能量之源——光与光合作用

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第五章 第四节
能量之源——光与光合作用
什么是光合作用？
光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把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。
场所
条件
产物
原料
人们得出这一认识经历了漫长的探索历程，科学家们用了200多年的时间，经过无数次的实验才对光合作用有了一个比较清楚的认识。现在我们就沿着科学家们探寻的足迹，去体验他们认识问题的思维过程和科学探索的乐趣。
观点：植物体由“土壤汁”构成，即植物生长发育所需的物质完全来自土壤。
问题：植物生长所需的物质来自何处？
亚里士多德(Aristotle)
五年后
一、1627年比利时科学家海尔蒙特
开始时
柳树的质量 2. 27kg
干土的质量 90kg
+74.43kg
－0.1kg
结论：植物生长所需要的养料主要来自水,而不是土壤。
76.7kg
89.9kg
5a后
实验前后的差值
（1）你认为他的结论正确吗？
（2）你认为海尔蒙特的实验设计存在什么问题？
结论：
植物可以更新污浊的空气。
二、1771年英国的科学家普利斯特利
甲
乙
普利斯特利（J.Pristly）通过植物和动物之间进行气体交换的实验，第一次成功地应用化学方法研究植物的生长。
三、1779年荷兰的科学家英格豪斯
500多次植物更新空气的实验，又有何新发现？
植物体只有在光下才能更新污浊的空气。
甲
乙
（1）为什么学者们会得到不同的实验结果呢？
（2）你认为普利斯特利在实验中忽视了哪种条件？
普利斯特利的的实验有时成功，有时失败，可能的原因是什么？
可能是在无光的条件下做的实验，因
为无光时，植物不进行光合作用，只
进行细胞呼吸，所以没有释放氧气，
而是释放二氧化碳，所以实验失败！
1779年，荷兰科学家英格豪斯做了
500多次植物更新空气的实验，结
果发现：普利斯特利的实验只有在
阳光照射下才能成功；植物体只有
绿叶才能更新污浊的空气。
1785年，法国科学家拉瓦锡发现了空
气的组成，人们才明确绿叶在光下放
出的气体是氧气，吸收的是二氧化碳。
在这一过程中，光能哪里去了呢？
1845年，德国科学家梅耶根据能量
转化与守恒定律明确指出，植物在
进行光合作用时，把光能转化成化
学能储存起来。
光能转化成化学能，储存于什么物
质中呢？也就是植物在吸收水分和
二氧化碳、释放氧气的过程中，还
产生了什么物质呢？
实验不足和解决途经：
科学家在做实验的实验没有设置对照。对照原则是我们做很多试验的基础，因为它可以有力的论证一个生物定理的正确。在这个实验中，其实应该再做一组实验，就是在钟罩内不放入植物或者放入死植物，再次重复上述的试验过程，这时候可以观察到什么？如果观察到蜡烛能继续燃烧，那么说明蜡烛的燃烧其实和绿色植物没有关系，而是一些别的因素引起的，也就不能说明绿色植物可以更新空气。如果蜡烛不久熄灭了，或者小老鼠一会就死亡了，就可以说明植物确实可以维持蜡烛的燃烧和小老鼠的呼吸，那么绿色植物确实可以更新空气。显然，试验的结论一定是后者。那么这样就可以使实验变得更严谨
三、经典实验分析(半叶试验)
1、请根据萨克斯的实验写出实验设计方案
提出问题：
除O2外，绿叶在光下会产生什么物质？
作出假设：
除O2外，绿叶在光下会产生淀粉。
实验步骤：
①把绿色植物放置在暗处几小时
②用黑纸片把叶片的一半夹住遮光，另一半曝光，把植物置于光下照射
③一段时间后取下黑纸片，用碘蒸气处理这片叶，观察并记录现象
实验现象：
曝光的一半呈深蓝色，遮光的一半没有颜色变化。
实验结论：
光合作用的产物除O2外，还有淀粉。
2、分析实验设计
①此实验是否设置了对照？
②对照组是？
对照组：一般来说,是指保持原有状态（未做处理）或已知影响因素所造成结果的一组实验。
实验组：人为改变条件（人为特别处理）或未知实验结果的一组实验。
参考问题：
①为什么要把绿叶在暗处放置一昼夜？
②叶片部分遮光，部分曝光，目的是什么？
③这个实验得出什么结论？
结论：植物在光下产生了淀粉
四、1864年德国的植物学家萨克斯采用碘液检测淀粉的方法进行实验
萨克斯，J.von Sachs (1832～1897)
暗处理
叶部分遮光
光照
滴加碘液
1、该实验中若曝光时间过长，遮光处经碘液处理后也呈现蓝色，其原因是
有机物在植物体内能够转移，若实验中曝光时间过长，曝光处的淀粉可运输到遮光处。可见，实验时间的长短将影响实验结果。若实验中观察到遮光处也呈蓝色，原因可能是叶片在暗处放置时间过短（有机物未耗尽）或曝光时间过长（有机物发生了转移）
1880年，美国科学家恩格尔曼的水绵实验
光合作用的场所究
竟在什么地方呢？
早在100多年前美国科学家恩格尔
曼就以水绵和好氧细菌为实验材
料，很好地解答了这个问题！
水绵是常见的淡水藻类
每条水绵由许多个结构相同的长筒状细胞连接而成。
水绵很明显的特点是：叶绿体呈带状，螺旋排列在细胞里。
极 细 光 束
黑暗中
光照下
恩格尔曼实验示意图
结论：叶绿体是进行光合作用的主要场所
思考：
1．为什么选用水绵做为实验材料？
2．为什么选用黑暗并且没有空气的环境？
3．为什么先用极细光束照射水绵，而后又让水绵完全曝露在 光下？
因为水绵不仅有细而长的带状叶绿体，而且螺旋分布于细胞中，便于进行观察和分析研究。
为了排除实验前环境中光线和氧的影响，确保实验的准确性。
先选极细光束，用好氧细菌检测，能准确判断水绵细胞中释放氧的部位；而后用完全曝光的水绵与之做对照，从而证明了实验结果完全是光照引起的，并且氧是由叶绿体释放出来的。
恩格尔曼的实验，证明了光合作用的场所是叶绿体。实验是在黑暗和没有空气的环境中进行的，没有空气那么就缺少光合作用的原料二氧化碳，光合作用就不能进行，那怎么会有氧气产生呢？
"没有空气那么就缺少光合作用的原料二氧化碳，光合作用就不能进行"这种说法是不正确的 希尔现象:叶绿体在离体无CO2条件下给予光照,有氧气的释放 只能说没有二氧化碳,光合作用不能连续进行
光合作用的原料有水和二氧化碳，
那么，光合作用释放的氧气到底
是来自二氧化碳还是来自水呢？
随着技术的进步，人们发现了放射性
同位素，利用放射性同位素做示踪原
子，为解决氧气是来自水还是二氧化
碳提供了技术手段。1939年，美国的
科学家鲁宾和卡门利用同位素标记法,
用18O做示踪原子，对光合作用的产物
氧气中氧的来源进行了探究。
CO2
H218O

