新教材高中生物必修一选考生物5.4光合作用和能量转化

1.正常杨树的叶为什么呈绿色？
秋季为什么变黄了？
①叶绿体中叶绿素的含量多，且对绿光吸收量最少， 绿光被反射出来，所以呈绿色； ②秋季，叶片的叶绿素分子在低温下被破坏，而类胡 萝卜素较稳定，所以显出类胡萝卜素的颜色。
2.大棚种植蔬菜时，选择什么颜色的塑料薄
膜最好？ 白色或无色
二、叶绿体的结构
外膜 双层膜
内膜
基粒：由类囊体堆叠而成
（色素分布在类囊体的薄膜上） 含有与光合作用
基质
有关的酶（P100）
叶绿体的功能：光合作用的场所
1880年 恩格尔曼的实验 水绵和好氧细菌的装片
没
有 空 气 的 黑 暗
极
暴
细ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
露
光
在
束
光
下
环
境
结论： 氧是由 叶绿体释放出来的， 叶绿体是光合作用的
场所。 光合作用需要光照。
恩格尔曼实验2：透过三棱镜的光照射水绵
进行、既相互制约又密切联系的两个生理过程。
相关信息 光合作用的产物有一部分是淀粉，还有一部
分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运 输到植株各处。
五、光合作用原理的应用
（一）光合作用强度（光合速率）：
1.概念：
植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
2.表示方法
单位时间内光合作用产生有机物的量 单位时间内光合作用固定CO2的量 单位时间内光合作用产生O2的量
3.分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？ 光合作用产生的氧气全部来自于水。
4.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
2H2O → 4 [H] + O2 ADP＋Pi ＋能量（光能 ） → ATP
1.光反应阶段
场所：光、色素、酶
H2O 光能
O2 过程：类囊体薄膜上
水在光下分解
类囊体 薄膜中 的色素
胡萝卜素
叶黄素 叶绿素a 叶绿素b
1、溶解度：高→低 胡萝卜素→叶黄素→叶绿素a →叶绿素b
2、含量：高→低 叶绿素a →叶绿素b →叶黄素→胡萝卜素
探究二：这四种色素对光的吸收有什么差别吗？
叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光
叶绿体中的 色素提取液
色素的吸收光谱图
（1）叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光（430nm450nm）和红光（640nm-660nm）。 （2）胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物 学途径，是生物圈得以维持运转的基础。
植物工厂 用红色或蓝色 光的灯管，并 且在白天也开 灯。
讨论： 1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？ 2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和
温度等条件？
问题探讨参考答案：
植物工厂用红色或蓝色光的灯管，并且在白 天也开灯。 讨论： 1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
（二）影响光合作用强度的因素
1、内因（遗传因素）
不同种类植物、同一植物的不同生长发育时期等。如叶龄、 生长时期、叶面积指数等
2、外因（环境因素） ①.光照强度、光质（波长）：提供能量 ②.CO2浓度：原料 ③.温度：影响酶的活性 ④.必需的矿质元素（无机盐）：如Mg2+合成叶绿素、 N是酶和ATP的原料等。 ⑤.水分：原料（还间接影响CO2供应）
固定 受阻
[H]
ATP
还原 继续
还原
C3
受阻
C5
C3 C5
思考·讨论 1.光反应与暗反应的区别
项目
光反应
速度 很快（以毫秒计） 场所 叶绿体类囊体薄膜
条件 光、色素和酶
暗反应 较缓慢 叶绿体基质
[H]、ATP和多种酶
物质 变化
2H2O 光能 4[H]+O2
光能
ADP+Pi 酶 ATP
CO2的固定：CO2+C5 2C3 C3的还原：2C3 + [H] A酶TP（CH2O）+C5
B：呼吸作用=光合作用 BC：光合作用>呼吸作用
总光合速率=净光合速率+呼吸速率
C
光饱和点
光补偿点
光补偿点： 光合作用速率=呼吸作用速率 的光照强度
光饱和点： 光合作用速率达到最大时 的光照强度
