第4单元 第12课时 探究光合作用的经典实验及光合作用的原理(教师用书Word)-【高考领航】2027年高考生物大一轮复习学案

该高中生物学高考复习讲义聚焦光合作用经典实验及原理核心考点，涵盖光反应与暗反应过程、元素转移途径及碳中和作用，按“实验探索—原理剖析—应用拓展”逻辑组织知识点。通过考点梳理、方法指导（如同位素标记法应用）和真题训练（2025年多省高考题），帮助学生构建完整知识体系，突破难点。 资料以科学思维和探究实践为导向，设计实验分析（如鲁宾和卡门实验辨析）和过程建模（光暗反应关系图解）活动，结合分层练习（模拟题与高考题）即时反馈。通过“过程法”分析环境变化对物质含量影响，提升学生解题能力，为教师精准把控复习节奏提供有力支持。

第12课时　探究光合作用的经典实验及光合作用的原理 课标 要求 说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。 特别说明：在最新课标学业要求新增“解释光合作用在碳中和方面的重要作用”。 考情 分析 考点 考题统计 考频等级 光合作用的原理 2025·山东卷，16；2025·江苏卷，21；2025·黑吉辽内蒙古卷，21；2025·山东卷，21；2025·陕晋宁青卷，17；2025·广东卷，18；2024·湖南卷，17；2023·湖南卷，17 高频 考点一　探究光合作用原理的经典实验分析 问题 什么是光合作用？科学家是怎样设计实验探索光合作用原理的？ 1.光合作用的概念及反应式 2．探索光合作用原理的部分实验 提醒：①希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应，原因是水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的，没有碳参与反应，而糖的合成需要碳的参与。②鲁宾和卡门的实验以及卡尔文的实验都用到了同位素标记法。③同位素标记法中使用的同位素不都具有放射性，如18O就没有放射性，不能检测其放射性；而14C有放射性，可被追踪检测。 考向　光合作用原理的探索 1．(2026·广东珠海模拟)希尔反应是指离体的叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气，同时将加入的氧化剂还原的过程。氧化剂2，6-二氯酚靛酚是一种蓝色染料，被还原后变为无色。下列说法正确的是(　　) A．获得离体的叶绿体可用密度梯度离心的方法 B．希尔反应发生的具体场所是叶绿体的基质 C．实验室模拟希尔反应需要在适宜的光照条件下进行 D．叶绿体悬浮液加入2，6-二氯酚靛酚反应后，溶液由蓝色变无色 解析：C　获得离体的叶绿体可用差速离心法，A错误；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为希尔反应，希尔反应发生的具体场所是叶绿体类囊体薄膜，B错误；在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂，在光照下可以释放出氧气，因此实验室模拟希尔反应需要在适宜的光照条件下进行，C正确；叶绿体悬浮液在光照条件下，产生还原剂，再加入2，6-二氯酚靛酚反应后，溶液才能由蓝色变无色，D错误。 2．(2026·湖南张家界模拟)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，实验部分过程及结果如图所示。下列叙述正确的是(　　) A．18O具有放射性，是不稳定的同位素，可用于示踪物质运行和变化规律 B．另一组实验及结果图应为：将H218O换成H2O，CO2换成C18O2，其余不变 C．该实验的预期结论是光合作用产生的O2中的氧全部来自水 D．实验中小球藻的细胞内含有藻蓝素和叶绿素，没有完整的叶绿体 解析：C　18O不具有放射性，是稳定的同位素，A错误；另一组实验及结果图应为：将H218O换成H2O，CO2换成C18O2，18O2换成O2，其余不变，B错误；小球藻是真核生物，不同于蓝细菌，具有完整的叶绿体，含有叶绿素和类胡萝卜素，D错误。 考点二　光合作用的原理 问题1 光合作用是怎样进行的？光反应和暗反应有怎样的区别和联系？ 1.光合作用过程图解 [细节拾遗]　(1)(必修1 P103相关信息)水分解为氧和H＋的同时，被叶绿素夺去两个电子。电子经传递，可用于NADP＋与H＋结合形成NADPH。NADPH的中文名称叫还原型辅酶Ⅱ，其作用是NADPH作为活泼的还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，同时也储存部分能量供暗反应阶段利用。 (2)(必修1 P104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。 2．比较光反应与暗反应 3．元素的转移途径 (1)H：3H2ONADPH (C3H2O)。 (2)C：14CO214C3(14CH2O)。 (3)O：H218O18O； C18O2C3(CH218O)。 问题2 化能合成作用与光合作用有哪些异同点？ [诊断辨析] (1)鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物是淀粉。(必修1 P102思考·讨论)(×) 提示：鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物——氧气中的氧来自水。 (2)高温使作物叶绿素降解，光反应生成的NADH和ATP减少。(2023·湖北卷)(×) 提示：光反应中生成NADPH。 (3)离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后，在合适的条件下可完成暗反应过程。(必修1 P103图5－14)(√) (4)光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。(必修1 P104正文)(√) 光反应的机理及暗反应的实验分析 1．类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析，回答相关问题： (1)在光能的驱动下产生的电子是怎样通过有序传递完成能量转换的？ 提示：先是由光能转化为电能，再由电能转化为NADPH和ATP中的化学能。 (2)光反应产生的ATP仅用于暗反应吗？ 提示：由图可知，产生的ATP可用于暗反应以及核酸代谢，色素合成等其他消耗能量的反应。 (3)水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，最少要穿过几层膜？判断的依据是什么？ 提示：5层。水光解产生O2的场所是叶绿体的类囊体膜的内侧，若被有氧呼吸利用，氧气在线粒体内膜上被利用，氧气从叶绿体类囊体膜开始，再穿过叶绿体2层膜，然后进入同一细胞中的线粒体，穿过线粒体的2层膜，所以至少要穿过5层膜。 2．某实验小组在适宜温度和光照强度下向小球藻(真核生物)培养液中通入一定量的14CO2后，在不同时间点取出一定量的小球藻，分析其所含放射性物质种类，结果如下表所示。 取样时间点 放射性物质种类 第2 s 大量3-磷酸甘油酸(C3) 第15 s 磷酸化糖类 第50 s 除上述磷酸化糖类外，还有氨基酸等 (1)小球藻合成C3的过程是否需要NADPH的参与？ 提示：小球藻合成C3的过程是二氧化碳的固定，该过程不需要NADPH的参与。 (2)提高温度，可能10 s内会检测到多种放射性磷酸化糖类吗？说明理由。 提示：不可能。本实验在最适温度下进行，若提高温度，则检测到多种放射性磷酸化糖类的时间可能会大于15 s。 (3)提高CO2浓度，获得放射性氨基酸的间隔时间可能缩短吗？为什么？ 提示：可能。提高CO2浓度，暗反应加快，获得放射性氨基酸的间隔时间可能缩短。 (4)本实验的目的是探究暗反应阶段CO2中碳元素的转移途径。 考向1　光反应的机理及光合产物合成与运输机制原理 1．(2026·海南海口模拟)绿色植物进行光合作用的光反应过程如图所示，其中PSⅠ和PSⅡ是吸收、传递、转化光能的光系统，e－表示电子。下列叙述错误的是(　　) A．PSⅠ和PSⅡ可吸收、传递、转化光能的原因是其中含有光合色素 B．图示过程发生在叶绿体中，可进行光合作用的细胞都含有叶绿体 C．光反应产生的O2可以被自身细胞或其他细胞在线粒体内膜上利用 D．图中ATP合酶具有催化和运输功能，产生的ATP可用于C3的还原 解析：B　光合色素能吸收、传递和转化光能，PSⅠ和PSⅡ含有光合色素，所以具有这些作用，A正确；光反应在叶绿体类囊体薄膜上进行，但蓝细菌无叶绿体也能进行光合作用，B错误；光反应产生的O2可被自身或其他细胞线粒体利用(有氧呼吸第三阶段利用氧气，发生在线粒体内膜)，C正确；ATP合酶催化ATP合成，还运输H＋，光反应产生的ATP用于暗反应C3的还原，D正确。 2．磷酸丙糖不仅是光合作用中最先产生的糖，也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。如图为某植物光合作用产物的合成与运输示意图。下列相关说法正确的是(　　) A．a可表示的物质是ATP，它也可以在叶绿体基质中合成 B．叶绿体基质中的CO2能直接被NADPH还原 C．磷酸丙糖是暗反应产物，在细胞质基质中合成淀粉 D．若图中磷酸转运器活性受抑制，会导致光合速率下降 解析：D　图中a是光反应，为暗反应提供的物质是NADPH和ATP，在叶绿体类囊体薄膜上合成，A错误；叶绿体基质中的CO2先与C5结合，形成C3，再被NADPH还原，B错误；磷酸丙糖合成淀粉的过程是在叶绿体基质中进行的，C错误；磷酸转运器活性受抑制，不能将磷酸丙糖运出叶绿体和将磷酸运入叶绿体，造成叶绿体中光合作用产生积累和缺少磷酸，导致光合速率下降，D正确。 考向2　光合作用中光反应和暗反应的关系 3．(2026·山东菏泽质检)科研人员对绿色植物光暗转换过程中的适应机制进行研究。测定绿色植物由黑暗到光照的过程中CO2吸收速率(μmol·m-2·s-1)和光反应相对速率(μmol·m-2·s-1)的变化，结果如图。下列叙述正确的是(　　) A．黑暗时植物的CO2吸收速率为－0.1 μmol·m-2·s-1，与线粒体内膜产生CO2有关 B．由黑暗转变为光照条件后，叶肉细胞中NADPH和ATP的量会一直增加 C．