C18O2
H2O

预测1：第一组为O2，第二组为18O2，来自H2O；
预测2：第一组为18O2 ，第二组为O2 ，来自CO2；
预测3：两组既有18O2、也有O2，来自两者。
第一组
第二组
预测1：第一组为O2，第二组为18O2，来自H2O；
CO2
H218O
18O2
C18O2
H2O
O2
结论：光合作用释放的氧气来自水
第一组
第二组
返回
1939年鲁宾和卡门的实验
实验分析：鲁宾－卡门实验中是否利用了对照实验方法？若是，则自变量是什么？若不是，那为什么？
是，自变量是CO2和H2O中的O是否为18O。
光合作用产生的有机
物又是怎样合成的呢？
20世纪40年代，美国科
学家卡尔文利用放射性
同位素14C标记的14CO2做
实验研究这一问题。最
终探明CO2中的碳在光合
作用中转化成有机物中
的碳的途径，这一途径
称为卡尔文循环。
1961年诺贝
尔化学奖得主
人们认为水分是植物建造自身的原料
普利斯特利证实植物可更新污浊的空气
英格豪斯证明光与绿叶是上述实验的条件
化学成分明确放出的是氧气，吸收的是二氧化碳
梅耶指出光能转换成化学能储存起来
萨克斯证明光合作用产物有淀粉
恩格尔曼证明光合作用的场所是叶绿体
鲁宾、卡门证明光合作用释放的氧气来自水
卡尔文探明CO2中的碳转化成有机物中碳的途径
场所 光 ①恩格尔曼的水绵实验
条件 叶绿体 ②英格豪斯的实验
能量转化 CO2和H2O ③梅耶根据能量转化与
守恒定律指出
原料 有机物和O2 ④普利斯特利的实验
产物 光能→化学能 ⑤萨克斯的实验
练习：请把光合作用概念的要点内容与相应的实验连线，并将各实验按时间先后排序。
各实验按时间先后排序：
④②③⑤①
课后拓展提升：
请应用普利斯特利的实验装置和萨克斯的实验处理方法验证CO2是光合作用必需的原料。
提示：
①自变量是？如何设置？
②如何设计实验装置？
③如何检测实验结果？
分析：
结论：
A 装置内存在CO2
B 装置中不存在CO2
CO2是光合作用的原料之一。
探究光合作用需要CO2实验装置