高中生物苏教版 (2019)必修1《分子与细胞》第三章 细胞中能量的转换和利用第二节 光合作用——光能的捕获和转换第1课时学案设计

这是一份高中生物苏教版 (2019)必修1《分子与细胞》第三章 细胞中能量的转换和利用第二节 光合作用——光能的捕获和转换第1课时学案设计，共9页。学案主要包含了解开光合作用之谜，叶绿体与光能的捕获等内容，欢迎下载使用。

一、解开光合作用之谜
二、叶绿体与光能的捕获
1．恩格尔曼的实验
(1)实验材料：水绵和好氧细菌。
水绵是一种藻类，常生活在淡水中，细胞中有一条或多条螺旋排列的带状叶绿体。
(2)实验过程和结果
eq \b\lc\ \rc\}(\a\vs4\al\c1(水绵 ,好氧细菌))eq \(――→,\s\up10(黑暗),\s\d10(无空气))eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(极细光束照射→细菌集中于,被光束照射到的叶绿体部位,完全曝光→好氧细菌分布于叶绿体,所有受光部位,用透过三棱镜的光照射→在红光区,和蓝光区的叶绿体部位都聚集,了大量的好氧细菌))
(3)实验结论
叶绿体中含有能有效地吸收利用红光和蓝光的物质，这些物质吸收的光与绿叶在光下产生氧气有关。
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
(3)作用：光合色素能吸收大部分的可见光用于光合作用，但对绿光吸收最少，大部分绿光被反射出来，因而叶片呈现绿色。
3．提取和分离叶绿体中的光合色素
(1)实验原理
①提取：无水乙醇等有机溶剂能溶解绿叶中的各种光合色素。
②分离：色素在层析液中的溶解度不同，因而在滤纸上的扩散速度也有差异。
(2)实验步骤
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．色素提取液是无水乙醇，分离液是层析液。( )
2．不同色素在滤纸条上的扩散速度与其在层析液中的溶解度呈正相关。( )
3．分离结束后，滤纸条上的颜色自上而下依次是黄绿色、蓝绿色、黄色和橙黄色。( )
4．叶绿素和类胡萝卜素都主要吸收蓝紫光，除此之外，叶绿素还主要吸收红光。( )
5．植物叶片多呈现绿色的原因是对绿光的吸收最多。( )
6．研磨菠菜叶时加入二氧化硅是为了保护叶绿素。( )
提示：1.√ 2.√
3．× 分离结束后，滤纸条上的颜色自下而上依次是黄绿色、蓝绿色、黄色和橙黄色。
4．√
5．× 植物叶片多呈绿色的原因是叶绿素对绿光吸收最少，使绿光被反射出来。
6．× 研磨菠菜叶时加入二氧化硅是为了研磨更充分。
解开光合作用之谜
1．萨克斯的实验
(1)实验过程及现象
黑暗中饥饿处理的绿叶eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(一半曝光\(―――――→,\s\up10(碘蒸气处理))变蓝,一半遮光\(―――――→,\s\up10(碘蒸气处理))不变蓝))
(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。
2．鲁宾和卡门的实验
(1)实验过程及结论
Heq \\al(18,2)O＋CO2→植物→18O2；H2O＋C18O2→植物→O2
光合作用释放的O2来自于水。
(2)实验分析
设置了对照实验，自变量是标记物质(Heq \\al(18,2)O和C18O2)，因变量是O2的放射性。
3．恩格尔曼的实验
(1)实验材料选得妙：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。
(2)排除干扰的方法妙：没有空气的黑暗环境，排除了氧气和光的干扰。
(3)设计的观测指标妙：通过好氧细菌的分布进行检测，从而能够准确地判断出水绵细胞中释放氧的部位。
(4)设计的实验对照妙：进行黑暗(局部光照)和曝光对比实验，明确实验结果完全是光照引起的。还巧妙利用三棱镜，将可见光分成七种颜色连续光谱投射到水绵的带状叶绿体上，弄清了叶绿体中含有能有效地吸收利用红光和蓝光的物质。
1．德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处数小时(消耗掉叶片中的淀粉)后，再把叶片的一部分遮光，其余部分曝光。一段时间后，该叶片经脱色、漂洗后再用碘液处理，结果发现遮光部分不变蓝，曝光部分变蓝。下列有关本实验的分析及结论合理的是( )