应用措施： ①大棚种植，阴雨天注意补充光照； 光强必须达到一定值(一般应该大于光补偿点)。
• 光质
光质（光的波长）不同，影响光合速率； 白光为复色光，光合作用能力最强。
4.综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？ 叶绿体能吸收光能用于光合作用，并释放出氧气。
叶绿体是进行光合作用的场所。 它内部的巨大膜表面上，不仅分布 这许多吸收光能的色素分子，还有 许多进行光合作用所必须的酶。
二、光合作用的原理和应用
1.概念： 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 （CH2O） ，并且释放出氧气的过程。
多种酶
5
再生
(CH2O)
光反应
暗反应
光合作用的反应式：
水的光解（希尔反应）：
光光反反应应 暗反应
2H2O →4[H] + O2 ↑
ATP的合成（光合磷酸化）：
ADP + Pi +
酶 光能
ATP
CO2的固定：
CO2 + C5 →酶 2C3
C3的还原（卡尔文循环）：
2C3 + [H]
酶 ATP
(CH2O)
光照强度
B
D
光合作用强度
C
A
E
O 10 11 12 13 14 15
一天的时间
阳生植物夏季晴朗的白天一天的变化
夏季晴朗的白天某种 绿色植物叶片光合作 用强度曲线图
（1）为什么7-10时光合作用强度不断增强？ 在一定的温度和二氧化碳供应充足的 情况下，光合作用的强度随光照加强 而增强的。
（2）为什么12时左右光合作用强度明显减弱？
能量 变化
光能转变为活跃的化 学能，储存在ATP中
ATP中活跃的化学能转化为糖 类等有机物中稳定的化学能
思考·讨论 2.光反应与暗反应的联系
①光反应是暗反应的基础，光反应为暗反应的
进行提供还原[H]和ATP；
②暗反应是光反应的继续；暗反应为光反应的
进行提供合成ATP的原料ADP和Pi； 总之，光反应和暗反应是两个既相互独立又同时
CO2+H2O*
（CH2O）+O*2
4.1954-57年，阿尔农：水光解产生ATP
H2O
光能
[H] + O2 +ATP
鲁宾和卡门的实验
同位素标记法：用放射性同位素 标记的化合物，化学性质不会改变。 科学家通过追踪放射性同位素标记的 化合物，可以弄清化学反应的详细过 程。这种方法叫做同位素标记法。
美国鲁宾和卡门实验（同位素标记法）
可以增强光照强度，调节温度、CO2浓度等，有 利于植物的光合作用；而且不受外界天气的影 响，一年四季都可以生产各种蔬菜。 2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和 温度等条件？ 因为植物光合作用还需要二氧化碳作原料，植 物生长需要无机盐、适宜的温度等条件。
原始地球无生命，也无光合作用 46亿年前的原始地球（模拟图）
1．有甲、乙、丙、丁4盆长势均匀的植物置于阳光下，甲品红 光照射；乙绿色光照射；丙添加品红色滤光片A；丁添加绿色 滤光片B（如图），经过一段时间，各盆中长势最旺的和长势 最差的依次是下列哪一组（ ） A．甲、乙 B．乙、丙 C．甲、丁 D．丙、丁
• 光照时间
① 光照时间长，光合作用时间长，有利于植物的生长发育。 ② 光照的日变化
好氧细菌
思考：光能如何变成化学能？有机物如何合成？ 释放的O2来自于H2O还是CO2？
思考·讨论 探索光合作用原理的部分实验
1.19世纪末：CO2的C和O分开，C和H2O结合成甲醛。
CO 2+H2O
甲醛+O2
2.1937年，希尔：水光解产生氧气（希尔反应）
H2O
[H] + O2
3.1941年，鲁宾和卡门：同位素标记法
+
C5
反应总式：CO2 + H2O 叶光绿能体（CH2O） + O2
拓展：产物与原料中元素的对应关系
（CH2O） H O
O2
CO2 H2O CO2 H2O
能量的转移途径：
光能
ATP中活跃 的化学能
(CH2O)中稳定 的化学能
碳的转移途径：
CO2
C3
（CH2O）
停止 光照
光反应 停止
停止CO2 供应
培养皿
插滤纸条
★不能让滤 液细线触及 层析液
层析液
胡萝卜素 叶黄素 叶绿素a 叶绿素b
实验结果 5、观察与记录
绿
类胡萝卜素
叶
（含量约1/4）
中
的
色 素
叶绿素
（含量约3/4）
胡萝卜素（橙黄色） 叶黄素（黄色） 叶绿素a（蓝绿色） 叶绿素b（黄绿色）
功能：吸收、传递和转化光能
滤纸上色带的排
列顺序如何？宽窄如 何？说明什么？
度
外界环境中的二氧化碳浓度
0 A CO2补偿
CO2浓度
应用措施点：
① 温室栽培植物时适当提高室内CO2的浓度，如释放 一定量的干冰、多施农家肥料。 ② 大田生产注意通风，提高CO2浓度。
2.分离原理：纸层析法
