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4.4光能的捕获、转换和储存
教学设计
课题
4.4光能的捕获、转换和储存（课时1）
单元
必修1
学科
生物
年级
高中
教材分析
本节实验课选自生物第4章第4节《光能的捕获、转换和储存》，学习了细胞基本结构和功能后，学生进行本实验，利于他们了解叶绿体的结构和功能，也为学习光合作用的原理和应用奠定基础。
学习目标与核心素养
知识目标：1.通过光合色素提取和分离实验，理解提取和分离光合色素的原理；2.通过光合色素提取、分离和含量测定的实验操作，说出实验结果呈现的光合色素的种类、色泽及含量。能力目标：1．体验物质提取、分离及含量测定实验的原理和方法，培养实验能力、探究能力和创造性思维；2．通过定量测定色素的含量，培养分析实验数据的能力。情感目标：1．体验从微观水平上探究和解释生物宏观现象的研究和思维方法，建立生物宏观与微观的联系；2．通过光合色素提取、分离和含量测定的实验操作，培养严谨的科学态度与生物科学素养。生命观念：绿叶中色素的种类，颜色，含量及作用。科学思维：通过色素的提取和分离试验，培养学生的大胆探究实践创新的科学精神和态度。科学探究：通过进行色素提取和分离的实验操作，培养学生的实验创新和探究能力。社会责任：过小组探究，体会合作、交流、分享的意义。
重点
教学重点：1.光合色素提取和分离的原理；2.光合色素提取、分离和含量测定的实验操作及结果分析。
难点
教学难点：层析的原理，分光光度仪的使用。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
第1课时什么是光合作用？青青园中葵，朝露待日睎。阳春布德泽，万物生光辉。”这首古诗描述的景象，可以说是对“万物生长靠太阳”最唯美的诠释。没有植物的光合作用（photosynthesis）就没有草木葳蕤、鸟兽成群的和谐景象，更没有我们人类的生存和发展。光合作用的机理是什么？光能是如何被捕获并储存的？人们对光合作用的探究经历了怎样的历程？
学生思考问题，回忆光合作用的概念。
通过光合作用的概念回忆，引发学生思考，结合古诗顺势提出更深层次的问题，从而引入本课对光合作用的探究学习。
新课讲授一、光合作用的探究历程发现光合作用二、叶绿体从太阳光中捕获能量
思维训练
陆生植物生长在土壤中，人们很自然地想到它们生长所需要的物质可能都来自于土壤，亚里士多德当年也是这样认为的。17世纪上半叶，比利时科学家海耳蒙特（J
Helmont）利用雨水浇灌柳树的实验，证明了植物生长的原料并非主要来自土壤。实验前实验后变化土壤干重100kg99.9kg-0.1kg柳树2.5kg82.5kg+80kg结论：建造植物体的原料是水分 发现光合作用：1771-1785年，英国化学家普里斯特利（J.Priestley）和荷兰医生英根豪斯（J
Ingenhousz）先后发现，植物在光下能“净化”空气。在此基础上，科学家又进行了系列探索，逐步认识了光合作用的过程和本质。[资料1]1864年，德国植物生理学家萨克斯（J.Sachs）做了一个实验：把天竺葵放在暗处几小时，然后选择一片长势旺盛的叶片，一半叶片曝光，另一半遮光。一段时间后，用碘蒸气处理叶片，发现只有曝光的一半呈深蓝色（图4-21）。由此证明，植物的光合作用产生了淀粉。萨克斯创新的碘染色测定淀粉、数气泡法测定光合速率等实验技术，至今还在实验室应用。结论：绿色叶片的光合作用中产生了淀粉 [资料2]1880年，德国科学家恩格尔曼（C.Engelman）把载有水绵和需氧菌的临时装片放在无氧的黑暗环境里，然后用极细的光朿照射水绵。通过显微镜观察，发现需氧菌只集中在叶绿体受光照部位附近.如果把上述临时装片完全暴露在光下，需氧菌则集中在叶绿体所有受光照部位周围。结论：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
