資源簡介

第五章　細胞的基本結(jié)構(gòu)
第4節(jié)　光合作用與能量轉(zhuǎn)化
二 光合作用的原理和應(yīng)用
(一)教學目標
1.通過對光合作用光反應(yīng)階段和暗反應(yīng)階段相關(guān)實驗研究的思考和討論，說明光合作用過程，并從物質(zhì)與能量觀視角，闡明光合作用原理，認同人類對光合作用的認識過程是逐步的、不斷發(fā)展的。
2.設(shè)計并實施實驗，探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響。
3.關(guān)注光合作用原理的應(yīng)用。
(二)教學重點和難點
1.教學重點
光合作用的原理。
2.教學難點
(1)光合作用過程中物質(zhì)和能量的變化及相互關(guān)系。
(2)探究影響光合作用強度的環(huán)境因素。
（三）教學過程
通過對葉綠體結(jié)構(gòu)與功能的回顧，讓學生嘗試描述光合作用過程中物質(zhì)和能量的變化，引導學生回顧光合作用的定義，并寫出光合作用的化學反應(yīng)式。
一、光合作用的原理
1.概念
光合作用是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程。
2.反應(yīng)式：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。
引導學生結(jié)合教材“探索光合作用原理的部分實驗”的思考討論活動進行分析:針對希爾反應(yīng)，引導學生分析該實驗的材料條件、處理措施及結(jié)果;針對魯賓和卡門實驗，引導學生分析該實驗的處理方法及結(jié)果，進一步提問“該實驗的自變量、因變量是什么，可得出什么結(jié)論 ”與希爾反應(yīng)相呼應(yīng)，讓學生感悟科學研究的殊途同歸;在了解了希爾反應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出“葉綠體在光照下，除了有H2O分解為O2和 NADPH，還有哪些物質(zhì)和能量的變化 ”引出阿爾農(nóng)實驗，說明葉綠體可以合成ATP
3.探索光合作用原理的部分實驗
時間及科學家 觀點或?qū)嶒炦^程 發(fā)現(xiàn)或?qū)嶒灲Y(jié)論 實驗特點
19世紀末到1928年 在光合作用中，CO2中的C和O被分開，O2被釋放，C和H2O結(jié)合成甲醛，甲醛分子縮合成糖 甲醛對植物有毒害作用，甲醛不能通過光合作用轉(zhuǎn)化成糖
1937年希爾 (英國) 離體葉綠體的懸浮液＋鐵鹽或其他氧化劑O2 離體葉綠體在適當條件下發(fā)生水的光解，產(chǎn)生O2 懸浮液中有H2O，無CO2
1941年魯賓、卡門(美國) 向植物提供 光合作用釋放的O2來自水 相互對照。 自變量：標記物； 因變量：釋放的O2是否含18O
1954年、1957年阿爾農(nóng)(美國) 光照下，葉綠體可合成ATP，這一過程總與水的光解相伴隨
20世紀40年代卡爾文(美國) 用經(jīng)過14C標記的14CO2，供小球藻進行光合作用，然后追蹤放射性14C的去向 探明了CO2中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機物中碳的途徑 利用同位素標記法
通過以上的分析，教師可以引導學生總結(jié):光合作用的過程分為兩部分，一部分是在有光的條件下進行的，將水分解產(chǎn)生O2和 NADPH、ATP，稱為光反應(yīng);另一部分不需要光，將CO2轉(zhuǎn)化為糖類等有機物，稱為暗反應(yīng)。光反應(yīng)與暗反應(yīng)相互聯(lián)系，光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供ATP和NADPH，暗反應(yīng)為光反應(yīng)提供ADP、Pi、NADP+。理解了暗反應(yīng)的大致結(jié)果后，提問“CO2如何轉(zhuǎn)化為糖類 發(fā)生了哪些物質(zhì)和能量的變化”，引出卡爾文循環(huán)，教師補充實驗背景:美國科學家卡爾文用14C標記的CO2培養(yǎng)小球藻，每隔一定時間取樣;用放射自顯影技術(shù)追蹤含C的產(chǎn)物，根據(jù)其出現(xiàn)先后順序，推測化學反應(yīng)過程。在此基礎(chǔ)上，教師總結(jié):光合作用的光反應(yīng)階段，光能被葉綠體內(nèi)類囊體上的色素捕獲后，將水分解為O2和[H]，形成ATP，從而將光能轉(zhuǎn)化成ATP中活躍的化學能;[H]和ATP驅(qū)動在葉綠體基質(zhì)中進行的暗反應(yīng)，將CO2轉(zhuǎn)化為儲存化學能的糖類。
4.光合作用的過程
(1)光反應(yīng)階段
①場所：在葉綠體類囊體的薄膜上進行。
