第四章光合作用和呼吸作用【課題】第2節(jié)光合作用【教學(xué)目標】1．說出人類對光合作用的認識過程。2．舉例說出主要的光合作用色素的種類和作用。3．概述光合作用的過程，理解光反應(yīng)、暗反應(yīng)的過程及其相互作用的關(guān)系。4．能利用實驗器材提取和分離葉綠體中的色素。5．通過對“光合作用”等圖群學(xué)習(xí)，進一步提高圖表對比分析能力以及運用恰當(dāng)?shù)纳飳W(xué)知識有效地表述圖表、公式等提供的信息能力。6．探索光照強度、CO2濃度對光合作用速率的影響，形成歸納與演繹能力、生物學(xué)的繪圖能力、實驗設(shè)計能力及數(shù)據(jù)分析能力。7．通過親歷實驗設(shè)計的過程，感知定性實驗與定量實驗之間的關(guān)系。8．通過閱讀分析“解開光合作用之謎”的資料，認同科學(xué)是不斷進步與發(fā)展的；感受偉大的科學(xué)家睿智的目光與不屈不撓的探索精神。9．認同科學(xué)家不僅要繼承前人的科研成果，而且要善于吸收不同意見中的合理成分，還要具有質(zhì)疑、創(chuàng)新和勇于實踐的科學(xué)精神與態(tài)度。10．樹立科學(xué)、社會、技術(shù)相統(tǒng)一的思想（STS）。11．通過親歷提取和分離葉綠體中色素的過程，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹、求實、創(chuàng)新的精神。12．通過小組學(xué)習(xí)過程中的合作與交往，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作意識與交往的態(tài)度?！窘虒W(xué)重點】1．光合作用的發(fā)現(xiàn)過程。2．光合色素的作用及種類。3．光合作用的過程。4．從生產(chǎn)實踐的角度探討影響光合作用的環(huán)境因素?！窘虒W(xué)難點】1．控制變量的科學(xué)方法。2．光合作用的發(fā)現(xiàn)過程。3．光合作用的過程。4．影響光合作用的因素。【教學(xué)媒體】光合作用過程的多媒體課件、“提取和分離葉綠體中的色素”的視頻錄像、“提取和分離葉綠體中的色素”的實驗器材、教師通過網(wǎng)絡(luò)等途徑收集的一組有關(guān)“光合作用的研究最新進展、光合作用與農(nóng)業(yè)”的信息?！窘虒W(xué)方法】問題導(dǎo)學(xué)及啟發(fā)點撥相結(jié)合?！菊n時安排】5課時【教學(xué)過程】影響光合作用的環(huán)境因素導(dǎo)入新課課件展示：（1）某地區(qū)的農(nóng)作物因遭遇連綿的陰雨而嚴重減產(chǎn)。（2）在一現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的溫室大棚內(nèi)，工人正在向溫室內(nèi)的作物補充CO2，同時我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)這種方法處理的作物產(chǎn)量顯著增加。（3）在盛夏的中午，很多作物因蒸騰作用過分劇烈而導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，出現(xiàn)了午休現(xiàn)象，同時測定發(fā)現(xiàn)，植物的單位時間內(nèi)的光合作用產(chǎn)物量顯著減少。（4）某地區(qū)作物因某種原因而產(chǎn)量低下，經(jīng)農(nóng)業(yè)專家測定后發(fā)現(xiàn)是由于土壤缺乏P元素造成的，經(jīng)補充P元素后，作物產(chǎn)量顯著增加。（5）在相同的環(huán)境條件下，我們發(fā)現(xiàn)不同植物的光合作用強度是不相同的。師：上述媒體材料可以說明什么問題？生：說明了影響綠色植物光合作用產(chǎn)量的因素是多方面的，既可以是內(nèi)因，也可以是外因；其中，影響綠色植物的光合作用的外界因素包括光照、CO2、水、礦質(zhì)元素等。教師活動：引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)光合作用的概念、過程，得出光合作用總反應(yīng)式，即師：從化學(xué)反應(yīng)式的角度分析光合作用總反應(yīng)式，若要提高光合作用有機物的生成量，我們可采取哪些積極有效的措施？