高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》二 光合作用的原理和应用教案

第五章  细胞的能力供应和利用

第四节  细胞能量的供应和利用

 第二课时  光合作用的原理和作用

一、学习目标\教学目标

1.通过探究光合作用原理的实验，认识科学探究的基本思路和方法。

2.用物质和能量观阐明光合作用过程。

3.基于事实证据，进一步理解光合作用原理。

二、教学重难点

1.光合作用的光反应、暗反应过程及相互关系。（重难点）

三、教学方法

讲授、演示、视频播放、小组讨论。

四、教学过程

【新课导入：情景设置，导入新课】

观看视频《光合作用》，激发学生的学习兴趣。进而引出本节课题——光合作用的原理与应用。

【新课讲授】

光合作用的概念: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。

一、光合作用的原理

1.探究光合作用原理的部分实验

资料分析，小组讨论，问题探究

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。

资料2

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。

小组讨论，问题探究

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？

提示：不能说明。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他物质的干扰，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的合成不是同一个化学反应？

提示：希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料CO2，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。

资料3

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，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素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：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。

结论：光合作用释放的氧全部来自水，而并不来源于CO2。

资料4

1946年开始，美国的卡尔文等用放射性同位素14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，探明了CO2中的C的去向，称为卡尔文循环。

结论：光合产物中有机物的碳来自CO2

资料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。

2.光合作用的过程

根据是否需要__光能___，这些化学反应可以概括地分为___光反应____和____暗反应____，现在也称为碳反应，两个阶段。

（1）光反应

场所：叶绿体类囊体薄膜上

条件 ：光、色素、酶

物质变化：水的光解、ATP的合成、能量转变

（2）暗反应（图解分析）

条件：有光无光都可，需要多种酶

场所：叶绿体基质

物质变化：CO2的固定、C3的还原

（3）光合作用的过程（图片分析）

小组讨论，完成表格：光反应和暗反应区别和联系。

小组讨论，问题探究

（4）光合作用中元素的转移

外界条件突然改变，NADPH、C5、ATP等物质的变化规律

小组讨论，完成表格。

二、光合作用原理的应用

1.光合作用强度的表示方法

单位时间内光合作用：制造或产生有机物（糖类）量、固定CO2的量、产生O2的量。

播放视频《探究环境因素对光合作用的影响》，通过观看视频，分析曲线图，引导学生探讨影响光合作用的因素，举例说明光合作用原理的应用。

小组合作，共同探讨，归纳总结。

2.影响光合作用的因素有哪些？

内因——光照强度、光质、光照时间、CO2的浓度、矿质元素（Mg合成叶绿素）。

外因——酶的种类、数量，色素的含量，叶龄不同。

（1）叶龄不同

O～A：幼叶阶段。随幼叶的不断生长，叶面积__增大 _，叶绿体增多，叶绿素含量__增加_，光合速率___增加____。

A～B：壮叶阶段。叶片面积、叶绿体和叶绿素都处于_____稳定状态____，光合速率稳定。

B～C：老叶阶段。随叶龄的增加，叶绿素被___破坏___，光合速率也随之下降。

应用：适时摘除老叶、黄叶，有利于有机物的积累。

（2）光照强度

A点：只进行细胞呼吸，CO2释放量表明此时的呼吸强度。

AB段：光合<呼吸

B点：光补偿点，即光合作用强度=细胞呼吸强度。

C点对应的横坐标：光饱和点，增加光照强度光合作用强度不再增加。

C点之前受限因素：光照强度。

C点之后受限因素：温度、CO2浓度等。

（展示阴生植物和阳生植物图片，举例说明什么是阴生植物，什么是阳生植物）

阴生植物是指在弱光条件下比强光条件下生长良好的植物。

阳生植物是指在强光环境中生长发育健壮，在阴蔽和弱光条件下生长发育不良的植物称阳性植物。

（展示阴生植物，阳生植物CO2吸收量和CO2释放量曲线图以及阴生植物和阳生植物对比表，提出探究问题，引导学生进行分析并回答问题）

提出问题：根据上表：阴生植物的光饱和点和光补偿点低于阳生植物的原因？

学生小组讨论，共同总结。

（3）CO2浓度

（分析曲线图，引导学生说出各点代表的含义，并举例说明CO2浓度的应用）

C点：CO2补偿点（表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度）；

D点：CO2饱和点（两组都表示在一定范围内CO2浓度达到该点后，光合作用强度不再随CO2浓度增加而增加）。

B点 ：进行光合作用所需CO2的最低浓度。

应用：1.多施有机肥或农家肥。

      2.温室栽培植物时还可使用CO2发生器等。

      3.大田中还要注意通风透气。

（4）温度

（分析曲线图，引导学生阐述温度对光合作用的影响，并举例说明其应用）

学生：温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减弱。光合作用的最适温度因植物种类而异。应用如下：

