟考试理科综合生物试题）某科学家用分离的叶绿体进行下列实验：先将叶绿体浸泡在pH= 4的溶液中，使类囊体空腔中的pH 为4。

然后将此叶绿体转移到pH=8的溶液中，结果此叶绿体在黑暗中就能合成ATP。

据此推测下列说法错误的是（）
A．植物叶片中的叶绿体在光照和黑暗的条件下都能产生ATP
B．此叶绿体在黑暗中合成ATP的原因是类囊体内外存在H+梯度
C．叶绿体光下产生ATP，其中光照的作用可能是使类囊体内外产生H+梯度
D．此叶绿体在黑暗中合成ATP的同时不会释放氧气
二、光合作用
例2：（吉林省吉大附中2018届高三第四次模拟考试理综生物试卷）下列说法错误的是（）A．暗反应阶段的化学反应必须在无光条件下进行
B．组成细胞的元素大多以化合物的形式存在
C．分离各种细胞器的常用方法是差速离心法
D．细菌中的绝大多数是营腐生或寄生生活的异养生物
【答案】A
【解析】A. 光照不是暗反应所需要的条件，有光无光都能进行，故A错误；B. 组成细胞的元素大多以化合物的形式存在，故B正确；C. 分离各种细胞器的常用方法是差速离心法，故C正确D. 细菌中的绝大多数是营腐生或寄生生活的异养生物，故D正确。

暗反应虽然不
需要光，但是暗反应需要光反应为其提供[H]和ATP。

变式训练2．（重庆市綦江区实验中学2018届高三高考考前适应性考试生物试题）下图的纵坐标表示某种植物气体吸收量或释放量的变化，且该植物光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25℃和30℃。

下列说法正确的是（）
A．若A代表O2吸收量，可以判断D点开始进行光合作用
B．若A代表CO2释放量，E点时限制光合作用的因素可能是CO2浓度
C．若A代表CO2释放量，若提高大气中CO2浓度，E点不移动
D．若A代表O2吸收量，图示曲线是环境温度为25℃时测定的，当环境温度上升至30℃，B点下移
例3：（吉林省长春市普通高中2018届高三质量监测（四）理综生物试题）细胞是开放的系统，需要不断与环境进行物质与能量交换，实现自我更新。

下列相关说法错误的是（）A．蓝藻能利用光能，把二氧化碳和水转化成储存能量的有机物
B．酵母菌中有机物的氧化分解伴随着能量的释放，并生成ATP
C．动物的卵细胞相对表面积大，有利于高效率地完成物质运输
D．硝化细菌能利用某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物
【答案】C
【解析】蓝藻是原核生物，细胞中含有与光合作用有关的色素和酶，可以利用利用光能，把二氧化碳和水转化成储存能量的有机物，A正确；酵母菌中有机物的氧化分解伴随着能量的释放，并生成ATP，B正确；动物的卵细胞体积大，相对表面积小，不利于高效率地完成物质运输，C错误；硝化细菌可以化能合成作用，能利用某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物，D正确。

变式训练3．（宁夏银川一中2018届高三第四次模拟考试理综生物试题）植物叶片中有一种酶,其功能是催化反应C5+CO2→2C3。

对这种酶的叙述合理的是（）
A．提高二氧化碳浓度,不能增强该酶活性
B．在低温环境中会失活,导致光合速率降低
C．主要分布在细胞质基质中
D．由叶绿体中的基因控制合成,与细胞核基因无关
例4：（2018届高三高考临考精品信息卷八生物试题）如图表示叶绿体色素吸收光能的情况．据图分析，以下说法正确的是（）
A．在晚间用大约550nm波长的绿光照射行道树，可以大量增加空气中的氧气浓度
B．叶绿素a和叶绿素b对红光和蓝紫光的吸收峰值相同
C．土壤中缺乏镁时，420nm～470nm左右波长的光的利用量显著减少
D．由550nm波长的光转为670nm波长的光后，叶绿体中C3的量增加
【答案】C
【解析】分析题图：叶绿素a和叶绿素b统称为叶绿素，主要吸收420～470nm波长的光（蓝紫光）和640～670nm波长的光（红光）；类胡萝卜素主要吸收400～500nm波长的光（蓝紫光）。

