5.4 光合作用与能量转换（第二课时）课件-2025-2026学年高一上学期生物人教版必修1

该高中生物学课件围绕光合作用的原理与应用，以“生命依赖阳光能量”为导入，通过恩格尔曼、希尔、鲁宾和卡门等经典实验的探究历程，系统呈现光反应与暗反应的物质能量变化、三碳糖去向及影响因素。从科学史实验到原理剖析，再到实验设计与物质含量分析，构建“发现-验证-应用”的逻辑脉络，辅以资料分析、表格对比和问题链等学习支架，帮助学生衔接前后知识。 其亮点在于以科学思维和探究实践为核心，通过卡尔文实验的同位素标记法、希尔实验的变量分析等，培养学生基于证据的推理能力。设置“牛刀小试”实验题（如圆形小叶片上浮法探究光照强度）和物质含量变化表格，强化探究实践；结合三碳糖代谢去向图，深化物质与能量观的生命观念。学生能在实验分析中提升逻辑思维，教师可借助结构化资料和丰富案例提高教学效率。

地球上的一切生命都离不开来自阳光的能量。每一天，植物都在进行着世界上最大规模的把太阳能变成化学能、把无机物变成有机物的生命活动。它每年吸收7000亿吨的二氧化碳，合成5000亿吨有机物，为人类、动植物和无数微生物的生命活动提供食物、能量和氧气。这种生命活动被称为地球上最重要的化学反应，它就是光合作用。 第五单元 细胞的能量供应和利用 5.４ 光合作用和能量转换（第二课时） ——光合作用的原理和应用 探究影响光合作用强度的因素。 描述光合作用过程中物质和能量的变化。 说出光反应和暗反应的区别和联系。 2 1 3 学习目标 PART 1 光合作用原理的探究历程 目录 PART 2 光合作用的原理 PART 3 探究影响光合作用强度的因素 恩格尔曼的实验直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论。 在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有多种进行光合作用所必需的酶。这是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。 光合作用的探究历程 PART 1 光合作用原理的探究历程 19世纪60年代，科学家总结出光合作用的反应式： CO2 + H2O （CH2O）+O2 光能 叶绿体 CO2 O2 C + H2O 甲醛 多个缩合 糖类 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。 资料2：1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过 光合作用转化成糖类。 光合作用的探究历程 资料3：1937年，英国植物学家希尔将植物细胞破碎，获得离体叶绿体。发现，在光照下，在离体叶绿体的悬浮液中加入足量的铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），离体叶绿体虽然不能合成有机物，但Fe3+被还原为Fe2+，同时离体的叶绿体释放出O2。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。 (1)基于以上材料，尝试补充完整希尔实验表达式。 O2 H+ H2O 光照、叶绿体 Fe3+ 得电子 Fe2+ 光合作用的探究历程 （2）希尔的实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？ 能。因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。 （3）希尔反应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水？ 不能。该实验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。 （4）如何追踪O的转移？用什么方法？如何设计实验进行探究？ 同位素标记法，用16O的同位素18O 光合作用的探究历程 实验说明： 光合作用释放的O2中的氧元素全部来源于H2O， 而并不来源于CO2 1941年，鲁宾和卡门实验 自变量？ 因变量？ 标记物质(H218O与C18O2) O2的相对分子质量 光合作用的探究历程 1954年，阿尔农: 在光照下，叶绿体可合成ATP； 这一过程总是与水的光解相伴随。 1957年，阿尔农: 结论：叶绿体中水的光解在产生O2的通式生成了ATP。 用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系： + 能量 +2e- 光合作用的探究历程 光反应 (1)场所： (2)物质转化： (3)能量转化： 水的光解： ATP的合成： 光 色素 2H2O O2+ 4H+ + 4e- NADPH的合成： ADP + Pi + 能量 ATP + H2O 酶 NADP+ + H+ + 2e- NADPH 酶 光能 ATP和NADPH中活跃的化学能 类囊体薄膜 (4)条件： 酶、光照、色素、ADP、NADP+、Pi、水等。 注意：不是所有过程都需要酶的催化，色素吸收光能不需要酶的催化。 可见光 吸收 ATP NADPH H2O O2 光解 H+＋2e- 绿叶体中的色素 ADP+Pi NADP+ 光反应产生的ATP只用于叶绿体中C3的还原等叶绿体内的生命活动。 作为暗反应的还原剂；储备部分能量供暗反应利用。 水分解为氧和H+的同时，被叶绿体夺去两个电子。电子经传递，可用于NADP+与H+结合形成NADPH。