3.5 光合作用将光能转化为化学能（教学课件）生物浙科版必修1

光合作用将光能转化为化学能 浙科版高中生物学必修1《分子与细胞》第3章第5节 ·建立“物质与能量观”,理解光 能到稳定化学能的转化及无机物 到有机物的转化；建立“结构与 · 建立“结构与功能观”,明确叶 绿体结构与光合作用功能的对应 关系。 · 通过分析科学史资料(海尔蒙特、 同位素标记实验),推理元素去向； · 构建光反应与碳反应模型，推导 环境因素对光合速率的影响规律。 · 运用光合原理指导农业生产(大棚 种植、间作套种),理解其在粮食 安全与碳中和战略中的关键作用。 · 掌握光合色素提取与分离实验的 原理及操作；能针对农业增产等 真实问题设计探究方案。 学习目标 科学思维 科学探究 生命观念 社会责任 03分情境三：增产提质的方法 —— 光合作用的影响因素与应用 探索光合作用的奥秘 分情境一 ——课堂情境导航 补光选色的秘密——光合色素的提取与分离 分情境二：柳树增重的真相 ——光合作用的过程 01 导入与主情境 从历史谜题到现代农业的跨越 1648年海尔蒙特实验 土巩土壤 约量=100kg 土壤的境量 约量17.0kg 约量600kg 5年 核心追问：1.柳树增重的物质和能量究竟来自哪里?Q 2.为什么大棚用红蓝补光可以显著提升蔬菜产量? 3. 我们怎么利用相关规律提升作物产量、助力粮食安全?学 历史迷秘(1648万柳柯兰的实验) 仅浇雨水 5年 跨越时空的对话：植物生长的秘密 现代科技(冬季大棚补光):北方冬季大 棚悬挂红蓝补光灯，蔬菜产量显著提升 2.5kg 柳树 90kg 干燥土壤 + 76.7kg 减重0.06kg 第一部分：补光选色的秘密 光合色素的提取与分离 生产疑问：农户在温室大棚中进行人工 补光时，为什么通常选择红蓝光组合 ,而不是与叶片颜色一致的绿光? 标题：生活经验与农业生产的碰撞 探究方向：叶片中究竟含有哪些光合色素?它们各自扮演着怎样的角色? 现象观察：我们常见的植物叶片绝 大多数是绿色的。 实验探究：光合色素的提取 实验材料：新鲜菠菜叶(色素含量高) 提取原理：光合色素易溶于有机溶剂，不溶于水。 称量 剪碎 加试剂 研磨 过滤 操作要点：迅速、充分研磨，及时过滤收集提取液。 中和细胞液中的 有机酸，防止研 磨液过程中叶绿 素素被破坏。 作为提取液， 溶解并提取 色素。 增加摩擦力， 使研磨更 充分。 二氧化硅 (SiO₂) 碳酸钙 (CaCO₃) 过滤 或无水乙醇) 注意事项： 原因分析： 滤液细线绝对不能 若触及，色素会直接溶解在层析 触及层析液! 液中，导致滤纸条上得不到色素带 层析装置 滤液细线 重要细节：滤液细线 高于层析液液面 层析液 实验探究：光合色素的分离 分离原理：纸层析法 不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液 在滤纸上扩散得快，反之则慢 揭秘色素家族：种类与含量 实验结果观察(从上到下): 1. 胡萝卜素(橙黄色):溶解度最高，扩散最 最快，带最窄(含量最少) 2. 叶黄素(黄色):溶解度次之 3.叶绿素a ( 蓝绿色):带最宽(含量最多) 4. 叶绿素b ( 黄绿色):溶解度最低，扩散最慢 归纳总结： *类胡萝卜素(胡萝卜素+叶黄素):约占1/4。 *叶绿素(叶绿素a+ 叶绿素b): 约占3/4。 光合色素吸收光谱图 蓝紫光区吸收峰 红光区吸收峰 反射/透射 叶绿素a 叶绿素b 胡萝卜素和叶黄素 400 500 600 700nm 波长，nm 核心功能：光合色素具有吸收、传递、 转化光能的作用 吸收光谱分析： · 叶绿素a和叶绿素b: 主要吸收红光和蓝 紫光。 · 胡萝卜素和叶黄素：主要吸收蓝紫光。 现象解释： · 为什么叶片呈绿色? 因为色素对绿光吸收 最少，绿光被反射或透射出来。 · 为什么补光选红蓝光? 因为红蓝光是光合 色素吸收的高峰波段，能最大化提高光能 能利用率，促进光合作用。 解密补光选色：色素的吸收光谱 吸收率 M 第二部分：柳树增重的真相 ■ 光合作用的过程 5 二 探究任务：追踪光合作用中元素的去向， 揭示物质与能量的转化过程。 