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1、1 第二节 光合作用 第 1 课时 光合色素与光能的捕获 学 习 目 标 核 心 素 养1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量。2.提取和分离叶绿体中的光合色素。1.通过对“光合作用的探索历程”中的科学实验的学习，掌握分析问题的方法，学习科学家的品质。2.熟练操作“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验，交流并讨论实验结果。一、解开光合作用之谜 时间 人物 实验方法 结论17 世纪中叶 范 海尔蒙特 用定量的方法 植物生长所需养料主要来自水，而不是土壤1771 年 普利斯特莱 通过植物和动物之间进行气体交换的实验 植物生长需要吸收CO2，同时释放出O21779 年 扬 英根豪斯 把带叶的枝条放
2、入水里，发现叶在阳光下产生O2，在暗处不产生O2 植物需要阳光才能制造出O21864 年 萨克斯 采用碘液检测淀粉的方法 叶片在光下能产生淀粉1940 年 鲁宾和卡门 运用同位素标记法 光合作用释放的O2来自水，糖类中的氢也来自水1948 年 卡尔文 用14C 标记的CO2进行示踪 CO2被用于合成糖类等有机物 2 二、光合色素与光能的捕获 1恩吉尔曼的实验(1)生物材料：丝状绿藻(水绵)和好氧细菌。实验现象：在红光区和蓝光区集中了大部分的好氧细菌。实验结论：叶绿素主要吸收红光和蓝光。(2)可见光束看起来是白色的，通过三棱镜时会分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 7 色连续光谱。用透过三棱镜后的不
3、同颜色的光照射临时装片中水绵的叶绿体，发现好氧性细菌聚集于红光区和蓝光区的叶绿体部位。这说明叶绿体中的色素能有效的吸收和利用红光和蓝光。2叶绿体中的色素及作用 色素名称 颜色 功能叶绿素 a 蓝绿色主要吸收和利用红光和蓝光叶绿素 b 黄绿色 胡萝卜素 橙黄色主要吸收蓝紫光，还有保护 叶绿素免遭强光伤害的作用叶黄素 黄色 三、提取和分离叶绿体中的色素 1实验原理(1)叶绿体中的色素是有机物，不溶于水，易溶于无水乙醇等有机溶剂中，所以用无水乙醇等能提取色素。(2)层析液是一种脂溶性很强的有机溶剂。叶绿体色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，溶解度低的随层析液在滤纸上扩散得
4、慢。所以用纸层析法来分离四种色素。2实验材料：幼嫩、鲜绿的菠菜叶。3实验注意事项及原因 步骤 方法 原因提取色素 选取新鲜叶片：色素含量高 加入少许二氧化硅和碳酸钙：作用分别是研磨充分、保护色素 加入 5 mL 无水乙醇：溶解、提取色素 3 分离色素 剪去两角：防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快 分离色素 画滤液细线 画得细、直：防止色素带重叠 叶绿体色素层析 装置示意图 层析液不能触及滤液细线：防止色素溶于层析液中 烧杯加盖：防止层析液挥发 4.实验结果 1色素提取液是无水乙醇，分离液是层析液。()2不同色素在滤纸条上的扩散速度与其在层析液中的溶解度呈正相关。()3分离结束后，滤纸条上的颜色
5、自上而下依次是黄绿色、蓝绿色、黄色和橙黄色。()4叶绿素和类胡萝卜素都主要吸收蓝紫光，除此之外，叶绿素还主要吸收红光。()5植物叶片多呈现绿色的原因是对绿光的吸收最多。()6研磨菠菜叶时加入石英砂是为了保护叶绿素。()答案 1.2.3 提示：分离结束后，滤纸条上的颜色自下而上依次是黄绿色、蓝绿色、黄色和橙黄色。4 4 5 提示：植物叶片多呈绿色的原因是叶绿素对绿光吸收最少，使绿光被反射出来。6 提示：研磨菠菜叶时加入石英砂是为了研磨更充分。解开光合作用之谜 讲解归纳 1普利斯特莱的实验(1)实验过程及现象 密闭玻璃罩绿色植物小鼠不易窒息死亡(2)实验分析 缺少空白对照，实验结果说服力不强，应将
