3.5光合作用将光能转化为化学能（第3课时）影响光合作用的环境因素及实验探究 学案

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1、课时3 影响光合作用的环境因素及实验探究光合作用受环境因素的影响1.光合速率(又称光合强度)(1)含义:一定量的植物(如一定的叶面积)在单位时间内进行的光合作用,如释放多少氧气、消耗多少二氧化碳。(2)表示方法:产生氧气量/单位时间或消耗二氧化碳量/单位时间。(3)表观光合速率:光照条件下测得的植物从外界环境吸收的CO2总量。(4)真正光合速率:光照条件下,植物从外界环境中吸收的CO2的量,加上细胞呼吸释放的CO2量。2.环境因素对光合速率的影响(1)光强度。光合速率随光强度的增加而增加,当光强度升高到一定数值后,光强度再增加光合速率不再增加,此时的光强度称为光饱和点。(2)温度。光合作用有一

2、个最适温度,和酶反应有最适温度一样。表现为一定范围内光合速率随温度的升高而加快,超过最适温度光合速率下降。(3)CO2浓度。空气中CO2浓度的增加会使光合速率加快。目前大气中CO2的浓度约为0.035%,CO2浓度在1%以内时,光合速率会随CO2浓度的增加而增加。3.探究环境因素对光合作用的影响(1)实验假设。一定范围内,金鱼藻(或黑藻)光合速率随光强度的增加而增加。(2)实验原理。(3)实验步骤。组装如图实验装置三套,编号甲、乙、丙。分别向三支试管内加入等量的金鱼藻(或黑藻)和NaHCO3溶液。记录有色液滴的起始位置。取三只100 W聚光灯,分别置于距甲、乙、丙10 cm、20 cm、50

3、cm处,一段时间后,记录有色液滴位置。(4)实验结果及结论。实验结果。组别有色液滴移动距离甲最大乙较大丙最小实验结论。在一定范围内,随着光强度不断增加,光合作用强度也不断增加。分析上述实验的自变量、因变量及无关变量。提示:自变量是光强度;因变量为光合速率(或光合强度);无关变量有温度、CO2浓度、金鱼藻(或黑藻)的数量等。自主学习检测教材基础熟记于心1.施用农家肥,可提高大棚中CO2的浓度。()2.光饱和点指达到最大光合速率对应的最小光强度。()3.与夏季相比,植物在冬季光合速率低的主要原因是光照时间缩短。()提示:植物在冬季光合速率低的主要原因是温度低。4.真正光合速率是指人们测得的CO2吸

4、收量。()提示:真正光合速率是指植物在光照条件下,从外界环境中吸收的CO2量,加上细胞呼吸释放的CO2量,即植物实际同化的CO2的量。5.适宜温度下,增加CO2的浓度,光合速率不再增加,说明限制光合速率增加的环境因素是光强度和温度。()提示:由于温度为适宜温度,当增加CO2浓度光合速率不再增加,说明限制光合速率增加的环境因素最可能为光强度。6.“正其行,通其风”可以使空气不断流过叶面,提供较多的CO2,有利于提高农作物的产量。()任务一影响光合速率的环境因素分析任务突破1综合分析各种环境因素对光合速率的影响(1)单因素对光合速率的影响。影响因素曲线曲线解读光强度A点:只进行细胞呼吸;AB段:随

5、光强度增大,光合速率也逐渐增大,但总体光合速率小于细胞呼吸速率;B点(光补偿点):光合速率等于细胞呼吸速率;BC段:光强度不断增加,光合速率不断增加;C点对应的光强度为光饱和点CO2浓度图1和图2都表示在一定范围内,光合速率随CO2浓度的增加而增加,但当CO2浓度增加到一定范围后,光合速率不再增加;图1中A点表示光合速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度,即CO2补偿点;图2中的A点表示进行光合作用所需的CO2最低浓度;图1中的B点和图2中的B点都表示CO2饱和点温度温度主要通过影响与光合作用有关酶的活性,进而影响光合速率(2)多因素对光合速率的影响。曲线解读:P点时,限制光合速率的因素应为横坐标

6、所示因素,随该因素的不断增强,光合速率不断提高;Q点时,横坐标所示因素不再是影响光合速率的主要环境因素,若要提高光合速率,可适当提高其他因素的强度。应用。a.温室栽培植物时,在光强度一定的条件下,白天适当提高温度,可提高与光合作用有关的酶的活性,提高光合速率,也可同时适当补充CO2进一步提高光合速率。b.当温度适宜时,可适当增加光强度和CO2浓度以提高光合速率。迁移应用典例1-1 下列为有关环境因素对植物光合作用速率影响的关系图,有关描述错误的是(D)A.若图1表示植物阴天时的光合速率,则晴天时,a点左移,b点右移B.图2中,若CO2浓度适当增大,则a点左移,b点右移C.图3中,CO2浓度由b

