教学设计 | BX1 5.4.3 光合作用与能量转化

年级

高一年级

  授课时间

3课时

课题

第4节  光合作用与能量转化

教材分析

细胞的生命活动是需要能量来驱动的。太阳能是几乎所有生命系统中能量的最终源头。外界能量进入细胞，并为细胞所利用，都要经过复杂的化学反应。细胞是如何通过化学反应来获取和利用能量的呢?通过本节教学，学生更深入地理解生命的本质。本节教材分两小节，按照先结构后过程的思路展开。第一小节引导学生认识捕获光能的色素和结构，主要是解决绿色植物利用什么物质和结构来吸收光能的问题。教材以问题串贯穿正文的方式来加以表述。第二小节再引导学生认识光合作用的原理，详细了解光合作用是如何进行的，并探讨光合作用原理在实践上的应用。本节内容需要3课时完成。第1课时完成“捕获光能的色素”和“绿叶中色素提取和分离”实验，第2课时完成“叶绿体适于进行光合作用的结构”和“光合作用原理”，第3课时完成“光合作用原理的应用”。

光合作用是地球上最重要的化学反应。光合作用的概念及其应用一直是中学生物学课程中的重要内容。本节是本模块的重点内容之一。通过本节教学有助于学生科学自然观的形成;有助于从生命观念、科学思维、科学探究、社会责任4个方面培养学生生物学科核心素养。

教学目标

1.尝试提取和分离绿叶中的色素，简述绿叶中色素的种类及其功能。

2.运用结构与功能相适应的观念，解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点。

3.通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论，说明光合作用过程，并从物质与能量观视角，阐明光合作用原理，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。

4.设计并实施实验，探究环境因索对光合作用强度的影响。

5.关注光合作用原理的应用。

教学重、难点

1.教学重点

(1 )叶绿体适于光合作用的结构特点。

(2)光合作用的原理。

2.教学难点

(1)光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系。

(2)探究影响光合作用强度的环境因索。

教学过程

第3课时

教学内容

教师活动

学生活动

引入新课

播放视频，创设情境，如何解决日益增长的人口与粮食紧缺问题?有机物的来源是来自植物的光合作用。地球表面上的绿色植物每年通过光合作用大约制造4400亿吨有机物，引导学生讨论，引入新课。 

观看视频，理解粮食生产与光合作用密切相关。

一、影响光合作用强度的因素及原理应用

【概念描述】

光合作用的强度：指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。

回顾光合作用的化学反应式，从光合作用的原料、条件、场所等方面，引导学生分析影响光合作用的因素有哪些，并对各种因素(内因和外因)进行总结。

【探究实践】

探究光照强度对光合作用强度的影响

实验材料：打孔器，注射器，5WLED台灯，米尺，烧杯，菠菜。

实验原理：

学生讨论本实验的自变量是什么，分析控制自变量的方法，因变量是什么，如何进行检测，无关变量有哪些。探讨设计实验步骤并进行实验。

自变量：光照强弱

控制方法：用5W的LED灯作为光源，利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度

因变量：光合作用强度

检测方法：相同时间小圆形叶片浮起的数量

无关变量：①实验叶片：同种、生长状况相同、小圆形叶片大小相同、等量…②NaHCO₃溶液：等量,相同浓度 

实验步骤： 

设计表格，记录实验结果，分析结果讨论总结实验结论。

实验结果：不同光照强度处理下叶片漂起的状况（室温：25 ℃）

实验结论：

在一定光照强度范围内，光合作用随着光照强度的增加而增强。

引导学生尝试用曲线表示光合作用与光照强度之间的关系。

提出问题，进而探讨实际光合速率与净光合速率的关系：据图分析，实验所测是否为叶片实际光合作用强度？

实际光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率 、矿质元素

【图表分析】

结合曲线图等详细分析光照强度、CO₂ 浓度、温度、水、叶龄和叶面积等单因素及多因素对光合作用强度的影响，并应用于生产实践。

▲光照强度对光合作用强度的影响

应用：合理密植；间作套种；适当剪枝 。

▲CO₂ 浓度对光合作用强度的影响

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。 

思考：点c与A、n与C是否相同？点：m与A、n与C相同

▲温度对光合作用强度的影响

①原理1：温度通过影响酶的活性影响光合作用。

②曲线分析:

盛夏的中午，温度高，气孔大多关闭，植物因为缺少CO₂而光合作用强度下降 

▲矿质元素对光合作用强度的影响

N：光合酶及NADPH和ATP的重要组分

P：NADPH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

P～Q的形成原因： 

矿质元素过多、土壤溶液浓度过高而导致植物渗透失水萎蔫。

应用：合理施肥

▲水对光合作用强度的影响

1.水是光合作用的原料，缺水直接影响光合作用

2.缺水又会导致叶片气孔关闭，限制CO₂

进入叶片，从而间接影响光合作用。

应用：合理浇灌

▲叶龄和叶面积对光合作用强度的影响

应用：a.合理密植(增加光合作用面积)；b.适当间苗(“套种间作”讲的就是这个方面)；c.修剪以增加有效光合作用面积；d.适当摘除老叶。 

▲多因子变量对光合速率的影响

问：温度不同或者CO₂浓度不同，总光合速率曲线会如何变化？

P点前，制约因素是什么？Q点时，制约因素是什么？

应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合作用所需酶的活性，提高光合速率，也可同时适当增加CO₂浓度，进一步提高光合速率；当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO₂浓度以提高光合速率。