（引導(dǎo)學(xué)生從光合作用的條件、原料與產(chǎn)物來分析）學(xué)生小組討論、交流：1．從光合作用的條件來看：(1)增加光照，可以：①延長光照時間，提高復(fù)種指數(shù)；②增加光照面積，進行合理密植；③控制光照強弱。(2)增加礦質(zhì)元素的供應(yīng)，滿足植物體對于礦質(zhì)元素的需要，如補充Mg以滿足葉綠素合成的需求量。(3)控制溫度，以滿足光合作用酶催化所需的適宜溫度。2．從光合作用的原料看：(1)增加作物周圍二氧化碳濃度。(2)合理灌溉，增加植物體內(nèi)的水分來增加光合作用的原料。3．從光合作用的產(chǎn)物來看，及時將光合作用產(chǎn)物運出葉肉細胞，輸送至相應(yīng)器官組織儲藏，也可提高光合作用的有機物生成量。師：民以食為天。然而人類賴以生存的第一個要素——糧食卻面臨著日益短缺的嚴重局面。解決糧食問題的途徑有很多，如：（1）控制人口，保護耕地，發(fā)展藍色農(nóng)業(yè)（向海洋要食品）、白色農(nóng)業(yè)（微生物發(fā)酵工程）與綠色農(nóng)業(yè)。（2）發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的主要目標是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，包括作物育種、害蟲的綜合防治、減少作物呼吸損耗等，其中心議題是提高光合作用產(chǎn)量。（3）提高光合作用產(chǎn)量的方法意味著要提高光能利用率。光能利用率是指綠色植物通過光合作用制造的有機物中所含有的能量占照射在單位地面上的太陽能的比例。包括增加光合作用面積、延長光合作用時間與提高光合作用速率。（4）光合作用的指標是光合速率。光合速率通常以每小時每平方分米葉面積吸收二氧化碳的毫克數(shù)表示。一般測定光合速率的方法都沒有把葉子的呼吸作用考慮在內(nèi)，所以測定的結(jié)果實際是光合作用減去呼吸作用的差數(shù)，叫做表觀光合速率或凈光合速率。如果同時測定其呼吸速率，把它加到表觀光合速率上去，則得到真正光合速率。真正光合速率＝表觀光合速率＋呼吸速率。（5）提高光合作用速率途徑主要是通過研究影響光合作用速率的因素，并對其進行優(yōu)化控制，從而提高單位葉面積的綠色植物在單位時間內(nèi)的光合作用產(chǎn)量。師：我們今天一起來研究影響光合作用效率的環(huán)境因素的課題，主要目的是想通過了解哪些因素會并且是如何影響光合作用效率的，以使我們能用所學(xué)的生物學(xué)知識解釋、指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，為以后的生活抉擇奠定一定的基礎(chǔ)。那么，包括光照、CO2、水、礦質(zhì)元素與溫度在內(nèi)的環(huán)境因素究竟是如何來影響光合作用效率的呢？推進新課板書：四、影響光合作用的環(huán)境因素1．光照對光合作用的影響師：首先，我們來研究光照是如何影響光合作用效率的。材料用具：打孔器，注射器，40W臺燈，燒杯，綠葉（蠶豆葉片）。方法步驟：（1）取生長旺盛的綠葉，用直徑為1cm的打孔器打出小圓形葉片30片（注意避開大的葉脈）。（2）將小圓形葉片置于注射器內(nèi)，并讓注射器吸入清水，待排出注射器內(nèi)殘留空氣以后，用手堵住注射器前端小孔，并緩緩拉動活塞，使小圓形葉片內(nèi)的氣體逸出。這一步驟可以重復(fù)幾次。（3）將內(nèi)部氣體逸出的小圓形葉片，放入黑暗并盛有清水的燒杯中待用。這樣的葉片因為細胞間隙充滿了水，便全部沉到水底。（4）取3只燒杯，分別倒入20mL清水，并在其中各加入濃度相等的、等量的NaHCO3溶液。（5）分別向3只燒杯中加入10片圓形葉片，然后用3盞40W的燈泡對3只燒杯進行光照處理，調(diào)節(jié)臺燈與燒杯之間的距離，使它們的間距為1∶2∶3。(6)觀察并記錄在相同時間內(nèi)，小圓形葉片浮起的數(shù)量。學(xué)生活動：以小組為單位進行實驗，并討論實驗數(shù)據(jù)。師：哪一個燒杯中的葉片首先浮起？為何這一個燒杯中的葉片首先浮起？你們的實驗數(shù)據(jù)說明了什么問題？生：臺燈與燒杯之間的距離最近的那一個燒杯中的葉片首先浮起；說明該組葉片單位時間內(nèi)光合作用產(chǎn)生的氧氣最多，間接說明光照強度與光合作用成正比。師：那么這是否意味著不斷提高光照強度，光合作用效率就越高呢？生：……師：光照對光合作用至關(guān)重要，那么光照具體影響光合作用哪個過程？