7、点变为a点,短时间内叶绿体中三碳酸分子的含量增加D.图4中,当温度高于25 时,光合作用制造的有机物的量开始减少解析:阴天时植物的光合作用强度较低,晴天时光强度增加,光合作用强度增加,故图1中b点(CO2饱和点)右移,a点(CO2补偿点,表示光合作用与呼吸作用强度相等)左移;图2中a为光补偿点,b为光饱和点,若CO2浓度适当增大,则光合作用强度也随之增加,所以a点左移,b点右移;图3中由于a点CO2浓度比b点高,CO2浓度由b点变为a点,浓度增加,碳反应过程中CO2的固定增加,故三碳酸含量相对增多;图4中光照下CO2的吸收量为植物净光合量(植物有机物积累量),黑暗中CO2的释放量为植物呼吸量,

8、所以当温度高于25 时,植物单位时间内光合作用积累的有机物的量开始减少,但植物光合作用制造的有机物的量(植物总光合量)还在增加。典例1-2 为研究“不同光强度对结果期草莓光合速率的影响”,选取处于三种供水条件下结果期草莓植株的叶片在适宜条件下测定净光合速率和气孔导度,结果如图所示。注:水势(单位MPa),在标准状况下,纯水的水势为零,溶液的溶质越多,溶液的水势越低。请回答下列问题。(1)该实验的自变量是。实验过程中的光合速率是用的O2释放量来表示的,光强度为800 Lux时,三种水势下叶肉细胞产生的O2去向有。(2)将还原为糖的一系列反应称为卡尔文循环。该循环中,三碳糖以后的许多反应,都是为了

9、。影响胞间CO2浓度的因素有。(3)在水势为-5.56 MPa下,光强度在1 3001 400 Lux之间时,CO2(填“是”或“不是”)限制光合作用的主要因素。请结合图2分析图1中光强度大于1 400 Lux时,光合速率下降的原因是。解析:(1)根据题意分析可知,本实验的自变量是光强度和水势。图1表示光强度对草莓叶片净光合速率的影响,其纵坐标是O2释放速率,单位为mol/(m2s),所以光合速率是用单位时间单位叶面积的O2释放量表示的。图1中,光强度为800 Lux 时,三种水势下叶肉细胞的O2释放速率均大于零,说明此光强度下,光合速率均大于呼吸速率,因而叶肉细胞产生的氧气一部分被线粒体的需

10、氧呼吸消耗,还有一部分释放到细胞外。(2)在叶绿体基质中,二氧化碳在多种酶的催化下被还原成糖,此过程中的一系列反应被称为卡尔文循环,三碳糖形成以后,卡尔文循环中的许多反应,都是为了再生五碳糖,以保证此循环不断进行。气孔导度影响胞间二氧化碳的来源,光合速率影响胞间二氧化碳的去路。(3)图2中在水势为-5.56 MPa下,光强度在1 3001 400 Lux之间时,气孔导度快速下降,导致胞间二氧化碳浓度下降;但图1中对应的区域净光合速率却没有随之快速下降,说明此时CO2不是限制光合作用的主要因素。图1中光强度大于1 400 Lux 时,三种水势的曲线光合速率都下降,而图2对应区域的气孔导度在下降,

11、因此推测气孔导度的下降导致胞间二氧化碳减少,碳反应的原料减少,光合速率下降。答案:(1)光强度和水势单位时间单位叶面积线粒体和细胞外(大气中)(2)二氧化碳再生五碳糖气孔导度和光合速率(3)不是气孔导度下降,使胞间CO2减少,导致碳反应速率下降任务突破2 归纳总结光合速率的影响因素在生产实践中的应用影响因素在生产上的应用光照延长光照时间:通过轮作,延长全年内单位土地面积上绿色植物进行光合作用的时间;增加光强度CO2浓度施用有机肥;温室栽培植物时,可以适当提高室内CO2浓度;大田生产“正其行,通其风”可提高CO2浓度,增加产量温度增加昼夜温差,保证植物有机物的积累迁移应用典例1-3 植物工厂是通

