第5章 第4节 第2课时 光合作用的原理（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高一生物必修1 分子与细胞学习笔记（人教版 鲁湘辽黑吉专版）

本讲义聚焦高中生物学光合作用的原理核心知识点，通过梳理光合作用的概念、反应式，结合希尔反应、鲁宾-卡门实验、卡尔文实验等探索历程，构建光反应（类囊体薄膜，水的光解、ATP和NADPH合成，光能转化为化学能）和暗反应（叶绿体基质，CO₂固定、C₃还原，化学能转化为有机物化学能）的过程，明确两阶段通过物质和能量紧密联系的学习支架。 该资料以科学史实验为线索，通过“分析实验-建构概念-比较联系”的设计，培养科学思维（如同位素示踪法分析O₂和C的转移）和探究实践（如任务中推导C转移途径），渗透物质与能量观。课中助力教师引导学生理解反应机制，课后通过判断正误、对点练及核心归纳，帮助学生巩固知识、查漏补缺。

第2课时　光合作用的原理 [学习目标]　1.运用物质和能量观说出光合作用过程中物质和能量的变化。2.利用分析与综合的方法，分析光合作用光反应和暗反应过程，认同两个阶段既有区别又有联系。3.通过分析光合作用发现历程，认同科学研究的基本思路和方法。 1．光合作用的概念 2．光合作用的反应式 化学反应式：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。 3．探索光合作用原理的部分实验 (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。 (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。 (3)1937年，英国植物学家希尔(R.Hill)发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O，没有CO2)，在光照下可以释放出氧气。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。 (4)1941年，美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门( M. Kamen)用同位素示踪的方法，证实光合作用释放的氧气中的氧元素来自 H2O。 (5)1954年，美国科学家阿尔农( D. Arnon) 发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与_水的光解相伴随。 4．光合作用的过程 (1)光反应 条件 需要光 反应场所 类囊体薄膜 物质变化 水的光解：H2O→H＋＋O2 NADPH的合成：H＋与NADP＋结合形成NADPH ATP的合成：ADP＋Pi＋光能→ATP 能量变化 光能→_ATP和NADPH中的化学能 (2)暗反应 ①卡尔文探究CO2转变成糖的实验 方法：放射性同位素标记法。 过程：用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向。 ②暗反应过程 条件 不直接依赖光 反应场所 叶绿体基质 物质变化 CO2的固定：C5＋CO22C3 C3还原： C3接受ATP和NADPH释放的能量，且被NADPH还原，生成糖类和C5 能量变化 ATP和NADPH_中的化学能→有机物中的化学能 (3)光反应与暗反应之间的联系 光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP＋。 判断正误 (1)光合作用过程中，能量的转化是光能→ATP和NADPH中的化学能→有机物中的化学能(　　) (2)光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜(　　) (3)光合作用的光反应发生在叶绿体内膜上(　　) (4)淀粉和蔗糖都是光合作用的产物(　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)√ 提示　(2)光反应为暗反应提供ATP、NADPH，ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质。(3)光合作用的光反应发生在类囊体薄膜上。 任务：分析光合作用原理的探索实验 1．建构概念——光反应 资料1　1937年，英国植物学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O，没有CO2)，在光照下可以释放出O2。 (1)根据资料1，尝试补充完整希尔的实验表达式。 