是如何影響的？生：光照主要影響光反應(yīng)；增加光照強度，可以增加光反應(yīng)的產(chǎn)物（ATP和還原態(tài)［H］）的量，從而增加光合作用速率。師：那么光合作用光反應(yīng)的產(chǎn)物的作用是什么呢？生：還原態(tài)［H］可以在C3的還原中供［H］，而ATP在C3的還原中供能。師：光反應(yīng)與暗反應(yīng)是兩個相互制約、相互影響的過程，僅僅不斷增加光反應(yīng)的產(chǎn)物，而不增加CO2的濃度，光合作用速率是否會無限制增加呢？課件展示：呈現(xiàn)光反應(yīng)中的物質(zhì)循環(huán)與暗反應(yīng)的卡爾文循環(huán)的關(guān)系，用閃爍表示兩個環(huán)相交的位置，即C3的還原。生：不會，這是由于CO2的濃度一定時，C3的量一定，因而不斷增加光照強度，只能在一定范圍內(nèi)增加光合作用速率；超過一定范圍后，增加光照強度，光合作用速率不再增加。教師活動：指導(dǎo)學(xué)生閱讀文本P57“光照強度對于光合作用影響的示意圖”。師：下圖也是表示光照強度與光合作用速率的關(guān)系，其中CO2的吸收與釋放表示植物與外界環(huán)境的CO2的交換關(guān)系。它與文本P57“光照強度對于光合作用影響的示意圖”有何區(qū)別呢？生：這張圖片的坐標體系與課本中的圖片不同，這里描述的是光照強度與植物從外界吸收CO2之間的關(guān)系；而課文中表示的是光合作用速率與光照強度的關(guān)系。師：（1）兩張圖是一種生物學(xué)問題的兩種不同表示方式。（2）教材中的“光照強度對于光合作用影響的示意圖”表示了在外界光照強度為0時，綠色植物的光合作用速率為0；而在一定范圍內(nèi)增加光照強度，植物的光合作用速率增加；超過一定范圍后，再增加光照強度，植物的光合作用速率不再增加。（3）在上圖中，由于CO2的吸收與釋放表示植物與外界環(huán)境的CO2的交換關(guān)系，從物質(zhì)轉(zhuǎn)換與守恒角度來看，植物從外界吸收CO2，表示植物體內(nèi)C（即有機物）的凈增加，間接表明此條件下植物的光合作用強度大于呼吸作用強度；反之，則相反。而當(dāng)植物與外界的CO2交換值為0時，則說明植物的光合作用強度與呼吸作用強度相等，有機物凈產(chǎn)量為0，即圖中的光補償點。（4）當(dāng)光照強度在一定范圍內(nèi)增加時，植物的光合作用速率增加；超過一定范圍后，再增加光照強度，植物的光合作用速率不再增加，植物光合作用速率最大時的最小光照強度即是此時該植物的光飽和點。（5）由于多種因素共同影響光合作用速率，因此，光補償點、光飽和點均是針對一定的CO2濃度、溫度條件而言的。（6）通常梧桐、桂、松樹等陽生植物的光補償點、光飽和點高于人參等陰生植物。2．CO2的濃度對光合作用的影響師：那么你能否推斷CO2濃度對于光合作用速率的影響呢？假如要利用上一個實驗的器材進行實驗，你準備如何控制變量呢？生：在光照強度不變的情況下，控制CO2的濃度作為變量，即以不同的NaHCO3溶液作為變量。學(xué)生活動：用教師預(yù)先準備的白紙畫出CO2的濃度對光合作用速率影響的示意圖。師：CO2的濃度為何會影響光合作用速率？師生共同分析：CO2濃度對于光合作用的影響主要是通過影響暗反應(yīng)階段被C5固定的CO2量，進而影響到C3的形成，最終影響到光合作用的進行。3．溫度對光合作用的影響師：那么溫度是如何影響光合作用速率的呢？我們能否以圖示來表示呢？學(xué)生作圖（右圖）：學(xué)生自主分析：（1）溫度影響光合作用中酶的活性，尤其是暗反應(yīng)中酶的活性來影響光合作用速率；（2）在一定范圍內(nèi)，溫度升高，光合作用速率增加；超過一定范圍后，溫度升高，植物的光合作用速率反而降低。4．礦質(zhì)元素對光合作用的影響師：礦質(zhì)元素對光合作用速率有何影響呢？請從元素、化合物角度分析之。生甲：綠色植物進行光合作用時，需要多種必需的礦質(zhì)元素，如N、P、K、Mg等。生乙：氮元素是蛋白質(zhì)的主要組成元素，而蛋白質(zhì)是細胞結(jié)構(gòu)和酶的重要組成成分；氮元素是ATP中腺苷的組成元素。生丙：磷元素是磷脂構(gòu)成葉綠體膜與類囊體膜等膜結(jié)構(gòu)的主要組成成分；磷元素是DNA和RNA的組成成分；磷元素是ATP和NADPH的組成元素。生?。烘V元素是葉綠素的組成成分，植物缺鎂時，葉綠素不能合成，在老葉上表現(xiàn)為缺綠，嚴重影響光合作用的效率。