5.4.1光合作用与能量转化课件-2026-2027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与能量转化，涵盖色素提取分离、叶绿体结构功能、光反应与暗反应等核心知识。课堂通过植物工厂人工光源等问题探讨导入，引导学生从影响因素过渡到色素实验，再到吸收光谱、叶绿体结构，最终学习光合作用过程及探索实验，搭建连贯学习支架。 其亮点在于以探究实践为核心，通过绿叶色素提取分离实验的步骤详解与异常分析培养探究能力，结合鲁宾和卡门同位素标记实验等发展科学思维，渗透结构与功能观、物质与能量观等生命观念。学生能提升实验操作与分析能力，教师可借助丰富案例与实验指导优化教学。

第五章 细胞的能量供应和利用 第4节第1课时 光合作用与能量转化 植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。 1. 靠人工光源生产蔬菜有什么好处？ ①用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成减产。 ②人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。 问题探讨 植物工厂 植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。 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 ①影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件，也有外界环境条件。 ②CO2浓度、营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态。 光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。 植物通过什么物质和结构捕获并转化光能呢？ 白化苗由于不能形成叶绿素，无法进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。 正常玉米植株（绿色） 叶片中含绿色的色素 白化玉米植株 （白色） 叶片不含绿色的色素 这说明光合作用需要色素去捕获光能。 哪个细胞器含有色素？ 5 【探究·实践】绿叶中色素的提取与分离（纸层析法） 1 提取绿叶中的色素 (1)原理：绿叶中的色素能溶解在有机溶剂 中。 (2)实验用品及作用 无水乙醇 【探究·实践】绿叶中色素的提取与分离（纸层析法） (3)实验步骤 绿叶 二氧化硅和碳酸钙 无水乙醇 单层尼龙布 棉塞 【探究·实践】绿叶中色素的提取与分离（纸层析法） (3)实验步骤 绿叶 二氧化硅和碳酸钙 无水乙醇 单层尼龙布 棉塞 防止溶剂挥发，使更多色素溶解在无水乙醇中 防止色素吸附在滤纸上，导致滤液中色素含量降低 防止无水乙醇挥发 【探究·实践】绿叶中色素的提取与分离（纸层析法） 新鲜绿叶中色素含量高（存放时间过长，叶绿素会被破坏） 2 分离绿叶中的色素 原理：不同色素在层析液中的 不同， 的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。 溶解度 溶解度高 【探究·实践】绿叶中色素的提取与分离（纸层析法） ①制备滤纸条 将干燥的定性滤纸剪成宽度小于试管直径、长度小于试管长度的滤纸条。将滤纸条的一端剪去两个角，并在距这端1cm处用铅笔画一条细的横线。 1cm 铅笔线 要剪去两角 减少边缘效应，使层析液同时到达滤液细线 可避免因笔墨扩散导致线条模糊或消失；圆珠笔等笔液色素也能溶于有机溶剂，干扰色素提取和层析 【探究·实践】绿叶中色素的提取与分离（纸层析法） 用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线。等滤液干后再重复画一到两次。 “细、直、齐” 增加滤液细线中色素的含量 ②画滤液细线 为防止色素带重叠而影响分离效果 细线要求： 【探究·实践】绿叶中色素的提取与分离（纸层析法） ③分离色素 层析液 培养皿 将适量的层析液倒入烧杯中，将滤纸条(有滤液细线的一端朝下)轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口。注意：不能让滤液细线接触层析液 防止色素溶解在层析液中 石油醚、丙酮和苯的混合液=20:2:1 防止层析液挥发 ——黄绿色（叶绿素b） ——蓝绿色（叶绿素a） ——黄色（叶黄素） 类胡萝卜素（含量约1/4） 叶绿素（含量约3/4） 【探究·实践】绿叶中色素的提取与分离（纸层析法） 功能：吸收、传递、转化光能 只有少数叶绿素a具有转化光能的功能 ———橙黄色（胡萝卜素） 【探究·实践】绿叶中色素的提取与分离（纸层析法） 色素带 色素种类 色素颜色 色素含量 溶解度 扩散速度 胡萝卜素 叶黄素 叶绿素a 叶绿素b 橙黄色 最少 最高 最快 黄色 较少 较高 较快 蓝绿色 最多 较低 较慢 黄绿色 较多 最低 最慢 叶绿素 （含量约占3/4） 类胡萝卜素（含量约占1/4） 【探究·实践】绿叶中色素的提取与分离 胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b 四个同心圆的色素带，从外往里依次为 。 思考: 【异常现象的分析】 滤纸条上未得到色带 ①忘记画滤液细线 ②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。 滤纸条上色素带重叠 ①没经干燥处理 ②滤液线过粗或不整齐，达不到细、齐的要求，使色素扩散不一致造成的。 