5.4 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

第4节 光合作用与能量转化 章 第 五 三、光合作用的原理 一 、捕获光能的色素 二、叶绿体的结构和功能 四、影响光合作用强度的因素 五、光合作用的应用 六、化能合成作用 目录 CONTETNS 植物工厂在人工精密控制光照、温度、CO2浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。 问题探讨 1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？ ①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。 2.为什么要控制CO2浓度、营养液成分和温度条件？ CO2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。 一 、捕获光能的色素 光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。无论是在植物工厂里，还是在自然界，植物捕获光能要依靠特定的物质和结构。 正常的绿色玉米幼苗可以生长 白化玉米幼苗，待种子中储存的养分耗尽就会死去 以上现象说明，叶片中的色素与光能的捕获有关 一 、捕获光能的色素 提出问题： 绿叶中有哪些色素？ 实验探究： 绿叶中色素的提取与分离 1、实验目的 a. 进行绿叶中色素的提取和分离 b. 探究绿叶中含有几种色素 提取色素要注意什么？ 1. 破碎细胞及叶绿体，使色素充分释放。 2. 保证色素的结构和活性不被破坏。 3. 使色素溶解于试剂中。 一 、捕获光能的色素 2、实验原理 a.提取色素的原理 叶绿体中的色素属于脂溶性色素，不溶于水，易溶于有机溶剂，因此可用无水乙醇等有机溶剂来提取。 3、实验过程 阅读教材P98 1.色素提取时所用试剂及作用？ 无水乙醇：溶解色素； 二氧化硅：使研磨更加充分； 碳酸钙：保护色素免于被破坏。 2.菠菜叶放置24-36小时的原因？ 防止水分过多影响提取效果。 3.研磨时应注意什么？原因为何？ 迅速且充分。保证色素释放的更加充分且挥发量少。 一 、捕获光能的色素 探究·实践《绿叶中色素的提取与分离》 一 、捕获光能的色素 2、实验原理 b.分离色素的原理 分离色素的方法是“纸层析法”。 不同色素在层析液中的溶解度不同。溶解度高的色素，在滤纸上随层析液的扩散速度快；溶解度低的色素，在滤纸上随层析液的扩散速度慢。 1. 层析液的成分及注意事项？ 层析液由苯、丙酮、石油醚按一定比例混合而成。 使用时应注意盖好盖子并避免洒出。层析过程应在通风处进行，结束时应用肥皂将手洗干净。 2. 滤纸条为何要剪去两角？ 防止滤纸条两侧色素扩散过快使色素带不整齐。 4. 分离后的色素有几种？有何差异？ 一 、捕获光能的色素 探究·实践《绿叶中色素的提取与分离》 3. 滤液细线的划线原则？ 细、直、匀。 一 、捕获光能的色素 色素 色素颜色 含量 溶解度 扩散速度 橙黄色 黄色 蓝绿色 黄绿色 最少 较少 最多 较多 最高 较高 较低 最低 最快 较快 较慢 最慢 胡萝卜素 叶黄素 叶绿素ａ 叶绿素ｂ 4、实验结果 一 、捕获光能的色素 5、实验结论 类胡萝卜素 叶绿素 胡萝卜素 叶黄素 叶绿素a 叶绿素b (占1/4) (占3/4) （橙黄色） （黄色） （蓝绿色） 绿叶中的色素 （黄绿色） 一 、捕获光能的色素 实验失败主要原因分析 探究·实践《绿叶中色素的提取与分离》 A.滤纸条上未得到色带 a.实验过程中滤液细线浸没到层析液中 b.用清水代替无水乙醇进行提取 B.滤纸条上的色带颜色较浅 a.研磨不充分（未加入SiO2） b.提取时加入的无水乙醇过多 d.未加碳酸钙，色素分子被破坏 e.所取的绿叶不新鲜 c.滤液细线画的次数不够 C.滤纸条上的色带重叠 a.滤纸条上的滤液细线画得过粗或不整齐 b.