12、过光调控和通风控温等措施进行精细管理的高效农业生产系统,常采用无土栽培技术。下列有关叙述错误的是(B)A.可根据植物生长特点调控光的波长和光强度B.应保持培养液与植物根部细胞的细胞液浓度相同C.合理控制昼夜温差有利于提高作物产量D.适时通风可提高生产系统内的CO2浓度解析:不同植物对光的波长和光强度的需求不同,可根据植物生长特点调控光的波长和光强度;为保证植物的根能够正常吸收水分,该系统应控制培养液的浓度适当小于植物根部细胞的细胞液浓度;适当提高白天的温度可以促进光合作用的进行,让植物合成更多的有机物,而夜晚适当降温则可以抑制植物的呼吸作用,使其少分解有机物,故合理控制昼夜温差有利于提高作物产

13、量;适时通风可提高生产系统内的CO2浓度,进而提高光合作用的速率。任务二探究环境因素对光合作用的影响任务突破 探究环境因素对光合作用影响实验中的变量处理探究环境因素对光合作用的影响,解题切入点是把握实验目的及实验的变量处理,配合对光合作用基本过程的理解进行回答。常见的实验变量设置及检测处理如下:迁移应用典例2 黑藻是多年生沉水草本植物,广泛分布于池塘、湖泊等淡水中,是一种易获得的理想实验材料。某兴趣小组利用黑藻研究光强度对光合作用的影响,实验装置如图1。图2表示在适宜温度、较低浓度 NaHCO3溶液条件下,利用装置1测得的黑藻O2释放速率随光强度的变化。(1)图1装置中,若不更换灯泡,则可通过

14、改变来改变光强度大小。实验装置装配完成后,要检查装置的。(2)图1装置中,不能用产热量较高的白炽灯,原因是。(3)黑藻的O2释放速率(表观光合速率)不能代表叶绿体的O2产生速率(真正光合速率)。若想测得真正的光合速率,则还需要将图1装置进行处理来测出呼吸速率。(4)据图2可知,当光强度相对值为2时,黑藻叶绿体的氧气产生速率相对值为。当光强度相对值为7时,若要提高黑藻光合速率,可采用的方法是。解析:(1)如果不更换灯泡,可以通过改变荧光灯与广口瓶的距离来改变光强度大小。实验装置装配完成后,要检查装置的气密性。(2)产热量高的白炽灯会改变温度,所以为避免温度对光合作用的影响,不能用白炽灯。(3)真

15、正光合速率=表观光合速率+呼吸速率,所以若想测得真正的光合速率,还需要将图1装置进行黑暗(或遮光)处理来测出呼吸速率。(4)当光强度相对值为2时,黑藻没有从外界环境吸收氧气,也没有释放氧气,说明此时呼吸速率和光合速率相等,因此叶绿体的氧气产生速率相对值为2。当光强度相对值为7时,此时植物达到光饱和,所以为提高光合作用强度,可以适当增加NaHCO3溶液浓度以提高CO2浓度。答案:(1)荧光灯与广口瓶的距离气密性(2)避免温度对光合作用的影响(3)遮光(或黑暗)(4)2适当增加NaHCO3溶液浓度任务三综合分析光合作用与细胞呼吸关系任务突破1 列表比较光合作用与细胞呼吸的过程项目光合作用细胞呼吸(

16、需氧呼吸)代谢类型合成作用(或同化作用)分解作用(或异化作用)物质变化无机物有机物有机物无机物能量变化光能稳定的化学能化学能ATP中活跃的化学能、热能(散失)实质合成有机物,贮存能量分解有机物,释放能量场所叶绿体(真核细胞)主要在线粒体(真核细胞)条件光、色素、CO2、酶等O2、酶等,有光、无光均可进行H 的来源NADPH:光反应中水的裂解H:第一阶段及第二阶段H 的去路NADPH:作为还原剂和能源物质,用于碳反应阶段中还原三碳酸分子形成三碳糖H:用于第三阶段与O2结合生成H2O,同时释放大量能量ATP的来源光反应阶段ATP合成所需能量来自光能第一、第二、第三阶段均产生ATP,第三阶段产生AT