【异常现象的分析】 滤纸条上色带颜色较浅 ①未加SiO2，研磨不充分，色素未能充分提取出来； ②称取绿叶过少或加入无水乙醇过多，色素溶液浓度小；③未加或加入过少碳酸钙，部分色素分子被破坏等； ④绿叶不新鲜，滤液色素太少； ⑤画滤液细线的次数过少； 滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素 ①忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏②所用叶片为“黄叶” 影响叶绿素合成的因素 1. 光照 2. 温度 光是影响叶绿素合成的主要条件，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，因而叶片发黄。 温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性。低温时，叶绿素分子易被破坏。 叶绿素含N、Mg。 Fe是叶绿素合成过程中的某些酶的辅助成分。 3. 必需元素 影响叶绿素合成的因素 为什么植物春夏叶子翠绿，而深秋叶片金黄呢？ 叶绿素的含量﹥类胡萝卜素 由于叶绿素比类胡萝卜素易受到低温的破坏，秋季低温时叶绿素大量破坏 叶绿素的含量﹤类胡萝卜素 色素的吸收光谱 光谱： 阳光是由不同波长的光组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱； 自然光通过三棱镜 自然光经过色素提取液后通过三棱镜 现象：光屏出现明显的色光带 现象：某些颜色的光由于被色素吸收而导致色光带变暗。 ①叶绿素主要吸收红光和蓝紫光 实验结果： 叶绿素分子对绿光吸收最少，绿光被反射出来，所以植物的叶片呈现绿色。叶绿素含量多，掩盖类胡萝卜素色素 ②类胡萝卜素主要吸收蓝紫光 思考：为什么植物的叶片呈现绿色？ 色素的吸收光谱 ③叶绿素和类胡萝卜素的吸收峰值不同。 光是一种电磁波，分为可见光和不可见光。可见光的波长是400-760nm。不同波长的光，颜色不同。 一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光。（书本p99 学科交叉） 色素的吸收光谱 海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象与光能的捕获有关吗? 有关，不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身的颜色是反射出来的光，即红藻反射出了红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色的光。 水对红、橙光的吸收比对蓝、绿光的吸收要多，即到达深水层的光线是短波长的光。因此，吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方。 即学即练 书本p101 拓展应用 藻类 色素种类 含量最多的色素 水层及主要存在的光 绿藻 叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素 叶绿素 主要吸收红光和蓝紫光 反射绿光 浅水层：存在红光和蓝紫光 褐藻 叶绿素a、叶绿素c、胡萝卜素、6种叶黄素 某种叶黄素 主要吸收绿光和蓝紫光 反射红黄光 中水层：存在绿光、蓝紫光 红藻 叶绿素a、叶绿素d、胡萝卜素、叶黄素、 藻红素、藻蓝素 藻红素 主要吸收蓝紫光 反射红光 深水层：存在蓝紫光 即学即练 书本p101 拓展应用 海洋中的藻类垂直分布是海洋群落垂直结构的体现，有效的避免竞争，充分利用了光能。 1.叶绿体的形态：一般呈扁平的 或 。 2.叶绿体的结构模式图 (1)结构 ↓决定 (2)功能：进行 的场所。 ↑证明 (3)恩格尔曼的实验：需氧细菌只分布在 被光束照射的部位。 椭球形 球形 外表：①________ 内部 ②______ ③ ：由 堆叠而成 双层膜 基质 基粒 类囊体 光合作用 叶绿体 叶绿体的结构 核糖体 DNA 类囊体薄膜 外膜 内膜 类囊体 基质 基粒 1、类囊体薄膜上分布着吸收光能的4种色素 3、类囊体膜和叶绿体基质含多种光合作用所必需的酶 叶绿体有哪些适合光合作用的结构？ 2、多个类囊体堆叠形成基粒，增大接受光照面积。 色素的作用： 吸收、传递、转化光能 叶绿体的功能 恩格尔曼（实验一） 水绵 需氧细菌 极细光束照射 完全曝光 无空气、黑暗 需氧细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中 需氧细菌分布在叶绿体所有受光的部位 1、恩格尔曼此实验的结论是什么？ 氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。 恩格尔曼的实验示意图 黑暗条件下极细光束照射 完全曝光 叶绿体的功能 试验的巧妙之处： ①水绵叶绿体大且呈带状,方便处理观察 ②需氧细菌可确定释放氧气部位； ③无空气的黑暗环境排除了氧气和光的影响 ④极细光束使叶绿体分为有光无光对比实验 ⑤装片曝光再次验证试验 2.恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？ 用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的好氧细菌聚集在红光区和蓝紫光区。 实验结论： 叶绿体主要利用红光和蓝紫光释放氧气。 叶绿体的功能 这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于需氧细菌在此区域分布。 恩格尔曼（实验二） 1.