教学设计 | BX1 5.4.2 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2课时

教学内容

教师活动

学生活动

引入新课

   播放《叶子概念车》视频并进行简单介绍导入。

上海科技馆的新能源汽车“叶子概念车”,汽车上面形状如同一片绿叶，犹如流动的植物，可以利用阳光进行光合作用制造能量驱动汽车前进，与自然共同呼吸、和谐相处。

 “叶子概念车”的工作原理模拟叶子的什么功能？它的动力从何而来? 

    欣赏视频并积极思考:光合作用汽车的动力原理。

一、探索光合作用原理的实验

【知识重现】

引导学生说出光合作用的概念及反应式

概念:指绿色植物通过叶绿体 , 利用光能，把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。

反应式：CO₂＋H₂O^*(CH₂O)＋O₂^*

光合作用释放的氧气是来自原料中的水还是二氧化碳呢？

我们先来分析科学家做过的一些实验。

【探索实验】

组织学生阅读教材“思考·讨论”，从中获取信息，分析光合作用原理的探索实验。

探讨一　光合作用中O₂产生的探索 

资料1：1937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O₂。

(1)根据资料1，请尝试补充完整希尔的实验表达式。

H⁺   O₂

(2)希尔实验可以证明氧气来自水，能否确定氧气全部来自水？

不能，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。

(3)若要证明氧气全部来自水或二氧化碳，可采用什么方法？

可以采用同位素示踪法，用¹⁸O分别标记H₂O和CO₂进行实验。

资料2　1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪法研究了光合作用中O₂的来源，他们用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：

(4)图中A物质和B物质的相对分子质量之比是多少?

图中A、B物质是氧气,均来自反应物中的H₂O。A、B物质分别为O₂、¹⁸O₂,二者的相对分子质量之比为32∶36＝8∶9。

(5)实验结论:光合作用释放的氧气中的氧元素全部来自　　。

水

探讨二  光合作用中能量的转化

资料3:阿尔农实验1

实验过程:离体叶绿体,加入ADP、Pi,给予光照。发现叶绿体生成ATP,且同时水光解产生氧气。

（1）实验结论:光照下, 　　。

水光解的同时ADP和Pi合成ATP。

（2）尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。

知识拓展：叶绿体类囊体薄膜上能量转化示意图

阿尔农实验2：

离体叶绿体实验过程及结果 

（3）结论：CO₂转化成(CH₂O)需要_____反应提供_________和______ 。

光   NADPH   ATP

探讨三　光合作用中有机物产生

1.研究碳的转移途径

资料4：美国的卡尔文用小球藻进行实验,将其装在一个透明的密闭容器中,他向密闭容器中通入¹⁴CO₂,当反应进行到5 s时,¹⁴C出现在一种五碳化合物(C₅)和一种六碳糖(C₆)中,将反应时间缩短到0.5 s时,¹⁴C出现在一种三碳化合物(C₃)中。经9年左右的时间,他终于弄清了光合作用中暗反应的碳循环途径。

(1)请用符号和箭头表示碳的转移途径。

(2)如果要探究CO₂转化成的第一个产物是什么,请说出可能的实验思路。

不断缩短光照时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析,直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物,该物质即为CO₂转化成的第一个产物。

2.探索C₅和C₃的关系

资料5　卡尔文又通过实验发现如果光照下突然中断 CO₂ 供应，C₃急剧减少而 C₅增加。

(3)根据卡尔文的两个实验推测C₃与C₅之间的关系。

C₃与C₅之间是相互循环的

回顾初中光合作用知识。带者疑问进入本节课的学习。

阅读教材，进行信息提取和科学分析。思考并回答有关问题。

学会同位素标记法，感受科学家的研究方法。

思考计算回答问题。

思考尝试画出示意图。

实验过程及结果得出结论。

思考尝试表示碳的转移途径。

思考分析在改变不同条件情况下C₃与C₅之间含量的变化。

习题巩固

1.(2023·广东肇庆高一期末)1937年，英国植物学家希尔(R.Hill)发现，将离体的叶绿体加入具有氢受体(如NADP^＋)的水溶液中，在无CO₂的条件下给予光照，发现叶绿体有氧气放出，生成NADPH(还原型辅酶Ⅱ)。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。下列相关分析错误的是

A.希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应

B.在此过程中，H₂O分解产生O₂的同时，还生成了NADPH 

C.光合作用中O₂的释放和CO₂的利用，是可以暂时分离的

D.光合作用整个过程都直接需要光照

【答案】D

【解析】A、希尔实验的悬浮液中只有水，没有CO₂,不能合成糖类,说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应,A正确;

B、根据题意可知,H₂O在光下分解产生O₂的同时生成了氢，与氢受体(如NADP⁺)结合生成NADPH(还原型辅酶I),B正确;

C、希尔实验中在没有加入CO₂的情况下生成了氧气,说明O₂的释放和CO₂的利用，是可以暂时分离的,C正确;