（P103） 1954年，阿尔农：用离体的叶绿体做实验发现，在黑暗条件下， 若给叶绿体提供CO2、ATP和NADPH，有糖类生成，同时ATP、NADPH和CO2含量急剧下降。 若只提供CO2，不提供ATP和NADPH，则无糖类生成。 结论：叶绿体中的ATP和NADPH能将CO2转化成糖类 光合作用的探究历程 20世纪40年代，卡尔文：实验中将14CO2通入盛有小球藻的玻璃器皿中，给予充足的光照，每隔一定时间取样，并立即杀死小球藻。 用甲醇将化合物提取出来，再通过纸层析法分离光合产物，根据被14C标记的化合物出现时间的先后，推测生化过程。 结论： CO2 C5 C3 C6(糖类) CO2与什么物质结合形成C3? 光合作用的探究历程 卡尔文：通过改变实验条件发现，C5化合物呈现规律性变化： 如果光照下突然中断CO2供应时，C3急剧减少而C5量增加； 当恢复CO2供应时，C3的浓度急速升高，C5的浓度急速降低。 结论： 光合作用的探究历程 多种酶 ADP+Pi C5 2C3 CO2 固定 （CH2O） NADPH ATP 还原 NADP+ CO2的固定： C3的还原: 场所： 叶绿体基质 条件： CO2、NADPH 、ATP、酶 物质变化： 能量变化： (NADPH和ATP中)活跃化学能→有机物中稳定的化学能 暗反应 卡尔文循环 暗反应 PART 2 光合作用的原理 叶绿体 中的色素 可见光 C5 2C3 ADP+Pi ATP H2O O2 H+ 多种酶 酶 (CH2O) CO2 吸收 光解 固定 还原 光反应 暗反应 NADP+ NADPH 光能 → ATP、NADPH中活跃的化学能 →有机物中稳定的化学能 酶 光合作用 叶绿体 中的色素 可见光 C5 2C3 ADP+Pi ATP H2O O2 H+ 多种酶 酶 (CH2O) CO2 吸收 光解 固定 还原 光反应 暗反应 NADP+ NADPH 酶 物质联系： 光反应为暗反应提供？ 暗反应为光反应提供？ 光合作用 3CO2 3C5 6C3 5(磷酸丙糖) NADPH ATP CO2的固定 C3的还原 C5的再生 ATP 磷酸丙糖 葡糖糖 淀粉 (暂时储存) 磷酸丙糖 Pi Pi 蔗糖 Pi Pi 植物各处 筛管运输 去向1 去向2 去向3 磷酸 转运器 6(磷酸丙糖) 三碳糖的去向 植物叶肉细胞光合作用的碳反应、糖与淀粉合成代谢途径如图所示。 图中叶绿体内膜上的磷酸转运转运出1分子三碳糖磷酸的同时转运进1分子Pi(无机磷酸)请据图回答: (1) 淀粉和蔗糖的合成场所分别是____________、____________。 卡尔文循环 三碳糖磷酸 磷酸 转运器 Pi 三碳糖磷酸 Pi 蔗糖 Pi 细胞外 细胞质基质 淀粉 Pi CO2 叶绿体内膜 叶绿体基质 细胞质基质 牛刀小试 (2)若磷酸转运器功能正常，________合成或输出受阻， 则进入叶绿体的 Pi数量减少，使三碳糖磷酸大量积累于_____________中，也导致了光反应中合成_______数量下降，卡尔文循环减速。上述这种三碳糖磷酸对卡尔文循环的调节属于_____________。此时过多的三碳糖磷酸将用于合成___________，以此卡尔文循环运行。 卡尔文循环 三碳糖磷酸 磷酸 转运器 Pi 三碳糖磷酸 Pi 蔗糖 Pi 细胞外 细胞质基质 淀粉 Pi CO2 叶绿体内膜 蔗糖 叶绿体基质 ATP 负反馈调节 淀粉合成 牛刀小试 教材隐性知识：①源于必修1 P104“相关信息”： 光合作用的产物有一部分是_____，还有一部分是蔗糖。 蔗糖可以进入 ，再通过韧皮部运输到植株各处。 淀粉 筛管 光合作用 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。 CO2 + H2O （CH2O）+O2 光能 叶绿体 2.反应式 1.概念 3.实质 合成有机物，储存能量。 将无机物合成有机物，光能转换为有机物中稳定的化学能。 光合作用 （1）制造有机物，为自身及异养生物提供营养物质。 （2）转化并储存太阳的光能，为生命活动提供能量。 （3）为有氧呼吸的生物提供氧气；维持大气中氧气和二氧化碳的平衡， 从而缓解温室效应。 光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。 （4）形成臭氧（O3），吸收紫外线，保护地球生物。 （5）对生物的进化有重要的作用。（为好氧生物的出现提供了氧气） 光合作用 4.意义 1.NADPH和ATP的移动方向是什么？ 从类囊体薄膜到叶绿体基质。 2.NADP+和ADP的移动方向呢？ 从叶绿体基质到类囊体薄膜。 3.水分解为氧和H＋的同时，被叶绿体夺去两个电子。电子经传递，可用 于NADP＋与H＋结合形成NADPH。NADPH的作用是什么？ ①活泼的还原剂；②储存部分能量供暗反应阶段利用。 总之，光反应是暗反应所需物质和能量的准备阶段， 暗反应是光反应的继续，是物质和能量转化的完成阶段。 牛刀小试 1.若有机物为(CH2O)： 2.若有机物为C6H12O6： CO2 + H2O 光能 叶绿体 （CH2O）+ O2 6CO2 + 12H2O 光能 叶绿体 C6H12O6+ 6O2+6H2O 光合作用的元素转移 1.3H的转移： 2.14C的转移： 3.18O的转移： 3H2O (C3H2O ) 光反应 NADPH 暗反应 （14CH2O） 14CO2 CO2的固定 14C3 C3的还原 （CH218O） 18O2 H218O 光反应 C18O2 C3 CO2的固定 C3的还原 必修1 P104“相关信息”： C3是指三碳化合物——3－磷酸甘油酸，C5是指五碳化合物——核酮糖－1,5－二磷酸(RuBP)。 