[资料3]1941年，美国生物化学家鲁宾（S.Ruben）和卡门（M.Kamen）制备了含有少量同位素18O的水和碳酸氢盐，其中碳酸氢盐能为水生植物提供二氧化碳。在适宜光照下，给3组小球藻提供含有不同比率18O的水和碳酸氢盐，一段时间后检测光合产物氧气中含18O的比率.结论：光合作用产生的O2来自于H2O。 分析讨论：1.萨克斯的实验中，把天竺葵放在暗处几小时的目的是什么？2.恩格尔曼的水绵叶绿体放氧实验在设计上有哪些巧妙之处？通过实验可以得出哪些结论？3.从鲁宾和卡门的实验可以看出，光合作用产生的氧气来自哪种物质？4.从海耳蒙特的定量分析、萨克斯的半叶法、恩格尔曼水绵放氧实验，到鲁宾和卡门的同位素标记法，有些实验设计很巧妙，有些为后来的研究奠定了基础。科学家探究光合作用的系列实验对我们有哪些启发？经历了漫长的探索历程，人们对光合作用的过程逐渐明晰：光合作用是绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转变为储存着能量的有机物，并且释放岀氧气的过程。光合作用的过程可以用下面的反应式表示，其中的（CH2O）表示糖类等有机物。从“万条垂下绿丝绦”的明媚春色到“霜前黄叶漫秋山”的深秋景象，树叶的颜色会随季节而改变，这与叶片中色素的种类和含量的变化有关。实验探究：提取和分离叶绿体色素层析法是利用不同分子在溶解度、大小、形状或所带电荷等理化性质上的差异，从混合物中分离提纯物质的方法。纸层析是常用的层析方法之一。叶绿体中的色素都不溶亍水而溶于有机溶剂，故可用无水乙醇等有机溶剂提取。各种色素在层析液中的溶解度不同，它们随层析液在滤纸条上的扩散速度也不同，经过一定时间后，就会彼此分离开。目的要求1.尝试提取和分离叶绿体中的色素。2.了解叶绿体中色素的种类和含量。材料器具新鲜的绿叶（如菠菜叶），无水乙醇（或丙酮）、石英砂、碳酸钙粉、层析液（配方：60~90℃条件下分馏出来的石油醚20份、丙酮2份、苯1份混合），剪刀、研钵、漏斗烧杯、滴管、培养皿、圆形滤纸、小试管、试管架、毛细吸管、尼龙布、脱脂棉、量筒、天平、药匙。活动程序1.叶绿体色素的提取（1）称取新鲜绿叶5g，剪碎并放入研钵。在研钵中加入少量石英砂和碳酸钙粉，再倒入6~8mL无水乙醇，在圆形滤纸中心剪一个洞，将杵棒套人洞口，用滤纸盖在研钵上，迅速、充分研磨至糊状。（2）在漏斗基部放一块单层尼龙布，将研磨液迅速倒入漏斗中进行过滤。将滤液收集到小试管中，用棉塞将试管口塞紧，避光保存备用。2.叶绿体色素的分离（1）取干燥的圆形定性滤纸一张，将其剪成1cm宽的滤纸条，在滤纸条的端剪去两个角，并在距离这一端1cm处用铅笔画一条细线。（2）用毛细吸管吸取色素提取液，沿铅笔细线均匀地画岀一条细而直的滤液细线，风干。重复操作3~4次。（3）在烧杯中加入适量的层析液，将滤纸条带有色素的一端插亼烧杯中，使滤纸条下端浸入层析液，但是不能让层析液没及滤液细线；将滤纸条上端折叠挂靠但不要贴到烧杯壁上；迅速盖上培养皿（4）待层析液扩散至距烧杯边缘2cm左右，取出滤纸条，观察滤纸条上色素带的条数及颜色，风干后避光保存△安全警示无水乙醇易燃，须远离火源！丙酮有毒，注意通风！分析讨论1.滤纸条上的滤液细线为什么不能触及层析液？2.滤纸条上色素带的宽度以及与滤液细线之间的距离都不相同，分别说明了什么？3.用红色、蓝色和绿色激光笔照射试管中的色素提取液，发现只有绿色激光能透过提取液，这说明了什么？