【人教生物必修1知识梳理及训练】5.4 光合作用与能量转化 第1课时 捕获光能的色素和结构（含解析）

生物学 必修1［RJ］（不定项）
人教生物必修1知识梳理及训练
5.4 光合作用与能量转化
第1课时　捕获光能的色素和结构
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知识点1　捕获光能的色素
1.光合作用意义：太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。
2.叶片呈现绿色的原因：叶片中有绿色的色素。
3.实验：绿叶中色素的提取和分离
（1）实验原理
实验 原理
提取色素 绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中；色素存在于细胞内，需要先破碎细胞才能释放出色素
分离色素 绿叶中色素都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同；溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。因而色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开
（2）实验步骤
①提取色素
②分离色素
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1.制备滤纸条时，在滤纸条一端剪去两角的目的？
提示：防止出现边缘效应造成两边色素扩散得快，保证色素带整齐。
2.铅笔画一条细线的目的？重复画线的目的？
提示：保证毛细吸管画的滤液细线直、齐。增加色素含量，使现象明显。
（3）观察结果
滤纸条上色素带有四条，如下图所示：
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结果分析：
①色素带的条数与色素种类有关，四条色素带说明有四种色素。
②色素带的宽窄与色素含量有关，色素带越宽说明此种色素含量越多。色素含量由多到少排列为叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素。
③色素带扩散速度与色素在层析液中的溶解度有关，扩散速度越快说明溶解度越高。溶解度最高的是胡萝卜素。
4.绿叶中色素的吸收光谱
（1）光谱：阳光是由不同波长的光组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。
（2）吸收光谱：分别让不同颜色的光照射色素溶液，就可以得到色素溶液的吸收光谱。
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知识拓展
1.影响叶绿素合成的因素
（1）光照：光是叶绿素合成的必要条件。
（2）温度：低温抑制叶绿素的合成，破坏已有的叶绿素分子，从而使叶片变黄。
（3）镁等无机盐：镁是构成叶绿素的重要成分，缺镁叶片变黄。
2.不同颜色温室大棚的光合效率
（1）在农业生产中，温室大棚应使用无色透明的塑料薄膜或玻璃，因为它们能让所有的光都透过，效果最好。
（2）若为大棚内植物补充光照，应选择补充红光或蓝紫光，因为相同强度的红光或蓝紫光，比白光的光合作用强度要高。
（3）叶绿素对绿光吸收最少，因此使用绿色塑料薄膜或玻璃的温室大棚光合效率最低。
知识点2　叶绿体的结构适于进行光合作用
1.叶绿体的结构
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2.叶绿体功能的实验验证
（1）实验者：德国科学家恩格尔曼。
（2）实验过程及现象
②紧接着又做了一个实验：他用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
（3）实验结论
①叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
②叶绿体主要吸收红光和蓝紫光。
（4）实验设计的巧妙之处
①实验材料用水绵和需氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察，用需氧细菌可确定释放氧气的部位。
②没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰。
③用极细的光束照射，叶绿体上可分为有光照和无光照的部位，相当于一组对比实验。
④临时装片完全暴露在光下的实验再一次验证实验结果。
知识归纳
（1）并不是所有的植物细胞都含有叶绿体，只有进行光合作用的植物细胞才含有叶绿体。
（2）色素不只是分布于叶绿体中，也可分布于液泡中，如花青素，但是液泡中的色素不能用于光合作用。
（3）叶绿体不是细胞进行光合作用的唯一场所，如蓝细菌细胞没有叶绿体，它进行光合作用的场所是细胞质。
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1.植物依靠哪些色素捕获光能？
答案　叶绿素（叶绿素a、叶绿素b）、类胡萝卜素（胡萝卜素、叶黄素）。
2.叶绿体的结构有哪些适于进行光合作用的特点？