冬季时，为了增加蔬菜的产量，应该选红色、蓝色还是无色的大棚塑料薄膜？为什么？ 　选用无色的大棚塑料薄膜。因为太阳光由七色光组成，而有色塑料薄膜主要透过同色光，所以用无色的大棚塑料薄膜，植物可以获得更多的光能。 2.阴天时，为了增加蔬菜的产量，在功率相同的情况下，应选择什么颜色(“蓝紫光和红光”或“白光”)的照明灯为蔬菜补充光源？为什么？ 　选择蓝紫光和红光。因为在照明灯功率相同的情况下，选用蓝紫光和红光的照明灯补充光源，植物利用光能的效率更高。 结合色素的吸收光谱分析实际问题 用红色薄膜只透红光，蓝紫光减少，影响光合，光能种类不足，且总光量少；阴天用蓝紫光只是弥补不足 CO2+H2O (CH2O)+O2 叶绿体 光能 3.实质： 合成有机物，储存能量 叶绿体是如何将光能转化为化学能？ 又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？ 光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？ 绿色植物通过 ，利用 ，将 转成 ，并且释放出 的过程。 叶绿体 光能 二氧化碳和水 储存着能量的有机物 氧气 1.概念： 2.反应式： 光合作用 探索光合作用原理的部分实验 19世纪末 甲醛→糖 1928年 甲醛对植物有毒 不能通过光合作用转化成糖 1937年 希尔反应 水的光解产生氧气 1941年 鲁宾和卡门 同位素标记法光合作用氧气来自于水 1954年 阿尔农 光照下叶绿体合成ATP 总是与水的光解相伴 探索光合作用原理的部分实验 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。 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。 不能通过光合作用实现 CO2 O2 释放 C+ H2O 甲醛 多个 缩合 糖(CH2O) 探索光合作用原理的部分实验 资料2 希尔反应 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氧气。 （有H2O，无CO2） 光照 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。 结论：水的光解产生氧气 探索光合作用原理的部分实验 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水？ 不能。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其它物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。 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？ 能说明，因为悬浮液中有水，没有合成糖类的另一种必需原料——CO2，因此，该实验说明水的光解和糖类的合成不是同一个化学反应，说明水的光解是一个相对独立的反应阶段 若要证明氧气全部来自水或二氧化碳，可采用什么方法？ 探索光合作用原理的部分实验 资料3 鲁宾和卡门实验 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。他们用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2，然后进行实验 结果：第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的氧气都是18O2 结论： 光合作用产生的O2中的O来源于H2O，而不来源于CO2 对比实验，相互对照 探索光合作用原理的部分实验 对比实验，相互对照 思考：1、该实验的自变量、因变量、无关变量分别是什么？ 自变量： 因变量： 标记物(H218O与C18O2) O2的相对分子质量 2、能否通过检测生成物中O2的放射性来追踪反应物中O元素的去路？ 不可以，因为18O不带有放射性 放射性同位素：14C、32P、3H、35S等 稳定性同位素：15N、18O等 探索光合作用原理的部分实验 资料4 阿尔农实验 1954年，美国科学家阿尔农发现，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。 光照 ATP 水 光解 尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。 探索光合作用原理的部分实验 上述实验表明， 光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，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。　 根据是否需要光能，将光合作用分为光反应和暗反应两个阶段。 也称碳反应 光合作用 光反应 光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。 类囊体薄膜上 的色素分子 可见光 ADP+Pi ATP H2O O2 NADP+ 酶 吸收 光解 H+ NADPH 酶 氧化型辅酶Ⅱ 还原型辅酶Ⅱ 光反应 1.条件 光、色素、酶、水、ADP、Pi、NADP+ 2.场所 类囊体薄膜上 3.主要产物 O2、NADPH、ATP（光反应的ATP一般只能用于暗反应） 4.物质转化 水的光解： ATP的合成： 2H2O O2+ 4H+ + 4e- 光 色素 NADPH的合成： 光能 5.