①本实验未设置对照组 ②有无光照是遮光和曝光区域表现不同结果的唯一原因 ③实验初始时遮光和曝光区域均达到无淀粉状态 ④实验证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉
A．①②③④B．②③④
C．①②③D．②③
D [该实验中曝光部分与遮光部分形成了对照；该实验能证明有淀粉的生成，但不能证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉。]
2．1880年，德国生物学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的光谱。他将三棱镜产生的光谱投射到含带状叶绿体的丝状水绵体上，并在水绵的悬液中放入了好氧细菌，观察好氧细菌在水绵不同区段的聚集情况(如图)，以确定该区段水绵光合作用的强度。下列相关叙述错误的是( )
A．该实验可证明水绵叶绿体色素对不同波长的光吸收量不同
B．好氧细菌聚集较多的区段，水绵的光合作用较弱，导致好氧细菌能够吸收更多光能
C．若将装置置于黑暗中，则好氧细菌会在悬浮液中基本均匀分布
D．实验中应选用进行有氧呼吸的好氧细菌来检验水绵不同区段光合作用的强弱
B [本题考查对恩格尔曼实验的分析。通过观察好氧细菌的分布可以判定光合作用的强度。从实验中可见好氧细菌在不同波长的光中分布不同，及水绵对不同波长的光吸收量不同；好氧细菌聚集较多的区段，说明水绵光合作用强，产生的氧气多；若将装置置于黑暗中，水绵无法进行光合作用，没有氧气的释放，则好氧细菌在悬浮液中基本均匀分布。]
提取和分离叶绿体中的光合色素
1．实验操作中的关键步骤
(1)研磨要迅速、充分：研磨充分使叶绿体完全破裂，可提取较多的色素。
(2)滤液细线要求：细、直、齐，含有较多的色素，所以应待滤液干后再在同一位置重复画滤液细线。
(3)滤液细线不能触及层析液，否则色素会溶解到层析液中，使滤纸条上得不到色素带。
2．滤纸条上色素的分布和对光的吸收
3．叶绿体中色素的提取和分离实验的异常现象分析
(1)收集到的滤液中绿色过浅的原因分析：
①未加二氧化硅，研磨不充分。
②使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)太少。
③一次加入大量的无水乙醇，提取浓度太低。
④未加碳酸钙或加入过少，叶绿素分子被破坏。
(2)滤纸条色素带重叠：滤液细线画得过粗。
(3)滤纸条看不见色素带：
①忘记画滤液细线。
②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。
4．叶绿体中色素的吸收光谱分析
(1)叶绿体中的色素只吸收可见光，不吸收不可见光。
(2)叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，也吸收少量其他颜色的光。
(3)叶绿体中的色素很少吸收绿光，绿光被反射，所以大多数叶片看起来呈绿色。
深化探究：1.实验过程中，甲同学忘记加入二氧化硅和碳酸钙，乙同学忘记加入无水乙醇，丙同学加的无水乙醇过多。请分析他们可能出现的实验结果。
提示：甲同学研磨不充分，部分色素被破坏，过滤收集的滤液颜色浅；乙同学不能提取到色素；丙同学的滤液颜色浅，提取的滤液色素的浓度低。
2．实验操作时，为什么要将滤纸条的一端剪去两角？画滤液细线的要求是细、直、齐，且要在干燥后在同一位置重复画滤液细线，请分析这样做的原因是什么？
提示：剪去两角的目的是防止层析液在滤纸条的边缘扩散过快。滤液细线要细、直、齐是使分离的色素不重叠，重复画线的目的是增加色素含量，使分离的色素带清晰，便于观察。
1．下列有关“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述中，错误的是( )
A．研磨时加入碳酸钙可防止叶绿素在酸性条件下分解
B．滤纸条的一端剪去两角的目的是使色素带扩散均匀且比较直
C．画滤液细线时需迅速重复多画几次以增加色素的含量
D．滤纸条上相邻且距离滤液细线最远的两条色素带呈橙黄色和黄色
