第5课时 影响光合作用的环境因素
教学过程
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课件展示：
（1）某地区的农作物因遭遇连绵的阴雨而严重减产。
（2）在一现代农业的温室大棚内，工人正在向温室内的作物补充CO2，同时我们发现，经这种方法处理的作物产量显著增加。
（3）在盛夏的中午，很多作物因蒸腾作用过分剧烈而导致气孔关闭，出现了午休现象，同时测定发现，植物的单位时间内的光合作用产物量显著减少。
（4）某地区作物因某种原因而产量低下，经农业专家测定后发现是由于土壤缺乏P元素造成的，经补充P元素后，作物产量显著增加。
（5）在相同的环境条件下，我们发现不同植物的光合作用强度是不相同的。
师
上述媒体材料可以说明什么问题？
生
说明了影响绿色植物光合作用产量的因素是多方面的，既可以是内因，也可以是外因；其中，影响绿色植物的光合作用的外界因素包括光照、CO2、水、矿质元素等。
教师活动：引导学生复习光合作用的概念、过程，得出光合作用总反应式，即
师
从化学反应式的角度分析光合作用总反应式，若要提高光合作用有机物的生成量，我们可采取哪些积极有效的措施？（引导学生从光合作用的条件、原料与产物来分析）
学生小组讨论、交流：
1.从光合作用的条件来看：
(1)增加光照，可以：①延长光照时间，提高复种指数；②增加光照面积，进行合理密植；③控制光照强弱。
(2)增加矿质元素的供应，满足植物体对于矿质元素的需要，如补充Mg以满足叶绿素合成的需求量。
(3)控制温度，以满足光合作用酶催化所需的适宜温度。
2.从光合作用的原料看：
(1)增加作物周围二氧化碳浓度。
(2)合理灌溉，增加植物体内的水分来增加光合作用的原料。
3.从光合作用的产物来看，及时将光合作用产物运出叶肉细胞，输送至相应器官组织储藏，也可提高光合作用的有机物生成量。
师
民以食为天。然而人类赖以生存的第一个要素——粮食却面临着日益短缺的严重局面。解决粮食问题的途径有很多，如：
（1）控制人口，保护耕地，发展蓝色农业（向海洋要食品）、白色农业（微生物发酵工程）与绿色农业。
（2）发展绿色农业的主要目标是实现农业的可持续发展，包括作物育种、害虫的综合防治、减少作物呼吸损耗等，其中心议题是提高光合作用产量。
（3）提高光合作用产量的方法意味着要提高光能利用率。光能利用率是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含有的能量占照射在单位地面上的太阳能的比例。包括增加光合作用面积、延长光合作用时间与提高光合作用速率。
（4）光合作用的指标是光合速率。光合速率通常以每小时每平方分米叶面积吸收二氧化碳的毫克数表示。[高考资源网KS5U.COM]
一般测定光合速率的方法都没有把叶子的呼吸作用考虑在内，所以测定的结果实际是光合作用减去呼吸作用的差数，叫做表观光合速率或净光合速率。如果同时测定其呼吸速率，把它加到表观光合速率上去，则得到真正光合速率。真正光合速率＝表观光合速率＋呼吸速率。
（5）提高光合作用速率途径主要是通过研究影响光合作用速率的因素，并对其进行优化控制，从而提高单位叶面积的绿色植物在单位时间内的光合作用产量。
师
我们今天一起来研究影响光合作用效率的环境因素的课题，主要目的是想通过了解哪些因素会并且是如何影响光合作用效率的，以使我们能用所学的生物学知识解释、指导生产实践，为以后的生活抉择奠定一定的基础。那么，包括光照、CO2、水、矿质元素与温度在内的环境因素究竟是如何来影响光合作用效率的呢？
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板 书：
四、影响光合作用的环境因素
师
首先，我们来研究光照是如何影响光合作用效率的。
材料用具
打孔器，注射器，40 W台灯，烧杯，绿叶（蚕豆叶片）。
方法步骤
（1）取生长旺盛的绿叶，用直径为1 cm的打孔器打出小圆形叶片30片（注意避开大的叶脉）。
（2）将小圆形叶片置于注射器内，并让注射器吸入清水，待排出注射器内残留空气以后，用手堵住注射器前端小孔，并缓缓拉动活塞，使小圆形叶片内的气体逸出。这一步骤可以重复几次。
（3）将内部气体逸出的小圆形叶片，放入黑暗并盛有清水的烧杯中待用。这样的叶片因为细胞间隙充满了水，便全部沉到水底。
（4）取3只烧杯，分别倒入20 mL加入清水，并在其中各加入浓度相等的、等量的NaHCO3溶液。