6、小鼠单独置于玻璃罩内，作为空白对照。没有认识到光在植物更新空气中的作用，而将空气的更新归因于植物的生长。限于当时科学发展水平的限制，没有明确植物更新气体的成分。2萨克斯的实验(1)实验过程及现象 黑暗中饥饿处理的绿叶一半曝光 碘液变蓝一半遮光 碘液不变蓝(2)实验分析 设置了自身对照，自变量为光照，因变量是叶片颜色变化。实验的关键是饥饿处理，以使叶片中的营养物质消耗掉，增强了实验的说服力。本实验除证明了光合作用的产物有淀粉外，还证明了光是光合作用的必5 要条件。3 鲁宾和卡门的实验(1)实验过程及结论 H182O CO2植物18O2；H2O C18O2植物O2 光合作用释放的O2全部来自水。(
7、2)实验分析 设置了对照实验，自变量是标记物质(H182O 和 C18O2)，因变量是O2的放射性。1 德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处数小时(消耗掉叶片中的淀粉)后，再把叶片的一部分遮光，其余部分曝光。一段时间后，该叶片经脱色、漂洗后再用碘液处理，结果发现遮光部分不变蓝，曝光部分变蓝。下列有关本实验的分析及结论合理的是()本实验未设置对照组 有无光照是遮光和曝光区域表现不同结果的唯一原因 实验初始时遮光和曝光区域均达到无淀粉状态 实验证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉 A B C D D 该实验中曝光部分与遮光部分形成了对照；该实验能证明有淀粉的生成，但不能证明叶绿体利用光照将CO2转
8、变成了淀粉。(1)本实验的实验组是遮光组实验还是曝光组实验？提示：遮光组实验。(2)本实验还能得到的结论是什么？提示：光合作用需要光照。(3)借鉴普利斯特莱和萨克斯的实验方法，如何设计实验证明CO2是光合作用的必要条件？提示：将绿色植物放在玻璃罩内，一组加入盛有 NaOH 溶液的烧杯，一组6 加入盛有等量蒸馏水的烧杯。暗处理一段时间后，再置于相同光照条件下，经碘蒸气处理，观察是否有蓝色出现。2现有四个实验装置，若要分别验证绿色植物产生O2需要光以及O2是由绿色植物释放的，则应选用的实验组合是()A和 B和 C和 D和 A 实验中一定要遵循对照原则和单一变量原则，要验证绿色植物产生 O2需要光，
9、单一变量应是光的有无，应选用的实验组合是；要验证 O2是由绿色植物释放的，单一变量是绿色植物的有无，应选用的实验组合是。萨克斯实验跟鲁宾和卡门的实验对照设计方法相同吗？提示：不相同。萨克斯实验的对照方式为自身对照(一半曝光与另一半遮光)；而鲁宾和卡门实验的对照方式为相互对照(通过标记不同的物质：H182O 和C18O2)。题后反思 光合作用探究历程中的重要结论(1)植物可以更新空气(普利斯特莱)。(2)证明了光和绿叶在更新空气中不可缺少(扬 英根豪斯)。(3)绿色植物在光下释放氧气，吸收二氧化碳。(4)光合作用的产物有淀粉(萨克斯)。(5)光合作用释放的氧气来自水(鲁宾和卡门)。(6)CO2中
10、的碳在光合作用中转化成有机物中的碳(卡尔文)。光合色素与光能的捕获 7 问题探究 材料：在叶绿体内，类囊体膜上的色素可以分为两类：一类具有吸收和传递光能的作用，包括绝大多数的叶绿素 a，以及全部的叶绿素 b、胡萝卜素和叶黄素；另一类是少数处于特殊状态的叶绿素 a，这种叶绿素 a 能够捕获光能，并将受光能激发的电子传送给相邻的电子受体。1夏天时绿叶茂盛，而到了深秋却有“看万山红遍，层林尽染”的美景，你能解释不同季节中树叶颜色不同的原因吗？提示：夏天，叶片中叶绿素的含量较多，叶片呈绿色。深秋时，叶绿素大部分被降解掉，而液泡中的花青素导致叶片变红。2结合上述材料分析，如果叶绿体内不含叶绿素 a，能否