17、P最多,能量来自有机物的氧化分解ATP的去路用于碳反应中三碳酸分子的还原,以稳定化学能的形式贮存于有机物中作为“能量通货”用于多项生命活动迁移应用典例3-1 如图是某植物叶肉细胞光合作用与需氧呼吸过程中的物质变化图解,其中表示过程。下列相关叙述错误的是(A)A.过程都有ATP合成B.必须在膜结构上进行的过程有C.过程都没有消耗氧气,也没有产生氧气D.在环境因素适宜条件下,过程强于过程解析:光反应阶段产生ATP,碳反应阶段消耗ATP,需氧呼吸过程产生ATP;光反应阶段发生在类囊体膜上,需氧呼吸第三阶段发生在线粒体内膜上;为碳反应阶段,为需氧呼吸的第一、第二阶段,这两个过程都没有消耗氧气,也没有产

18、生氧气;对于植物叶肉细胞而言,在环境因素适宜条件下,光合作用强度大于呼吸作用强度,即过程强于过程。任务突破2 分析光合作用与细胞呼吸之间的气体变化下列为叶肉细胞内线粒体与叶绿体之间的气体变化图示。据图分析可知:图表示黑暗中,只进行细胞呼吸;图表示细胞呼吸速率光合速率;图表示细胞呼吸速率=光合速率;图表示细胞呼吸速率光合速率。迁移应用典例3-2 下列关于、两幅图的相关描述,不正确的是(D)A.以芹菜为例,图描述过程可能不仅仅发生在叶肉细胞中B.图显现出该细胞正处于光合速率大于细胞呼吸速率的状态C.图氧气浓度为3%和9%时,苹果细胞呼吸消耗不同质量的糖D.图氧气浓度大于等于18%时,酵母菌单位时间

19、内酒精产生量才变为零解析:对芹菜来说,叶绿体存在于叶肉细胞和幼茎细胞中,图 描述过程发生在叶肉细胞和幼嫩的茎细胞中;图 显现出该植物细胞需要从外界吸收CO2,说明正处于光合速率大于细胞呼吸速率的状态;图 氧气浓度为3%和9%时,苹果的二氧化碳释放量尽管相等,但氧气浓度不同,显然呼吸方式有差异,因此两个条件下苹果细胞呼吸消耗的糖的质量不同;根据图解可知,氧气浓度在15%18%中的某值时,细胞开始只进行需氧呼吸,酒精产生量变为零。任务突破3 分析真正光合速率和表观光合速率(1)真正光合速率和表观光合速率的曲线。真正光合速率和表观光合速率的曲线互相平行,两者的差值是呼吸速率。表观光合速率+呼吸速率=

20、真正光合速率。(2)表观光合速率的曲线中各点的含义。A点:光强度为0,此时植物没有光合作用,只有细胞呼吸,A点在y轴上的绝对值就是呼吸速率。B点:光合速率等于呼吸速率。B点在x轴上的值就是光补偿点。光补偿点是真正光合速率等于呼吸速率时的光强度。如果植物长期处于B点,没有有机物积累,则植物不能生长。A点B点:植物理论上不需要从外界吸收CO2,因为细胞呼吸产生的CO2足够满足光合作用对CO2的需求。C点在x轴上的值(D点)就是光饱和点。光强度增加到光饱和点以后,光合速率不再随光强度的增加而增加。任何一点如E点在y轴上的值是表观光合速率,呼吸速率是曲线与y轴的交点,即A点的绝对值,真正光合速率是E点

21、与A点在y轴上的绝对值之和。(3)表观光合速率、真正光合速率及呼吸速率的表示方法。项目表示方法表观光合速率O2的释放量、CO2的吸收量、有机物的积累量真正光合速率O2的产生量、CO2的固定量、有机物的制造量呼吸速率(黑暗中测量)CO2的释放量、O2的吸收量、有机物的消耗量(4)有关补偿点和饱和点的移动问题。以光强度对光合作用的影响为例,分析各点的移动方向(见下图)。A点:呼吸速率。此点和呼吸速率大小相关,若呼吸速率增加,A点下移,反之,A点上移。B点:光补偿点。此点含义为光合速率等于呼吸速率,若光合速率增加,B点左移,反之,B点右移。C点:最大光合速率点,与光饱和点相对应。若光合速率增加,C点

22、向右上移动,反之,C点向左下移动。D点:光饱和点(最大光合速率所对应的最小光强度)。此点之后,随光强度的增加,光合速率不再增加,即光合作用的限制性因素不再是光强度,而是其他因素(其内因一般为酶的活性、色素的含量、五碳糖的含量等,外因常为温度或二氧化碳浓度等)。若光合速率增加,D点右移,反之,D点左移。迁移应用典例3-3 在适宜温度和一定的光强度下,甲、乙两种植物叶片的CO2净吸收速率与CO2浓度的关系如图所示,下列说法正确的是(A)A.在CO2浓度低于b的环境中植物乙比植物甲生长得更好B.CO2浓度大于a时,甲才能进行光合作用C.适当增加光强度,a点将右移D.CO2浓度为b时,甲、乙植物的实际