師：（1）葉綠素中也含有氮元素，氮元素在植物的生命活動中占有重要的地位，故氮元素有生命元素之稱。當(dāng)?shù)毓?yīng)充足時，葉片大而鮮綠，光合作用旺盛，產(chǎn)量高，因此種植葉菜類的蔬菜，應(yīng)多施氮肥。但是氮肥施用過多，會造成葉片徒長，機械組織不發(fā)達，易倒伏。如果植物缺氮，則生長緩慢，植株矮小，葉綠素含量少，葉子變黃，直接影響植物的光合作用效率。（2）磷元素還直接參與糖類的合成和分解，例如，光合作用暗反應(yīng)產(chǎn)物中的C3和C5都含有磷元素。在有氧呼吸中，葡萄糖首先轉(zhuǎn)化為葡萄糖6磷酸。植物缺磷時，生長緩慢，葉片呈暗綠色，某些植物的葉片還呈紅色和紫色，且在老葉中最先表現(xiàn)出來。（3）鉀元素能促進糖類物質(zhì)運輸?shù)絻Σ仄鞴伲⒋龠M儲藏器官合成多糖，例如，種植馬鈴薯、水稻、小麥等以收獲淀粉為主的作物要多施鉀肥。植物缺鉀時，蛋白質(zhì)分解，葉綠素破壞，葉色變黃卷曲，莖稈易倒伏，抗旱抗寒能力降低。5．水對光合作用的影響師：那么水對光合作用有何影響呢？師生討論、共同分析：（1）水分是光合作用的原料，但是光合作用所消耗的水分只占植物根系吸收水分的1%,因此，缺水對于光合作用的影響主要是間接的。（2）缺水影響氣孔開閉，影響CO2進入植物體內(nèi)，通過影響光合作用的暗反應(yīng)以影響光合作用速率；這是在盛夏的中午，很多作物（注：C4植物不是）因蒸騰作用過分劇烈而導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，出現(xiàn)了午休現(xiàn)象的原因。（3）C3植物光合速率的日變化①單峰曲線，一般發(fā)生于無云的晴天（氣溫不太高），如春、秋季節(jié)（見右圖）。②雙峰曲線，一般發(fā)生于盛夏季節(jié)（氣溫較高、非C4植物）（見下圖）。師：（1）植物對光能的利用率很低，約為５％。作物現(xiàn)有的產(chǎn)量與理論產(chǎn)量相差很遠，所以增產(chǎn)潛力很大。要提高作物的光能利用率，主要通過延長光照時間、增加光合面積和加強光合效率。（2）光合面積即植物的綠色面積，主要是葉面積。它是影響作物產(chǎn)量最大，同時又是最容易控制的一個方面。葉面積過大，會影響群體中的通風(fēng)透光而引起一系列矛盾，所以光合面積要適當(dāng)?？梢酝ㄟ^以下措施來控制作物的光合面積：①合理密植。合理密植是提高光能利用率的主要措施之一，因為它能夠使群體得到更好的發(fā)展，擁有較合適的光合面積，充分利用日光。合理密植，不可太稀，也不可太密。種得過稀，個體發(fā)展較好，但群體得不到充分發(fā)展，光能利用率低；種得過密，下層葉子受到光照少，在光補償點以下，變成消費器官，光合生產(chǎn)率低，也會減產(chǎn)。②改變株型。最近培育出比較優(yōu)良的高產(chǎn)新品種，如新的水稻、小麥品種。株型都具有共同特征，即稈矮、葉直而小、厚，分蘗密集。株型改善，就能增加密植程度，增大光合面積，耐旱不倒伏，充分利用光能，提高光能利用率。③通過輪作、套作與間作與合理密植等手段，有效地提高了光能的利用。④施有機肥，在溫室大棚內(nèi)適當(dāng)補充人工光照、二氧化碳氣肥，控制晝夜溫差，都能有效地提高作物產(chǎn)量。教師設(shè)置活動任務(wù)：閱讀文本P58中“精確農(nóng)業(yè)”相關(guān)內(nèi)容，思考下列問題：（1）長江三角洲部分地區(qū)的棉花與早玉米的間作原理是什么？（2）什么叫“精確農(nóng)業(yè)”？生：略。課堂小結(jié)光合作用發(fā)現(xiàn)是一個不斷探索的過程，光合作用對人類社會的和諧發(fā)展極為重要，因此，希望我們今后能更深入地研究光合作用機理，并應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，使之更好地為人類文明的發(fā)展服務(wù)。【布置作業(yè)】認真復(fù)習(xí)本課所授內(nèi)容，完成《學(xué)習(xí)與評價》中的相應(yīng)練習(xí)?！景鍟O(shè)計】四、影響光合作用的環(huán)境因素（1）光照強度（2）二氧化碳濃度（3）溫度（4）礦質(zhì)元素（5）水附表：對光合作用的影響在生產(chǎn)上的應(yīng)有光光合作用是光化學(xué)反應(yīng)，所以光合作用隨著光照強度的變化而變化