滤纸条没经干燥处理 ①叶绿素主要吸收红光和蓝紫光 ②叶绿素a和叶绿素b的吸收峰值不同 ③类胡萝卜素主要吸收蓝紫光 一 、捕获光能的色素 植物色素 比较项目 光合色素 细胞液色素 存在部位 叶绿体 液泡 溶解性 脂溶性 水溶性 代表种类 类胡萝卜素和叶绿素 花青素 颜色 橙黄、黄、绿 红、紫、蓝 颜色变化 不随pH改变变化颜色 随pH改变变化颜色 一 、捕获光能的色素 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。这种现象是如何造成的？ 思考·讨论 藻类 含量最多的色素 水层及主要存在的光 绿藻 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 某种叶黄素 主要吸收绿光和蓝紫光，反射红黄光 中水层：存在绿光和蓝紫光 红藻 藻红素 主要吸收蓝紫光, 反射红光 深水层：存在蓝紫光 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褐藻分布于海水中层，吸收蓝紫光较多的红藻分布于海水的深层。 思考·讨论 16 二 、叶绿体的结构和功能 这些色素存在于细胞的什么部位？ 1.四种光合色素分布在叶绿体的类囊体的薄膜上。  2.与光合作用有关的酶分布在类囊体膜上和叶绿体基质中 1. 恩格尔曼实验1 实验结论： 氧气是叶绿体在光照下释放出来的 叶绿体除吸收光能外还有什么功能？ 二 、叶绿体的结构和功能 1. 恩格尔曼实验1 思考：恩格尔曼实验设计巧妙之处有哪些？ ①实验选材好 水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察； 用好氧细菌可确定释放氧气的部位。 ②没有空气的环境：排除了氧气的干扰。 ③用极细的光束： 叶绿体上可分为获得光照和无光照的部位，相当于一组对照实验。 ④进行黑暗(局部光照)和完全暴露在光下的对照实验：明确实验结果完全是由光照引起的等。 二 、叶绿体的结构和功能 2. 恩格尔曼实验2 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 二 、叶绿体的结构和功能 叶绿体的功能 恩格尔曼实验：直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧 之后研究发现：类囊体膜上和叶绿体基质中含有多种光合作用 所必需的酶 结论：叶绿体是光合作用的场所。 二 、叶绿体的结构和功能 光合作用是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。 三 、光合作用的原理 资料：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。 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，这个实验无法排除反应体系中其他氧元素供体的影响，也没有直接观察氧元素的转移。 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。 三 、光合作用的原理 资料：1941年，鲁宾和卡门的同位素标记实验研究了光合作用中氧气的来源，光合作用过程中产生的氧气全部来自于H2O 三 、光合作用的原理 资料：1954年，美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验。在给叶绿体照光时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi和H受体/NADP+时，体系中就会有ATP和NADPH产生。 NADP+：氧化型辅酶Ⅱ NADPH：还原型辅酶Ⅱ 三 、光合作用的原理 根据是否需要光能： 光合作用 光反应阶段 暗反应阶段（碳反应） 三 、光合作用的原理 1、场所： 类囊体薄膜 2、条件： 光、色素、水、酶 3、物质变化： H2O→ O2+H+ H++NADP++2e-→NADPH ADP+Pi+能量→ATP 4、能量变化： 光能→(NADPH和ATP中)活跃化学能 三 、光合作用的原理——光反应阶段 资料：从1946年开始，美国的卡尔文等利用同位素标记法研究了小球藻等植物进行光合作用时CO2转化为糖类的路线。 实验1：卡尔文等向光合作用反应体系中充入一定量的14CO2 ，光照30秒后检测到了多种带14C标记的化合物产物。 