C [剪碎的绿叶放入研钵后应该依次加入二氧化硅(有助于充分研磨)、碳酸钙(防止叶绿素分子被破坏)和无水乙醇(溶解色素)，A项正确；滤纸条的一端剪去两角的目的是使色素带扩散均匀且比较直，防止色素带不整齐，B项正确；画滤液细线的要求是细、齐、直，待滤液干后，还要重复画几次，C项错误；实验成功后应该可以清晰地看到滤纸条上有四条色素带，从上到下依次是胡萝卜素(橙黄色)、叶黄素(黄色)、叶绿素a(蓝绿色)、叶绿素b(黄绿色)，色素带的宽窄与色素含量相关，D项正确。]
2．(多选)为研究强光照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，如图为滤纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。下列叙述错误的是( )
A．强光照下的幼苗相比正常光照下的绿色更深
B．强光照可能抑制叶绿素的合成，促进类胡萝卜素的合成
C．四种色素在层析液中溶解度大小是Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ<Ⅳ
D．色素分离过程中如果滤液线触及石油醚，会缩短得到四条色素带的时间
ACD [根据题图来看：强光照导致该植物叶绿素含量降低，绿色变浅，A错误；强光照和正常光照相比，叶绿素含量降低，类胡萝卜素含量增加，可见强光照可能抑制叶绿素的合成，促进类胡萝卜素的合成，B正确；四种色素在层析液中溶解度大小是Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，C错误；色素分离过程中如果滤液线触及石油醚，色素会溶解在层析液中，不会得到色素带，D错误。]
[课堂小结]
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．①②③④B．④③②①
C．③①④②D．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来自于水，因此C选项是正确的。]
2．19世纪80年代，科学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的光谱。他将三棱镜产生的光谱投射到水绵的带状叶绿体上，并在水绵的悬液中放入好氧细菌，观察细菌的聚集情况(如图)，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．好氧细菌对不同的光反应不一，好氧细菌聚集多的地方，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，则在该种光照射下植物光合作用强
C．好氧细菌聚集多的地方，水绵光合作用产生的有机物多，则在该种光照射下植物光合作用强
D．聚集的好氧细菌大量消耗光合作用的产物—O2，使水绵的光合作用速度加快，则该种光有利于光合作用
B [本题通过实验研究光合作用的光谱，考查实验分析能力。好氧细菌的生活是需要O2的，因此在好氧细菌聚集的地方应该是O2多的地方，也就是水绵光合作用强的地方。]
3．下列关于叶绿素提取的叙述中错误的是( )
A．菠菜绿叶可被用作叶绿素提取的材料
B．加入少许碳酸钙能避免叶绿素被破坏
C．用无水乙醇提取的叶绿体色素中无胡萝卜素
D．研磨时加入二氧化硅可使叶片研磨更充分
C [叶绿体中的四种色素包括胡萝卜素，均溶于无水乙醇，C项错误；菠菜绿叶可被用作叶绿素提取的材料，研磨时加入SiO2可使叶片研磨更充分，加入少许碳酸钙，可以中和叶肉细胞中的有机酸，能避免叶绿素分子被破坏。]
4．(多选)下列有关绿叶中色素的提取和分离实验的叙述中，正确的是( )
A．叶绿素的提取需要加入层析液作为提取液
B．过滤时应使用单层尼龙布，并用棉塞塞住试管口
C．分离色素时不能将滤液细线置于层析液中
D．选材不同，四条色素带在滤纸条上的排列顺序不同
BC [提取叶绿素使用的是无水乙醇，层析液用于分离色素；过滤时使用单层尼龙布，并用棉塞塞住试管口，以防止挥发性强的无水乙醇挥发；分离色素时不能将滤液细线置于层析液中，否则色素会溶入层析液中；不同材料中四种色素在层析液中的溶解度相同，来自不同材料叶绿体中的四种色素含量可能不同，经过纸层析后，在滤纸上的排列顺序相同，色素带粗细可能不同。]
5．下图所示为“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验的部分材料和用具。请据图回答下列问题：