回顾光合作用的化学反应式，根据反应式分析影响光合作用的因素有哪些。

探究光照强度对光合作用强度的影响。

思考讨论实际光合速率与净光合速率的关系。

结合图表等详细分析各单因素及多因素对光合作用强度的影响，并将其应用于生产实践，解决实验问题。

习题巩固

1.(2023·云南昭通高一期末)研究人员在适宜温度、水分和一定CO₂浓度条件下，分别测定了植株甲和植株乙CO₂吸收速率与光照强度的关系。下列相关叙述错误的是

A.图2生理状态对应图1的a点，植物不能正常生长

B.图1光照强度为b时，甲、乙总光合作用强度相等

C.光照强度为c时，甲、乙光合作用强度的差异可能与N、Mg无机盐含量有关

D.适当增加CO₂浓度，P点将向右上移

【答案】B

【解析】A、图2中CO₂提供给叶绿体，0₂提供给线粒体，说明细胞中呼吸作用强度等于光合作用，对应图1的a点(光补偿点),叶片净光合等于零,植物不能积累有机物，不能正常生长，A正确;

B、光照强度为b时，甲、乙两种植物的净光合速率相等，但总光合速率等于净光合速率加呼吸速率,所以在甲、乙的呼吸速率未知的情况下，两植株的总光合速率未必相等，B错误;

C、c点为光饱和点，当光照强度为c时，光照强度已经不是限制条件，Mg和N均是叶绿素分子的组成元素，故甲、乙光合作用强度的差异可能与N、Mg无机盐含量有关，C正确;

D、P点为光饱和点对应的光照强度，此时，限制P点CO₂吸收速率的因素可能是C0₂浓度.P点话当增加CO₂浓度.将右上移，D正确。

故选B。

2.(2023·云南昆明高一期末)如图是在夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。下列分析错误的是 

A.7～10时光合作用强度不断增强的原因是光照强度逐渐增大

B.12时光合作用强度明显减弱的原因可能是叶片蒸腾作用强，部分气孔    关闭，进入体内的CO₂减少

C.14～18时光合作用强度不断减弱的原因是光照强度逐渐减小

D.从图中可以看出限制光合作用的因素只有光照强度

【答案】D

【解析】A、7～10时光照强度逐渐增大，光合作用强度随之增大，A正确;

B、夏季中午12时，温度较高，为了避免蒸腾作用过强，部分气孔关闭，进入植物体内的

CO₂减少，影响了暗反应速率，进而使光合作用强度下降，B正确;

C、14～18时光照强度逐渐降低，光合作用强度也不断下降，C正确；

D、从图中可以看出，夏天的一天当中主要是光照强度和温度会发生变化，故图中限制光合作用的因素有光照强度和温度等，D错误。

故选D。

3.图1是某高等植物叶肉细胞部分结构示意图，其中a～h为气体的相对值；图2为光照强度对该叶肉细胞CO2吸收量的影响。下列叙述错误的是

A.在图2甲时，图1中b、c、d、e的值均为零

B.在图2乙时，图1中该叶肉细胞中h＝c

C.图2中光照强度在丁点及之后，光合速率与呼吸速率相等

D.图1中当b、e为零且a、f不为零时，该叶肉　细胞呼吸速率大于光合速率

【答案】C

【解析】A、图2的甲点只进行呼吸作用，叶绿体不能吸收CO2和释放氧气，只有线粒体吸收氧气和释放C0₂，因此图1中只有h、a、f、g,而b、C、d、e的值均为零，A正确;

B、图2的乙点时，植物体光合作用速率=呼吸作用速率，因此线粒体释放的CO₂被叶绿体刚好全部吸收，即h=c， B正确;

C、图2中光照强度在丁点及之后，光合作用达到饱和，此时光合速率大于呼吸速率，C错误;

D、图1中当b、e为零且a、f不为零时，说明线粒体除了吸收叶绿体产生的氧气，还需要从外界吸收氧气，因此叶肉细胞呼吸速率大于光合速率，D正确。

故选C。

二、化能合成作用

【知识拓展】

在自然界中，除了光合作用以外，还有其他制造有机物的方式吗？

阐述化能合成作用：少数种类的细菌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，这种合成作用叫化能合成作用。

了解化能合成作用。

习题巩固

4.下图是某种细菌内发生的生化反应，该反应与光合作用的相同之处是

A.都以太阳能为能源

B.都需要环境中的物质氧化释放的能量

C.都可以将无机物转变为有机物

D.都是高等生物的代谢类型

【答案】C

【解析】由题图可知,该细菌能利用黄铁矿氧化过程中释放的能量将CO2和H2O合成有机物并释放氧气，说明该细菌能进行化能合成作用化能合成作用与光合作用的共同之处是都能将无机物转变为有机物,不同之处是前者利用的是化学能，而后者利用的是光能,故C项正确。

课堂小结

板书设计

一、影响光合作用强度的因素及原理应用

1. 探究光照强度对光合作用强度的影响

2. 分析各种因素对光合作用的影响

(1)光照强度

(2)CO₂ 浓度

(3)温度

(4)水

(5)叶龄和叶面积

二、化能合成作用