D、光合作用过程分为光反应和暗反应,光反应需要光照,暗反应有无光照都可发生,D错误。

故选D。

2.光合作用的科学研究经历了漫长的探索过程,众多科学家作出了重要贡献。下列说法错误的是 

A.希尔反应能说明植物光合作用中水的光解和糖类的合成不是同一个化学反应

B卡尔文根据实验结果推测出CO₂中C的转移途径为CO₂→C₃→(CH₂O)→C₅

C.鲁宾和卡门用同位素示踪的方法发现了光合作用中氧气来自水

D.阿尔农发现在光照下，叶绿体可合成ATP,并发现该过程总与水的光解相伴

【答案】B

【解析】A.希尔实验的悬浮液中只有水，没有CO₂不能合成糖类，说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应，A正确;

B、卡尔文为研究光合作用中碳的去向，在充足的光照条件下向小球藻的培养液中通入¹⁴C标记的CO₂,每隔一定时间取样，并提取样品中的标记化合物，浓缩后再点样用双向纸层析法使标记化合物分离,卡尔文根据上述实验结果推测出CO₂中C的转移途径为CO₂→C₃→CH₂O, B错误;

C、鲁宾和卡门运用同位素标记法标记0元素:他们分别向小球藻提供含的¹⁸0水和含¹⁸0的CO₂,进行对比实验，发现了光合作用中氧来自水，C正确;

D、阿尔农发现在光照下，叶绿体可以合成ATP,并且叶绿体合成ATP的过程总是与水的光解相伴随，D正确。

故选B。

二、光合作用的过程

【阅读分析】

组织学生阅读教材第103～104页学习光合作用的过程。

展示光合作用过程的示意图分析，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。

指导学生结合图示学习光反应过程，梳理光反应过程发生的场所、条件、物质变化、能量变化。

场所:叶绿体内的类囊体薄膜上

条件:光、色素、酶

水的光解: H₂O

物质变化   NADPH的合成: H⁺+NADP⁺→NADPH

ATP的合成: ADP＋PiATP

能量变化:光能转变为活跃的化学能

指导学生结合图示学习暗反应过程，梳理暗反应过程发生的场所、条件、物质变化、能量变化。

场所:叶绿体的基质中

条件: NADPH、ATP、酶

物质变化：

CO₂ 的固定：CO₂＋C₅酶(――→)2C₃；

C₃ 的还原：

能量变化：活跃的化学能转变为糖类等有机物中稳定的化学能

通过光反应与暗反应分阶段的学习，引导学习尝试构建光合作用过程模型。

列表对光反应与暗反应进行比较：

学生分组讨论：叶绿体处不同条件下，C₃、C₅、NADPH、ATP以及(CH₂O)合成量的动态变化?

ATP、ADP分别从哪里转移到哪里？

ATP从类囊体薄膜转移叶绿体基质，ADP从叶绿体基质转移到类囊体薄膜

习题巩固

3.(2023·黑龙江哈尔滨高一期末)如图表示光合作用示意图。下列说法错误的是

A.类囊体薄膜上有吸收光能的4种色素

B.物质②中可储存活跃的化学能，物质③为NADPH 

C.在光照供应充足时，突然停止供应物质④，C₅的含量将迅速下降

D.在整个光合作用过程中，植物将太阳能最终转化为有机物中稳定的化学能

【答案】C

【解析】A、叶绿体中的类囊体薄膜上有吸收光能的四种色素,包括胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b,A正确;

B、由题图可知,物质②是ADP和Pi结合形成的ATP,ATP中可储存活跃的化学能,物质③是由NADP⁺形成的NADPH,B正确;

C、在光照供应充足时，突然停止供应物质④CO₂,则C₅与CO₂固定形成C₃减少,而C₃还原形成C₅暂时不变,因此C₅含量短时间内将上升,C错误;

D、光合作用是指绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧的过程,在整个光合作用过程中,植物将太阳能最终转化为有机物中稳定的化学能,D正确。

故选 C。

4.光合作用过程的正确顺序是 

①二氧化碳的固定    ②氧气的释放     ③叶绿素吸收光能

④水的光解          ⑤三碳化合物被还原

A.④③②⑤①                  B.④②③⑤①

C. ③②④①⑤                 D.③④②①⑤

【答案】D

【解析】在光合作用过程中，首先叶绿素吸收光能,使水在光下分解,释放氧气，该过程发生在光反应阶段。在暗反应阶段，通过二氧化碳的固定生成三碳化合物，然后利用光反应产生的[H]和ATP进行三碳化合物的还原,故正确顺序是③④②①⑤。

故选 D。

5. 在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是 

A.红光，ATP下降             B.红光，未被还原的C3上升

C.绿光，NADPH下降         D.绿光，C5上升

【答案】C

【解析】植物光合作用主要利用的是红光和蓝紫光，对绿光的利用很少。突然改用光照强

度与白光相同的红光照射后，光反应速率加快，产物NADPH和ATP上升，进而C3的还原过程加快，未被还原的C5下降，而改用光照强度与白光相同的绿光照射后，光反应速率减慢，产物[H]和ATP下降， 进而C3的还原过程减慢，C5 下降，故C项正确。

故选C。

课堂小结

板书设计

一、探索光合作用原理的实验

1.光合作用概念

2.反应式  CO₂＋H₂O^*(CH₂O)＋O₂^*

二、光合作用的过程

1.光反应

2.暗反应