5.4光合作用与能量转化课件-2025-2026学年高一上学期生物人教版必修1

该高中生物学课件聚焦光合作用，涵盖捕获光能的色素、叶绿体结构、光反应与暗反应过程及联系、化能合成作用等核心知识。通过“温故知新”回顾色素提取实验，“深呼吸运动”设问导入，以任务驱动、科学史资料分析、表格对比为学习支架，衔接前后知识。 其亮点在于融合生命观念（叶绿体结构与功能适配、物质能量转化）、科学思维（分析希尔实验、鲁宾-卡门实验培养逻辑推理）、探究实践（模拟科学家实验设计、用“过程法”“模型法”分析物质变化）。视频辅助理解，助学生深化概念，教师可高效开展结构化教学。

探索新知 二 捕获光能的色素 【探索新知2】 二、捕获光能的色素 【任务①】 分析资料，总结两大类色素的吸收光谱： 资料1：白光通过在三棱镜时，由于折射角度的不同，不同波长的光得以分离，如图1所示。 太阳光 （白光） 三棱镜 光屏 资料2：白光通过类胡萝卜素或叶绿素的吸收后，再由三棱镜折射出的光如图2/图3所示，说明什么？ 类胡萝卜素 类胡萝卜素主要吸收 ； 叶绿素主要吸收 。 蓝紫光 叶绿素 红光和蓝紫光 光是一种电磁波，分为可见光和不可见光。可见光的波长是400-760 nm。不同波长的光，颜色不同。 一般情况下，色素吸收的光都是可见光。而对红外光和紫外光等不吸收。 学科交叉 光合色素吸收光谱 （课本P99右下角） 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。 叶绿素主要吸收蓝紫光和红光。 1.下图实物为什么是红色的 ？ 2.某地遭遇长期阴雨连绵的天气，菜农决定对植物进行夜间补光，为了尽可能增加产量，应选用哪种颜色的灯泡来补光？ 能使用绿色光源吗？为什么？ 思维拓展 生活中的现象解释 不吸收红光，红光反射进眼睛。 只透过红光，红光穿透塑料袋进入我们的眼睛。 当不提及光照强度时，使用 光的植物光合速率高； 如使用同等强度的光时，则使用 光的植物光合速率高。 白 蓝紫 由于叶绿素的分解和类胡萝卜素(或液泡中的色素)的显现。 不能，光合色素几乎不吸收绿光！ 这些光合色素存在于细胞中什么部位呢？ 3.秋季枫叶由绿色变为黄色(或红色)是什么原因？ 探索新知 三 叶绿体的结构适于进行光合作用 【探索新知3】 三、叶绿体的结构适于进行光合作用 【任务②】 结合课本，解决问题： 1.结构：在 显微镜下，可以看到叶绿体由 层膜包被，内部有许多 。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为 。 2.物质分布：吸收光能的四种色素分布在 上。 3.叶绿体是如何拓展受光面积的？ 叶绿体内有众多的基粒和类囊体，极大地拓展了受光面积。 电子 双 基粒 类囊体 类囊体的薄膜 叶绿体除吸收光能外，还有什么功能呢？ 【探索新知3】 三、叶绿体的结构适于进行光合作用 【任务③】 阅读课本P100资料，回答问题： 资料1：恩格尔曼把载有水绵(叶绿体呈螺旋带状分布)和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。接着，用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。 资料2：在类囊体膜上和叶绿体基质中，含有多种进行所必需的酶。 1.恩格尔曼第一个实验的结论是什么? 2.好氧细菌的分布情况说明了什么? 3.综合上述，你认为叶绿体具有什么功能? 好氧细菌 水绵 好氧细菌 叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。 叶绿体是光合作用的场所 叶绿体吸收较多的光是红光和蓝紫光。 第五章细胞的能量供应和利用 第3节 光合作用与能量转化(课时2) 教学目标 1. 生命观念 2. 科学思维 3. 科学探究 4. 社会责任 通过对光反应和暗反应过程的学习，深刻理解光合作用中物质与能量的高效转化与统一，以及光反应与暗反应相互依存、紧密联系的辩证关系。 通过分析希尔、鲁宾-卡门、卡尔文等科学家的经典实验，培养基于证据进行逻辑推理、归纳概括和模型构建的科学思维能力。 能够基于科学史资料，尝试模拟科学家设计实验、分析数据并得出结论的过程，体验科学发现的逻辑与方法。 理解光合作用作为生物圈基石的意义，以及化能合成作用在特殊生态系统中的作用，树立保护绿色植物、维护生态平衡的环保意识。 教学重难点 (1)光反应和暗反应的过程、场所、条件、物质变化和能量变化。 (2)光反应与暗反应的联系。 (3)光合作用中氧气的来源(鲁宾-卡门实验)和碳的同化路径(卡尔文循环)。 (1)光反应与暗反应中物质变化与能量转化的动态过程理解。 (2)分析外界条件(光照、CO2)突然改变时，C3、C5、ATP、[H]等物质含量的短期变化。 (3)理解化能合成作用与光合作用的异同。 1. 教学重点 2. 教学难点 一、光合作用的原理和应用 1.光合作用的原理 2.化能合成作用 3.知识拓展 当堂训练 小结 三、目录 CONTENTS 光合作用与能量转化 探究·实践1 绿叶中色素的提取与分离 二氧化硅: 使研磨充分 碳酸钙: 保护色素 无水乙醇 溶解色素 画滤液细线: 细、直、齐 制备滤纸条: 一端剪去两角:使扩散均匀 绿叶中的色素能吸收光能，且主要吸收蓝紫光和红光。 