分离色素时采用纸层析法，原理是色素在层析液中的溶解度不同，随着层析液扩散的速度不同。

植物几乎不吸收大约550nm波长的绿光，所以达不到以增加夜间空气中氧气浓度目的，A错误；观察图中曲线可见叶绿素a和叶绿素b对红光的吸收峰值不同，对蓝紫光的吸收峰值也不同，B错误；镁是叶绿素的重要组成元素，镁缺乏时，叶绿素合成受阻，直接影响植物对光的吸收，所以土壤中缺乏镁时，420nm～470nm左右波长的光的利用量显著减少，C正确；由550nm波长的光转为670nm波长的光后，光反应增强，从而促进C3的还原，使C3的量减少，D错误。

变式训练4．（宁夏六盘山高级中学2018届高三下学期第四次模拟考试生物试题）如图为不同种植物的光补偿点和光饱和点的相对值（其他环境条件适宜)，下列叙述正确的是（）
A．植物Ⅰ在光补偿点时，叶肉细胞不释放氧气
B．适当提高温度可以提高植物Ⅱ的光饱和点
C．突然遮光处理，植物Ⅱ叶肉细胞中C3还原量减少
D．最适宜在树林下套种的是植物Ⅲ
1．（黑龙江省哈尔滨市第六中学2018届高三下学期第四次模拟考试理科综合生物试题）下列是生物学发展史上的几个重要实验，其中没有应用放射性同位素示踪技术的是（）A．验证光合作用释放的氧全部来自水B．噬菌体侵染细菌的实验
C．摩尔根的果蝇杂交实验D．研究分泌蛋白的合成分泌途径
2.（全国（新课标区）2018届高三金优试卷模拟（二）理科综合冲刺卷生物试题）下列关于生命科学实验的描述中，正确的是（）
A．观察DNA和RNA的分布实验中，盐酸的作用是使细胞分散开便于观察
B．恩格尔曼的水绵实验和卡尔文的小球藻实验均运用了同位素标记法
C．用纸层析法分离菠菜滤液中的色素时，橙黄色的色素带距离所画滤液细线最远
D．在性状分离比模拟实验中，两小桶里面的小球数目必须相等
3.（山东省潍坊市青州市2018届高三第三次高考模拟考试理科综合生物试题）生物学研究用到多种科学方法，下列叙述正确的是（）
A．由于土壤动物体型微小、活动能力差，可用样方法调查土壤动物的丰富度
B．利用模型建构法探究酵母菌种群数量变化时，无需设置空白对照和重复实验
C．“细胞大小与物质运输的关系”模拟实验所用的研究方法是类比推理法
D．卡尔文利用同位素标记法，将标记的C1802供小球藻利用，最终发现了碳循环4．（【全国省级联考】2018年高考生物学临考保温卷五生物试题）图甲表示全光照和不同程度遮光对某植物叶片中叶绿素含量的影响，图乙表示初夏某天在遮光50%条件下，温度、
光照强度、该植物净光合速率和气孔导度（气孔张开的程度）的日变化趋势。

下列说法错误的是（）
A．图甲中叶绿素含量的测定，可先用无水乙醇提取叶片中的色素
B．据图甲推测，该植物可通过增加叶绿素含量以增强对弱光的适应能力
C．图乙中8：00到12：00净光合速率降低的原因一定是光合作用速率减弱
D．图乙中18：00时光合作用固定CO2速率和呼吸作用释放CO2速率相等
5．（广东省东莞市2018年理综全国卷考前冲刺演练精品卷生物试题）菠菜叶片是一种常用的生物实验材料，下列相关实验选材正确的是（）
A．在提取和分离叶绿体色素时可选择新鲜的菠菜叶
B．菠菜叶中含有较多的还原糖，可用于还原糖的鉴定
C．可用菠菜叶下表皮细胞观察细胞的有丝分裂过程
D．可用菠菜叶上表皮细胞观察叶绿体和细胞的质壁分离
6．（山西省运城市康杰中学2018届高考模拟（四）理科综合生物试题）洋葱是生物学中常用的实验材料，绿色的叶可用于提取光合色素，紫色洋葱鳞片叶外表皮可用于观察细胞的质壁分离与复原，根尖分生区细胞可用于观察细胞的有丝分裂，下列叙述中正确的是（）A．根尖分生区细胞都能发生质壁分离与复原现象
B．细胞发生质壁分离过程中细胞液浓度始终低于外界溶液浓度
C．遮光条件下，提取色素后试管不加棉塞会导致滤液颜色变浅
D．通过显微镜可观察到有丝分裂末期细胞板的形成过程
7．（陕西省2018届高三年级第十二次模拟理综生物试题）下列有关生物学研究和实验方法的叙述不正确的是（）
A．标志重捕法调查种群密度时，部分标志物脱落，实验所得到数值与实际数值相比偏大B.“建立血糖调节的模型”釆用的实验方法是模型方法，模拟活动本身就是构建动态的物理模型
C．用纸层析法分离色素滤纸条上的色素带颜色自下而上依次虽黄绿色、蓝绿色、黄色、橙黄色
D．在探究淀粉酶的最适温度时，为了减小误差需要设置预实验
8．（2018年普通高等学校招生全国统一考试生物（北京卷））光反应在叶绿体类囊体上进行。