现代认知冲突： 物质来源：满来源：除了水，植物还 吸收了空气中的什么物质? ( CO₂) 重返海尔蒙特实验：未解之谜 能量来源：水和二氧化碳都是无机物，能 量是如何被固定到复杂的有机物中的? 历史局限：海尔蒙特当时认为柳树增 重(76.7kg) 完全来自水分。 追踪氧的来源：鲁宾与卡门实验 探究问题：光合作用释放的O2, 是来自H₂O还是CO2? 实验方法：同位素标记法(使用重氧同位素180进行追踪) 组别1 释放的氧气 组别2 释放的氧气 全部是18O₂ 全部是O₂ H₂180 H₂O CO₂ Chlorella culture 组别1 组别2 科学结论：光合作用释放的氧气全部来自于水 ( H₂O) 追踪碳的去向：卡尔文循环 探究问题：CO₂中的碳是如何转化为有 机物中的碳的? 实验方法：同位素标记法(使用放射性 同位素¹4C标记CO₂) 。 三碳化合物 ( C₃) 实验发现： · 供给14CO₂ 后 ，放射性依次出现在： 三碳化合物 ( C₃)→ 糖类等有机物 (( CH₂O)) 及五碳化合物 (C₅)。 科学结论：揭示了碳反应中碳原子的转 五碳化合物 ( C₅) 移途径：CO₂ → C₃→ (CH₂O) 糖类等有机物 ((CH₂O)) 14CO₂ 核心过程——光反应的场所与条件 ● 标题：光反应阶段：捕捉光能的“太阳能板” · 反应场所：叶绿体类囊体薄膜 结构适应功能：薄膜上分布着吸收光能的 光合色素和相关的酶。 · 反应条件： · 必须有光照 · 光合色素 必须有光照 水 ( H₂O) NADP+ 核心过程——光反应的物质与能量变化 光反应阶段：物质裂变与能量转化 Light 释放氧气 TC 2e Light NADP+ PSI reductase Cytochrome 2H₂O 提供电子和质子 1.水的光解：2H₂O→4H++O₂+4e 能 量 变 化 ： 光 能 →ATP 和NADPH 中活跃的 化学能。 释放氧气 核心意义：为暗反应(碳反应) 提供能量(ATP) 和还原剂( NADPH)。 2. ATP的合成： ADP+Pi+ 能量→ATP ATP synthase 2.ATP的合成： ADP + Pi+ 能量 → ATP NADP 3.NADPH的合成： NADP++2e +H+→ NADPH 2 PSII Plastoquino stocyyanin ATP PSII b6f H+ H H H 碳反应阶段：制造有机物的“化工厂” ●有光无光均可进行(但依赖光反应的 的产物，故不能长期在无光下进行)。 ● 需要多种酶、CO₂、ATP、NADPH。 反应场所：叶绿体基质 CO2 结构适应功能：基质中含有 催化碳反应的多种酶。 反应条件： 微层 。 1.CO₂的固定：CO₂ +C₅→2C₃ (在酶催化下，CO₂与五碳糖结合) 碳反应阶段：碳的固定与还原 stroma C5 C₅再生完成循环 能量变化：ATP和NADPH中活跃的化学能→糖类等有机物中稳定的化学能。 NADPH 2.C₃的还原： C₅ Ribulose bisphosphate (RuBP) 利用光反应提供的 能量和还原剂 C₃ 3-Phosphoglycerate 3-PGA (CH₂O)的糖 (e.g.,glucose) 2C₃ +ATP+NADPH→+C₅ ' CH₂OH CH, O OH ATP OH 光缸一 提供：ATP、NADPH (能量和还原剂) 提供：ADP、Pi、NADP+ (原料回收) 光反应停止，ATP和NADPH减少； C₃还原受阻，CO₂固定继续，导致 C₃含量上升↑, C₅ 含量下降↓ CO₂固定停止，C₃生成减少； C₃还原继续，导致C₃ 含量 下降↓,C₅ 含量上升个 光与暗的交响：两个阶段的协同 动态平衡分析(条件突变) 若突然停止供应CO₂ 若突然停止光照 20 ```markdown ``` (条件：光能、叶绿体) (CH₂O) +O₂ CH氧和物质的转化 物质转化 能量转化 CO₂ O 氧和物质内的转化 光合作用的宏观概括 NADPH 辅菜的氧转化 C氧化子灰，纯为体的转化 第三部分：增产提质的方法 光合作用的影响因素与应用 从理论到实践：如何让蔬菜长得更好? 