11、进行光合作用，为什么？提示：不能。因为如果没有叶绿素 a，那么叶绿体内其他色素所捕获的光能就不能转化成电能。讲解归纳 1叶绿体中的色素与吸收光谱 2叶绿体中的色素对光的吸收特点(1)叶绿体中的色素只吸收可见光，而对红外光和紫外光等不吸收。(2)叶绿素对红光和蓝光的吸收量大，类胡萝卜素对蓝紫光吸收量大，对其他可见光并非不吸收，只是吸收量较小。8 3 叶绿体功能的验证实验恩吉尔曼实验(1)实验过程及现象 (2)实验结论 叶绿体是进行光合作用的场所。O2是由叶绿体释放的。4 实验设计“四妙”(1)实验材料选得妙：实验材料选择水绵和好氧细菌。水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；用好氧细菌可确定释放氧气
12、多的部位。(2)排除干扰的方法妙：没有空气的黑暗环境，排除了氧气和光的干扰。(3)设计的观测指标妙：通过好氧细菌的分布进行检测，从而能够准确地判断出水绵细胞中释放氧的部位。(4)设计的实验对照妙：进行黑暗(局部光照)和曝光对比实验，明确实验结果完全是光照引起的等。特别提醒：(1)并不是所有的真核植物细胞中都含有叶绿体，只有进行光合作用的组织或器官才含有叶绿体，如叶肉细胞。(2)能进行光合作用的不一定含有叶绿体，如蓝藻。1植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如O2的释放)来绘制的。下列叙述错误的是()A类胡萝卜素主要吸收红光用于光合作用 B叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不
13、同波长光的吸收值来绘制 C光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示 9 D叶片在640 660 nm 波长光下释放O2主要是由叶绿素参与光合作用引起的 A 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光用于光合作用，A 项错误；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制，B 项正确；光合作用需要吸收 CO2，故可用 CO2的吸收速率随光波长的变化来表示，C 项正确；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，640660 nm波长光为红光，所以释放 O2主要是由叶绿素参与光合作用引起的，D 项正确。2 1880 年，德国生物学家恩吉尔曼设计了一个实验研究
14、光合作用的光谱。他将棱镜产生的光谱投射到含带状叶绿体的丝状水绵体上，并在水绵的悬液中放入了细菌，观察细菌在水绵不同区段的聚集情况(如图)，以确定该区段水绵光合作用的强度。下列相关叙述中错误的是()A该实验可证明水绵叶绿体色素对不同波长的光吸收量不同 B细菌聚集较多的区段，水绵的光合作用较弱，导致细菌能够吸收更多光能 C若将装置置于黑暗中，则细菌会在悬浮液中基本均匀分布 D 实验中应选用进行有氧呼吸的细菌来检验水绵不同区段光合作用的强弱 B 本题考查对恩吉尔曼实验的分析。通过观察好氧性细菌的分布可以判定光合作用的强度。从实验中可见好氧性细菌在不同波长的光中分布不同，及水绵对不同波长的光吸收量不同
15、；细菌聚集较多的区段，说明水绵光合作用强，产生的氧气多；若将装置置于黑暗中，水绵无法进行光合作用，没有氧气的释放，则细菌在悬浮液中基本均匀分布。提取和分离叶绿体中的光合色素 10 问题探究 选择提取色素的材料时，选择颜色浓绿的叶片而不选择颜色发黄的叶片，为什么？提示：颜色浓绿的叶片比颜色发黄的叶片含有更多的叶绿素。讲解归纳 1 实验材料和试剂(1)材料 叶片要新鲜、颜色要深绿，这样的叶片含有的色素较多。(2)试剂及作用 试剂名称 作用二氧化硅 有利于充分研磨绿叶和释放色素碳酸钙 防止研磨过程中色素被破坏无水乙醇 溶解色素 层析液 分离色素 2.实验操作中的关键步骤(1)研磨要迅速、充分：研磨充