将光照时间逐渐缩短至几分之一秒时发现，90％的放射性出现在一种三碳化合物(C3 )中。 光照5秒钟时发现，放射性同时出现在五碳化合物（C5）和六碳糖（C6 ）。 CO2→C3→C6糖 C5 由此得出C的转移路径是 三 、光合作用的原理 实验2：卡尔文等在实验过程中发现，在光照和CO2供应的条件下，C3和C5的浓度很快达到饱和并保持稳定。 （1）停止CO2供应时，C3的浓度急速降低， C5的浓度急速升高。 （2）停止光照时，C3的浓度急速升高， C5的浓度急速降低。 由此得出CO2的转化过程： 三 、光合作用的原理 1、场所： 叶绿体基质 2、条件： CO2 、 ATP、NADPH 、多种酶 3、物质变化： CO2+C5 → 2C3 2C3 →C5+(CH2O) ATP→ ADP+Pi NADPH→NADP+ ①CO2固定： ②C3还原： 4、能量变化： ATP和NADPH中活跃的化学能→ 糖类等有机物中稳定化学能 三 、光合作用的原理——暗反应阶段 ATP NADPH ADP+Pi NADP+ C3 C5 O2 三 、光合作用的原理 光反应阶段 暗反应阶段 进行部位 条件 物质 变化 能量变化 联系 叶绿体类囊体的薄膜上 叶绿体基质中 光、色素、水、酶 CO2 、 ATP、 NADPH 、多种酶 光能转换成电能再变成活跃的化学能（ATP、NADPH中） 活跃的化学能变成稳定的化学能 光反应为暗反应提供NADPH和ATP 暗反应产生的ADP和Pi为光反应合成ATP提供原料 水的光解2H2O → 4H+ +O2 合成ATP ADP+Pi+能量→ ATP 光 酶 CO2的固定 CO2+C5 →2C3 C3的还原 2C3 → → C6H12O6 酶 酶 ATP NADPH 三 、光合作用的原理 1、光下的植物突然停止光照后，C5化合物和C3化合物的含量如何变化？ 停止光照 光反应停止 2、光下的植物突然停止CO2的供应后，C5化合物和C3化合物的含量如何变化？ [H] ↓ ATP↓ 还原受阻 C3 ↑ C5 ↓ CO2 ↓ 固定停止 C3 ↓ C5 ↑ 三 、光合作用的原理 项目 条件 C3 C5 [H]和ATP (CH2O) 合成量 CO2供应不变 停止光照 突然光照 光照不变 停止CO2供应 CO2供应增加 光照、CO2供应不变 (CH2O)运输受阻 增加 减少 增加 增加 增加 增加 减少或没有 减少或没有 减少或没有 增加 增加 增加 增加 增加 减少 减少 减少 减少 减少 减少 三 、光合作用的原理 34 四、影响光合作用强度的因素 1、植物自身因素——遗传因素、叶龄、叶面积 2、环境因素——光照强度、温度、CO2 浓度、水分、矿质元素等 影响光合作用的因素有哪些？ ①图中A点含义： ； ②B点含义： ； ③C点表示： ； ④若甲曲线代表阳生植物，则乙曲线代表 植物。 光照强度为0，只进行呼吸作用 光合作用与呼吸作用强度相等 光合作用强度不再随光照强度增强而增强 阴生 B：光补偿点 C：光饱和点 轮作——延长光合作用时间 间种、合理密植——增加光合作用面积 应用： 适当增加光照强度 四、影响光合作用强度的因素——光照强度 光合作用效率与光照强度、时间的关系 一天的时间 O 12 13 11 10 15 14 光照强度 C 光合作用效率 C点：温度过高，气孔关闭，影响了CO2的吸收，暗反应减弱。 光合午休现象 四、影响光合作用强度的因素——光照强度 ①光合作用是在 的催化下进行的，温度直接影响 ； ②AB段表示： ； ③ B点表示： ； ④ BC段表示： ； 酶的活性 酶 此温度条件下，光合速率最高 超过最适温度，光合速率随温度升高而下降 一定范围内，光合速率随温度升高而升高 应用： 增加昼夜温差，保证有机物的积累 四、影响光合作用强度的因素——温度 应用： 大田中增加空气流动、温室中增施有机肥 ①OA段： ； ②AB段： ； ③B点以后： 。 