提示　如图所示 (2)希尔实验可以证明O2来自H2O，能否确定O2全部来自H2O？并说明理由。 提示　不能确定O2全部来自H2O，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O元素的转移。 (3)希尔实验中并没有检测到糖的生成。若向悬浮液中通入CO2，在光照条件下就能检测到糖的生成。这说明光合作用生成氧气和生成糖是两个相对独立的过程。 资料2　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O2的来源。他们用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2，然后进行了两组实验： (4)实验结果：A为O2，B为18O2；实验结论：该实验可以证明光合作用产生的O2全部来自H2O。 资料3　1954年，美国科学家阿尔农等用游离的叶绿体做实验。在给叶绿体光照时发现，当向反应体系供给ADP、Pi时，体系中就会有ATP的产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。 (5)实验结论：光照条件下，水光解的同时，ADP和Pi合成ATP。 2．建构概念——暗反应 资料1　光合作用的产物除了O2，还有糖类等有机物。20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻作实验材料，利用同位素示踪法追踪了CO2中C的转移路径。实验处理为光照、提供14CO2；不同时间(几十秒内、几秒内、1秒以内)把小球藻放入煮沸的酒精中，立刻杀死小球藻再用纸层析分离，最后鉴定放射性物质，结果为： ①向反应体系中充入一定量的14CO2，光照30秒后检测产物，14C分布于多种化合物中，有C3、C5、C6等化合物。 ②在光照5秒后，卡尔文检测到含有放射性的五碳化合物(C5)和六碳糖(C6)。 ③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。 (1)请据上述结果大致描述出CO2转化成有机物的过程中C的转移途径。 提示　如图所示 资料2　1954年，美国科学家阿尔农的离体叶绿体实验过程及结果如下： 组别 条件 过程 现象 1 黑暗 提供CO2、NADPH、ATP 产生(CH2O) 2 黑暗 提供CO2，不提供NADPH、ATP 不产生(CH2O) 3 光照 提供CO2，不提供NADPH、ATP 产生(CH2O) (2)实验结论：CO2转化成(CH2O)需要光反应提供的ATP和NADPH。 3．列表比较光反应与暗反应之间的区别和联系 比较项目 光反应阶段 暗反应阶段 区 别 反应场所 叶绿体的类囊体薄膜上 叶绿体的基质中 反应速度 较快 较缓慢 与光的 关系 必须在光下进行 不需要叶绿素，不直接依赖光，需要多种酶 物质变化 ①水的光解：H2O2H＋＋O2＋2e－ ②NADPH的合成：NADP＋＋H＋＋2e－NADPH ③ATP的合成：ADP＋Pi＋能量ATP ①CO2的固定：CO2＋C52C3 ②C3的还原：2C3 C5＋(CH2O) ③ATP的水解：ATPADP＋Pi＋能量 ④NADPH的分解：NADPHNADP＋＋H＋＋2e－ 能量变化 光能→ATP和NADPH中的化学能 ATP和NADPH中的化学能→糖类等有机物中的化学能 联系 ①两个反应阶段相辅相成，密切联系：光反应是暗反应的基础，光反应为暗反应提供NADPH和ATP；暗反应推动光反应，暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP＋；②没有光反应，暗反应因缺乏NADPH和ATP而无法进行；暗反应受阻，光反应因产物积累也不能正常进行。可见，二者相互制约 核心归纳　 1．光反应的过程 如图为放大的类囊体薄膜结构的模式图。PS Ⅱ和PS Ⅰ 是色素和一些蛋白形成的色素复合体，上面的色素可以吸收光能，分解水产生氧气、氢离子和电子，有的膜蛋白用来传递氢离子，造成膜两侧氢离子具有浓度差；有的膜蛋白传递电子给NADP＋，在某种膜蛋白的催化下合成NADPH；还有的膜蛋白是ATP合成酶，利用膜两侧的氢离子浓度差催化合成ATP。同时，光能转变成的化学能就储存在了ATP和NADPH中。 2．环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 (1)来源—去路法分析物质含量的变化 如图中 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，分析在短时间内相关物质含量的变化： (2)“模型法”表示C3和C5的含量变化，起始值C3高于C5(约是其2倍) (3)光合作用过程中相关物质的变化规律 1．