叶绿体的功能:叶绿体能吸收特定波长的光，用于光合作用并释放出氧气。 巧记口诀: 石英砂, 破细胞；碳酸钙, 防破坏；乙醇提, 层析分。 绿体的结构适于进行光合作用 巧记规律：①顺序: 胡黄ab, 橙黄蓝绿黄绿。 ②含量: ab多, 胡黄少。 ③速度: 胡跑最快, b在最后。 温故知新 活动体验：请同学们做深呼吸运动 呼吸运动动图 人进行呼吸运动时会向外界排出二氧化碳为什么环境中氧气不会大量减少，二氧化碳不会不断增多? 一、光合作用的原理和应用 光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将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。 (1) 概念 一、光合作用的原理和应用 (2)化学反应式 CO2 + H2O （CH2O）+ O2 光能 叶绿体 ①光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳？ 还是二者兼有？ ③叶绿体是如何将光能转化为化学能？ ②又是如何将化学能储存在糖类等有机物中？ 资料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。 CO2 O2 C + H2O 甲醛 (CH2O) 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。 得出初步结论：氧来自二氧化碳的可能性较小，较可能来源于水。 1.光合作用的探究历程 史料1 科学家 实验过程 实验现象 1937英国植物学家希尔 制备了离体叶绿体悬浮液，通过抽真空处理除去 CO2，保留 H2O，向其中加入铁盐( Fe3+) 并进行光照 Fe3+被还原为 Fe2+，同时离体的叶绿体中释放出氧气。 (1) Fe3+与什么物质结合被还原成Fe2+ (用化学反应式表示) 2H20 + 4Fe3+ 4Fe2+ + 4H+ + 02 光 叶绿体 【活动探究1】跟着科学家，构建光反应概念模型 一、光合作用的原理和应用 1.光合作用的原理探究 思考 讨论1：希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否能说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？为什么？ 不能。没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。 讨论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？ 能够说明。希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料CO2，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。 希尔的实验中没有直接观察到氧元素的转移，那么，如何观察元素的转移？我们有没有学过什么科学方法可以做到这一点呢？ 同位素示踪法（即同位素标记法） 现在我们要研究的是氧原子在光合作用过程中的转移过程，应该用什么同位素来标记什么物质？如何设置对照？ 一组用18O标记二氧化碳，水不做标记； 另一组用 18O 标记水，二氧化碳不做标记。 1.光合作用的探究历程 1941年 鲁宾和卡门实验 结论：光合作用产生的O2来自于 。 同位素标记法 ③指标：检测相对分子质量判断：O2（32）、18O2（36） 二者的相对分子质量之比为32∶36＝8∶9。 ②不能通过检测放射性判断。18O2是无放射性的同位素 1.光合作用原理的部分探索历程 ①对比实验： 两组都是实验组。 水　 注意： 资料：美国科学家阿尔农（D.Arnon)在1954年发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年发现，这一过程总是与水的光解相伴随。 综合以上几个实验，可以得出以下结论： 1.光合作用释放的氧气中的氧元素来自水； 2.氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的； 3.叶绿体中ATP的合成总是伴随着水的光解。 尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系 1.光合作用的探究历程 光合作用的原理 史料2 科学家 实验过程 实验现象 1954 年美国科学家阿尔农 在希尔实验制备的无 CO2 叶绿体悬浮液中加入 ADP、Pi 和 NADP+( 氧化型辅酶Ⅱ) 反应后产生了 ATP 和 NADPH( 还原性型辅酶Ⅱ) 。1957 年，他又发现以上过程总是与水的光解有关。 (1)结合资料1和资料2的化学反应说明，水的光解除了产生O2外,还产生了什么物质?(用化学反应式表示) H+ + NADP+ 光 酶 NADPH ADP + Pi + 光能 酶 ATP 一、光合作用的原理和应用 思考 由于该过程需要光能，必须有光才能进行，故被称为“光反应阶段”。 “光反应阶段”在哪进行？ 