16、分使叶绿体完全破裂，可提取较多的色素。(2)滤液细线要求：细、直、齐，含有较多的色素，所以应待滤液干后再画一两次。(3)滤液细线不能触及层析液，否则色素会溶解到层析液中，使滤纸条上得不到色素带。3 滤纸条上色素的分布和对光的吸收 4 实验注意事项 项目 过程 操作要求 操作目的提取 选新鲜绿色的叶片 使滤液中色素含量高11 色素 研磨时加无水乙醇 溶解色素 加少量SiO2和 CaCO3 研磨充分和保护色素 迅速、充分研磨 防止乙醇挥发，充分溶解色素 盛放滤液的试管管口加棉塞 防止乙醇挥发和色素氧化分离 色素 滤纸预先干燥处理 使层析液在滤纸上快速扩散 滤液细线要细、直、齐 使分离出的色素带平整
17、不重叠 滤液细线干燥后再画几次 使分离出的色素带清晰分明 滤液细线不触及层析液 防止色素直接溶解到层析液中 5.绿叶中色素的提取和分离实验的异常现象分析(1)收集到的滤液绿色过浅的原因分析 未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)太少。一次加入大量的无水乙醇，提取浓度太低。未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。(2)滤纸条色素带重叠：滤液细线画的过粗。(3)滤纸条看不见色素带 忘记画滤液细线。滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。1在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，甲、乙、丙、丁4 位同学对相关试剂、药品的使用情况如表所示(“”表示使
18、用，“”表示未用)，其余操作均正常，他们所得到的实验结果依次应为()试剂 甲 乙 丙 丁无水乙醇 水 CaCO3 SiO2 12 A B C D B 无水乙醇用于溶解绿叶中的色素，甲同学未加无水乙醇，其滤纸条上应无色素带()；CaCO3能够防止研磨时色素被破坏，丙同学未加 CaCO3，其滤纸条上叶绿素 a、叶绿素 b 对应的色素带应较窄()；SiO2能够使研磨更充分，丁同学未加 SiO2，其滤纸条上的四种色素带均应较窄()。乙同学操作正确，其滤纸条上的色素带应为正常的()。2如图为新鲜菠菜叶中4 种色素的相对含量及在滤纸条上的分离情况。下列有关说法不正确的是()A 4 种色素在层析液中溶解度最
19、高的是丁 B 4 种色素均可溶于有机溶剂无水乙醇中 C 4 种色素在层析液中溶解度最高的是甲 D发黄菠菜叶中色素含量显著减少的是甲和乙 C 本题以柱状图为载体，考查色素的提取和分离实验，解答本题的关键是理解色素的提取和分离实验的原理。据图可知，甲、乙、丙、丁分别是叶绿素 b、叶绿素 a、叶黄素、胡萝卜素，层析液中溶解度最高的是丁，A 正确、C 错误；4 种色素均可溶于有机溶剂无水乙醇中，故可用无水乙醇提取色素，B 正确；发黄菠菜叶中色素含量显著减少的是叶绿素 a(乙)和叶绿素 b(甲)，D 正确。课堂小结 13 知 识 网 络 构 建 核 心 语 句 归 纳 1.用无水乙醇提取色素的原理是色素
20、能溶解在无水乙醇中。2.不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的扩散的快，反之则慢。3.层析后滤纸条上自上而下依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素 a 和叶绿素 b。4.叶绿素主要吸收红光和蓝光。胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。5.光照：光是叶绿素合成的必要条件，植物在黑暗中叶呈黄色。6.温度：低温不仅抑制叶绿素的合成，而且破坏已有的叶绿素分子，从而使叶片变黄。7.镁等无机盐：镁是构成叶绿素的主要成分，缺镁的植物的叶片变黄。1请按时间先后顺序排列下列事件()德国科学家萨克斯证明了绿色叶片在光合作用中产生了淀粉 美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法，证明了光合作用释放的氧气来自参加反应的水 英国科学