真实数据观察：展示大棚黄瓜在不同光照强度、 温度、CO₂ 浓度下的光合速率变化曲线图。 生产痛点： ●白天大棚密闭，CO₂ 浓度会降低到0.03%以下， 限制光合作用。 ●夜间温度过高，植物呼吸作用消耗大量有机物。 核心问题： ●哪些环境因素会影响光合速率? ●农户可以通过哪些调控措施提升蔬菜产量? 光强-光合速率 温度-光合速率 CO₂-光合速率 情境导入—大棚蔬菜的光合速率曲线 拐点 拐点 拐点 测量的智慧：真假光合速率辨析 概念界定 真正光合速率 总进水量 · 真正光合速率(总光合速率):植物叶绿体实际 固定CO₂的量(或产生O₂ 、制造有机物的量)。 · 表观光合速率(净光合速率):植物从外界实际 表观光合速率 吸收CO₂的量(或释放O₂、积累有机物的量)。 净蓄水量 生产意义：植物要生长增重，必须保证 表观光合速率>0(即光合作用制造的有机物大于呼吸作用消耗的有机物)。 呼吸速率 漏水量 ·光补偿点：光合速率=呼吸速 率(表观光合速率为0)。此时 植物不积累有机物。 ·光饱和点：光合速率达到最大值 ,不再随光强增加而增加(受限 于色素、酶、CO₂浓度等)。 植物差异 · 阳生植物：光补偿点和光饱和点 均较高(需要强光)。 · 阴生植物：光补偿点和光饱和点 均较低(适应弱光)。 阳生植物 光饱和点 阴生植物 光照强度 光照强度：驱动光合作用的引擎 ·大棚合理补光(光强需 高于光补偿点，接近光 饱和点)。 · 间作套种 (高矮作物搭 配，充分利用光能)。 农业应用 规律分析 呼吸 速率 0 B 光补偿点 光合速率 规律分析： 1. 温度主要通过影响酶的活性来影响 光合作用(尤其是碳反应中的酶)。 2. 存在最适温度，过高或过低都会导 致光合速率下降。 想 农业应用：温室大棚的“昼夜温差”管理 白天：适当提高温度，接近光合作用最 最适温度，最大化制造有机物。 夜间：适当降低温度，降低呼吸作用酶 的活性，减少有机物消耗。 结果：增加净光合积累量，提升作物产 量和品质(如瓜果更甜)。 温度调控：酶活性的“温度计” 最适温度 25-30℃ 温度(℃) 温度-光合速率 光合速率 太热 --- 影响因素— CO₂浓度对光合速率的影响 碳源供应：CO₂浓度的限制与突破 CO₂ 浓度对光合速率的影响曲线 通风的农田 “正其行，通其风”:合理密植， 保证田间空气流通，补充CO₂。 施有机肥的土壤 增施有机肥：土壤微生物分解 有机肥释放大量CO₂。 大棚内的CO₂ 发生器 大棚施用气肥：直接使用CO₂ 发生器补充气体肥料。 B ( CO₂饱和点) 达到CO₂饱和点 后不再增加 农业应用：如何提高农田或大棚的CO₂浓度? CO₂ 是碳反应的原料。 在一定范围内，光合速 率随CO₂浓度升高增加 光合速率 CO₂ 浓度 第四部分：学以致用 迁移应用与课堂总结 “生长密码” 真实情境：我国冬奥会供应蔬菜的全人工光植物 工厂，采用多层立体种植、无土栽培、LED补 光、人工调控环境，产量是传统大田的几十 倍。 挑战任务：请结合本节课所学光合作用原理， 为植物工厂设计一套提升叶菜产量的优化方案。 1.光照优化：选用红蓝组合LED灯 补光，光照强度设定在叶菜的光饱 和点附近。 2.温度控制：白天控温在光合最适 温度(约25℃),夜间降温(约 15℃)以降低呼吸消耗。 3.碳源补充：将密闭工厂内的CO₂ 津。浓度人工提升至0.1%左右，加 快碳反应速率。 迁移应用——植物工厂的优化方案设计 科技前沿：为冬奥蔬菜定制 方案展示(参考) 光反应：类囊体膜 (水光解/ATP/NADPH合成； 光能→活跃化学能) 碳反应：叶绿体基质 (CO₂固定→三碳酸还原→五碳糖再生； 活跃化学能→稳定化学能) 元素去向：同位素标记法 (C:CO₂→C₃→有机物；O:H₂O→O₂) 粮食增产 碳中和 物质基础 过程 CO₂+H₂O→(CH₂O)+O₂ 光合作用 影响因素 与应用 社会价值 功能：吸收、传递、转化光能 实验：提取分离原理/试剂作用 影响因素：光强度/温度/CO₂浓度 辨析：真光合=表观光合+呼吸 速率 应用：大棚补光/昼夜温差/ 正其行通其风/间作套种 本节知识网络构建 种类：胡萝卜素/叶黄素 /叶绿素a/叶绿素b 光合色素 $