绿叶中的色素不止一种，它们都能溶解在层 析液中。然而，它们在层析液中的溶解度不同。 溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快；反之 则慢。这样绿叶中的色素就随着层析液在滤纸 上的扩散而分离开。
实验步骤 1.提取色素
取材（ 5g新鲜绿叶） SiO2 ——有助于研磨充分
研磨
CaCO3——防止色素被破坏
正常苗
正常幼 苗能进 行光合 作用制 造有机 养料
白化苗
白化苗 不能进 行光合 作用， 无法制 造有机 养料
这说明叶片中的色素可能与光能的捕获有关。
一、捕获光能的色素和结构
探究一
绿叶中有哪些色素呢？
绿叶中色素的提取和分离
实验原理：
1.提取原理：绿叶中的色素都能溶解于有机溶剂
无水乙醇（或丙酮）中，所以可以用无水乙醇 提取绿叶中的色素。
C02
018 2
C18O2
02
第
一
组
H2180
第
二
H20
组
光合作用产生的O2全部来自于H2O。
讨论
1.希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物 光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自于水？ 因为没有对比实验，未排除产生的氧气来自其它物 质，故不能说明产生的氧气全部来自于水
2.希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一 个化学反应？ 希尔实验只证实水光解产生氧气，未说明水光光解 与糖的合成不是同一反应。
酶
①水的光解：
[H]
光 （NADPH）
2H2O
4[H]+O2
ATP ② ATP的合成：
ADP+Pi ADP+Pi+光能 酶 ATP
能量转变：光能
ATP中活跃的化学能
2.暗反应阶段 条件：不需光，需多种酶 场所： 叶绿体基质中
供氢
[H] 酶 还 ATP 供能
酶原
2C3 固
定
多种酶
C5
参加催化
过程:
ADP+Pi
CO2的固定：CO2＋C5 酶 2C3
([C糖H类2O])
三碳化合
物的还原： 2C3 +[H]+ATP
酶
(CH2O) +C5
能量转变：ATP中活跃
的化学能
有机物中稳 定的化学能
总结：光合作用过程图解
可见光
2H2O O2
吸收
光解
色素分子
酶
4[H]
ATP
酶
能
ADP+Pi
2C3
还原
固定 CO2
C （卡尔文循环）
无水乙醇 ——溶解、提取色素
过滤（ 漏斗基部放一块单层尼龙布， 以过滤叶脉和SiO2等。）
收集滤液 ——防止提取液挥发减少 （棉塞塞紧）
2、制备 滤纸条
铅笔线 画铅笔细线
3、画滤液细线
要求：
（1）细直齐
（2）待滤液干 后重复画1—2次
滤液细线
画滤液细线
4、分离色素 纸层析法
（盖住，因层析液易挥发，有一定毒性）
① 光照（光照强度、光质、光照时间）
• 光照强度
实验原理：
叶片有空气，上浮
实验结论：
抽气
光合作用
叶片下沉
充满细胞间隙，
黑暗中
产生O2 叶片上浮
一定光照强度范围内，植物光合作用强 度随光照强度增强而增强。
• 光照强度
CO2
C
吸
收
净光合速率
总光合速率
0
CO2
A
B
光照强度
释 放
A：细胞呼吸强度
AB：呼吸作用>光合作用
2.反应式：
光能
CO2 + H2O
（CH2O） + O2
叶绿体
3.光合作用的实质
光能
CO2 + H2O
（CH2O） + O2
叶绿体
物质变化：把无机物转变成有机物，释放O2。
实
质
能量变化：把光能转变成有机物中的化学能。
（一）光合作用的原理
根据是否需要光能，可以分为两个阶段： 光反应阶段:需要光能，在类囊体薄膜上进行； 暗反应阶段：不需要光能，在叶绿体基质中进行。
好氧细菌 水绵
结果：需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
讨论
1.恩格尔曼第一个实验的结论是什么？ 光合作用的场所在叶绿体，并且释放出氧气。
2.恩格尔曼在选材、实验设计有什么巧妙之处？ 选择材料的叶绿体呈带状，易观察； 好氧菌聚集 作为释放氧气的观察指 标。运用对照和单一变量 方法进行对比实验。
3.在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝 紫光区域，为什么？ 色素主要吸收红光和蓝紫光，这区域产生的氧气较 多，故需氧菌聚集。
温度很高，蒸腾作用很强，气孔大 量关闭，CO2供应减少，导致光合作 用强度明显减弱。
（3）为什么14-17时光合作用强度不断下降？
光照强度不断减弱。
② CO2浓度
光
CO2补偿点： 光合作用速率=呼吸作用速率
合 作
B CO2饱和 外界环境中的二氧化碳浓度.
点
用 强
CO2饱和点： 光合作用速率达到最大时