B 二氧化碳浓度过低，无法进行光合作用 随着二氧化碳浓度增加，光合速率逐渐增强 光合速率达到最大值 （分解者将有机肥分解为二氧化碳和无机盐） 四、影响光合作用强度的因素——CO2浓度 N：光合酶及ATP的重要组分 P： 类囊体膜和ATP的重要组分； K：促进光合产物向贮藏器官运输 Mg：叶绿素的重要组分 合理施肥 应用： 四、影响光合作用强度的因素——矿质元素 有呼吸无光合 A 光合小于呼吸 AB 光合等于呼吸 B 光合大于呼吸 BC 总（真）光合速率： CO2的消耗量（固定量）、有机物的生成量、 O2的产生量 表观（净）光合速率： CO2的吸收量、有机物的积累量、 O2的释放量 真正光合速率 = 净光合速率+呼吸速率 五、光合作用的应用 光合作用实际产O2量 光合作用实际CO2消耗量 　 光合作用C6H12O6净生产量 　 ＝实测O2释放量＋呼吸作用耗O2量 ＝实测CO2吸收量＋呼吸作用CO2释放量 ＝光合作用实际C6H12O6生产量－呼吸作用C6H12O6消耗量 五、光合作用的应用 AB段：____________________ BC段：____________________________________ CDE段：_________________________________ C点：_____________________________________ D点：____________________________________________ E点：__________________________________________________________ EF段：__________________________________ FG段：____________________ 只进行呼吸作用 呼吸作用强度大于光合作用强度 呼吸作用强度小于光合作用强度 呼吸作用强度等于光合作用强度 呼吸作用强度大于光合作用强度 只进行呼吸作用 CO2吸收量最多，此时光合作用强度最大 分析下列各段的含义： 呼吸作用强度等于光合作用强度，此时有机物积累量最多 五、光合作用的应用 光合作用 以光为能源，以CO2和H2O（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。例如：绿色植物。 化能合成作用 利用环境中某些无机物氧化时释放的能量将CO2和H2O（无机物）合成糖类（有机物）。如硝化细菌。 光能自养生物 化能自养生物 能量来源： 能量来源： 光能 化学能 六、化能合成作用 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的合成作用 例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等细菌。 2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量 酶 6CO2+12H2O C6H12O6+ 6O2+6H2O 能量 酶 2HNO2+O2 2HNO3+能量 酶 六、化能合成作用 小结 光合作用的原理和应用 光合作用的原理 影响光合作用的因素 化能合成作用 自身因素——遗传因素、叶龄、叶面积 环境因素—— 光、温度、水分、矿质元素等 光合作用的应用 延长光合作用时间 增加光合作用面积 提高光合作用效率 ( 轮作 ) ( 合理密植：间种、套种 ) 1、光照强度、光质 2、CO2浓度 3、温度 4、矿质元素（ 合理施肥） 5、水（ 合理灌溉） 光反应阶段 物质变化：水的光解、合成ATP、NADPH 场所：类囊体薄膜 能量变化：光能→电能→活跃的化学能 暗反应阶段 物质变化： CO2的固定、C3的还原 场所：叶绿体基质 能量变化：活跃的化学能→稳定的化学能 —— 能量来源：化学能 46 限时训练 1．在适宜的恒温条件下，测定某双子叶植物在不同光照条件下的光合作用速率，结果如下表：(表中正值表示CO2吸收量，负值为释放量）正确的是（ ） A．该植物的呼吸速率是6mol/h B．该植物的呼吸速率是4mol/h C．在光照强度为2.5千勒克斯时，该植物光合作用合成有机物的量与呼吸消耗有机物的量相等 D．在光照强度为4千勒克斯时，该植物光合作用合成有机物的量与呼吸消耗有机物的量相等 B 限时训练 2．光合作用和有氧呼吸过程中都有[H]的生成和利用，下列分析中合理的是 A．从本质上讲，二者都具有还原性，是同一种物质，数量相同，功能相同 B．从来源上看，前者来源于水的光解，后者来源于丙酮酸和产物中的H2O C．