(2025·娄底高一月考)下列关于光合作用探究历程中几位科学家的研究方法及结论的叙述，错误的是(　　) A．希尔利用离体叶绿体和氧化剂证明光合作用中氧气的产生和糖类的合成是同一个反应 B．恩格尔曼利用水绵和需氧细菌直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧 C．鲁宾和卡门利用同位素示踪法证明光合作用产生的氧气中氧元素全部来自水 D．卡尔文用14C标记CO2发现小球藻的光合作用中碳原子的转移途径为CO2→C3→糖类 答案　A 解析　希尔反应是在离体叶绿体的悬浮液(有H2O、无CO2)中加入铁盐或其他氧化剂，在光照下放氧的化学反应，悬浮液中没有合成糖类所必需的原料，A错误。 2．如图是光合作用过程的图解，其中A～G代表物质，a、b、c代表生理过程。下列相关叙述错误的是(　　) A．图中a过程发生在类囊体薄膜上 B．若光照突然停止，短时间内叶绿体中F的含量会增加 C．c过程是CO2固定，发生在叶绿体基质中 D．E接受C和 NADPH释放的能量并被NADPH还原 答案　B 解析　F为C5，若光照突然停止，光反应停止，ATP和NADPH减少，C3的还原减弱，形成的C5减少，CO2量不变，CO2固定过程消耗的C5不变，短时间内叶绿体中C5的含量会减少，B错误。 　　　　 课时对点练 [分值：100分] 第1～6题，每题5分；第7～12题，每题6分，共66分。 题组一　探索光合作用原理的部分实验 1．(2024·沈阳高一期末)下列关于探究光合作用原理实验的叙述，错误的是(　　) A．恩格尔曼利用水绵和需氧细菌为材料，证明光合作用的场所是叶绿体 B．希尔证明离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气 C．鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2，证明光合作用产生的氧来自水 D．美国科学家阿尔农发现光合作用中水的光解伴随着ATP的消耗 答案　D 解析　阿尔农发现在光照下，叶绿体可以合成ATP，且这一过程总是与水的光解相伴随，D错误。 题点　探索光合作用原理的部分实验 2．1937年，植物学家希尔将叶绿体分离后置于试管中，加入1%的DCPIP(DCPIP是一种可以接受氢的化合物，被氧化时是蓝色的，被还原时是无色的)后，将试管置于光下，发现溶液由蓝色变成无色并放出O2，以上实验证明了(　　) A．希尔实验说明植物产生的O2中的氧元素全部来自水 B．光合作用过程中能产生还原剂和O2 C．光合作用的光反应在类囊体上进行 D．希尔反应证明了水的光解与糖的合成是同一个化学反应 答案　B 解析　本实验无法判断光合作用产生的O2的来源，A不符合题意；溶液由蓝色变成无色，说明产物中有还原剂，并放出O2，故说明光合作用过程中能产生还原剂和O2，B符合题意；本实验不能判断光合作用的光反应和暗反应的场所，C不符合题意；希尔反应中有H2O，没有CO2，光照条件下也可以释放出O2，说明水的光解和糖的合成不是同一个化学反应，D不符合题意。 题点　探索光合作用原理的部分实验 题组二　光合作用的原理 3．在高等植物光合作用的暗反应中，催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco。下列相关叙述正确的是(　　) A．Rubisco存在于叶绿体基粒片层上 B．Rubisco催化C5和CO2结合 C．Rubisco需要在黑暗条件下发挥作用 D．Rubisco催化反应消耗ATP 答案　B 解析　催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco，该过程发生在叶绿体基质中，据此可推测，该酶存在于叶绿体基质中，A错误； CO2固定在有光、无光条件下都可以进行，所以Rubisco不需要在黑暗条件下发挥作用，C错误；Rubisco催化CO2固定不消耗能量，所以不需要ATP，D错误。 题点　光合作用的过程 4．下列关于光合作用的叙述，正确的是(　　) A．光反应离不开光合色素的作用 B．暗反应必须在黑暗的条件下进行 C．光反应为暗反应提供NADPH、ATP和二氧化碳 D．暗反应的产物是氧气和有机物 答案　A 解析　光反应为暗反应提供NADPH、ATP，不提供二氧化碳，C错误；暗反应的产物没有氧气，D错误。 题点　光合作用的过程 5．