（5）分别向3只烧杯中加入10片圆形叶片，然后用3盏40 W的灯泡对3只烧杯进行光照处理，调节台灯与烧杯之间的距离，使它们的间距为1∶2∶3。[ks5u.com]
(6)观察并记录在相同时间内，小圆形叶片浮起的数量。
学生活动：以小组为单位进行实验，并讨论实验数据。
师
哪一个烧杯中的叶片首先浮起？为何这一个烧杯中的叶片首先浮起？你们的实验数据说明了什么问题？
生
台灯与烧杯之间的距离最近的那一个烧杯中的叶片首先浮起；说明该组叶片单位时间内光合作用产生的氧气最多，间接说明光照强度与光合作用成正比。
师
那么这是否意味着不断提高光照强度，光合作用效率就越高呢？
生
……
师
光照对光合作用至关重要，那么光照具体影响光合作用哪个过程？是如何影响的？
生
光照主要影响光反应；增加光照强度，可以增加光反应的产物（ATP和还原态［H］）的量，从而增加光合作用速率。
师
那么光合作用光反应的产物的作用是什么呢？
生
还原态［H］可以在C3的还原中供［H］，而ATP在C3的还原中供能。
师
光反应与暗反应是两个相互制约、相互影响的过程，仅仅不断增加光反应的产物，而不增加CO2的浓度，光合作用速率是否会无限制增加呢？
课件展示：
呈现光反应中的物质循环与暗反应的卡尔文循环的关系，用闪烁表示两个环相交的位置，即C3的还原。
生
不会，这是由于CO2的浓度一定时，C3的量一定，因而不断增加光照强度，只能在一定范围内增加光合作用速率；超过一定范围后，增加光照强度，光合作用速率不再增加。
师[高考资源网KS5U.COM]
指导学生阅读文本P57“光照强度对于光合作用影响的示意图”。
师
下图也是表示光照强度与光合作用速率的关系，其中CO2的吸收与释放表示植物与外界环境的CO2的交换关系。它与文本P57“光照强度对于光合作用影响的示意图”有何区别呢？
生
这张图片的坐标体系与课本中的图片不同，这里描述的是光照强度与植物从外界吸收CO2之间的关系；而课文中表示的是光合作用速率与光照强度的关系。
师
（1）两张图是一种生物学问题的两种不同表示方式。
（2）教材中的“光照强度对于光合作用影响的示意图”表示了在外界光照强度为0时，绿色植物的光合作用速率为0；而在一定范围内增加光照强度，植物的光合作用速率增加；超过一定范围后，再增加光照强度，植物的光合作用速率不再增加。
（3）在上图中，由于CO2的吸收与释放表示植物与外界环境的CO2的交换关系，从物质转换与守恒角度来看，植物从外界吸收CO2，表示植物体内C（即有机物）的净增加，间接表明此条件下植物的光合作用强度大于呼吸作用强度；反之，则相反。而当植物与外界的CO2交换值为0时，则说明植物的光合作用强度与呼吸作用强度相等，有机物净产量为0，即图中的光补偿点。
（4）当光照强度在一定范围内增加时，植物的光合作用速率增加；超过一定范围后，再增加光照强度，植物的光合作用速率不再增加，植物光合作用速率最大时的最小光照强度即是此时该植物的光饱和点。
（5）由于多种因素共同影响光合作用速率，因此，光补偿点、光饱和点均是针对一定的CO2浓度、温度条件而言的。
（6）通常梧桐、桂、松树等阳生植物的光补偿点、光饱和点高于人参等阴生植物。
师
那么你能否推断CO2浓度对于光合作用速率的影响呢？假如要利用上一个实验的器材进行实验，你准备如何控制变量呢？
生
在光照强度不变的情况下，控制CO2的浓度作为变量，即以不同的NaHCO3溶液作为变量。
学生活动：用教师预先准备的白纸画出CO2的浓度对光合作用速率影响的示意图。
师
CO2的浓度为何会影响光合作用速率？
师生共同分析：CO2浓度对于光合作用的影响主要是通过影响暗反应阶段被C5固定的CO2量，进而影响到C3的形成，最终影响到光合作用的进行。
师
那么温度是如何影响光合作用速率的呢？我们能否以图示来表示呢？
学生作图（右图）：
学生自主分析：（1）温度影响光合作用中酶的活性，尤其是暗反应中酶的活性来影响光合作用速率；（2）在一定范围内，温度升高，光合作用速率增加；超过一定范围后，温度升高，植物的光合作用速率反而降低。
师
矿质元素对光合作用速率有何影响呢？请从元素、化合物角度分析之。
生甲
绿色植物进行光合作用时，需要多种必需的矿质元素，如N、P、K、Mg等。
生乙
氮元素是蛋白质的主要组成元素，而蛋白质是细胞结构和酶的重要组成成分；氮元素是ATP中腺苷的组成元素。
生丙
磷元素是磷脂构成叶绿体膜与类囊体膜等膜结构的主要组成成分；磷元素是DNA和RNA的组成成分；磷元素是ATP和NADPH的组成元素。
生丁
镁元素是叶绿素的组成成分，植物缺镁时，叶绿素不能合成，在老叶上表现为缺绿，严重影响光合作用的效率。