二者产生的[H]在还原底物时，都释放大量能量，供给生物体各项生命活动所需 D．从去路上看，前者产生的[H]用于还原C3，后者与O2结合生成H2O D 3．下列有关细胞代谢叙述，正确的是 A．与安静状态相比，运动时人体肌细胞中ATP/ADP的比值明显升高 B．与有氧状态相比，缺氧时人体肌细胞中NADH/NAD+的比值明显升高 C．与白天相比，夜间小麦叶绿体中NADPH/NADP+的比值明显降低 D．与气孔开放时相比，气孔关闭时小麦叶绿体中C5/C3的比值明显降低 C 限时训练 C 4．某研究小组进行了探究环境因素对某植物光合作用影响的实验,实验结果如图所示。下列分析正确的是 A．图中CO2浓度1大于CO2浓度2，若将CO2浓度改为温度，则此关系也成立 B．若e点为正常植物的光饱和点，则缺镁植物的e点会右移 C．图中c、d两点相比，d点植物叶肉细胞中C5的含量要高一些 D．a点植物叶肉细胞中NADPH和ATP比c点要多 限时训练 C 5．如图为探究绿色植物的相关生命活动过程的实验装置。对图示装置的分析错误的是 A．红色小液滴移动的距离表示装置内O2的变化量 B．若要测呼吸速率，应将该装置置于黑暗中，对照组的植物应换成死的但大小等与实验组相同的幼苗 C．若要测光合速率，应给予一定的光照，单位时间内小液滴移动的距离可代表总光合速率 D．打开阀门并移除NaOH溶液后，此装置可用来验证水是光合作用的原料 限时训练 6．某生物科研兴趣小组从某湖泊的某一深度取得一桶水样，分装于6对密封黑白瓶中（白瓶为透光瓶，黑瓶为不透光瓶），剩余的水样测得初始溶氧量为10mg·L–1。将6对密封黑白瓶分别置于6种不同的光照条件下（由a→e逐渐加强），其他条件相同，24h后，实测获得6对黑白瓶中的溶氧量，记录数据如下表。下列分析错误的是（ ） A．瓶中所有生物正常生活的耗氧量在24h内为7mg·L–1 B．光强度为d、e时，黑瓶中溶氧量应为3mg·L–1 C．光强度为c时，24h内白瓶中植物产生的O2量为28mg·L–1 D．光强度为d时，再增加光强度，瓶中溶氧量也不会增加 光强度（klx） 0（黑暗） a b c d e 白瓶溶氧量（mg·L–1） 3 10 16 24 30 30 黑瓶溶氧量（mg·L–1） 3 3 3 3 E E C 限时训练 7．如图为大豆种子在黑暗条件下萌发和生长过程中蛋白质、总糖、脂肪含量变化趋势曲线，其中蛋白质含量用双缩脲试剂检测。下列叙述错误的是（ ） A．蛋白质与双缩脲试剂作用显紫色且在一定范围内蛋白质含量越高，紫色越深 B．种子在黑暗条件下萌发后，有机物干重可能短暂增加，但总体趋势是减少 C．种子黑暗条件下萌发总糖含量下降的唯一原因是呼吸消耗糖类供能却不进行光合作用 D．种子在黑暗条件下萌发过程中蛋白质、RNA等种类增加，鲜重增加 C 限时训练 8．夏季研究人员用图1装置探究黑藻的光合速率在24 h内的变化情况，其中长方体容器被滑板P(可以左右自由滑动)分成左右互不相通的两部分；实验结果如图2所示(S1、S2、S3表示相应图形面积)。分析回答下列问题(不考虑温度对呼吸作用的影响)： （1）影响图1中黑藻光合速率的主要环境因素有_____________;实验过程中应____(填“打开”或“关闭”)图甲装置的阀门K，NaHCO3缓冲液的作用是_____________________。 光照强度、温度 打开 提供CO2且维持其浓度不变 限时训练 8．夏季研究人员用图1装置探究黑藻的光合速率在24 h内的变化情况，其中长方体容器被滑板P(可以左右自由滑动)分成左右互不相通的两部分；实验结果如图2所示(S1、S2、S3表示相应图形面积)。分析回答下列问题(不考虑温度对呼吸作用的影响)： （2）图2中表示叶绿体吸收CO2的区段是________________(用字母表示)。一昼夜中有机物积累量为____________(用S所代表的面积表示)。 （3）bd段和gh段都呈下降趋势，请分析主要原因：_______________________________________________________________。 ad和eh S1+S3-S2 bd段下降是光照强度下降 导致光合速率下降；gh段下降主要是温度高，影响有关酶的活性，导致光合速率下降 $