问题思考： [史料]将叶绿体从植物叶片提取出来，将其膜破坏、离心后获得绿色的类囊体和淡黄色的叶绿体基质，进行如下实验： 试管 添加物质 实验现象 之后添加物质 实验现象 试管1 (类囊体悬浮液) 等量的水和光照 有气体产生，且此气体可使卫生香复燃 氧化剂:2,6—二氯酚靛酚(一种蓝色染料，会被 NADPH还原为无色) 。 只有试管1为无色。 试管2 (叶绿体基质) 无变化 (1)试管1产生的气体是什么? 02 (2)试管1溶液颜色为无色，说明什么? 试管1产生NADPH 实验结论：光合作用的光反应在叶绿类囊体薄膜上进行 一、光合作用的原理和应用 思考 光、色素、酶 叶绿体内的类囊体薄膜上 水的光解： H2O O2 +H+ 光能 ATP的合成： ADP＋Pi ＋能量（光能） ATP 酶 光能 ATP和NADPH中活跃的化学能 场所： 条件： 物质变化 能量变化 NADPH的合成：H++NADP+ +2e NADPH 光合作用的原理 酶 NADPH:还原性辅酶II（光合）；NADH:还原性辅酶I（呼吸） 通过以上几个实验，光合作用过程中氧元素的转移已经被探究清楚了，那么碳元素的转移呢？ 1946年开始，美国的卡尔文等用14CO2研究了CO2转化为糖的途径：向反应体系中充入一定量的14CO2,给予光照，让小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向。 （1）光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中； （2）在5秒钟光照后，卡尔文等检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)； （3）30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。 卡尔文 光合作用的原理 请根据实验现象，用箭头和化合物依次表示出CO2中的C在叶绿体中的转移过程。 CO2 C3 C5 （CH2O) 暗反应阶段 NADP+ 酶 NADPH ADP+Pi 酶 ATP 能量 能量 还原 多种酶 参与催化 (CH2O) CO2 固 定 2C3 C5 ATP NADPH 需多种酶 CO2 C5 场所： C3的还原： 2C3 (CH2O)+C5 酶 ATP、NADPH CO2的固定： CO2＋C5 2C3 酶 物质 能量 ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能 叶绿体基质 条件： 物质与能量转化： 光合作用的原理和应用 光合作用的原理 【任务1】 结合课本和视频，总结光合作用的过程： B A C E F NADPH ATP 光合色素 D G H C5 C3 ADP+Pi NADP+ O2 氧化型辅酶Ⅱ 还原型辅酶Ⅱ H+、e- 1.以下字母代表什么含义？（对应课本P106图） 释放能量 过程 光反应 暗反应 场所 条件 、 和酶 多种酶 原料 、NADP+、ADP、Pi NADPH、ATP、 ； 产物 、ADP、Pi、NADP+ 物质 变化 ① : ② :ADP+Pi ATP ① :CO2+C5 2C3 ② :2C3 (CH2O)+C5 能量 转化 光能→ ATP和NADPH中活跃的化学能→ 光合作用的原理 【任务2】 结合课本，完成表格： ATP和NADPH中活跃的化学能 (CH2O)中稳定的化学能 类囊体薄膜 叶绿体基质 光 色素 H2O CO2 NADPH、ATP、O2 (CH2O) 水的光解 ATP的合成 CO2的固定 C3的还原 1.NADPH和ATP的移动途径是什么？ NADP+和ADP的移动途径呢？ 2.光反应产生的ATP能用于植物体 的各项生命活动吗？ 3.各元素的去向？ 4.若暗反应被阻断，植物能独立进行光反应吗？ 由此可见光反应和暗反应的关系是？ 从类囊体薄膜转移到叶绿体基质; 从叶绿体基质转移到类囊体薄膜。 不能 光合作用的原理 【任务3】 结合课本图，拓展思考问题： ① H 的转移： H2O → NADPH→ (CH2O ) ② C 的转移： CO2 → C3 →（CH2O） ③ O 的转移： CO2 → C3 →（CH2O） H2O → O2 光反应为暗反应提供_______________； 暗反应为光反应提供_______________。 NADPH和ATP ADP、Pi和NADP+ 一般用于暗反应和叶绿体的生命活动 光合作用的原理和应用 2.化能合成作用 化能合成是某些微生物利用无机物氧化时释放的化学能，将二氧化碳等无机物合成有机物的过程，是自养生物的一种能量获取方式。 2.1概念 2.2实例 硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌。 硝化细菌的硝化作用的关键代谢过程: ① 氨→亚硝酸盐： 2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+158 kcal ②亚硝酸盐→硝酸盐： HNO2 + ½O2→HNO3+18 kcal 一、光合作用的原理和应用 2.化能合成作用 光合作用和化能合成作用的比较 对比项 化能合成作用 光合作用 能量来源 无机物氧化的化学能 光能（太阳光） 参与生物 化能自养细菌 植物、藻类、光合细菌 反应场所 细菌细胞内（无叶绿体） 叶绿体（或光合膜） 一、光合作用的原理和应用 3.