4.除了层析法，依据蛋白质、核酸等分子的性质可以分离提纯细胞内的多种生物大分子，差速离心法可以将细胞组分分离开来。以上技术若与显微镜观察相结合，对研究细胞有哪些意义？高等植物叶绿体中的色素分为两大类：叶绿素和类胡萝卜素，其中叶绿素包括蓝绿色的叶绿素a和黄绿色的叶绿素b，类胡萝卜素包括橙黄色的胡萝卜素和黄色的叶黄素。通常，叶绿体中的叶绿素含量是类胡萝卜素的3倍，所以正常叶片呈绿色。秋天，随着气温逐渐降低，叶绿素首先分解，于是叶片就显示出类胡萝卜素的颜色。各种色素分子之所以具有不同的颜色，是因为它们的吸收光谱不同：叶绿素吸收光波较强的区域是波长为650~680mm的红光区和波长为430~450nm的蓝紫光区。类胡萝卜素的吸收光谱与叶绿素不同，其吸收光波较强的区域在400~500m的蓝紫光区。拓展：拓展：为什么植物的叶片呈现绿色？对植物而言，叶绿素分子对绿光吸收最少，绿光被反射出来，所以植物的叶片呈现绿色。叶绿素含量是类胡萝卜素的3倍，也是叶片呈绿色的原因。
学生观看课本与课件图文展示，了解海耳蒙特利用雨水浇灌柳树的实验过程。并从实验结果分析结论。学生阅读课本有关“发现光合作用”的相关资料，了解发现光合作用的研究历史，感受科研精神和发现历程。学生根据实验结果分析实验结论。学生阅读材料2，结合课件图片展示，感受整个实验过程，加深了解光合作用的发现过程。学生根据实验结果分析实验结论。学生通过图文结合阅读资料3，了解鲁宾和卡门的实验过程。学生根据实验结果分析实验结论。学生思考问题，并分析讨论。通过材料阅读和讨论分析，引导学生自己总结出光合作用的过程和反应式。学生观看ppt图文内容，思考叶片中的色素起什么作用。学生阅读课本中实验材料及过程，分组进行实验探究。学生阅读课本，了解实验器材、实验目的及其原理、过程等。学生按照实验的活动程序进行实验，并注意注意事项。学生阅读安全警示，并注意安全。学生思考问题，分析讨论。学生阅读课本，了解有关叶绿体色素的相关知识。学生阅读拓展资料，并思考回答问题。
通过直观的图文展示，把历史上经典实验的过程生动形象地重塑出来，吸引学生注意力，帮助学生直观感受实验过程，从而得出“建造植物体的原料是水分”的结论。通过实际研究资料的阅读了解，引导学生关注相关案例的研究过程，感受科学探究的历程和精神，从而认同生物科学的价值，科学技术与社会的关系，培养学生的生命观念和社会责任的科学素养.。通过实验结论的得出，光合作用的产物是淀粉。通过材料2的阅读，引导学生进一步学习光合作用的发现历程，图文结合展示更直观形象，帮助学生理解。通过对实验现象和结果的分析，得出“叶绿体的绿色植物进行光合作用的场所”的结论，从而进一步了解了光合作用。通过对实验现象和结果的分析，得出“光合作用产生的O2来自于H2O”的结论，从而进一步补充完善对光合作用的学习。通过分析讨论，对3个材料进行总结分析，使知识学习不仅停留在表面上，更能引导学生思考总结，同时培养了学生的归纳总结能力、分析理解能力。通过深秋景象引入叶片中的色素的作用，从而了解光合作用的过程。通过探究实验：提取和分离叶绿体色素的学习，引导学生自己探究叶绿体的色素的作用，同时培养学生的实验探究能力，分组协作能力，落实学生的科学探究素养。通过对实验中的不安全因素的提醒，帮助学生提高安全意识。通过对实验后的问题思考分析，得出实验结论。通过对叶绿体色素的了解和学习，进一步理解了光合作用的过程和原理。通过拓展知识的学习，达到了学以致用，拓展视野的效果。
小试牛刀：1.下列关于细胞中ATP的叙述，正确的是（ D ）A．在代谢旺盛的细胞中含量很丰富B．分子中含有3个高能磷酸键C．在哪儿合成，就在哪儿被利用D．不断被合成，又不断被分解2.
