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）教学设计(表格式)---2025-2026学年高一上学期《生物》（人教版）必修1

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 教案
课题 捕获光能的色素和结构 单元 第5章 学科 生物 年级 高1
教材分析 《捕获光能的色素和结构》是人教版高中必修1《分子与细胞》第5章第4节《光合作用与能量转化》第1课时的教学内容，主要学习色素的种类和功能，掌握提取、分离色素的实验方法。本节内容是对第3章细胞结构知识的提升，又是后面学习光合作用原理和应用的基础。 普通高中生物课程及解读对本部分知识的要求是能分析科学家对光合作用的认识过程，形成光合作用的基本概念；提取和分离叶绿体中的色素，简述叶绿体中色素的吸收光谱和作用光谱；要求教师能指导学生做好提取和分离叶绿体中色素的探索性实验。
教学目标与核心素养 生命观念：1.简述绿叶中色素的种类、颜色、含量、作用和吸收光谱。 2.运用结构与功能相适应的观念，解释叶绿体适于进行光合作用的结构和功能。 科学思维：1.通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论，说明光合作用过程，并从物质与能量观视角，阐明光合作用原理，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。 2.通过表格归纳、概括，厘清光反应与暗反应的区别与联系，说明光合作用的意义。 科学探究：尝试提取和分离叶绿体中的色素，并能在实践中加以运用。设计并实施实验，探究环境因素对光合作用强度的影响。 社会责任：能够运用色素与光合作用的原理解释生产生活中的相关现象。
重点 1.能说出叶绿体色素的种类、颜色、含量、作用和吸收光谱。 2.叶绿体适于进行光合作用的结构和功能。 3.光合作用的原理。
难点 1.光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系。 2.探究影响光合作用强度的环境因素。
第1课时 捕获光能的色素和结构
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 播放视频 问题导入：出示小麦图片，并提出问题：小麦灌浆期间需要天气晴朗，光照充足，才能灌浆充足、粒重提高。如果这时期光照不足或连阴雨，会延缓籽粒灌浆进程，减少干物质积累从而降低粒重，造成减产。你知道这里面的原理吗？ 提出问题：自然界中，绿色植物储存在有机物中的能量来自哪里呢？ 光合作用是唯一能捕获和转化光能的途径。 观看视频 思考、回答问题 通过生产实例，导入新课，引发学生思考，激发学生兴趣和探究欲
问题探讨 播放视频：植物工厂送温暖。 问题探讨： 你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。 讨论： 1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？ 2.为什么要控制二氧化碳的浓度、营养液成分和温度等条件？ 2.提示：①影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件，也有外界环境条件。 ②CO2浓度、营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态。 得出：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。光合作用是“地球上最重要的化学反应”植物捕获光能要依靠特定的物质和结构。 在植物工厂里，人工光源可以为植物提供能量，自然界，万物生长靠太阳。太阳能的输入、捕获和转化，是生物圈维持运转的基础。光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。 无论是植物工厂里，还是在自然界，植物捕获光能主要依靠特定的物质和结构。 观看视频。 思考、讨论 回答问题 1.提示：①用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成减产。 ②人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。 培养学生思考和分析问题的能力 引出光合作用。