答案　类囊体堆叠成基粒，大大增加了膜面积；类囊体膜上和叶绿体基质中存在许多进行光合作用所必需的酶，类囊体膜上分布着许多吸收光能的色素分子。
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1.（目标1）下列有关叶绿体色素提取和分离的实验，叙述不正确的是（　　）
A.新鲜的深绿色叶片可用于色素的提取和分离
B.加酒精研磨的新鲜叶片，过滤后可得到色素提取液
C.色素在滤纸条上分离的原理是不同色素在层析液中的溶解度不同，扩散的速度不同
D.画有色素滤液的细线浸入层析液中，利于溶解的色素分离
答案　D
2.（目标2）秋季的北京香山，黄栌、红枫、银杏等树种的叶片由绿变红或变黄，一时间层林尽染，分外妖娆。低温造成叶肉细胞中含量下降最显著的色素是（　　）
A.叶绿素 B.叶黄素
C.胡萝卜素 D.花青素
答案　A
3.（目标3）恩格尔曼用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，惊奇地发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，该实验能得出的结论主要是（　　）
A.需氧细菌没有线粒体也能进行有氧呼吸
B.光合作用释放氧气的部位是叶绿体的类囊体
C.叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
D.叶绿体主要吸收红光和蓝紫光用于光合作用，释放氧气
答案　D
解析　该实验中恩格尔曼用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，说明红光和蓝紫光部位有氧气产生，而氧气是光合作用的产物，所以该实验主要说明叶绿体主要吸收红光和蓝紫光用于光合作用，并释放氧气，D正确。
4.（不定项）（目标1）下列有关“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述，错误的是（　　）
A.扩散速度最慢的是叶绿素b，呈蓝绿色
B.色素带最宽、最窄的分别是叶绿素a和叶黄素
C.此实验主要探究绿叶中色素的种类
D.研磨时加二氧化硅充分破坏叶绿体，以获得更多的色素
答案　AB
解析　叶绿素b呈黄绿色，A错误；色素带最宽的是叶绿素a，最窄的是胡萝卜素，B错误。
5.（不定项）（目标3）如图为叶绿体结构示意图，下列叙述正确的是（　　）
A.①具有选择透过性
B.吸收光能的色素分布在②上
C.与光合作用有关的酶分布在②③中
D.叶绿体具有双层膜
答案　ABCD
解析　叶绿体是由双层膜构成的，它们具有选择透过性，A、D正确；吸收光能的色素分布在类囊体薄膜上，即②上，B正确；与光合作用有关的酶分布在类囊体薄膜上和叶绿体基质中，C正确。
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INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\题型5-4-1.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\题型5-4-1.TIF" \* MERGEFORMAT
[例1]　在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使用情况如下表所示（“＋”表示使用，“－”表示未使用），其余操作均正常，他们所得的实验结果依次应为（　　）
甲 乙 丙 丁
无水乙醇 － ＋ ＋ ＋
水 ＋ － － －
CaCO3 ＋ ＋ － ＋
SiO2 ＋ ＋ ＋ －
A.①②③④ B.②④①③
C.④②③① D.③②①④
解题分析　由表可知，甲同学加的溶剂为水，而不是有机溶剂无水乙醇，色素不溶于水，因而提取不到叶绿体中的色素，所得结果应为②；乙同学的操作正确，应为④，即自上而下依次出现胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b，且叶绿素a和叶绿素b的含量较多；丙同学尽管使用了有机溶剂无水乙醇，可以提取到色素，但由于未加CaCO3，叶绿素可能会被破坏，因而下边的两条色素带比正常的窄，应为①；丁同学未加SiO2，可能研磨不充分，导致各种色素的提取量均少于正常水平，应为③。
答案　B
[例2]　科研人员发现了一种色素缺失的豌豆变异植株，提取其色素并进行了纸层析分离，结果如图（图中数字代表正常植株的色素带位置）。以下关于该变异植株的叙述正确的是（　　）
A.缺失叶绿素b，植株对蓝紫光、红光的吸收能力减弱
B.缺失胡萝卜素，植株对蓝紫光的吸收能力减弱
C.缺失叶绿素a，植株对红光的吸收能力减弱
D.缺失叶黄素，植株对蓝紫光的吸收能力减弱
解题分析　根据题意并分析图示可知，①是胡萝卜素、③是叶绿素a、④是叶绿素b；图中缺失的是叶黄素。叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光；胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。该变异植株缺失叶黄素，因此对蓝紫光的吸收能力减弱，D正确。
答案　D
知识拓展
　　实验异常现象分析