知识拓展 环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 (1)“过程法”分析各物质含量的变化。 下图中I表示光反应，Ⅱ表示CO₂的固定，Ⅲ表示 C3的还原，当外界条件(如光照、 CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化: CO2 供应 变少 Ⅱ 减弱 Ⅲ 暂时不变 C3合成减少，消耗暂时不变 C3↓ C5消耗减少，合成暂时不变 C5↑ Ⅰ 暂时不变 NADPH↑, ATP↑ 一、光合作用的原理和应用 3.知识拓展 环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 (1)“过程法”分析各物质含量的变化。 下图中I表示光反应，Ⅱ表示CO₂的固定，Ⅲ表示 C3的还原，当外界条件(如光照、 CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化: 光 照 变 弱 Ⅰ减弱 NADPH↓, ATP↓ 随后 Ⅲ 减弱， Ⅱ暂时不变 C3消耗减少，合成暂时不变 C3↑ C5消耗暂时不变，合成减少 C5↓ 一、光合作用的原理和应用 3.知识拓展 环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 (2)“模型法”表示C3和C含量的变化(条件改变后短时间内各物质相对含量的变化)。 ①图1中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ②图2中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ③图3中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ④图4中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 C5、NADPH、ATP C3 C5、NADPH、ATP C3 C5、NADPH、ATP C3 C3 C5、NADPH、ATP 解题技巧: 看起始值: C3高于C5(约为其2倍) 小结 光合作用与能量转化 光合 作用 H2O + NADP+ 光 酶 NADPH + O2 物质 ADP + Pi + 光能 酶 ATP 能量 光能 ATP、NADPH中活跃化学能 光 酶 色素 水 ADP Pi NADP+ 类囊体的薄膜上 条件： 场所： 暗反应 阶段 光反应阶段 ATP NADPH 需多种酶 CO2 C5 场所： 叶绿体基质 条件： C3的还原： 2C3 (CH2O)+C5 酶 ATP、NADPH CO2的固定： CO2＋C5 2C3 酶 物质 能量 ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能 化能合成作用: 硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌。 当堂训练 1.关于光合作用与化能合成作用的比较，下列叙述正确的是（ ） A. 两者合成有机物时所需的能量最初都来源于太阳能 B. 两者都将CO2和H2O合成为有机物，且代谢类型相同 C. 能进行化能合成作用的生物在生态系统中都属于分解者 D. 两者固定CO2的途径可能相同，但最初的能量来源不同 解析：A错误.化能合成作用利用无机物氧化释放的化学能，能量并非直接来自太阳能。B错误.化能合成作用一般不以H2O作为氢供体，如硝化细菌利用NH3氧化产能，以环境中的无机物为氢源。C错误.化能合成生物（如硝化细菌）属于生产者。 当堂训练 1．科学家在研究光合作用原理时经历了漫长的探索过程。下列叙述正确的是（    ） A．希尔在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂，发现在光照下叶绿体可以合成糖类 B．鲁宾和卡门通过检测O的放射性确定光合作用产生的O2中氧元素的来源 C．恩格尔曼利用需氧细菌和水绵进行实验，证明叶绿体类囊体薄膜是植物进行光合作用光反应的场所 D．阿尔农发现，在光照下，叶绿体合成ATP的过程总是与水的光解相伴随 分解水并释放氧气，同时还原氧化剂（如铁盐）。 同位素¹⁸O（一种稳定的同位素）进行标记实验，通过质谱仪检测证明光合作用释放的O2全部来自于水。 并未发现“类囊体薄膜”这一结构，更无法证明光反应在此进行。 2．下图表示绿色植物光合作用过程中物质的变化，A和B表示不同的过程，①～④表示代谢产物。下列叙述错误的是（     ） A．A过程的发生必须在有光条件下 B．①产生后可被同一细胞的呼吸作用利用 C．③代表的是ADP+Pi D．若突然提高光照强度，短时间内④的含量会减少 O2 ADP C5 NADP+ 光反应 暗反应 当堂训练 解析:D错误.突然提高光照强度，光反应增强，ATP和[H]瞬间增多，会促进暗反应中C3的还原，导致有机物（④C5）的合成速率加快，因此其含量在短时间内应增加，而非减少。此叙述错误。 本节课到此结束 请预习下一节课内容 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.46 $