讲授新课 对于高等植物来说，叶片是进行光合作用的主要器官。这些植物的叶片多数是绿色的，说明其中有绿色的色素在玉米地里，有时可以看到叶片中不含绿色色素的白化苗（图5-10）。这样的白化苗，待种子中储存的养分耗尽就会死去。可见，叶片中的色素可能与光能的捕获有关。 一、捕获光能的色素 问题：植物捕获光能的色素有哪些呢？ 活动1：出示正常玉米植株和白化玉米植株的图片，提出问题：玉米有正常植株和白化植株。正常植株的叶片是绿色的，说明其叶片中有绿色的色素；白化植株的叶片是白色的，说明其叶片中不含绿色色素。正常植株可以进行光合作用，并不断生长发育；而白化植株待种子中贮存的养分耗尽就会死去。这说明叶片中的色素可能与光能的捕获有关。 自主学习：阅读课本P97-98，并思考以下几个问题。 问题1. 色素提取和分离的原理分别是什么？ 问题2. 研磨过程中加入无水乙醇、SiO2、CaCO3的作用是什么？ 问题3. 将滤液收集到试管中后，为什么要用棉塞将试管口塞严？ 问题4. 滤纸条一端为什么要剪去两角？ 问题5. 画滤液细线时应注意什么？ 问题6. 为什么不能让滤液细线触及层析液？ 播放视频：绿叶中色素的提取和分离 活动2：绿叶中色素的提取和分离。 提问：若想真实地看到色素，确定色素的种类，我们就需要将色素从叶片中提取出来，并想办法把不同的色素分开。那么绿叶中色素提取和分离的实验原理是怎样的？请同学们认真阅读课本98-99页，做好勾画与批注，回答以下问题： 1.绿叶中色素的提取和分离原理？ 2.实验材料中为什么要选新鲜的绿叶？ 3.该实验包括哪些步骤？每一步操作中都有哪些注意事项？ 通过大家的讨论交流，我们已经明确了实验的正确操作流程，接下来以小组为单位完成正确的实验操作。教师组织学生动手实验，并巡视指导。 【实验原理】 1.提取原理：色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以，可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。。 2.分离原理：纸层析法，用层析液分离色素，色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液扩散得快。绿叶中的色素不只有一种，他们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。 【目的要求】 1.进行绿叶中色素的提取和分离。 2.探究绿叶中含有几种色素。 【材料用具】 新鲜的绿叶（菠菜的绿叶） 仪器：干燥的定性滤纸，试管，棉塞，试管架，研钵，玻璃漏斗，尼龙布，毛细吸管，剪刀，药匙，量筒（10 mL），天平等。 药品：无水乙醇（也可用体积分数为95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来代替），层析液（由20份在60～90℃下分馏出来的石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成），二氧化硅和碳酸钙。 【方法步骤】参考课本P98-99 1.提取绿叶中的色素 （1）称取5g绿叶，剪去主叶脉，剪碎，放入研钵中。 （2）向研钵中放入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入5～10 mL无水乙醇，迅速、充分地进行研磨（二氧化硅有助于研磨得充分，碳酸钙可防止研磨中色素被破坏）。 （3）将研磨液迅速倒入玻璃漏斗（漏斗基部放一块单层尼龙布）进行过滤。将滤液收集到试管中，及时用棉塞将试管口塞严。 过滤：获取绿色滤液。 单层尼龙布：滤纸、纱布会吸收色素。 ★注意用棉塞将试管口塞严：防止溶剂挥发和色素分子被氧化。 2.制备滤纸条 将干燥的定性滤纸剪成宽度略小于试管直径、长度略小于试管长度的滤纸条，再将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端底部1 cm处用铅笔画一条细的横线。 为什么要剪去两角？ 减少边缘效应，造成两边色素扩散快，保证色素带整齐。 3.画滤液细线 用毛细吸特吸取少滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线（也可将滤液倒入培养皿，再用盖玻片蘸取滤液，在横线处按压出均匀的细线）。待滤液干后，再重新画一到两次。 ★要求：细、直、匀 4.分离绿叶中的色素 称适量的层析液倒入试管中。将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口。注意：不能让滤液细线触及层析液，否则滤液细线中的色素会被层析液溶解，而不能在滤纸上扩散。也可用小烧杯代替试管，用培养皿盖住小烧杯。 为何滤液细线不能触及层析液？ 提示：防止色素溶解在层析液中 为何要盖上培养皿？ 提示：防止层析液挥发，因其易挥发且有毒 5.观察与记录 观察试管内滤纸条上山现了几条色素带，以及每条色素带的颜色和宽窄。将观察结果记录下来。 展示色素在滤纸条上的分布图 教师引导学生思考：滤纸条上出现了几条色素带，颜色分别是怎样的？其排列顺序怎样？宽窄如何？这说明了什么？ 出示四种色素对光的吸收图谱。 小结： 异常现象的分析： 若色素提取液呈淡绿色的，其原因有： ①选取的叶片颜色不是浓绿色或称取的绿叶过少或放置数天的菠菜叶，色素含量少 ②加入的无水乙醇过多，色素溶液浓度小 ③未加碳酸钙或加入的过少，色素分子部分破坏 ④研磨不充分，色素未能充分提取出来 若色素带颜色较浅，其原因有： 同上4点 ⑤划滤液细线的次数太少，滤纸条上的色素含量少 ⑥层析时，部分滤液细线已触及层析液 提出问题：这4种色素对光的吸收有什么差别呢 科学家做过这样的实验：在色素溶液与阳光之间，放置一块三棱镜。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（图5-11），称为光谱。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。 实验结果表明：叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光（图5-12）。这4种色素吸收的光波长有差别，但是都可以用于光合作用。 提出问题：叶片才呈现绿色的原因？ 提示：因为叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射回来，所以叶片才呈现绿色。 二、叶绿体适于进行光合作用的结构 这些色素存在于细胞中什么部位呢？ 科学家在19世纪早期就从植物细胞中分离出叶绿素，但当时并不清楚色素在植物细胞中的分布情况。后来，科学家才弄清楚，叶绿素并非遍布整个植物细胞，而是集中在一个更小的结构里，这个结构就是叶绿体。 展示图片叶绿体的电镜照片和模式图，请同学们回忆叶绿体的形状和结构。请同学们思考线粒体的结构特点对进行光合作用的好处。 思考讨论 叶绿体的功能 资料1：出示恩格尔曼经典实验。 资料2 在类囊体膜上和叶绿体基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。 讨论： 1.恩格尔曼第一个实验的结论是什么 提示：恩格尔曼第一个实验的结论是：氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。 2.恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处 提示：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多的部位；没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果，等等。 3.在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么 提示：这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。 4.综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能 提示：叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。 恩格尔曼的实验直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。 结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论。 在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。这是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。 总结：叶绿体的功能。 叶绿体是进行光合作用的场所。它内部的巨大膜表面上，分布了许多吸收光能的色素分子，还有许多进行光合作用的酶。 思考、讨论 回答问题 自主学习，阅读教材，思考问题。 观看视频 按要求阅读课本，做好勾画与批注，思考问题，并在小组内讨论问题。 学生根据预习汇报交流。 学生按照正确操作顺序实验，同时每个小组按照神秘任务卡的要求完成探究实验。 思考并回答问题。 思考并回答问题。 学生根据实验原理分析四种色素的分布 观察图片，对比分析，回答问题 回忆相关内容并回答问题。结合叶绿体的结构，掌握光合色素分布的场所。 分析实验现象，思考问题，小组交流讨论，并回答问题。 培养学生阅读提取信息的能力和思考。 培养学生阅读提取信息的能力和思考和分析问题的能力，小组合作能力 学会提取、分离叶绿体中色素的方法；提高观察、分析能力。 引导学生将知识讲解与实验操作相结合，分析实验结果，阐明因果联系，发展分析问题的能力 提高学生的识图能力和分析能力 复习叶绿体的结构。培养学生的大胆展示自我的精神，培养学生的语言表达能力和分析问题的力。 培养学生观察、分析问题的能力 让学生体会恩格曼实验设计的巧妙之处。 通过恩格尔曼实验，了解叶绿体的功能。培养学生的信息提取和科学分析能力。让学生具体体验科学研究过程，感受科学家的研究方法。
课堂小结
板书设计 5.4.1捕获光能的色素和结构 一、绿叶中色素的提取和分离 1.提取：深色的新鲜叶片 SiO2、CaCO3、无水乙醇 2.分离： （1）制备滤纸条（剪去两个角） （2）（纸层析法）画滤液细线（细、直、齐，重复2—3次） （3）层析分离（滤液细线不能浸没到层析液中） 二、叶绿体的结构适于进行光合作用
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