ATP是细胞生命活动的直接能源物质。下列关于ATP的叙述，错误的是（ B ）
A．细胞质和细胞核中都有ATP的分布
B．ATP合成所需的能量由磷酸提供
C．ATP可以水解为ADP和磷酸基团
D．正常细胞中ATP与ADP的比值相对稳定
3.
下列关于“
绿叶中色素的提取和分离
”的实验描述中，不属于实验要求的是（
C
）
A.提取高等植物叶绿体中的色素
B.用纸层析法分离色素
C.了解各种色素的吸收光谱
D.验证叶绿体中所含色素的种类
思考、回答问题
通过精选习题，检测并巩固学生课堂所学内容。
课堂小结
师（总结）：今天这节课我们了解了光合作用。主要内容包括以下内容：一、光合作用的探究历程二、叶绿体从太阳光中捕获能量
总结、归纳本课所学
师生共同总结回顾知识，强化重点知识，加深对知识的掌握
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精品试卷·第
2
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（共
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第四章
细胞的生存需要营养物质和能量
沪科版
必修1
4.4
光能的捕获、转换和储存
（第1课时）
导入
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。
车间
动力
产物
原料
什么是光合作用？
导入
青青园中葵，朝露待日睎。阳春布德泽，万物生光辉。”这首古诗描述的景象，可以说是对“万物生长靠太阳”最唯美的诠释。没有植物的光合作用（photosynthesis）就没有草木葳蕤、鸟兽成群的和谐景象，更没有我们人类的生存和发展。光合作用的机理是什么？光能是如何被捕获并储存的？人们对光合作用的探究经历了怎样的历程？
光合作用释放氧气
讲授新课
一、光合作用的探究历程
陆生植物生长在土壤中，人们很自然地想到它们生长所需要的物质可能都来自于土壤，亚里士多德当年也是这样认为的。17世纪上半叶，比利时科学家海耳蒙特（J
Helmont）利用雨水浇灌柳树的实验，证明了植物生长的原料并非主要来自土壤。
实验前
实验后
变化
土壤干重
100kg
99.9kg
-0.1kg
柳树
2.5kg
82.5kg
+80kg
结论：建造植物体的原料是水分
举例拓展：
经典再现
发现光合作用
1771-1785年，英国化学家普里斯特利（J.Priestley）和荷兰医生英根豪斯（J
Ingenhousz）先后发现，植物在光下能“净化”空气。在此基础上，科学家又进行了系列探索，逐步认识了光合作用的过程和本质。
[资料1]1864年，德国植物生理学家萨克斯（J.Sachs）做了一个实验：把天竺葵放在暗处几小时，然后选择一片长势旺盛的叶片，一半叶片曝光，另一半遮光。一段时间后，用碘蒸气处理叶片，发现只有曝光的一半呈深蓝色（图4-21）。由此证明，植物的光合作用产生了淀粉。萨克斯创新的碘染色测定淀粉、数气泡法测定光合速率等实验技术，至今还在实验室应用。
天竺葵
一半曝光一半遮光
曝光的一半变蓝
置于暗处几小时
一半遮光
一半曝光
为了使绿叶中原有的有机物消耗殆尽
1864年
萨克斯实验
结论：绿色叶片中光合作用中产生了淀粉
[资料2]1880年，德国科学家恩格尔曼（C.Engelman）把载有水绵和需氧菌的临时装片放在无氧的黑暗环境里，然后用极细的光朿照射水绵。通过显微镜观察，发现需氧菌只集中在叶绿体受光照部位附近.