光照0～0.5 min光反应相对速率下降，与暗反应激活延迟造成NADPH和ATP积累有关 D．光照2 min后，光反应和暗反应速率均稳定，暗反应速率大于光反应速率 解析：C　黑暗时植株的CO2吸收速率为－0.1 μmol·m-2·s-1，说明植株的呼吸速率为0.1 μmol·m-2·s-1，与线粒体基质中产生CO2有关，A错误；光反应为暗反应提供NADPH和ATP，正常情况下如果0～0.5 min暗反应被激活，CO2吸收速率会增加，而图中0～0.5 min光反应相对速率下降，CO2吸收速率变化不显著，说明暗反应未被立即激活，出现该现象的原因是暗反应激活延迟，造成光反应产生的NADPH和ATP积累，导致光反应被抑制，后续暗反应被激活，光反应产生的NADPH和ATP会被消耗，故叶肉细胞中NADPH和ATP的量不会一直增加，B错误，C正确；光照2 min后，光反应和暗反应速率均稳定，暗反应速率与光反应速率基本相同，D错误。 4．(2026·河北石家庄调研)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化，下列说法正确的是(　　) A．突然中断CO2供应，会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值减小 B．突然中断CO2供应，会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大 C．突然将红光改变为绿光，会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小 D．突然将绿光改变为红光，会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小 解析：B　突然中断CO2供应，导致CO2的固定速率降低，叶绿体中C5含量增加、C3含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值增大，同时C3的还原速率降低，ATP和NADPH消耗减少，进而使ATP和NADPH含量增多，所以暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大，A错误，B正确；突然将红光改变为绿光后，光能利用率降低，ATP和NADPH含量减少，进而使C3含量增加、C5含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值增大，C错误；突然将绿光改变为红光后，光能利用率提高，ATP和NADPH含量增加，叶绿体基质中ATP/ADP的值暂时增大，D错误。 [题后归纳]　“过程法”分析环境改变时光合作用各物质变化的方法 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： 考向3　光合作用在碳中和中的作用 5．(2026·北京东城期末)我国科学家打破光合作用的壁垒，在无细胞系统中，利用二氧化碳和电解产生的氢气，直接人工合成淀粉，且合成速率远高于玉米淀粉合成速率，对实现碳中和意义重大。关于人工合成淀粉的过程，下列叙述错误的是(　　) A．在叶绿体中进行 B．需要二氧化碳作为原料 C．需额外输入能量 D．有助于缓解全球粮食危机 解析：A　人工合成淀粉的过程在无细胞系统中进行，而叶绿体是植物细胞内的结构，题干明确指出该系统无细胞结构，因此该过程不可能在叶绿体中进行，A错误；由题意可知，是 “利用二氧化碳和电解产生的氢气，直接人工合成淀粉”，所以需要二氧化碳作为原料，B正确；电解氢气需要外部能量输入(如电能)，而自然光合作用通过光反应提供能量，人工系统需额外输入能量，C正确；人工合成淀粉的高效率可减少对农作物的依赖，对粮食危机有缓解作用，D正确。 6．(2026·吉林长春模拟)充分利用植物的光合作用对尽早实现我国政府提出的碳中和目标具有重大意义。研究发现某些藻类细胞中无机碳含量高出胞外500倍以上，光合作用主要通过胞内碳酸酐酶(CA)分解获得CO2，而几乎不能被这些藻类细胞利用。关于不同pH(7.0～10.0) 对光合作用的影响，下列推测不正确的是(　　) A．藻类细胞可通过主动运输方式吸收 B．pH可改变CA的活性，进而对光合作用造成影响 C．pH可改变的供应量，进行影响暗反应速率 D．pH只影响藻类暗反应速率，不影响光反应速率 解析：D　根据题干分析，藻类细胞中无机碳含量高出胞外500倍以上，则藻类细胞吸收的供应量，进行影响暗反应速率，C正确；pH会影响酶的活性，藻类的光反应也需要酶的参与，pH也会影响光反应速率，D错误。 角度1　考查光合作用光反应的过程 1．(2025·江苏卷，21)科研人员从植物叶绿体中分离类囊体，构建含类囊体的人工细胞，并探究光照等因素对人工细胞功能的影响。请回答下列问题： (1)细胞破碎后，在适宜温度下用低渗溶液处理，涨破____________膜，获得类囊体悬液。经离心分离获得类囊体，为保持其活性，需加入____________溶液重新悬浮，并保存备用。 (2)类囊体浓度用单位体积类囊体悬液中叶绿素的含量表示。