21、家普利斯特莱指出植物可以更新空气 德国生物科学家恩吉尔曼用丝状绿藻做实验，证明光合作用会产生氧气，且产生氧气的多少和光合作用的效率成正比 A B 14 C D C 普利斯特莱于 1771 年指出更新空气；萨克斯在 1864 年证明叶片光合作用产生了淀粉；恩吉尔曼则是在 1880 年用丝状绿藻做实验，证明自己的观点；最晚的是鲁宾和卡门在 1940 年采用同位素标记法，证明光合作用释放的 O2来自水，因此 C 选项是正确的。2 1880 年德国生物学家C.Engelmann 设计了一个实验研究光合作用的光谱。他将棱镜产生的光谱投射到带状的水绵体上，并在水绵的悬液中放入好氧细菌，观察细菌的聚集情况(
22、如图)，他得出光合作用在红光区和蓝光区最强。这个实验的思路是()A细菌对不同的光反应不一，细菌聚集多的地方，细菌光合作用强 B好氧细菌聚集多的地方，O2浓度高，水绵光合作用强，则在该种光照射下植物光合作用强 C好氧细菌聚集多的地方，水绵光合作用产生的有机物多，则在该种光照射下植物光合作用强 D 聚集的好氧细菌大量消耗光合作用的产物O2，使水绵的光合作用速度加快，则该种光有利于光合作用 B 本题通过实验研究光合作用的光谱，考查实验分析能力。好氧细菌的生活是需要 O2的，因此在好氧细菌聚集的地方应该是 O2多的地方，也就是水绵光合作用强的地方。3如图为用分光光度计测定的绿色叶片中两类色素吸收不同波
23、长光的曲线图，可判定A 和 B 可能分别为()15 A叶绿素、类胡萝卜素 B类胡萝卜素、叶绿素 C叶黄素、叶绿素a D叶绿素a、叶绿素b A 据图分析，色素 A 主要吸收红光和蓝光，则色素 A 可表示叶绿素；色素 B 主要吸收蓝紫光，则色素 B 可代表类胡萝卜素，只有 A 项符合题意。4下图所示为“提取和分离叶绿体中的色素”实验的部分材料和用具。请据图回答下列问题：(1)图中步骤加入研钵内的物质：A_5 mL，作用是_；B_少许，作用是研磨得充分；C_少许，作用是_。(2)图中步骤将浆糊状的研磨液倒入漏斗中，漏斗底部放有一层_。(3)图中步骤剪去两角的作用是_，画滤液细线的要求是_。(4)图
24、中 步 骤 中 关 键 应 注 意 _；加 盖 的 目 的 是_；色素带最宽的是_，扩散速度最快的是_。解析(1)研磨时需要加入 3 种物质：5 mL 无水乙醇，作用是溶解色素；二氧化硅可以使研磨更充分；加入少许碳酸钙防止色素被破坏。(2)过滤研磨液时，漏斗基部不能用滤纸，因为色素可吸附在滤纸上。一般用一层尼龙布过滤。(3)剪去两角的作用是防止两边色素扩散得过快。画滤液细线的要求是细、齐、直。16(4)层析时的关键技术是不能让层析液没及滤液细线，否则，滤液细线会被层析液溶解，不能分离。由于层析液有毒，而且可以挥发，所以要加盖。色素带的宽度是由各种色素含量不同造成的，含量越多，色素带越宽，一般植
25、物叶片中叶绿素 a 含量最多，所以叶绿素 a 色素带最宽。扩散速度最快的是胡萝卜素，在色素带的最上层。答案(1)无水乙醇 溶解色素 二氧化硅 碳酸钙 防止色素被破坏(2)尼龙布(3)防止两边色素扩散过快 细、齐、直(4)层析液不能没及滤液细线 防止层析液挥发 叶绿素a 胡萝卜素 教材课上思考答案(教师用书独具)边做边学(P73)1光合色素在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸条上扩散的速度不同，这样就能将色素分离开。(即本实验中用层析液分离色素)2绿叶中各种色素的含量不同，因此色素带的宽度不同；不同的叶绿体色素在层析液中的溶解度不同，色素随层析液在滤纸上的扩散速度不同，因此色素带与滤液细线之间的距离也不同。叶绿体中的色素主要有叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素。色素在滤纸条上的分布情况如下图所示：积极思维(P74)在红光和蓝光区集中了大部分的好氧细菌，说明这两个区内光合作用强度大，产生的氧气多，进而说明叶绿体能有效地吸收红光和蓝光，进行光合作用。