需氧菌只集中在叶绿体受光照部位附近
如果把上述临时装片完全暴露在光下，需氧菌则集中在叶绿体所有受光照部位周围。
需氧菌集中在叶绿体所有受光照部位周围
1880年
恩格尔曼实验
结论：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
[资料3]1941年，美国生物化学家鲁宾（S.Ruben）和卡门（M.Kamen）制备了含有少量同位素18O的水和碳酸氢盐，其中碳酸氢盐能为水生植物提供二氧化碳。在适宜光照下，给3组小球藻提供含有不同比率18O的水和碳酸氢盐，一段时间后检测光合产物氧气中含18O的比率.
用18O比率不同的水和碳酸氢盐探究氧气的来源
第一组
H2180
C02
H20
C18O2
第二组
1802
02
1939年
鲁宾和卡门
结论：光合作用产生的O2来自于H2O。
分析讨论
1.萨克斯的实验中，把天竺葵放在暗处几小时的目的是什么？
2.恩格尔曼的水绵叶绿体放氧实验在设计上有哪些巧妙之处？通过实验可以得出哪些结论？
3.从鲁宾和卡门的实验可以看出，光合作用产生的氧气来自哪种物质？
4.从海耳蒙特的定量分析、萨克斯的半叶法、恩格尔曼水绵放氧实验，到鲁宾和卡门的同位素标记法，有些实验设计很巧妙，有些为后来的研究奠定了基础。科学家探究光合作用的系列实验对我们有哪些启发？
经历了漫长的探索历程，人们对光合作用的过程逐渐明晰：
光合作用是绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转变为储存着能量的有机物，并且释放岀氧气的过程。
光合作用的过程可以用下面的反应式表示，其中的（CH20）表示糖类等有机物。
CO2+H20
（CH20）+O2
从“万条垂下绿丝绦”的明媚春色到“霜前黄叶漫秋山”的深秋景象，树叶的颜色会随季节而改变，这与叶片中色素的种类和含量的变化有关。
二、叶绿体从太阳光中捕获能量
实验探究：
提取和分离叶绿体色素
层析法是利用不同分子在溶解度、大小、形状或所带电荷等理化性质上的差异，从混合物中分离提纯物质的方法。纸层析是常用的层析方法之一。叶绿体中的色素都不溶亍水而溶于有机溶剂，故可用无水乙醇等有机溶剂提取。各种色素在层析液中的溶解度不同，它们随层析液在滤纸条上的扩散速度也不同，经过一定时间后，就会彼此分离开。
目的要求
1.尝试提取和分离叶绿体中的色素。
2.了解叶绿体中色素的种类和含量。
材料器具
新鲜的绿叶（如菠菜叶），无水乙醇（或丙酮）、石英砂、碳酸钙粉、层析液（配方：
60~90℃条件下分馏出来的石油醚20份、丙酮2份、苯1份混合），剪刀、研钵、漏斗烧杯、滴管、培养皿、圆形滤纸、小试管、试管架、毛细吸管、尼龙布、脱脂棉、量筒、天平、药匙。
活动程序
1.叶绿体色素的提取
（1）称取新鲜绿叶5g，剪碎并放入研钵。在研钵中加入少量石英砂和碳酸钙粉，再倒入6~8mL无水乙醇，在圆形滤纸中心剪一个洞，将杵棒套人洞口，用滤纸盖在研钵上，迅速、充分研磨至糊状。
（2）在漏斗基部放一块单层尼龙布，将研磨液迅速倒入漏斗中进行过滤。将滤液收集到小试管中，用棉塞将试管口塞紧，避光保存备用。