在适宜条件下，向类囊体悬液中加入氧化还原指示剂DCIP，照光后DCIP由蓝色逐渐变为无色。

该反应过程中（）
A．需要ATP提供能量 B． DCIP被氧化
C．不需要光合色素参与 D．会产生氧气
9．（2018年全国普通高等学校招生统一考试生物（江苏卷））如图为某一植物在不同实验条件下测得的净光合速率，下列假设条件中能使图中结果成立的是（）
A．横坐标是CO2浓度，甲表示较高温度，乙表示较低温度
B．横坐标是温度，甲表示较高CO2浓度，乙表示较低CO2浓度
C．横坐标是光波长，甲表示较高温度，乙表示较低温度
D．横坐标是光照强度，甲表示较高CO2浓度，乙表示较低CO2浓度
10．（2018年普通高等学校招生全国统一考试生物（全国III卷））下列研究工作中由我国科学家完成的是（）
A．以豌豆为材料发现性状遗传规律的实验
B．用小球藻发现光合作用暗反应途径的实验
C．证明DNA是遗传物质的肺炎双球菌转化实验
D．首例具有生物活性的结晶牛胰岛素的人工合成
11．（2017年全国普通高等学校招生统一考试生物（新课标1卷））为了探究生长条件对植物光合作用的影响，某研究小组将某品种植物的盆栽苗分成甲、乙两组，置于人工气候室中，甲组模拟自然光照，乙组提供低光照，其他培养条件相同。

培养较长一段时间（T）后，测定两组植株叶片随光照强度变化的光合作用强度（即单位时间、单位叶面积吸收CO2的量），光合作用强度随光照强度的变化趋势如图所示。

回答下列问题：
（1）据图判断，光照强度低于a时，影响甲组植物光合作用的限制因子是_______________。

（2）b光照强度下，要使甲组的光合作用强度升高，可以考虑的措施是提高___________（填“CO2浓度”或“O2浓度”）。

（3）播种乙组植株产生的种子，得到的盆栽苗按照甲组的条件培养T时间后，再测定植株叶片随光照强度变化的光合作用强度，得到的曲线与甲组的相同。

根据这一结果能够得到的初步结论是_______________________________________________________。

12．（2018年普通高等学校招生全国统一考试生物（全国II卷））为了研究某种树木树冠上下层叶片光合作用的特性，某同学选取来自树冠不同层的A、B两种叶片，分别测定其净光合速率，结果如图所示。

据图回答问题：
（1）从图可知，A叶片是树冠_________（填“上层”或“下层”）的叶片，判断依据是______________________。

（2）光照强度达到一定数值时，A叶片的净光合速率开始下降，但测得放氧速率不变，则净光合速率降低的主要原因是光合作用的_____________反应受到抑制。

（3）若要比较A、B两种新鲜叶片中叶绿素的含量，在提取叶绿素的过程中，常用的有机溶剂是______________。

13．（2018年普通高等学校招生全国统一考试生物（课标I卷））甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如图所示。

回答下列问题：
（1）当光照强度大于a时，甲、乙两种植物中，对光能的利用率较高的植物是____________。

（2）甲、乙两种植物单独种植时，如果种植密度过大，那么净光合速率下降幅度较大的植物是_________，判断的依据是______________________。

（3）甲、乙两种植物中，更适合在林下种植的是______。

（4）某植物夏日晴天中午12：00时叶片的光合速率明显下降,其原因是进入叶肉细胞的_________ （填“O2”或“CO2”）不足。