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第2節(jié) 光合作用（5）—影響光合作用的環(huán)境因素 教學目標 與知識點 1、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、生物學的繪圖能力、實驗設計能力及數據分析能力。 2、通過親歷實驗設計的過程，感知定性實驗與定量實驗之間的關系。 教學重點、 難點分析及 教法設計 【教學重點】 從生產實踐的角度探討影響光合作用的環(huán)境因素 【教學難點】 影響光合作用的因素 【教學媒體】PPT課件 【教學方法】問題導學與講解相結合 思考問題 1、什么是光合作用效率？自然界中影響光合作用效率的主要因素有哪些？哪些環(huán)境因素會影響農作物的產量？克萊德曼研究了哪些環(huán)境因素對光合作用的影響？這些環(huán)境因素對光合作用的影響有什么規(guī)律？ 2、二氧化碳主要影響光合作用的哪些階段？光照強度主要影響光合作用的哪些階段？ 3、溫度為什么會影響光合作用的效率？什么是光合作用的最適溫度？什么是光合作用的溫度適應范圍？ 4、什么是光合作用速率？可以從哪些方面測量光合作用速率？植物的氧氣釋放量、二氧化碳吸收量、葡萄糖生成量等與光合作用速率的大小有什么關系？ 5、什么是光能利用率？為什么通過增加光照面積、延長光照時間和增強光合作用速率等能夠提高光能利用率？ 6、為什么套種和合理密植可以使農作物增加產量？怎樣在大棚生產中延長光照時間、提高二氧化碳濃度和溫度使農作物增產？ 7、缺乏光合作用必需的營養(yǎng)元素時，植物會出現哪些缺乏癥？施用哪些營養(yǎng)元素能夠提高光合作用效率？ 8、精準農業(yè)的實質是什么？ 一次備課 二次備課 導入新課 課件展示： （1）某地區(qū)的農作物因遭遇連綿的陰雨而嚴重減產。 （2）在一現代農業(yè)的溫室大棚內，工人正在向溫室內的作物補充CO2，同時我們發(fā)現，經這種方法處理的作物產量顯著增加。 （3）在盛夏的中午，很多作物因蒸騰作用過分劇烈而導致氣孔關閉，出現了午休現象，同時測定發(fā)現，植物的單位時間內的光合作用產物量顯著減少。 （4）某地區(qū)作物因某種原因而產量低下，經農業(yè)專家測定后發(fā)現是由于土壤缺乏P元素造成的，經補充P元素后，作物產量顯著增加。 （5）在相同的環(huán)境條件下，我們發(fā)現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量的因素是多方面的，既可以是內因，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、礦質元素等。 教師活動：引導學生復習光合作用的概念、過程，得出光合作用總反應式，即 師： 從化學反應式的角度分析光合作用總反應式，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？（引導學生從光合作用的條件、原料與產物來分析） 學生小組討論、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，提高復種指數；②增加光照面積，進行合理密植；③控制光照強弱。 (2) 增加礦質元素的供應，滿足植物體對于礦質元素的需要，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，增加植物體內的水分來增加光合作用的原料。 3、從光合作用的產物來看，及時將光合作用產物運出葉肉細胞，輸送至相應器官組織儲藏，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)展藍色農業(yè)（向海洋要食品）、白色農業(yè)（微生物發(fā)酵工程）與綠色農業(yè)。 （2）發(fā)展綠色農業(yè)的主要目標是實現農業(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量。 （3）提高光合作用產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，所以測定的結果實際是光合作用減去呼吸作用的差數，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的光合作用產量。 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，以使我們能用所學的生物學知識解釋、指導生產實踐，為以后的生活抉擇奠定一定的基礎。那么，包括光照、CO2、水、礦質元素與溫度在內的環(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，40 W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1 cm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，并讓注射器吸入清水，待排出注射器內殘留空氣以后，用手堵住注射器前端小孔，并緩緩拉動活塞，使小圓形葉片內的氣體逸出。這一步驟可以重復幾次。 （3）將內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20 mL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40 W的燈泡對3只燒杯進行光照處理，調節(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，小圓形葉片浮起的數量。 學生活動：以小組為單位進行實驗，并討論實驗數據。 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？你們的實驗數據說明了什么問題？ 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光合作用產生的氧氣最多，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；增加光照強度，可以增加光反應的產物（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的產物的作用是什么呢？ 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： 光反應與暗反應是兩個相互制約、相互影響的過程，僅僅不斷增加光反應的產物，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： 呈現光反應中的物質循環(huán)與暗反應的卡爾文循環(huán)的關系，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： 指導學生閱讀文本P66“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的交換關系。它與文本P66“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之間的關系；而課文中表示的是光合作用速率與光照強度的關系。 師： （1）兩張圖是一種生物學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的交換關系，從物質轉換與守恒角度來看，植物從外界吸收CO2，表示植物體內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，有機物凈產量為0，即圖中的光補償點。 （4）當光照強度在一定范圍內增加時，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。 學生活動：用教師預先準備的白紙畫出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？ 學生作圖（右圖）： 學生自主分析：（1）溫度影響光合作用中酶的活性，尤其是暗反應中酶的活性來影響光合作用速率；（2）在一定范圍內，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、礦質元素對光合作用的影響 師： 礦質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元素，如N、P、K、Mg等。 生乙： 氮元素是蛋白質的主要組成元素，而蛋白質是細胞結構和酶的重要組成成分；氮元素是ATP中腺苷的組成元素。 生丙： 磷元素是磷脂構成葉綠體膜與類囊體膜等膜結構的主要組成成分；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?。?鎂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。當氮元素供應充足時，葉片大而鮮綠，光合作用旺盛，產量高，因此種植葉菜類的蔬菜，應多施氮肥。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，光合作用暗反應產物中的C3和C5都含有磷元素。在有氧呼吸中，葡萄糖首先轉化為葡萄糖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出來。 （3）鉀元素能促進糖類物質運輸到儲藏器官，并促進儲藏器官合成多糖，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，通過影響光合作用的暗反應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致氣孔關閉，出現了午休現象的原因。 （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％。作物現有的產量與理論產量相差很遠，所以增產潛力很大。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透光而引起一系列矛盾，所以光合面積要適當?？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，光合生產率低，也會減產。 ②改變株型。最近培育出比較優(yōu)良的高產新品種，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，在溫室大棚內適當補充人工光照、二氧化碳氣肥，控制晝夜溫差，都能有效地提高作物產量。 教師設置活動任務：閱讀文本P58中“精確農業(yè)”相關內容，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“精確農業(yè)”？ 生：略。 課堂小結 光合作用發(fā)現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，并應用于生產實踐，使之更好地為人類文明的發(fā)展服務。 【布置作業(yè)】復習本課所授內容，完成《學習與評價》中的相應練習?！景鍟O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）礦質元素 （5）水 教學反思