2.叶绿体色素的分离
（1）取干燥的圆形定性滤纸一张，将其剪成1cm宽的滤纸条，在滤纸条的端剪去两个角，并在距离这一端1cm处用铅笔画一条细线。
（2）用毛细吸管吸取色素提取液，沿铅笔细线均匀地画岀一条细而直的滤液细线，风干。重复操作3~4次。
（3）在烧杯中加入适量的层析液，将滤纸条带有色素的一端插亼烧杯中，使滤纸条下端浸入层析液，但是不能让层析液没及滤液细线；将滤纸条上端折叠挂靠但不要贴到烧杯壁上；迅速盖上培养皿
纸层析法分离色素示意图
（4）待层析液扩散至距烧杯边缘2cm左右，取出滤纸条，观察滤纸条上色素带的条数及颜色，风干后避光保存（图4-23b）
△安全警示
无水乙醇易燃，须远离火源！丙酮有毒，注意通风！
分析讨论
1.滤纸条上的滤液细线为什么不能触及层析液？
2.滤纸条上色素带的宽度以及与滤液细线之间的距离都不相同，分别说明了什么？
3.用红色、蓝色和绿色激光笔照射试管中的色素提取液，发现只有绿色激光能透过提取液，这说明了什么？
4.除了层析法，依据蛋白质、核酸等分子的性质可以分离提纯细胞内的多种生物大分子，差速离心法可以将细胞组分分离开来。以上技术若与显微镜观察相结合，对研究细胞有哪些意义？
高等植物叶绿体中的色素分为两大类：叶绿素和类胡萝卜素，其中叶绿素包括蓝绿色的叶绿素a和黄绿色的叶绿素b，类胡萝卜素包括橙黄色的胡萝卜素和黄色的叶黄素。通常，叶绿体中的叶绿素含量是类胡萝卜素的3倍，所以正常叶片呈绿色。秋天，随着气温逐渐降低，叶绿素首先分解，于是叶片就显示出类胡萝卜素的颜色。
各种色素分子之所以具有不同的颜色，是因为它们的吸收光谱不同：叶绿素吸收光波较强的区域是波长为650~680mm的红光区和波长为430~450nm的蓝紫光区。类胡萝卜素的吸收光谱与叶绿素不同，其吸收光波较强的区域在400~500m的蓝紫光区。
叶绿体色素的吸收光谱
光吸收量
光波长
叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱图
拓展：
拓展：
对植物而言，叶绿素分子对绿光吸收最少，绿光被反射出来，所以植物的叶片呈现绿色。
叶绿素含量是类胡萝卜素的3倍，也是叶片呈绿色的原因。
为什么植物的叶片呈现绿色？
1.下列关于细胞中ATP的叙述，正确的是（ ）
A．在代谢旺盛的细胞中含量很丰富
B．分子中含有3个高能磷酸键
C．在哪儿合成，就在哪儿被利用
D．不断被合成，又不断被分解
D
课堂练习
2.
ATP是细胞生命活动的直接能源物质。下列关于ATP的叙述，错误的是（ ）
A．细胞质和细胞核中都有ATP的分布
B．ATP合成所需的能量由磷酸提供
C．ATP可以水解为ADP和磷酸基团
D．正常细胞中ATP与ADP的比值相对稳定
B
课堂练习
3.下列关于“
绿叶中色素的提取和分离
”的实验描述中，不属于实验要求的是（
）
A.提取高等植物叶绿体中的色素
B.用纸层析法分离色素
C.了解各种色素的吸收光谱
D.验证叶绿体中所含色素的种类
C
课堂练习
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