23、光合作用强度相等解析:据题图分析可知,在CO2浓度低于b的环境中,植物乙比植物甲生长得更好;CO2浓度等于a时,甲的光合作用速率与细胞呼吸速率相等;适当增加光强度,光合作用增强,则a点将左移;CO2浓度为b时,甲、乙两种植物的净光合作用强度相等,但是甲、乙的细胞呼吸强度与实际光合作用强度不一定相等。任务突破4 表观光合速率和呼吸速率的测定及真正光合速率的计算(1)表观光合速率的测定。如图中的左侧装置,用饱和NaHCO3溶液能维持密闭空间中CO2浓度不变。装置置于光下,单位时间内液滴的移动距离表示该光照下植物的表观光合速率(用氧气的释放速率表示)。(2)呼吸速率的测定。如图中的右侧装置,将装置遮

24、光,单位时间内液滴的移动距离表示植物的呼吸速率(用氧气的吸收速率表示)。此实验测定的是需氧呼吸,因为在正常情况下植物厌氧呼吸的速率很低,可以忽略。(3)真正光合速率的计算。真正光合速率无法直接测定,但是可以用表观光合速率和呼吸速率的值进行计算。测定的表观光合速率和呼吸速率之和即为真正光合速率。迁移应用典例3-4 某转基因作物有较强的光合作用能力。某兴趣小组在暑假开展了测定该转基因作物光合速率的研究。研究中设计了如图所示的装置:请利用以上装置完成对该转基因作物光合速率的测定。.实验步骤(1)测定植物的呼吸速率,方法步骤如下:甲、乙两装置的D中都放入,乙装置作为对照。 将甲、乙装置的广口瓶进行处理

25、,放在温度等条件相同且适宜的环境中。 30分钟后分别记录甲、乙两装置中红墨水液滴移动的方向和距离。(2)测定植物的表观光合速率,方法步骤如下:甲、乙两装置的D中放入一定浓度的。 把甲、乙装置放在。 30分钟后分别记录甲、乙两装置中红墨水液滴移动的方向和距离。.实验分析(3)实验进行30分钟后,记录的甲、乙装置中红墨水液滴移动情况如下表:项目实验进行30分钟后,红墨水液滴移动情况测定植物呼吸速率甲装置(填“左”或“右”)移 1.5 cm 乙装置右移0.5 cm测定植物表观光合速率甲装置(填“左”或“右”)移 4.5 cm乙装置右移0.5 cm假设红墨水液滴每移动1 cm,植物体内的葡萄糖增加或减

26、少1 g,那么该植物的呼吸速率是g/h;白天光照15 h,一昼夜葡萄糖的积累量是g(不考虑昼夜温差的影响)。 解析:.要测光合速率必须先测呼吸速率,在测呼吸速率时一定要将实验装置置于黑暗条件下,使植物只进行细胞呼吸,用NaOH溶液除去广口瓶内的CO2。植物进行细胞呼吸消耗一定量O2,释放等量CO2,而CO2被NaOH溶液吸收,故根据一定时间内广口瓶内O2体积的减少量即可计算出呼吸速率。表观光合速率的测定实验要提供光合作用所需的条件:充足的光照和一定浓度的CO2(由NaHCO3溶液提供)。光合作用过程中消耗一定量CO2,产生等量O2,而CO2由NaHCO3溶液提供,因此广口瓶内气体体积的变化只受

27、O2释放量的影响,而不受CO2气体减少量的影响。.对照实验装置乙中红墨水液滴右移是环境因素(如气压变化等)对实验影响的结果,实验装置甲同样也受环境因素的影响,植物细胞呼吸消耗O2量等于广口瓶内O2体积的减少量,即该植物的呼吸速率为1.5+0.5=2 (g/半小时),即4 g/h;表观光合速率的测定值是4.5-0.5=4 (g/半小时),即8 g/h,白天光照15 h,一昼夜葡萄糖的积累量是15 h 的光合作用制造的有机物量减去24 h的细胞呼吸消耗的有机物量,等同于15 h的光合作用积累的有机物量减去9 h的细胞呼吸消耗的有机物量,即815-49=84 (g)。答案:.(1)NaOH溶液遮光(2)NaHCO3溶液光照充足、温度相同且适宜的环境中.(3)左右484