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    2024年高中生物新教材同步学案 必修第一册 第5章 第4节 第1课时 捕获光能的色素和结构(含解析)
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    高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》一 捕获光能的色素和结构精品第1课时学案设计

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    这是一份高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》一 捕获光能的色素和结构精品第1课时学案设计,共13页。

    [学习目标] 1.尝试提取绿叶中的色素,简述绿叶中色素的种类及功能。2.说明叶绿体适于进行光合作用的结构特点。
    一、捕获光能的色素
    1.提取绿叶中的色素
    (1)原理:绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中。
    (2)实验用品及作用
    (3)实验步骤
    2.分离绿叶中的色素
    (1)原理: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。
    (2)实验步骤
    (3)实验结果及分析
    3.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)色素的吸收光谱
    判断正误
    (1)提取色素时加碳酸钙的目的是使研磨更充分( )
    (2)绿叶中含量越多的色素,其在滤纸条上扩散得越快( )
    (3)叶绿素a和叶绿素b只吸收红光和蓝紫光( )
    (4)植物叶片之所以呈现绿色,是因为叶片中的叶绿体吸收了绿光( )
    (5)在干燥滤纸条一端1厘米处用钢笔画一条细的横线( )
    答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
    解析 (1)提取色素时加二氧化硅的目的是使研磨更充分,加碳酸钙的目的是防止研磨中色素被破坏。
    (2)绿叶中含量越多的色素,其在滤纸条上越宽,溶解度越大的色素在滤纸条上扩散越快。
    (3)叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光,对其他波段的光也吸收,只是吸收得少。
    (4)植物叶片之所以呈现绿色,是因为叶片反射了绿光。
    (5)在干燥滤纸条一端1厘米处用铅笔画一条细的横线。
    任务一:分析实验过程及结果
    (一)色素的提取
    阅读教材P98的“探究·实践”,回答相关问题:
    1.已知色素存在于叶片的叶绿体中,提取色素时要破碎细胞及叶绿体,使色素充分释放。在酸性条件下,叶绿素分子卟啉环中的镁离子可以被氢离子取代,导致叶绿素被破坏。试分析色素提取时加入碳酸钙的作用是什么?
    提示 色素提取时,研磨叶片会导致液泡中的有机酸释放出来,破坏叶绿素,碳酸钙可以中和酸性物质,保护叶绿素。
    2.研磨时应注意什么?原因是什么?
    提示 研磨时要迅速、充分。这样可以保证色素释放得更加充分且挥发量少。
    3.过滤时漏斗基部的尼龙布能否用滤纸替代?原因是什么?
    提示 不能。因为滤纸的吸附性强,会导致滤液中色素的浓度过低。
    4.某实验小组得到的色素提取液颜色过浅,请结合实验步骤分析可能的原因有哪些?
    提示 (1)未加入二氧化硅或研磨不充分,色素未能充分提取出来。(2)称取绿叶过少或加入的无水乙醇过多,色素溶液浓度小。(3)未加入碳酸钙或加入过少,部分色素分子被破坏。
    (二)色素的分离
    1.制备滤纸条时为什么要减去两角?
    提示 减少边缘效应,使滤液同时到达滤液细线,防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快。
    2.滤液细线的画线原则是什么?待滤液干后,再重画一到两次的目的是什么?
    提示 画滤液细线的原则是细、直、齐。待滤液干后,再重画一到两次可以增加滤液细线中色素的含量。
    3.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。
    4.滤纸条上色素带的分布情况说明了什么?
    提示 滤纸条上的色素带分布说明了绿叶中的色素有4种,它们在层析液中的溶解度不同,随层析液在滤纸上扩散得快慢也不同。同时由于 4 种色素的颜色不同,也说明不同色素吸收了不同波长的光。
    (三)结合色素的吸收光谱分析实际问题
    1.冬季时,为了增加蔬菜的产量,应该选红色、蓝色还是无色的大棚塑料薄膜?为什么?
    提示 无色。因为太阳光由七色光组成,所以用无色薄膜,植物可以获得更多的光能。
    2.阴天时,为了增加蔬菜的产量,在功率相同的情况下,应选择什么颜色(“蓝紫光和红光”或“白光”)的照明灯为蔬菜补充光源?为什么?
    提示 选择蓝紫光和红光。因为在照明灯功率相同的情况下,选用蓝紫光和红光的照明灯补充光源,植物利用光能的效率更高。
    知识链接 叶子为什么会变色
    新生的树叶通常为绿色,这是由于新生叶子中主要含叶绿素与类胡萝卜素,其中叶绿素含量多(约占3/4),叶绿素对绿光吸收最少,绿光被反射出来的缘故。在春季与夏季,植物为了生长会产生大量的叶绿素进行光合作用,所以此时叶子多呈绿色。
    树叶变黄是由于树叶中的各种色素在秋季来临之时会发生分解。树叶中的营养会被重新分配给树干与树根,以备过冬。而叶绿素的分解速度比叶黄素等快很多,叶绿素迅速分解完,叶黄素的颜色显露出来。因此秋季树叶多呈黄色。
    而树叶变红则是因为当温度低于7 ℃时,树叶中会生成花青素。花青素是植物花瓣中主要的显色物质,如玫瑰、牡丹等。
    在树叶落地后,树叶中的各种色素会逐渐降解,这时残留于叶中“单宁”的颜色——褐色便呈现出来,因此落叶最后呈褐色。
    1.某同学在进行“绿叶中色素的提取和分离”实验时,进行了以下操作:①将5 g新鲜菠菜叶片剪碎放入研钵中,加入无水乙醇后直接进行研磨;②将预备好的滤纸条一端剪去两角,在距这一端1 cm处用钢笔画一条横线;③为增强实验效果,将滤液细线画粗些;④将滤纸条画有滤液细线的一端朝下,轻轻插入层析液中,让滤液细线浸入层析液中。该同学的操作有误的是( )
    A.① B.①②
    C.①②③ D.①②③④
    答案 D
    解析 将5 g新鲜完整的菠菜叶,剪去主叶脉,剪碎,放入研钵中,加入无水乙醇、二氧化硅和碳酸钙以后,迅速研磨,①错误;将预备好的滤纸条一端剪去两角,在距这一端1 cm处用铅笔画一条横线,不能用钢笔画线,②错误;用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔线均匀地画出一条细线,为增强实验效果,待滤液干后,可将滤液细线重复画一到两次,但是不能画得太粗,③错误;将滤纸条画有滤液细线的一端朝下,轻轻插入层析液中,但是滤液细线不能浸入层析液中,④错误。因此,以上操作都是错误的,故选D。
    2.某实验小组利用新鲜的绿叶为材料,进行绿叶中色素的提取与分离实验,实验结果如图所示。请回答下列问题:
    (1)分离绿叶中的色素常用纸层析法,该方法的原理是__________________________________
    _______________________________________________________________________________。
    A、B是滤纸条上的标记,根据实验现象可知层析液最先所处的位置是________(填“A”或“B”)处。
    (2)在色素的提取与分离过程中,偶然发现某植株缺失第Ⅲ条色素带。缺失第Ⅲ条色素带的植株不能合成________,导致对________光的吸收能力明显减弱。
    答案 (1)光合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 A (2)叶黄素 蓝紫
    解析 (2)图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别是叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素。叶黄素主要吸收蓝紫光,缺失第Ⅲ条色素带的植株不能合成叶黄素,导致对蓝紫光的吸收能力明显减弱。
    二、叶绿体的结构适于进行光合作用
    1.叶绿体的形态:一般呈扁平的椭球形或球形。
    2.叶绿体的结构模式图
    (1)结构eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(外表:①双层膜,内部\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(②基质,③基粒:由类囊体堆叠而成))))
    ↓决定
    (2)功能:进行光合作用的场所。
    ↑证明
    (3)恩格尔曼的实验:需氧细菌只分布在叶绿体被光束照射的部位。
    3.叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础
    (1)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。
    (2)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。
    任务二:分析叶绿体的功能
    1.实验选择水绵和需氧细菌作为实验材料的优点是: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多的部位。
    2.为何要除去小室中原有的空气?
    提示 选用没有空气的环境,可排除空气中氧气的干扰。
    3.在黑暗中用极细光束照射水绵有何巧妙之处?
    提示 用极细光束照射,使叶绿体形成有光和无光部位,相当于一组对比实验。
    4.为何把载有水绵的临时装片又暴露于光下?
    提示 和黑暗条件下用极细光束照射进行对照,进一步明确实验结果完全是由光照射到叶绿体引起的。
    5.由此实验能得出什么结论?
    提示 叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
    6.在恩格尔曼的第二个实验中,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,叶绿体会释放较多氧气,适于需氧细菌在此区域分布。
    7.综合上述分析,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。
    3.如图为叶绿体的结构示意图,下列叙述不正确的是( )
    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只分布在③中
    D.叶绿体具有双层膜
    答案 C
    4.德国科学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的吸收光谱。他将三棱镜产生的散射光投射到丝状水绵体上,并在水绵悬液中放入需氧细菌,观察细菌的聚集情况(如图所示)。他由实验结果得出光合作用在红光区和蓝紫光区最强。这个实验的思路是( )
    A.细菌对不同的光反应不一,细菌聚集多的地方,细菌光合作用强
    B.需氧细菌聚集多的地方,O2浓度高,水绵光合作用强
    C.需氧细菌聚集多的地方,产生的有机物多,水绵光合作用强
    D.需氧细菌大量消耗O2,使水绵的光合速率大幅度加快
    答案 B
    解析 细菌不能进行光合作用,该实验中能进行光合作用的是水绵,A错误;该实验的设计思路是需氧细菌需要O2,水绵光合作用强的部位,产生的O2多,在O2含量多的地方需氧细菌的数量多,B正确、C错误;水绵光合速率的快慢与需氧细菌大量消耗O2无明显关系,D错误。
    题组一 捕获光能的色素
    1.(2023·河北沧州高一期末)用新鲜菠菜叶片进行绿叶中色素的提取和分离实验。下列叙述正确的是( )
    A.提取绿叶中色素的原理是四种色素的溶解度不同
    B.可以用无水乙醇作为层析液进行四种色素的分离
    C. SiO2有利于破坏叶肉细胞
    D.层析完毕后应迅速记录结果,否则色素带会挥发消失
    答案 C
    解析 提取绿叶中色素的原理是色素易溶于有机溶剂,分离色素的原理是色素在层析液中的溶解度不同,A错误;可以用无水乙醇作为提取液提取色素,无水乙醇不能作为层析液使用,B错误;层析完毕后应迅速记录结果,否则叶绿素条带会因色素分解而消失,但不会因挥发而消失,D错误。
    2.下列分离绿叶中色素的装置,正确的是( )
    答案 A
    解析 在放置滤纸条时,一定注意的是滤液细线不能没入层析液中;层析液易挥发一定要加盖。
    3.在“绿叶中色素的提取和分离”实验中,以下主要步骤操作正确的是( )
    A.步骤①为获得10 mL提取液,一次性加入10 mL a液研磨效果最好
    B.步骤②采用定性滤纸过滤,可提高滤液中光合色素的含量
    C.步骤③在滤纸条上连续画2~3次滤液细线,分离色素效果更好
    D.步骤④将试管固定于铁架台上,可防止b液晃动而触及滤液细线
    答案 D
    解析 由于研磨时乙醇会挥发,故为获得10 mL提取液,研磨时应加入多于10 mL的乙醇,A错误;步骤②采用单层尼龙布过滤,可提高滤液中光合色素的含量,B错误;画滤液细线用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔线均匀地画出一条细线,待滤液干后,再重画一到两次,不是连续画线,C错误。
    4.(2023·江苏盐城高一期末)如图是纸层析法分离绿叶中的色素得到的色素带,下列说法正确的是( )
    A.a带呈橙黄色,其在层析液中的溶解度最高
    B.c带最宽,其中色素主要吸收红光和蓝绿光
    C.越幼嫩的叶子,c和d带的宽度越大
    D.在提取色素时加碳酸钙的目的是保护a、b带中的色素
    答案 A
    解析 c带为叶绿素a,含量最多,所以宽度最宽,其中色素主要吸收红光和蓝紫光,B错误;色素带的宽度越大,色素越多,太幼嫩的叶子,叶绿素的含量较低,c和d带的宽度不大,C错误;在提取色素时加碳酸钙的目的是防止研磨中色素被破坏,其中主要是为了保护叶绿素a和叶绿素b,即图中的c和d,D错误。
    5.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 由题图可知,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。
    6.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,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。
    题组二 叶绿体的结构适于进行光合作用
    7.如图为叶绿体亚显微结构模式图,下列关于其结构与功能的叙述,正确的是( )
    A.叶绿体分布在植物体的所有细胞中
    B.叶绿素在高等植物体内主要有两种,叶绿素a呈蓝绿色,叶绿素b呈黄绿色
    C.同线粒体一样,叶绿体的内膜极大地扩展了受光面积
    D.吸收光能的色素都分布在①外膜上
    答案 B
    解析 植物细胞不都含有叶绿体,如根尖细胞不含叶绿体,A错误;同线粒体不一样,叶绿体的内膜没有扩大受光面积,而是叶绿体通过类囊体堆叠形成基粒,极大地扩展了受光面积,C错误;吸收光能的色素都分布在③(类囊体薄膜)上,D错误。
    8.恩格尔曼用极细的光束照射载有水绵和需氧细菌的临时装片①,将临时装片②暴露在光下,结果如图所示。下列关于该实验的叙述错误的是( )
    A.实验开始前,临时装片都要先进行通气处理
    B.该对照实验可以证明叶绿体是进行光合作用的场所
    C.临时装片中的需氧细菌的聚集位置说明光合产物中有氧气
    D.用透过三棱镜的光束照射临时装片①,会得到与该图示不同的结果
    答案 A
    解析 实验开始前,临时装片都要先进行隔绝空气处理,A错误。
    9.在“绿叶中色素的提取和分离”实验中得到的色素带颜色较浅,分析其原因可能是( )
    ①加入的提取液太多 ②用体积分数为95%的乙醇加入无水碳酸钠代替无水乙醇 ③研磨时没有加入碳酸钙 ④研磨时没有加入二氧化硅 ⑤取的叶片叶脉过多,叶肉细胞过少 ⑥画滤液细线的次数少 ⑦使用放置数天的菠菜叶
    A.①③⑦ B.②④⑤
    C.①③④⑤⑥⑦ D.②③④⑤⑥
    答案 C
    解析 加入的提取液太多,色素的比例小,则色素带颜色较浅,①正确;体积分数为95%的乙醇加入无水碳酸钠可以代替无水乙醇,不会导致色素带颜色较浅,②错误;研磨时没有加入碳酸钙,使部分色素被破坏,③正确;研磨时没有加入二氧化硅,导致研磨不充分,色素没有充分提取,④正确;取的叶片叶脉过多,叶肉细胞过少,绿叶中所含色素少,⑤正确;在画滤液细线时,应等滤液干燥后再重画一到两次,画滤液细线次数太少,会使滤纸上的色素量少,也会导致滤纸条上色素带颜色较浅,⑥正确;使用放置数天的菠菜叶,使部分色素被破坏,叶片中所含色素少,⑦正确。
    10.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表所示(“+”表示使用,“-”表示未使用),其余操作均正常,他们所得到的实验结果依次应为( )
    A.①②③④ B.②④①③
    C.④②③① D.③②①④
    答案 B
    解析 甲同学由于没有加入无水乙醇,所以提取液中不会出现色素,色素分离的结果是②;乙同学操作正确,色素分离后得到四条正常的色素带,色素分离的结果是④;丙同学由于未加CaCO3,所以叶绿素含量减少,所得到的色素带中两条叶绿素带比正常的色素带要窄,色素的分离结果是①;丁同学由于未加SiO2,导致叶片研磨不充分,最终导致各种色素的含量均减少,色素的分离结果是③。
    11.(2023·安徽淮南高一期末)某同学对菠菜叶中提取的色素进行分离,相关结果如图所示。下列相关叙述不正确的是( )
    A.色素带甲在层析液中的溶解度最低
    B.色素带丁的颜色为橙黄色
    C.不同色素带的宽度是相同的
    D.发黄的叶片中色素带甲和乙会变窄
    答案 C
    解析 溶解度高,扩散速度快;溶解度低,扩散速度慢,故色素带甲在层析液中的溶解度最低,A正确;色素带的宽窄与色素含量有关,不同色素带的宽度是不同的,C错误。
    12.(2023·江苏南京高一期末)下列关于高等植物叶绿体中色素的叙述,错误的是( )
    A.植物工厂中的适宜光源组合为红光和蓝紫光
    B.构成叶绿素的镁可以由植物的根从土壤中吸收
    C.红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用
    D.黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由于叶绿素合成受阻引起的
    答案 C
    解析 一般情况下,光合作用所利用的光都是可见光,红外光和紫外光不可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用,C错误。
    13.(2023·河北石家庄高一期末)“看万山红遍,层林尽染”描写出了秋天缤纷的色彩。下列叙述正确的是( )
    A.植物的色素只存在于液泡中
    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 C
    解析 植物细胞中,叶绿素存在于叶绿体中,不存在于液泡中,A错误;叶绿体中的色素溶于有机溶剂而不溶于水,因此不能用清水提取紫鸭跖草叶片叶绿体中的色素,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是由于叶绿素和类胡萝卜素减少,液泡中的花青素的颜色显现出来,捕获光能的能力减弱,D错误。
    14.如图是甲、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“绿叶中色素的提取和分离”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
    15.(2023·青海西宁高一期末)某同学用菠菜叶做色素的提取和分离实验的过程中,用纸层析法分离色素,在滤纸条分离出5条色素带,计算出每条色素带的迁移率如图1所示。可以确定最下面的两条色素带分别为叶绿素a和叶绿素b,但上方还有三条色素带。为了弄清这些色素带的成分,该同学做了β-胡萝卜素和叶黄素的标准品迁移率的对比,结果如图2所示。请回答下列问题:
    (1)实验中可以用__________提取菠菜叶中的色素,纸层析法分离色素的原理是________________________________________________________________________________
    _______________________________________________________________________________。
    (2)菠菜叶中的光合色素主要分布在叶绿体的__________上,色素带的迁移率与____________________________有关。
    (3)叶绿素a的颜色是__________,叶绿素主要吸收__________光。
    (4)根据图2实验结果可以推测β-胡萝卜素和叶黄素分别对应图1中色素带________和_______________________________________________________________________________。
    答案 (1)无水乙醇 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 (2)类囊体薄膜 色素在层析液中的溶解度 (3)蓝绿色 蓝紫光和红 (4)1 2试剂




    无水乙醇









    CaCO3




    SiO2




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