(1)图中步骤①加入研钵内的物质：A________5 mL，作用是________；B________少许， 作用是使研磨更充分；C________少许， 作用是______________。
(2)图中步骤②将浆糊状的研磨液倒入漏斗中，漏斗底部放有一层____________。
(3)图中步骤③剪去两角的作用是______________________，画滤液细线的要求是____________。
(4)图中步骤④中关键应注意____________________；加盖的目的是______________；色素带最宽的是________，扩散速度最快的是________。
[解析] (1)研磨时需要加入3种物质：5 mL无水乙醇，作用是溶解色素；加入少许二氧化硅可以使研磨更充分；碳酸钙防止叶绿素分子被破坏。(2)过滤研磨液时，漏斗底部不能用滤纸，因为色素可吸附在滤纸上。一般用一层尼龙布过滤。(3)剪去两角的作用是防止两边色素扩散得过快。画滤液细线的要求是细、齐、直。(4)层析时的关键技术是不能让层析液没及滤液细线，否则，滤液细线会被层析液溶解，不能分离。由于层析液有毒，而且可以挥发，所以要加盖。色素带的宽度是由各种色素含量不同造成的，含量越多，色素带越宽，一般植物叶片中叶绿素a含量最多，所以叶绿素a色素带最宽。扩散速度最快的是胡萝卜素，在色素带的最上层。
[答案] (1)无水乙醇 溶解色素 二氧化硅 碳酸钙 防止叶绿素分子被破坏 (2)尼龙布
(3)防止两边色素扩散过快 细、齐、直
(4)层析液不能没及滤液细线 防止层析液挥发 叶绿素a 胡萝卜素
课标内容要求
核心素养对接
1．说明植物细胞中的叶绿体从阳光中捕获能量。
2．提取和分离叶绿体中的光合色素。
1．生命观念——结构与功能观：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。
2．科学思维——分析与综合：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。
3．科学探究——实验思路及设计：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。
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水，而不是土壤
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O2
1864年
萨克斯
采用碘蒸气处理叶片的方法
叶片在光下能产生淀粉
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
运用同位素标记法
光合作用释放的O2来自于水
1948年
卡尔文
用14C标记CO2，追踪光合作用中碳元素的行踪
CO2被用于合成糖类等有机物
种类
颜色
吸收光谱
叶绿素
叶绿素a
蓝绿色
主要吸收和利用蓝紫光和红光
叶绿素b
黄绿色
类胡萝卜素
胡萝卜素
橙黄色
主要吸收蓝紫光，还有保护叶绿素免遭强光伤害的作用
叶黄素
黄色
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：作用分别是研磨充分、保护色素
③加入5 mL无水乙醇：溶解色素
制备滤纸条
剪去两角：防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快
分离色素
画滤液细线
画得细、直：防止色素带重叠
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
知识网络构建
核心语句背诵
1.提取色素的原理是色素能溶解在无水乙醇等有机溶剂中。
2.不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。
3.层析后滤纸条上自上而下的四条色素带依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b。
4.叶绿素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。类胡萝卜素还有保护叶绿素免遭强光伤害的作用。
5.光合色素分布于叶绿体类囊体膜上，叶绿素是光合作用过程中的主要色素。