（1）滤纸条未见色素带的原因：①忘记画滤液细线；②滤液细线接触到层析液，使得色素溶解于层析液中；③用水进行绿叶中色素的提取。
（2）滤液绿色过浅的原因：①未加二氧化硅，研磨不充分；②取材不好，叶片不够新鲜，不是浓绿色；③加入无水乙醇过多，提取液浓度太低；④未加CaCO3或加入过少，色素分子被破坏。
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[例3]　如图为水绵结构模式图。恩格尔曼进行光合作用实验时，把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境里，然后用极细的光束对水绵细胞的不同部位（如a处）做点状投射，发现水中的需氧细菌明显聚集在叶绿体被光投射处；若将装片完全暴露在光下，需氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位。此实验证明了（　　）
A.氧气是由水分解来的
B.氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是光合作用的场所
C.光合作用能产生淀粉
D.光合作用需以二氧化碳为原料
解题分析　需氧细菌分布在氧气较多的地方，实验中需氧细菌分布在叶绿体受光的部位，则此实验证明了氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是光合作用的场所。
答案　B
[例4]　（不定项）科学家恩格尔曼用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现好氧细菌大量聚集在如图所示区域。以下分析正确的是（　　）
A.实验过程中装片需放置在黑暗环境中是为了设置自变量
B.水绵光合作用产生的O2能进入细菌的线粒体与[H]结合生成H2O
C.图中细菌分布的差异是水绵在不同区域光合作用强度不同造成的
D.水绵的叶绿体螺旋状分布在细胞中有利于实验的进行
解题分析　细菌为原核生物，无线粒体，B错误。
答案　ACD
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[单项选择题]
INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\圆点.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\圆点.TIF" \* MERGEFORMAT 知识点一　捕获光能的色素
1.提取光合色素，进行纸层析分离。对该实验现象或操作的解释，正确的是（　　）
A.未见分离后的色素带，说明材料可能是黄化叶片
B.用无水乙醇提取色素，加入CaCO3是为了使研磨更充分
C.提取液呈绿色是由于含有叶绿素且多于类胡萝卜素
D.胡萝卜素在滤纸上扩散最快，是因为其在提取液中的溶解度最高
答案　C
解析　材料若是黄化叶片，则分离后应含有胡萝卜素、叶黄素的色素带，未见分离后的色素带可能是滤液细线接触到层析液，用水进行色素的提取等原因，A错误；用无水乙醇提取色素，加入CaCO3是为了保护色素，加入二氧化硅是为了研磨更充分，B错误；根据色素分离的原理可知，胡萝卜素在滤纸上扩散最快，是因为其在层析液中的溶解度最高，D错误。
2.为研究光照强度对移栽幼苗光合色素的影响，某同学用乙醇提取叶绿体色素，用石油醚进行纸层析，如图为纸层析的结果（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带）。下列叙述不正确的是（　　）
A.若用黄叶提取分离色素，则滤纸条上最下面两条色素带可能消失
B.强光照导致了该植物叶绿素含量降低，类胡萝卜素含量增加
C.画滤液线时，滤液在点样线上只画一次，层析时滤液细线不能浸没在层析液中
D.色素Ⅲ、Ⅳ吸收光谱的吸收峰值不同，相邻色素带距离最小的是叶绿素a与叶绿素b
答案　C
解析　在分离色素实验中，画滤液细线时，需要重复画线，以增加色素量，C错误。
3.如图表示叶绿体中色素吸收光能的情况。据图判断，以下说法不正确的是 （　　）
A.由图可知，类胡萝卜素主要吸收400～500 nm波长的光
B.用450 nm波长的光比600 nm波长的光更有利于提高光合作用强度
C.由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后，叶绿体吸收利用的光能减少
D.土壤中缺乏镁时，植物对420～470 nm波长的光的利用量显著减少
答案　C
解析　由图可知，由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后，叶绿体吸收利用的光能增多，C错误。
4.将长势相同的四株植物，分别置于不同颜色的玻璃罩内，在同一环境中，接受相同水肥和光照，经过一段时间后，长势最好和最差的依次是（　　）
①红色透明罩　②绿色透明罩　③蓝色透明罩 ④无色透明罩
A.④③ B.②①
C.④② D.③①
答案　C
解析　无色透明罩可允许各种颜色的单色光透过，而有色透明罩只允许与透明罩颜色相同的一种单色光透过。在白光下，植物长势最好，在绿光下植物长势最差。