光合作用的元素转移 叶绿体 中的色素 可见光 C5 2C3 ADP+Pi ATP H2O O2 H+ 多种酶 酶 (CH2O) CO2 吸收 光解 固定 还原 NADP+ NADPH CO2浓度不变 NADPH、ATP C3 C5 （CH2O） 光照减弱 光照增强 减少 减少 减少 减少 增加 增加 增加 增加 光合作用的物质含量变化分析 叶绿体 中的色素 可见光 C5 2C3 ADP+Pi ATP H2O O2 H+ 多种酶 酶 (CH2O) CO2 吸收 光解 固定 还原 NADP+ NADPH 光照不变 NADPH、ATP C3 C5 （CH2O） CO2浓度减少 CO2浓度增加 增加 增加 增加 增加 减少 减少 减少 减少 光合作用的物质含量变化分析 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 光合作用的物质含量变化分析 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的合成作用。 例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌。 2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量 2HNO2+O2 2HNO3+能量 6CO2+6H2O 2C6H12O6+ 6O2 能量 硝化细菌： 化能合成作用 项目 光合作用 化能合成作用 区别 能量来源 代表生物 绿色植物 相同点 光能 无机物氧化释放的能量 硝化细菌 都能将CO2和H2O等无机物合成有机物 化能合成作用与光合作用的比较 拓展——光系统及电子传递链 光系统是由蛋白质和叶绿素等光合色素组成的复合物，具有吸收、传递和转化光能的作用，包括光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)。 注:图中虚线表示该生理过程中电子(e-)的传递过程。 拓展——光系统及电子传递链 (1)处于特殊状态的少数叶绿素分子在光能激发下失去高能e-,失去e-的叶绿素分子能够从水分子中夺取e-,使水分解为氧和H+;电子(e-)由水释放出来后,经电子传递链最终传递给NADP+(电子的最终受体)合成NADPH。 （2）电子传递过程是高电势到低电势，因此，电子传递过程中释放能量，质体醌利用这部分能量将质子(H+)逆浓度从类囊体的基质侧泵入囊腔侧，从而建立了质子浓度(电化学)梯度。当然，光系统Ⅱ在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生质子(H+)以及在类囊体的基质侧H+和NADP+形成NADPH的过程，为建立质子浓度(电化学)梯度也有所贡献。 （3）类囊体膜对质子是高度不通透的，因此，类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出,而ATP合成酶利用质子顺浓度流出的能量来合成ATP。 拓展——光系统及电子传递链 根据以上情境素材中的信息，光合作用过程中水的光解发生在____________，反应产物有____________。叶绿素a接受光的照射后被激发，释放高势能的电子，电子的最终供体是______，水的光解造成膜内外质子势能差，而高势能的电子沿电子传递链传递时又促进H＋的转运，进一步加大了质子势能差，导致质子势能差加大的另一个原因是_________________________________ __， NADPH在暗反应中的作用是 __________________________________________。 类囊体腔内 O2、H＋和e－ 水 氧化型辅酶Ⅱ与H＋、e－结合形成还原型辅酶Ⅱ时消耗叶绿体基质中的H＋ 既能为暗反应提供能量，又能为暗反应提供还原剂 牛刀小试 PART 3 探究影响光合作用强度的因素 自变量： 光照强弱 因变量： 光合作用强度 相同时间小圆形叶片浮起的数量 用5W的LED灯作为光源，利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度 控制方法 检测方法 无关变量： 温度、CO2浓度，光照时间等 (1)实验设计 探究环境因素对光合作用强度的影响 打孔器　 注射器　 (2)实验步骤： 取材 器材： 目的： 制备30片圆形小叶片 排气 器材： 目的： 使圆形小叶片中的气体逸出 沉水 条件： 原因： 放在黑暗处 细胞间隙充满了水 分组 取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水、分别放入10片圆形小叶片 光照 分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照 观察记录 同一时间段内各实验 装置中圆形小叶片浮起的数量。 探究环境因素对光合作用强度的影响 1. 在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是（　　　） A. 红光，ATP下降 B. 红光，未被还原的C3上升 C. 绿光，NADPH下降 D. 绿光，C5上升 C 牛刀小试 牛刀小试 谢谢观看 Lavf57.71.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $