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第2节 光合作用——光能的捕获和转换
第1课时 解开光合作用之谜 叶绿体与光能的捕获
与细胞中的色素有关。
1．为什么大多数植物的叶片是绿色的 有些植物的叶片不是绿色的
2．为什么有些植物的叶片在不同时期颜色不同呢？
说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。
1.叶绿体的结构尤其是基粒大大扩展了膜面积，与光合作用的功能相适应。（生命观念）
2.分析光合作用光反应和暗反应过程，认同两个阶段既有区别又有联系。（科学思维）
3.科学设计提取和分离色素的实验步骤，注意每个操作步骤的规范性。（科学探究）
体会课堂探究的乐趣，
汲取新知识的营养，
让我们一起 吧！
进
走
课
堂
一、解开光合作用之谜
时间 人物 实验方法 结论
1627年 海尔蒙特 采用了定量研究的方法 柳树生长所需养料主要来自__，而不是____
1779年 英格豪斯 把带叶的枝条放入水里，发现绿叶只在阳光下产生气体，在黑暗处不产生气体 后来，人们明白了空气的组成后，才确定绿叶在阳光下放出的气体是____
水
土壤
O2
1864年 萨克斯 采用______________的方法 叶片在光下能产生____
19世纪60年代 利用光学仪器 光合作用中利用的光与叶绿素吸收光能有关
1941年 鲁宾和
卡门 运用____________ 光合作用释放的O2来自__
1948年 卡尔文 用14C标记CO2，追踪光合作用中碳元素的行踪 CO2被用于合成____等有机物
碘蒸气处理叶片
淀粉
同位素标记法
水
糖类
1．萨克斯的实验
(1)实验过程及现象 碘蒸气处理
一半曝光―――――→变蓝
黑暗中饥饿处理的绿叶
一半遮光―――――→不变蓝
碘蒸气处理
(2)实验分析
①设置了自身对照，自变量为光照，因变量是叶片颜色变化。
②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。
③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要条件。
【归纳提升】
对解开光合作用之谜的实验进行归纳提升，体现了科学思维的核心素养。
O2全部来自于H2O吗？如何证明？
对实验现象进行观察、分析并提出问题，体现了科学探究的核心素养。
2．鲁宾和卡门的实验
(1)实验过程及结论
H218O＋CO2→植物→18O2；H2O＋C18O2→植物→O2
光合作用释放的O2来自水。
(2)实验分析
设置了对照实验，自变量是标记物质(H218O和C18O2)，因变量是O2的放射性。
【例1】下图表示较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量相等的条件下，小球藻进行光合作用的实验示意图。一段时间后，以下相关比较不正确的是( )
A．Y2的质量大于Y3的质量
B．④中小球藻的质量大于①中小球藻的质量
C．②中水的质量大于④中水的质量
D．试管①的质量大于试管②的质量
C
②与④中H2O均被18O标记，单位时间内消耗等量的水，剩余水的质量也相等。
恩格尔曼实验
二、叶绿体与光能的捕获
1．恩格尔曼的实验
(1)实验材料：____和________。
水绵是一种藻类，常生活在淡水中，细胞中有
__________________的带状______。
水绵
好氧细菌
一条或多条螺旋排列
叶绿体
(2)实验过程和结果
水绵 黑暗
――→
好氧细菌 无空气
极细光束照射→细菌集中于____________________部位完全曝光→好氧
细菌分布于______________部位用透过三棱
镜的光照射→在______和______的
__________都聚集了大量的好氧细菌
被光束照射到的叶绿体
叶绿体所有受光
红光区
蓝光区
叶绿体部位
(3)实验结论
叶绿体中含有能有效地吸收利用____和____的物质，这些物质吸收的光与__________________有关。
红光
蓝光
绿叶在光下产生氧气
1.选材好:
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。
2.设计妙:
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，叶绿体上可分为有光照和无光照 的部位，相当于一组对照实验。
【归纳提升】
恩格尔曼实验的巧妙之处
叶绿体、色素与光合作用
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，如蓝细菌没有叶绿体，它进行光合作用的场所是细胞质。
【拓展延伸】
【例2】1880年，德国科学家恩格尔曼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丝状水绵体上，并在水绵悬液中放入好氧细菌，观察到细菌的聚集情况如图所示。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．细菌在不同光下的分布不同，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
C．好氧细菌聚集多的地方，产生的有机物多，水绵光合作用强
D．好氧细菌大量消耗O2，使水绵光合作用速率加快，则该种光有利于光合作用
B
恩格尔曼的实验巧妙的利用了好氧细菌会聚集在氧气含量高的部位，得出了光合作用的场所为叶绿体，产物之一为氧气；该细菌的异化作用类型为需氧型，丝状绿藻的同化方式为自养型。从图示可以看出，光合作用吸收多的光谱是红橙光和蓝紫光；用白光或同种单色光均匀照射，各部位光合作用强度相等，产生的氧气也同样多，故好氧细菌会均匀分布。
2．光合色素
(1)分布：叶绿体中的类囊体膜上
(2)种类、颜色与吸收光谱
种类 颜色 吸收光谱
叶绿素 叶绿素a ______ 主要吸收和利用______和____
叶绿素b ______
类胡萝卜素 胡萝卜素 ______ 主要吸收______，还有保护__________________的作用
叶黄素 ____
蓝绿色
黄绿色
蓝紫光
红光
橙黄色
黄色
蓝紫光
叶绿素免遭强光伤害
(3)作用：光合色素能吸收大部分的______用于光合作用，但对____吸收最少，大部分____被反射出来，因而叶片呈现绿色。
可见光
绿光
绿光
（1）温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？
（2）一般植物的叶片在春夏季为绿色，而在秋季呈黄色。请分析出现这一现象的原因。
与生活联系
在春夏季节，叶子中叶绿素含量高于类胡萝卜素，叶绿素对绿光吸收最少，大部分绿光被反射出来，所以叶片呈绿色。在秋季，叶绿素被破坏，类胡萝卜素完好，叶子呈现出类胡萝卜素的颜色，所以呈现黄色。
叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光，因此应选用无色或蓝紫色的玻璃。
运用生物学的知识和方法，解决现实生活问题，体现了社会责任的核心素养。
影响叶绿素合成的因素
1.光照：影响叶绿素合成的主要因素，植物在黑暗中一般不能合成叶绿素，因而叶片发黄。
2.温度：影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成；另外，低温时叶绿素分子容易被破坏。
3.矿质元素：叶绿素中含N、Mg等矿质元素，若缺乏将导致叶绿素无法合成，老叶先变黄。
【拓展延伸】
对影响叶绿素合成的因素进行归纳与概括，体现了科学思维的核心素养。
【例3】如图为用分光光度计测定叶片中两类色素吸收不同波长光波的曲线图，请判定A和B分别为何种色素( )
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
据题图分析，色素A吸收波峰为红光和蓝紫光，则表示叶绿素；色素B吸收波峰只有蓝紫光，则表示类胡萝卜素。
观看绿叶中色素的提取和分离视频
3．提取和分离叶绿体中的光合色素
(1)实验原理
①提取：________等有机溶剂能____绿叶中的各种光合色素。
②分离：色素在________的溶解度____，因而在滤纸上的________也有差异。
(2)实验步骤
无水乙醇
溶解
层析液中
不同
扩散速度
步骤 方法 原因
提取色素 ①选取新鲜叶片：色素含量高
②加入少许二氧化硅和碳酸钙：作用分别是________、________
③加入5 mL无水乙醇：溶解色素
研磨充分
保护色素
制备滤纸条
剪去两角：防止层析液在滤纸条的边缘处扩散____
分离色素 画滤液细线 画得__、__：防止色素带重叠
分离色素
层析装置示意图 ①层析液不能触及滤液细线：防止色素溶于层析液中
②烧杯加盖：防止层析液挥发
过快
细
直
（2）为什么色素会在滤纸条上分离？
不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度大的色素随层析液在滤纸条上扩散的速度快。
（1）提取叶绿体色素时使用什么溶剂？
叶绿体中的色素溶于有机溶剂而不溶于水，可用无水乙醇等有机溶剂提取色素。
对实验现象进行观察分析，并提出问题，体现了科学探究的核心素养。
（3）制备滤纸条时为何要剪掉两角？
（4）在画滤液细线时有什么要求？
提示：用力要均匀，快慢要适中。滤液细线要细、直，且干燥后重复画一两次，使滤液细线既有较多的色素，又使各色素扩散的起点相同。
提示：剪掉两角目的是：防止两边滤液扩散速度太快，使色素带扩散均匀。
（5）分离绿叶中的色素时，将滤纸条插入层析液中，为什么不能让滤液细线触及层析液？
提示：如果滤液细线触及层析液，那么滤纸条上的色素会溶于层析液中。
（6）过滤时能否用滤纸代替单层尼龙布？
提示：不能用滤纸代替单层尼龙布，因为滤纸对色素具有吸附作用，若用滤纸过滤，会导致收集到的滤液色素含量少，使实验效果不明显或失败。
对实验现象进行观察分析，并提出问题，体现了科学探究的核心素养。
提示：色素的含量不同。叶绿素a的色素带最宽，说明叶绿素a在4种色素中的含量最多，胡萝卜素色素带最窄，说明胡萝卜素的含量最少。
（7）为什么不同颜色的色素带宽度不同？
（8）依据色素分离的原理分析为什么色素在滤纸条上会有这样的排布？
提示：各种色素在层析液中溶解度的高低依次是：胡萝卜素﹥叶黄素﹥叶绿素a﹥叶绿素b。
对实验现象进行观察分析，并提出问题，体现了科学探究的核心素养。
提示：在滤纸上距离最近的两条色素带是叶绿素a与叶绿素b，距离最远的两条色素带是胡萝卜素与叶黄素。
（9）在滤纸上距离最近的两条色素带是什么色素？距离最远的两条色素带是什么色素？
试着画出滤纸条上的色素带。
对实验现象进行观察分析，并提出问题，体现了科学探究的核心素养。
滤纸条上色素带的分布和对光的吸收
1.若最终得到的色素带颜色浅，不清晰，原因可能
有哪些？
2.若最终得到的色素带重叠，不整齐，原因可能有
哪些？
3.若最终没得到色素带，原因可能有哪些？
①未加二氧化硅 ； ②无水乙醇加多；
③叶片不够新鲜、浓绿；④画滤液细线时没重复
①制备滤纸条时，未剪去两角；②滤液细线画得不够细、直、齐
①未加碳酸钙；②未加无水乙醇；③层析液触及滤液细线
根据实验过程及注意事项，大家再考虑以下问题：
对实验现象进行观察分析，并提出问题，体现了科学探究的核心素养。
【易错提醒】
实验中注意的事项
1.一般选择新鲜的绿叶，其叶绿素含量较高。
2.研磨过程中加入无水乙醇的作用是溶解色素。
3.提取色素的无水乙醇不应一次加入，为保证提取效果，应分多次加入。
4.研磨过程要迅速、充分，目的是防止乙醇挥发，并使色素充分溶解。
5.碳酸钙可防止研磨过程中色素被破坏，且主要保护的是叶绿素。
6.色素提取最好在弱光下进行，因为叶绿素不稳定，见光易分解。
7.滤液细线不能触及层析液，防止色素溶解在层析液中而观察不到色素带。
8.试管（烧杯）口一定要盖严，防止层析液中成分挥发。
对实验中的注意事项进行归纳与概括，体现了科学思维的核心素养。
【例4】下列分离绿叶中色素的装置中，正确的是( )
B
分离色素时采用纸层析法，原理是色素在层析液中的溶解度不同，随着层析液扩散的速度不同，最后的结果是观察到四条色素带。层析时，滤液细线不能触及层析液；由于层析液易挥发，且有毒性，所以要用培养皿盖盖住烧杯。
叶绿素
类胡萝卜素
叶绿素a(蓝绿色)
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
（吸收红光和蓝紫光）
（吸收蓝紫光）
含量约占3/4
含量约占1/4
叶绿体功能的验证实验
光合色素
叶绿体和光合色素
提取和分离叶绿体中的光合色素
叶绿体与光能的捕获
解开光合作用之谜
1627年
1779年
1864年
19世纪60年代
1940年
1948年
1.请按时间先后顺序排列下列事件( )
①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 ②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 ③荷兰科学家英格豪斯发现绿叶只有在阳光下产生气体，在黑暗处不产生气体 ④德国生物科学家恩格尔曼用水绵做实验，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．①②③④ B．④③②① C．③①④② D．①③②④
C
1779年，英格豪斯发现绿叶只有在阳光下产生气体，在黑暗处不产生气体；萨克斯在1864年证明叶片光合作用产生了淀粉；恩格尔曼则是在19世纪80年代用水绵做实验，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正确。
2.某小组同学用菠菜叶进行色素的提取和分离实验时，观察到的色素带颜色较浅，其可能的原因有( )
①无水乙醇加入量太多②未加CaCO3③未加SiO2
④使用放置了数天的菠菜叶⑤只画了一次滤液细线
A．2种 B．3种 C．4种 D．5种
D
无水乙醇的作用是提取色素，若加入太多，则色素的浓度降低，会导致观察到的色素带颜色过浅，①正确；未加CaCO3，叶绿素分子会被破坏，导致观察到的色素带颜色较浅，②正确；未加SiO2研磨不充分，则色素的提取量会偏少，会导致观察到的色素带颜色较浅，③正确；使用放置了数天的菠菜叶，部分叶绿素已被分解，也会导致观察到的色素带颜色较浅，④正确；画滤液细线次数太少，滤纸条上的色素含量较少，也会导致滤纸条上色素带颜色较浅，⑤正确。
3.(2024·广东高考)银杏是我国特有的珍稀植物,其叶片变黄后极具观赏价值。某同学用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,下列实验操作正确的是 ( )
A.选择新鲜程度不同的叶片混合研磨
B.研磨时用水补充损失的提取液
C.将两组滤纸条置于同一烧杯中层析
D.用过的层析液直接倒入下水道
C
本实验目的是用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,应选择新鲜程度不同的叶片分开研磨,A错误;色素溶于有机溶剂,提取液为无水乙醇,光合色素不溶于水,B错误;由于滤纸条不会相互影响,且层析液成分相同,故两组滤纸条可以置于同一个烧杯中层析,C正确;用过的层析液含有石油醚、丙酮和苯,不能直接倒入下水道,D错误。
4.（2024·贵州高考）为探究不同光照强度对叶色的影响，取紫鸭跖草在不同光照强度下，其他条件相同且适宜，分组栽培，一段时间后获取各组光合色素提取液，用分光光度法（一束单色光通过溶液时，溶液的吸光度与吸光物质的浓度成正比）分别测定每组各种光合色素含量。下列叙述错误的是（ ）
A. 叶片研磨时加入碳酸钙可防止破坏色素
B. 分离提取液中的光合色素可采用纸层析法
C. 光合色素相对含量不同可使叶色出现差异
D. 测定叶绿素的含量时可使用蓝紫光波段
D
叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收蓝紫光，所以不能用蓝紫光波段测定叶绿素含量，D错误。
5.某同学在做“提取和分离叶绿体色素”实验时，操作情况如下所述，
结果实验失败，请指出其错误所在：
(1)将5克新鲜完整的菠菜叶放入研钵中，加入丙酮、二氧化硅、碳酸钙
后，迅速研磨，然后按要求过滤。________________________________
______________。
(2)用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线处小心均匀地画出一条滤液细线，
并连续迅速地重复画2～3次。____________________________________
______________________________。
(3)把画好细线的滤纸条插入层析液中，并不断摇晃，以求加快色素在滤
纸条上的扩散。 __。
未去除粗叶脉和将叶剪碎，降低了叶绿素的提取率
上一次滤液细线未干燥就画下一次，使滤液细线过粗或线上色素较淡
由于摇晃，层析液接触滤液细线，溶解了色素
学会放心的人找到自由，学会遗忘的人找到轻松，懂得关怀的人身边有朋友。