5.利用无水乙醇提取出叶绿体中的色素，设法分离得到各种色素后，并将叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素和混合液依次点样在滤纸的1、2、3、4、5位置（如图所示），当滤纸下方浸入层析液后，滤纸条上各色素正确位置应为（　　）
答案　B
解析　在层析液中四种色素的溶解度从大到小的顺序依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b。色素溶解度越大，随层析液在滤纸上扩散的速度越快，反之则慢，因此将叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素依次点样在滤纸的1、2、3、4，层析后，在滤纸上的位置从低到高依次是1、2、3、4。混合液中含4种色素，扩散后在滤纸条上形成4条色素带。故选B。
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6.为探究叶绿体吸收光能后是否有氧气产生，某学者设计了以下实验：制作载有水绵和需氧细菌的临时装片，用极细光束照射水绵，并放在显微镜下观察。下列关于该实验的分析，错误的是（　　）
A.在光束照射到水绵之前，应该加三棱镜将混合光分解成不同波长的光
B.临时装片应放置在没有空气的黑暗环境中
C.用需氧细菌起指示作用
D.水绵细胞内呈螺旋带状分布的叶绿体有利于实验现象的观察
答案　A
[不定项选择题]
7.北京的秋天呈现出缤纷的色彩，有绿色、黄色、红色、紫色等。下列叙述正确的是（　　）
A.植物缤纷的色彩是叶绿体和液泡中各种色素的比例不同造成的
B.用清水可以将紫鸭跖草叶片中的所有色素提取并分离
C.秋天银杏叶片变黄的原因是低温造成叶绿素含量降低
D.枫树、爬山虎等植物叶片变红后捕获光能的能力增强
答案　AC
解析　植物细胞中存在色素的细胞器有叶绿体和液泡，叶绿体色素包括叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和胡萝卜素，植物缤纷的色彩是叶绿体和液泡中各种色素的比例不同造成的，A正确；叶绿体色素不溶于水，因此不能用清水提取所有色素，B错误；叶绿素在低温下易被分解，秋天银杏叶片变黄的原因是低温造成叶绿素含量降低，C正确；枫树、爬山虎等植物叶片变红后叶绿素含量降低，捕获光能的能力减弱，D错误。
8.下列用鲜菠菜进行色素提取、分离实验的叙述，错误的是（　　）
A.叶片充分研磨后应立即加入少许碳酸钙，防止色素被破坏
B.画滤液细线时应迅速地重复画线，保证滤纸条上有足量的色素
C.即使菜叶剪碎不够充分，也可以提取出4种光合色素
D.距离滤液细线由近到远的色素带颜色依次是黄绿色、蓝绿色、橙黄色、黄色
答案　ABD
解析　叶片在研磨时，加入少许碳酸钙，防止色素被破坏，A错误；画滤液细线时，应待滤液干后再重画一到两次，B错误；菜叶剪碎不够充分，可能使叶片研磨不够充分，导致提取到的色素较少，但色素没有被破坏，故仍可以提取出4种光合色素，只是色素带较窄、颜色较浅，C正确；距离滤液细线由近到远的色素带颜色依次是黄绿色、蓝绿色、黄色、橙黄色，D错误。
[非选择题]
9.下面是甲、乙、丙三位同学进行“绿叶中色素的提取和分离”实验的过程，请据图回答下列问题：
（1）甲同学选用新鲜菠菜的绿色叶片进行实验，在滤纸上出现了四条清晰的色素带，如图1所示。甲同学分离色素的方法是　　　　，滤纸条上色素带位置的不同主要取决于　　　　　　　　　　　　　　　　。从上往下数，叶黄素位于第　　　　条色素带。
（2）乙同学改变甲同学所用层析液组成后继续进行实验，在滤纸条上出现了黄、绿两条色素带。他用刀片裁出含色素带的滤纸条，用乙醚分别溶解条带上的色素，浓缩后用一光学分析仪器检测，通过分析色素溶液的　　　　来判断色素带上的色素种类。
（3）丙同学对甲同学所做的“绿叶中色素的分离”实验进行改进，实验装置如图2所示。该同学应将提取到的滤液滴在　　　　（填“a”或“b”）处，棉线灯芯下端应浸没在　　　　中。实验结果得到四个不同颜色的同心圆，排列在最内侧的色素是　　　　（填色素的名称）。
答案　（1）纸层析法　色素在层析液中溶解度的大小　2
（2）吸收光谱
（3）a　层析液　叶绿素b
10.为研究城市环境污染和某植物生命活动的关系，研究者测定了不同污染程度下该植物叶片光合色素的含量，获得的数据处理成下面的柱状图。请分析回答下列问题：
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（1）提取叶片中光合色素时常使用　　　 　　　　来提取色素。研磨时为使　　　　　　　　，还可加入少许二氧化硅。
（2）纸层析法是分离叶片光合色素的简便方法。若研究者用该方法能否获得上述实验数据？为什么？　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
（3）据图可知，污染程度的加剧使　　　　（色素类型）的含量减少。
答案　（1）无水乙醇（或有机溶剂）　研磨更充分
（2）否。利用纸层析法只能在滤纸上观察到分离的色素带，不能定量分析色素
（3）叶绿素（或叶绿素a和叶绿素b）
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