②條件：必須有光、葉綠體中的色素和酶。
③過程
a.水的光解：2H2O4NADPH＋O2；
b.ATP的生成：ADP＋PiATP。
(2)暗反應(yīng)階段
①場所：在葉綠體基質(zhì)中進行。
②條件：有光無光均可，需要多種酶參與。
③過程
a.CO2的固定：CO2＋C52C3；
b.C3的還原：2C3＋NADPH(CH2O)＋C5。
④能量轉(zhuǎn)變：ATP中活躍的化學能和NADPH中部分能量→(CH2O)中穩(wěn)定的化學能。
(3)光反應(yīng)與暗反應(yīng)的聯(lián)系
①光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供NADPH、ATP；暗反應(yīng)為光反應(yīng)提供ADP、Pi和NADP＋。
②沒有光反應(yīng)，暗反應(yīng)無法進行；沒有暗反應(yīng)，有機物無法合成。總之，光反應(yīng)是暗反應(yīng)所需物質(zhì)和能量的準備階段，暗反應(yīng)是光反應(yīng)的繼續(xù)，是物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的完成階段。
設(shè)計實驗，拓展探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響
通過回顧光合作用的化學反應(yīng)式，從光合作用的原料、條件、場所等方面，引導學生分析影響光合作用的因素有哪些，并對各種因素(內(nèi)因和外因)進行總結(jié)，如內(nèi)因有葉綠體的數(shù)量、葉綠素的含量、酶的多少等，外因有光照時間、光照強度、光的成分、CO2濃度、溫度、水和礦質(zhì)元素等，進而引出探究環(huán)境因素對光合作用強度影響的實驗。
二、光合作用原理的應(yīng)用
1.光合作用的強度
(1)概念：植物在單位時間內(nèi)通過光合作用制造糖類的數(shù)量。
(2)影響因素
2.探究光照強弱對光合作用強度的影響
(1)實驗原理：抽去圓形小葉片中的氣體后，葉片在水中下沉，光照下葉片進行光合作用產(chǎn)生氧氣，充滿細胞間隙，葉片又會上浮。光合作用越強，單位時間內(nèi)圓形小葉片上浮的數(shù)量越多。
(2)實驗流程
①打出圓形小葉片：用打孔器在生長旺盛的綠葉上打出(直徑為0.6 cm)圓形小葉片30片
↓
②抽出葉片內(nèi)氣體：用注射器(內(nèi)有清水、圓形小葉片)抽出葉片內(nèi)氣體，重復2～3次
↓
③圓形小葉片沉到水底：將抽出內(nèi)部氣體的圓形小葉片放入黑暗處盛有清水的燒杯中，圓形
小葉片全部沉到水底
↓
④強、中、弱三種光照處理：取3只小燒杯，分別倒入富含CO2的清水，各放入10片圓形
小葉片，用強、中、弱三種光照分別照射
↓
⑤觀察并記錄同一時間段內(nèi)各實驗裝置中圓形小葉片浮起的數(shù)量
(3)實驗現(xiàn)象與結(jié)果分析：光照越強，燒杯內(nèi)圓形小葉片浮起的數(shù)量越多，說明在一定范圍內(nèi)，隨著光照強度的不斷增加，光合作用強度不斷增加。
3.影響光合作用因素的曲線分析
(1)光照強度
①關(guān)鍵點：A點光照強度為0，此時只進行細胞呼吸，單位時間內(nèi)釋放的CO2量表示呼吸速率。B點細胞呼吸釋放的CO2量和光合作用吸收的CO2量相等，此時的光照強度稱為光補償點。C點時已經(jīng)達到了光飽和點，此時光照強度增加，光合作用強度不再增加。
②關(guān)鍵線段：AB段(不包括B點)光合作用的強度小于細胞呼吸的強度；BC段(不包括B點)光合作用的強度大于細胞呼吸的強度。
(2)CO2濃度
①走勢分析：圖甲和圖乙都表示在一定范圍內(nèi)，光合作用強度隨CO2濃度的增加而增加，但當CO2濃度增加到一定范圍后，光合作用強度不再增加。
②關(guān)鍵點分析：圖甲中A點表示光合作用強度等于細胞呼吸強度時的CO2濃度，即CO2補償點；圖乙中的A′點表示進行光合作用所需CO2的最低濃度。圖甲和圖乙中的B和B′點都表示CO2飽和點。
(3)溫度
①影響原理：溫度通過影響酶的活性來影響光合作用強度。
②曲線分析：B點對應(yīng)的溫度是最適溫度，此時光合作用最強，高于或低于此溫度，光合作用強度都會下降。
歸納總結(jié)光合作用與化能合成作用的區(qū)別和聯(lián)系:
“光合作用為地球制造有機物和氧氣，是地球上最重要的化學反應(yīng)”概念。在自然界中，有機物的來源除了光合作用，還有化能合成作用。從物質(zhì)和能量的角度看，光合作用與化能合成作用最主要的區(qū)別是各自的化學反應(yīng)能量來源不同，光合作用的能量來源于光，而化能合成作用來源于氧化無機物釋放的化學能。其本質(zhì)是相同的，就是將自然界中的二氧化碳和水合成有機物。

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