吸取5 μL类囊体悬液溶于995 μL的____________溶液中，混匀后，测定出叶绿素浓度为3 μg/mL，则类囊体的浓度为____________μg/mL。 (3)为检测类囊体活性，实验前需对类囊体进行多次洗涤，目的是消除类囊体悬液中原有光反应产物对后续实验结果的影响，这些产物主要有____________________________。 (4)已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。图示具有光反应活性的人工细胞，在适宜光照下，荧光强度______________(填“变强”“不变”或“变弱”)，说明类囊体膜具有的功能有__________________。 (5)在光反应研究的基础上，利用人工细胞开展类似碳反应生成糖类的实验研究，理论上还需要的物质有__________________。 解析：(1)类囊体位于叶绿体中，故细胞破碎后，还需要在低渗溶液中涨破叶绿体膜，获得类囊体，为保持其活性，需加入等渗溶液重新悬浮，并保存备用。(2)根据叶绿素能溶于无水乙醇等有机溶剂的特点，可将5 μL类囊体悬液溶于995 μL的乙醇(或丙酮)溶液中。由于1 mL＝1000 μL，5 μL的类囊体悬液中含有叶绿素3 μg，则1 μL的类囊体悬液中含有叶绿素3÷5＝0.6(μg)，类囊体的浓度为0.6 μg/μL＝600(μg/mL)。(3)类囊体膜是光合作用中光反应的场所，类囊体薄膜上可发生水的分解，产生氧气、合成NADPH和ATP，其中NADPH、ATP可能对后续实验产生影响。(4)已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。图示具有光反应活性的人工细胞，类囊体膜上分布着光合色素(如叶绿素)，在适宜光照下，这些色素能够捕捉光能并将其转化为化学能。在类囊体膜上分解水分子，产生氧气、质子(H＋)和电子，其中氧气释放到胞外，质子被运出类囊体腔，pH降低，荧光强度变弱。(5)在光反应研究的基础上，利用人工细胞开展类似碳反应(即暗反应)生成糖类的实验研究，理论上还需要提供碳反应所需的多种酶以及C5、CO2。 答案：(1)叶绿体　等渗　(2)乙醇(或丙酮)　600　(3)NADPH、ATP　(4)变弱　使水分子分解产生H＋；转运H＋　(5)碳反应相关的酶、C5、CO2 角度2　考查光合作用暗反应的过程 2．[(2025·黑吉辽内蒙古卷，21)链接必修1 P104正文]Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶。科研人员将Rubisco基因转入某作物的野生型(WT)获得该酶含量增加的转基因品系(S)，并做了相关研究。实验结果表明，这一改良提高了该作物的光合速率(如下图)和产量潜力。回答下列问题： 注：光照强度在曲线②和③中为n，在曲线①中为n×120%。 (1)Rubisco在叶绿体的____________中催化____________与CO2结合。部分产物经过一系列反应形成(CH2O)，这一过程中能量转换是________________________。 (2)据图分析，当胞间CO2浓度高于B点时，曲线②与③重合是由于____________不足。A点之前曲线①和②重合的最主要限制因素是________________________________。胞间CO2浓度为300 μmol·mol-1时，曲线①比②的光合速率高的具体原因是______________________。 (3)研究发现，在饱和光照和适宜CO2浓度条件下，S植株固定CO2生成C3的速率比WT更快。使用同位素标记的方法设计实验直接加以验证，简要写出实验思路。 解析：(1)Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶，因此Rubisco在叶绿体的基质中催化C5与CO2结合生成C3。暗反应过程中的能量转换是ATP和NADPH中活跃的化学能转换为有机物中稳定的化学能。(2)当胞间CO2浓度高于B点时，曲线②与③重合且趋于稳定，限制因素为光照强度。A点之前，胞间CO2浓度较低，即使补光，也不能使作物的光合速率提高，因此最主要限制因素是胞间CO2浓度。胞间CO2浓度为300 μmol·mol-1时，曲线①与②不同的条件为光照强度，因此曲线①光合速率高的具体原因是与曲线②相比，曲线①条件下光照强度更强，光反应产生的ATP和NADPH更多，促进暗反应合成更多的有机物，因此曲线①的光合速率高于曲线②。(3)可通过检测单位时间内14C3的放射性强度变化，比较S植株和WT植株生成14C3的速率，实验思路见答案。 答案：(1)基质　C5　ATP和NADPH中活跃的化学能转换为有机物中稳定的化学能　(2)光照强度　胞间CO2浓度　与曲线②相比，曲线①条件下光照强度更强，光反应产生的ATP和NADPH更多，促进暗反应合成更多的有机物，因此曲线①的光合速率高于曲线②　(3)分别给S植株和WT植株提供适宜浓度的14CO2，在饱和光照条件下培养，其他条件相同且适宜，相同时间后，分别检测14C3的放射性强度，比较S植株和WT植株生成14C3的速率。 学科网（北京）股份有限公司 $