(2024·包头高一期中)如图为植物细胞光合作用过程的图解，下列相关叙述错误的是(　　) A．图中A物质包含叶绿素和类胡萝卜素，具有吸收光能的作用 B．给小球藻提供14CO2,14C的转移途径是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O) C．图中C的运动方向，是从叶绿体的基粒到叶绿体基质 D．图中F过程将储存在ATP和NADPH中的化学能转化为有机物中的化学能 答案　B 解析　14C原子的转移途径是14CO2→14C3→(14CH2O)，B错误。 题点　光合作用的过程 6．(2025·大庆高一期中)一般情况下光照增强，绿色植物的光合作用增强。但是在光照最强的夏季中午，由于气孔关闭，CO2进入叶肉细胞减少，绿色植物的光合作用不但不继续增强，反而下降，这是因为(　　) A．水光解后产生的NADPH数量不足 B．叶绿体利用光能合成的ATP数量不足 C．供给光反应光解的水数量不足 D．暗反应生成的C3化合物数量不足 答案　D 解析　夏季中午，蒸腾作用强，气孔关闭，CO2不能进入细胞间隙，形成的C3化合物少，影响暗反应，D符合题意。 题点　条件骤变后光合作用相关物质变化的规律 7．CO2供应不足最终可影响到绿色植物释放O2减少，下列叙述中最直接的原因是(　　) A．CO2供应不足使固定形成的C3减少 B．C3还原所消耗的ATP和NADPH减少 C．ATP和NADPH减少使光反应分解水减少 D．ADP、Pi、NADP＋减少使光反应分解水减少 答案　D 解析　根据光合作用过程可知，CO2供应不足，C3减少，光反应积累的NADPH和ATP的量相对增多，细胞中ADP、Pi、NADP＋相应地减少，光反应能力下降，分解水减少，释放O2减少，D符合题意。 题点　条件骤变后光合作用相关物质变化的规律 8．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，ADP增多 B．红光，C3增多 C．绿光，NADPH增多 D．绿光，C5减少 答案　D 解析　叶绿体中的色素主要吸收利用红光和蓝紫光，若由白光突然改用光照强度相同的红光，光反应增强，产生NADPH和ATP的速率加快，消耗的ADP增多，ADP减少，C3还原加快，因此未被还原的C3减少，A、B错误；若突然改用光照强度与白光相同的绿光，光反应减弱，产生NADPH和ATP的速率减慢，C3还原减慢，生成的C5减少，而二氧化碳固定速率暂时不变，因此C5含量减少，C错误，D正确。 题点　条件骤变后光合作用相关物质变化的规律 9．(2025·枣庄高一检测)在光合作用的探究历程中，人们利用离体的叶绿体进行实验，逐渐探明了水的光解和NADPH的产生过程，如图所示(e－为负电子)。下列分析正确的是(　　) A．完成过程①需要叶绿体色素，有无光照都可进行 B．过程②发生在类囊体薄膜上并存在能量的转换 C．NADPH进入叶绿体基质并参与合成C3的反应 D．自养生物细胞的过程①②均发生在叶绿体中 答案　B 解析　过程①是水在光下分解，需要叶绿体中的色素分子吸收的光能，故此过程必须在光照环境下才能发生，A错误；过程②表示NADPH的形成，发生在类囊体薄膜上，同时此过程把光能转化成化学能储存在NADPH中，B正确；暗反应过程中，NADPH进入叶绿体基质并参与C3的还原反应，C错误；过程①②不一定在叶绿体中进行，如自养生物蓝细菌为原核生物并没有叶绿体，也能发生过程①②，D错误。 题点　光合作用的过程 10．(不定项)植物学家希尔发现将离体叶绿体悬浮液(含H2O，不含CO2)与黄色的铁盐(Fe3＋作为氧化剂)混合，照光后发现叶绿体有气泡放出，溶液由黄色变成浅绿色(Fe2＋)。下列叙述正确的是(　　) A．实验说明没有CO2，叶绿体也可以进行光合作用 B．气泡中的物质可在线粒体内膜与NADH结合产生H2O C．本实验证明“光合作用中C与H2O结合生成甲醛，进而生成(CH2O)”是错误的 D．遮光条件下重复上述实验也有气泡产生 答案　BC 解析　没有CO2，离体叶绿体只是进行了光反应，不能进行完整的光合作用产生有机物，A错误；气泡中的物质为O2，可在线粒体内膜与NADH结合产生H2O，B正确；希尔反应说明了水的光解和糖的合成是两个相对独立的过程，所以说可以证明“光合作用中C与H2O结合生成甲醛，进而生成(CH2O)”是错误的，C正确；遮光条件下不能进行光反应，不能产生气泡，D错误。 题点　探索光合作用原理的部分实验 11．(不定项)(2024·聊城高一期末)拟南芥的叶肉细胞中，含有的PSⅡ和PSⅠ是由蛋白质和光合色素组成的复合物，具有吸收、传递、转化光能的作用。下列叙述正确的是(　　) A．