生物必修1《分子与细胞》二 光合作用的原理和应用表格教学设计

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第五章　细胞的基本结构
第4节　光合作用与能量转化
二 光合作用的原理和应用
(一)教学目标
1.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。
2.设计并实施实验，探究环境因素对光合作用强度的影响。
3.关注光合作用原理的应用。
(二)教学重点和难点
1.教学重点
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素。
（三）教学过程
通过对叶绿体结构与功能的回顾，让学生尝试描述光合作用过程中物质和能量的变化，引导学生回顾光合作用的定义，并写出光合作用的化学反应式。
一、光合作用的原理
1.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。
2.反应式：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。
引导学生结合教材“探索光合作用原理的部分实验”的思考讨论活动进行分析:针对希尔反应，引导学生分析该实验的材料条件、处理措施及结果;针对鲁宾和卡门实验，引导学生分析该实验的处理方法及结果，进一步提问“该实验的自变量、因变量是什么，可得出什么结论?”与希尔反应相呼应，让学生感悟科学研究的殊途同归;在了解了希尔反应的基础上，提出“叶绿体在光照下，除了有H2O分解为O2和 NADPH，还有哪些物质和能量的变化?”引出阿尔农实验，说明叶绿体可以合成ATP
3.探索光合作用原理的部分实验

时间及科学家
观点或实验过程
发现或实验结论
实验特点
19世纪末到1928年
在光合作用中，CO2中的C和O被分开，O2被释放，C和H2O结合成甲醛，甲醛分子缩合成糖
甲醛对植物有毒害作用，甲醛不能通过光合作用转化成糖

1937年希尔
(英国)
离体叶绿体的悬浮液＋铁盐或其他氧化剂O2
离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生O2
悬浮液中有H2O，无CO2
1941年鲁宾、卡门(美国)
向植物提供
光合作用释放的O2来自水
相互对照。
自变量：标记物；
因变量：释放的O2是否含18O
1954年、1957年阿尔农(美国)

光照下，叶绿体可合成ATP，这一过程总与水的光解相伴随

20世纪40年代卡尔文(美国)
用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向
探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径
利用同位素标记法
通过以上的分析，教师可以引导学生总结:光合作用的过程分为两部分，一部分是在有光的条件下进行的，将水分解产生O2和 NADPH、ATP，称为光反应;另一部分不需要光，将CO2转化为糖类等有机物，称为暗反应。光反应与暗反应相互联系，光反应为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+。理解了暗反应的大致结果后，提问“CO2如何转化为糖类?发生了哪些物质和能量的变化”，引出卡尔文循环，教师补充实验背景:美国科学家卡尔文用14C标记的CO2培养小球藻，每隔一定时间取样;用放射自显影技术追踪含C的产物，根据其出现先后顺序，推测化学反应过程。在此基础上，教师总结:光合作用的光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体上的色素捕获后，将水分解为O2和[H]，形成ATP，从而将光能转化成ATP中活跃的化学能;[H]和ATP驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO2转化为储存化学能的糖类。
4.光合作用的过程
(1)光反应阶段
①场所：在叶绿体类囊体的薄膜上进行。
②条件：必须有光、叶绿体中的色素和酶。
③过程
a.水的光解：2H2O4NADPH＋O2；
b.ATP的生成：ADP＋PiATP。

(2)暗反应阶段
①场所：在叶绿体基质中进行。
②条件：有光无光均可，需要多种酶参与。
③过程
a.CO2的固定：CO2＋C52C3；
b.C3的还原：2C3＋NADPH(CH2O)＋C5。
④能量转变：ATP中活跃的化学能和NADPH中部分能量→(CH2O)中稳定的化学能。
(3)光反应与暗反应的联系
①光反应为暗反应提供NADPH、ATP；暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP＋。
②没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，有机物无法合成。总之，光反应是暗反应所需物质和能量的准备阶段，暗反应是光反应的继续，是物质和能量转化的完成阶段。
设计实验，拓展探究环境因素对光合作用强度的影响
通过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，如内因有叶绿体的数量、叶绿素的含量、酶的多少等，外因有光照时间、光照强度、光的成分、CO2浓度、温度、水和矿质元素等，进而引出探究环境因素对光合作用强度影响的实验。
二、光合作用原理的应用
1.光合作用的强度
(1)概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
(2)影响因素
2.探究光照强弱对光合作用强度的影响
(1)实验原理：抽去圆形小叶片中的气体后，叶片在水中下沉，光照下叶片进行光合作用产生氧气，充满细胞间隙，叶片又会上浮。光合作用越强，单位时间内圆形小叶片上浮的数量越多。
(2)实验流程
①打出圆形小叶片：用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出(直径为0.6 cm)圆形小叶片30片
↓
②抽出叶片内气体：用注射器(内有清水、圆形小叶片)抽出叶片内气体，重复2～3次
↓
③圆形小叶片沉到水底：将抽出内部气体的圆形小叶片放入黑暗处盛有清水的烧杯中，圆形
小叶片全部沉到水底
↓
④强、中、弱三种光照处理：取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水，各放入10片圆形
小叶片，用强、中、弱三种光照分别照射
↓
⑤观察并记录同一时间段内各实验装置中圆形小叶片浮起的数量
(3)实验现象与结果分析：光照越强，烧杯内圆形小叶片浮起的数量越多，说明在一定范围内，随着光照强度的不断增加，光合作用强度不断增加。
3.影响光合作用因素的曲线分析
(1)光照强度

①关键点：A点光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，单位时间内释放的CO2量表示呼吸速率。B点细胞呼吸释放的CO2量和光合作用吸收的CO2量相等，此时的光照强度称为光补偿点。C点时已经达到了光饱和点，此时光照强度增加，光合作用强度不再增加。
②关键线段：AB段(不包括B点)光合作用的强度小于细胞呼吸的强度；BC段(不包括B点)光合作用的强度大于细胞呼吸的强度。
(2)CO2浓度

①走势分析：图甲和图乙都表示在一定范围内，光合作用强度随CO2浓度的增加而增加，但当CO2浓度增加到一定范围后，光合作用强度不再增加。
②关键点分析：图甲中A点表示光合作用强度等于细胞呼吸强度时的CO2浓度，即CO2补偿点；图乙中的A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。图甲和图乙中的B和B′点都表示CO2饱和点。
(3)温度

①影响原理：温度通过影响酶的活性来影响光合作用强度。
②曲线分析：B点对应的温度是最适温度，此时光合作用最强，高于或低于此温度，光合作用强度都会下降。
归纳总结光合作用与化能合成作用的区别和联系:
“光合作用为地球制造有机物和氧气，是地球上最重要的化学反应”概念。在自然界中，有机物的来源除了光合作用，还有化能合成作用。从物质和能量的角度看，光合作用与化能合成作用最主要的区别是各自的化学反应能量来源不同，光合作用的能量来源于光，而化能合成作用来源于氧化无机物释放的化学能。其本质是相同的，就是将自然界中的二氧化碳和水合成有机物。