能量转变 ATP、NADPH中活跃的化学能 ADP + Pi+ 能量 ATP 酶 NADP+ + H+ +2 e- NADPH 酶 1946年开始，美国卡尔文等用14CO2研究了植物在进行光合作用时CO2转化为糖的路线。 （1）向反应体系中充入一定量的14CO2,光照30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。 （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）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。 CO2转化成有机物过程中， C的转移途径是： CO2 C3 (CH2O) C5 卡尔文循环 实验方法： 放射性同位素标记法 暗反应过程也称作卡尔文循环 暗反应 光合作用第二个阶段的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。 ADP+Pi ATP NADP+ 能量 C5 2C3 多种酶 (CH2O)糖类 CO2 还原 酶 NADPH 酶 能量 固定 气孔 C5：核酮糖-1 ,5-二磷酸，即RuBP C3：3-磷酸甘油酸 暗反应 1.条件 有没有光都可以，需多种酶、CO2、ATP、NADPH 2.场所 叶绿体基质 3.产物 （CH2O）、ADP 、Pi、NADP+ 4.物质转化 CO2的固定 C3的还原 2C3 (CH2O)+C5 酶 ATP、NADPH 5.能量转变 CO2＋C5 2C3 酶 ATP、NADPH中活跃的化学能 有机物中稳定的化学能 ATP的水解 ATP ADP + Pi+ 能量 酶 NADPH的分解 NADPH NADP+ + H+ + 2e- 酶 H2O 光能 光反应阶段 暗反应阶段 (CH2O) CO2 水在光下 的分解 还原 固定 O2 NADPH NADP+ ATP ADP+Pi C3 C5 光合作用过程 根据“光合作用的过程"，完成下面图解。 ATP和NADPH中活跃的化学能 光能 有机物中稳定的化学能 光合作用 1.NADPH和ATP的移动途径是什么？ 2.NADP+和ADP的移动途径呢？ 3.NADPH的作用？ 从类囊体薄膜到叶绿体基质。 从叶绿体基质到类囊体薄膜。 ①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量 光合作用 光合作用中元素的转移 ①H的转移： H2O → NADPH→ (CH2O ) ②C的转移： CO2 → C3 →（CH2O） ③O的转移： CO2 → C3 →（CH2O） H2O → O2 CO2 + H2O 光能 叶绿体 （CH2O）+ O2 光合作用 光反应阶段 暗反应阶段 进行部位 条件 物质变化 能量变化 光能→_______________中活跃的化学能 ___________中活跃的化学能→________中稳定的化学能 联系 光反应是暗反应的基础：光反应阶段为暗反应阶段提供_______________________;暗反应是光反应的继续： 暗反应产生的_______________________为光反应阶段提供合成_______________________的原料 实质 合成物质,储存能量 ATP、NADPH ATP、NADPH 必须有光 有无光都可以 水的光解 NADPH和ATP的形成 CO2的固定;C3的还原ATP和NADPH的分解 叶绿体类囊体薄膜 叶绿体基质 有机物 ATP、NADPH ADP、Pi、NADP+ ATP、NADPH 光合作用 否，光反应必须在光下进行；暗反应是有光和无光都可以进行。 不能，无光则光反应无法进行，不能为暗反应提供所需的ATP和NADPH 不能，因为没有二氧化碳暗反应无法进行，也就不能为光反应提供ADP和Pi、NDDP+，即便是有光，光反应也无法进行。 1、光反应与暗反应是否一个在光下进行，一个在暗处进行？ 3、白天放在无二氧化碳的密闭玻璃罩内的植物能长期进行光反应、暗反应吗？为什么？ 2、夜晚植物能进行光反应、暗反应吗？为什么？ 光合作用拓展提升 短时间内条件改变，各物质的变化 条件 突然停止光照 突然增加光照 突然停止CO2供应 突然增加CO2供应 C3含量 C5含量 NADPH和ATP的含量 （CH2O）的合成量 增加 减少 减少 减少 减少 增加 增加 增加 减少 增加 增加 减少 增加 减少 减少 增加 光合作用意义 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O2和CO2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） 光合作用并不直接形成臭氧，而是氧气在紫外线的作用下形成 化能合成作用 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。 2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量 硝化细菌 2HNO2+O2 2HNO3+能量 6CO2+6H2O 2C6H12O6+ 6O2 能量 3 进行化能合成作用的生物属于自养还是异养生物？ 2 过程 4 光合作用和化能合成作用的异同 同：把二氧化碳和水合成有机物 异：利用的能量不同（光能、化学能） 1 概念 电子显微镜下的一种硝化细菌（放大5000倍） 硝化细菌 例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类细菌 53 Lavf58.20.100 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.46 $