PSⅡ中的色素吸收光能后，可将H2O分解为O2和H＋，产生的电子传递给PSⅠ用于NADP＋和H＋结合形成NADPH的过程 B．在ATP合成酶的作用下，H＋逆浓度梯度转运提供能量，促进ADP和Pi合成ATP C．光反应过程实现了能量由光能转换为ATP和NADPH中化学能的过程 D．自然界中能发生光合作用的生物，不一定具备PSⅡ和PSⅠ 答案　ACD 解析　据题图可知，在ATP合成酶的作用下，H＋顺浓度梯度转运提供的势能促进ADP和Pi合成ATP，B错误；自然界中能发生光合作用的生物不一定具备PSⅡ和PSⅠ，但一定含有光合色素，D正确。 题点　光合作用的过程 12．(不定项)(2025·郴州高一阶段检测)磷酸转运器是叶绿体膜上的重要蛋白质，磷酸转运器发挥作用的过程如图所示，a～d表示物质。下列叙述正确的是(　　) A．叶绿体膜含有4层磷脂分子层，其上含有光合色素 B．CO2形成磷酸丙糖过程与光反应无关，其场所是叶绿体基质 C．若光照强度突然减弱，则短时间内物质d的相对含量将增加 D．若磷酸转运器的活性受抑制，则转运进叶绿体内的磷酸将减少 答案　D 解析　叶绿体是双层膜细胞器，其含有4层磷脂分子层，光合色素分布于类囊体薄膜上，A错误；CO2形成磷酸丙糖的过程需要光反应的产物，其场所是叶绿体基质，B错误；若光照强度突然减弱，光反应产物减少，物质d(C5)的来源减少，去路不变，则短时间内物质d的相对含量将减少，C错误；磷酸转运器可将磷酸转运进叶绿体，将磷酸丙糖转运出叶绿体，若活性受抑制，则转运进叶绿体内的磷酸将减少，D正确。 题点　光合作用的过程 13．(22分)如图是光合作用过程的图解。请据图回答下列问题： (1)图中Ⅰ和Ⅱ分别表示光合作用过程的__________和__________阶段，发生的场所分别是________________________________________________________________________ ________、__________；光合作用过程中能量的转化过程是由__________转化为__________________________，再转化为_________________________________________。 (2)图中①③代表的物质分别是____________________________________________________。 (3)图中B过程表示C3的_________________________________________________。 若光照突然停止，则短时间内叶绿体中C3的含量会__________。 (4)夏季晴朗的白天12时左右，由于叶片气孔导度减小，图中__________过程首先受到影响，导致光合作用强度减弱。 答案　(1)光反应　暗反应　类囊体薄膜　叶绿体基质　光能　ATP、NADPH中的化学能　有机物中的化学能　(2)O2、ATP　(3)还原　增加　(4)Ⅱ(或A) 题点　光合作用的过程 14．(12分)(2025·丹东高一期末)PSⅠ和PSⅡ是蛋白质、光合色素组成的复合体，是植物光合作用光反应的反应中心。当植物吸收的光能超过光合作用利用量时，过多光能会破坏光反应的反应中心，导致光合速率下降，该现象被称为光抑制。回答下列问题： (1)PSⅠ和PSⅡ位于叶绿体________________(具体场所)上。PSⅡ上的光合色素吸收的光能将H2O分解为H＋、O2 和e－，e－携带电能通过电子传递链传递到PSⅠ，用于__________与H＋结合形成NADPH。光反应产生的NADPH为暗反应提供______________。 (2)在强光照射下，过剩的光能导致植物产生活性氧，活性氧的过度积累是导致光抑制的重要原因。现探究一定浓度的褪黑素对强光照射下植物体内部分生理指标的影响，结果如表。 项目 SOD的活性 电子传递链传递速率 叶绿素相对含量 a.正常光照 40 3.4 61.3 b.强光 62 1.1 39.4 c.强光＋褪黑素 74 2.7 50.3 注：SOD可催化活性氧转化成氧气和过氧化氢。 ①分析a、b两组，可得出的结论是：强光照射下活性氧过度积累导致________________、____________________________，从而导致光反应速率降低，出现光抑制。 ②根据上述的实验结果，分析褪黑素缓解强光条件下光抑制的机理是_____________，避免活性氧过度积累，缓解光抑制。 答案　(1)类囊体薄膜　NADP＋　能量和还原剂　(2)①叶绿素含量降低　电子传递链传递速率下降 ②增强SOD的活性，促进活性氧转化 题点　光合作用的过程 学科网（北京）股份有限公司 $