1.适时播种。

2.温室栽培植物时，白天适当提高温度，晚上适当降温。从而提高作物产量（有机物积累量）。

3.植物“午休”现象的原因之一

（5）矿质元素

（分析曲线图，引导学生说出各点代表的含义，并举例说明其应用）

O～A：随矿质元素含量（N、P、K等）的增加，光合速率也加快。

A～B：矿质元素含量过高，根细胞很难吸水，甚至失水，光合速率也会下降，甚至停止。

N：光合酶及NADP+和ATP的重要组分。

P：NADP+和ATP的重要组分；维持叶绿体正常结构和功能。

K：促进光合产物向贮藏器官运输。

Mg：叶绿素的重要组分。

应用：合理施肥。

（6）水

（分析曲线图，介绍水如何影响光合作用，引导学生说出各点代表的含义，并举例说明其应用）

水是光合作用的原料但水过多时，影响细胞呼吸作用，能量减少，细胞吸收的离子等减少，光合作用减慢。水是体内各种化学反应的介质。水还影响气孔的开闭，间接影响CO2进入植物体

A～B：随着自由水含量的增加，细胞代谢开始加快，光合速率也随之加快。

B～C：水太多，影响了细胞的呼吸作用，代谢速率会下降。

应用：预防干旱  合理灌溉。

归纳总结：光合作用相关含义的表示方式（以表格形式进行总结，小组讨论，进行展示，共同完成表格的填写）。

得出：真正光合速率=净光合速率+呼吸速率

三、化能合成作用

1.异养生物：只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。例如人、动物、真菌及大多数的细菌。

2.自养生物：以无机物转变成为自身的组成物质。

光能自养生物：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。

化能自养生物：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）。例如：硝化细菌。

硝化细菌能够利用体外环境中的NH3氧化时所释放的能量来制造有机物 。

【课堂练习】

1.下图表示菠菜叶肉细胞光合作用与细胞呼吸过程中碳元素和氢元素的转移途径，其中①～⑥代表有关生理过程。下列叙述错误的是（　　）

A.过程①、②、③不在生物膜上进行

B.参与过程②、③、⑤的酶种类不同

C.过程②、③、④、⑤都有ATP产生

D.过程③产生的[H]全部来自丙酮酸

提示：过程①表示光合作用暗反应，发生的场所是叶绿体基质；过程②表示有氧呼吸的第一阶段，发生的场所是细胞质基质；过程③表示有氧呼吸第二阶段，发生的场所是线粒体基质，都不在生物膜上进行，A正确；②、③为有氧呼吸的过程，其催化酶都为呼吸酶，⑤为光合作用光反应过程，参与的酶种类不相同，B正确；过程②、③、④为有氧呼吸的三个阶段，都有ATP产生，⑤为水的光解，有ATP产生，C正确；过程③为有氧呼吸第二阶段，是丙酮酸和水反应产生CO2和[H]，释放少量能量，产生的[H]部分来自丙酮酸，部分来自水，D错误。

2.如图表示某高等绿色植物体内的生理过程，下列有关分析不正确的是（　   ）

A.阶段Ⅰ生成的[H]可作为还原剂用于⑥过程生成水

B.Ⅲ的某些反应阶段能够在生物膜上进行

C.过程③进行的场所是叶绿体基质

D.影响过程Ⅱ的外界因素主要是CO2浓度和温度

提示：光合作用中阶段Ⅰ生成的[H]只能用于暗反应，不能用于⑥有氧呼吸的过程，A错误；Ⅲ中的有氧呼吸第三阶段是在线粒体内膜上进行的，B正确；过程③是CO2的固定，进行的场所是叶绿体基质，C正确；影响过程Ⅱ暗反应的外界因素主要是CO2浓度和温度，D正确。

3.下图为植物细胞代谢的部分过程简图，①～⑦为相关生理过程。下列叙述错误的是（　  ）

A.若植物缺镁，则首先会受到显著影响的是③

B.②的进行与⑤⑥密切相关

C.蓝藻细胞中④发生在叶绿体基质中

D.叶肉细胞③中O2的产生量小于⑥中O2的吸收量，则该细胞内有机物的总量将减少

提示：若植物缺镁则叶绿素的合成受到影响，首先会受到显著影响的生理过程是③光反应过程，A项正确；②是植物细胞通过主动运输吸收无机盐离子的过程，需要消耗能量，故与⑤⑥过程密切相关，B项正确；蓝藻细胞是原核细胞，没有叶绿体，C项错误；③光反应中O2的产生量小于⑥有氧呼吸中O2的吸收量，则净光合作用量小于0，该植物体内有机物的量将减少，D项正确。

五、板书设计：

第四节  光合作用与能量转化

第二课时  光合作用的原理和作用

1.光合作用的概念

2.探究光合作用的原理

3.光合作用的过程

4.光合作用的意义

5.光合作用的影响因素

6.化能合成作用