师
（1）叶绿素中也含有氮元素，氮元素在植物的生命活动中占有重要的地位，故氮元素有生命元素之称。当氮元素供应充足时，叶片大而鲜绿，光合作用旺盛，产量高，因此种植叶菜类的蔬菜，应多施氮肥。但是氮肥施用过多，会造成叶片徒长，机械组织不发达，易倒伏。如果植物缺氮，则生长缓慢，植株矮小，叶绿素含量少，叶子变黄，直接影响植物的光合作用效率。
（2）磷元素还直接参与糖类的合成和分解，例如，光合作用暗反应产物中的C3和C5都含有磷元素。在有氧呼吸中，葡萄糖首先转化为葡萄糖6磷酸。植物缺磷时，生长缓慢，叶片呈暗绿色，某些植物的叶片还呈红色和紫色，且在老叶中最先表现出来。
（3）钾元素能促进糖类物质运输到储藏器官，并促进储藏器官合成多糖，例如，种植马铃薯、水稻、小麦等以收获淀粉为主的作物要多施钾肥。植物缺钾时，蛋白质分解，叶绿素破坏，叶色变黄卷曲，茎秆易倒伏，抗旱抗寒能力降低。
师
那么水对光合作用有何影响呢？
师生讨论、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，缺水对于光合作用的影响主要是间接的。
（2）缺水影响气孔开闭，影响CO2进入植物体内，通过影响光合作用的暗反应以影响光合作用速率；这是在盛夏的中午，很多作物（注：C4植物不是）因蒸腾作用过分剧烈而导致气孔关闭，出现了午休现象的原因。
（3）C3植物光合速率的日变化
①单峰曲线，一般发生于无云的晴天（气温不太高），如春、秋季节（见右图）。
②双峰曲线，一般发生于盛夏季节（气温较高、非C4植物）（见下图）。
师
（1）植物对光能的利用率很低，约为５％。作物现有的产量与理论产量相差很远，所以增产潜力很大。要提高作物的光能利用率，主要通过延长光照时间、增加光合面积和加强光合效率。
（2）光合面积即植物的绿色面积，主要是叶面积。它是影响作物产量最大，同时又是最容易控制的一个方面。叶面积过大，会影响群体中的通风透光而引起一系列矛盾，所以光合面积要适当。可以通过以下措施来控制作物的光合面积：
①合理密植。合理密植是提高光能利用率的主要措施之一，因为它能够使群体得到更好的发展，拥有较合适的光合面积，充分利用日光。合理密植，不可太稀，也不可太密。种得过稀，个体发展较好，但群体得不到充分发展，光能利用率低；种得过密，下层叶子受到光照少，在光补偿点以下，变成消费器官，光合生产率低，也会减产。
②改变株型。最近培育出比较优良的高产新品种，如新的水稻、小麦品种。株型都具有共同特征，即秆矮、叶直而小、厚，分蘖密集。株型改善，就能增加密植程度，增大光合面积，耐旱不倒伏，充分利用光能，提高光能利用率。
③通过轮作、套作与间作与合理密植等手段，有效地提高了光能的利用。
④施有机肥，在温室大棚内适当补充人工光照、二氧化碳气肥，控制昼夜温差，都能有效地提高作物产量。
教师设置活动任务：阅读文本P58中“精确农业”相关内容，思考下列问题：
（1）长江三角洲部分地区的棉花与早玉米的间作原理是什么？
（2）什么叫“精确农业”？[高考资源网KS5U.COM]
生
略。
课堂小结[高考资源网KS5U.COM]
光合作用发现是一个不断探索的过程，光合作用对人类社会的和谐发展极为重要，因此，希望我们今后能更深入地研究光合作用机理，并应用于生产实践，使之更好地为人类文明的发展服务。
板书设计
四、影响光合作用的环境因素
（1）光照强度
（2）二氧化碳浓度
（3）温度
（4）水
（5）矿质元素
活动与探究
“探究单色光波是否会影响叶绿素的形成”的活动建议：
探究原理：
光通过不同颜色的玻璃纸时，与玻璃纸颜色不同的光被吸收，相同颜色的光透过玻璃纸，从而影响幼苗的生长，影响叶绿素的形成。
探究步骤：
1.取5个白色玻璃瓶，分别在瓶体上包裹红、蓝、绿、黄、无色等玻璃纸，瓶底可用一些支持物，如沙子，再放上大豆种子，瓶口盖上滤纸。
2.用日光灯照射玻璃瓶，提供并控制种子萌发条件，如水、温度等。
3.定时观察、记录。
4.分析探讨单色光波是否影响叶绿素的形成。
习题详解
1.解析：在甲、乙与丙三个实验装置中，丙为对照实验，在本实验中，变量是不同浓度的NaHCO3，而非有没有NaHCO3，所以本实验要研究的是不同浓度的二氧化碳对光合作用的影响。
答案：A
2.解析：本题主要考查了学生对图表信息的阅读与分析能力。从图中，我们可以看出，在较弱的光照强度范围内，阴生植物的光合作用效率高于阳生植物的光合作用效率。
答案：B
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