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——光能的捕获和转换优质第1课时导学案及答案

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第二节　光合作用——光能的捕获和转换
第1课时　光合作用的认识过程与光合色素
[学习目标]　1.说出光合作用的发现及研究历史。2.阐述叶绿体中光合色素的种类和作用。3.学会提取和分离叶绿体中的光合色素的方法。
一、解开光合作用之谜

1．海尔蒙特的“柳树实验”
(1)实验方法：定量研究。只用收集到的雨水给柳树浇水。
(2)实验结果：柳树苗长成大树，土壤质量减少很少。
(3)实验结论：树木只要有水，就能生长发育。
2．英格豪斯实验
(1)实验方法：把带叶的枝条放入水里。
(2)实验结果：绿叶只在阳光下产生气体，在黑暗处不产生气体。
3．萨克斯实验
(1)实验过程：将暗处理过的叶片做部分遮光后放在光下，采用碘蒸气处理叶片。
(2)实验结论：叶片在光下能产生淀粉。
4．鲁宾和卡门实验
(1)探究方法：同位素标记法。
(2)实验过程及结论

5．卡尔文实验
(1)研究方法：同位素标记法，用14C标记CO2。
(2)研究结果：发现CO2被用于合成糖类等有机物的途径——卡尔文循环。
6．恩格尔曼实验
(1)实验过程

(2)实验结论：叶绿体中含有能有效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。
7．希尔实验
(1)实验方法：叶绿体悬液中加入草酸铁，并给予光照。
(2)实验结果：离体叶绿体释放出了氧气。
(3)实验结论：一定程度上证明光合作用在叶绿体中进行。
判断正误
(1)英格豪斯证明了植物在阳光下产生O2(　　)
(2)光合作用释放的O2都来自水(　　)
(3)卡尔文用同位素标记法发现了卡尔文循环(　　)
(4)恩格尔曼利用水绵和好氧细菌进行实验，证明光合作用的放氧部位是叶绿体(　　)
(5)萨克斯通过实验证明光照是光合作用的必要条件(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√

光合作用相关实验分析
1．下图是萨克斯的实验，请分析回答下列问题：

(1)把绿叶先在暗处放置24小时的目的是什么？
提示　消耗掉叶片中原有的淀粉，防止干扰实验结果。
(2)该实验是如何形成对照的？
提示　树叶部分遮光，另一部分曝光，形成了对照。
(3)为什么要用酒精脱色后再用碘蒸气处理？
提示　避免叶片颜色对实验结果的干扰。
(4)本实验的结论是什么？
提示　叶片在光下能产生淀粉。
2．分析恩格尔曼的实验，回答下列问题：
资料　1881年，德国科学家恩格尔曼(T.W.Engelmann,1843～1909)做了这样的实验：把载有水绵(叶绿体呈螺旋带状分布)和好氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。

(1)恩格尔曼实验的结论是什么？
提示　恩格尔曼实验的结论是：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，叶绿体上有光照和无光照的部位，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．分析鲁宾和卡门的实验，回答下列问题：
资料　1940年，美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用同位素标记的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成HO和C18O2。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H2O和C18O2；第二组给同种植物提供HO和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。
(1)鲁宾和卡门的研究运用了什么技术方法？
提示　放射性同位素标记法。
(2)分析实验结果，你能得出什么结论？
提示　光合作用释放的O2全部来源于H2O，而不来源于CO2。


光合作用的探究历程
实验者
内容
结论
海尔蒙特
研究植物的营养来源
植物生长所需的养料主要来自水，而不是土壤
英格豪斯
探究植物产生O2的条件
植物只有在光下才能产生O2
萨克斯
检验叶片中有机物的成分
叶片在光下能产生淀粉
鲁宾、卡门
光合作用中水的去处
光合作用释放的O2都来自水
卡尔文
光合作用中碳元素的行踪
CO2被用于合成糖类等有机物


1．如图所示，某植物绿叶经阳光照射24小时后，经脱色并用碘蒸气处理，结果有锡箔覆盖部位不呈蓝色，而不被锡箔覆盖的部位呈蓝色。本实验证明(　　)

A．光合作用需要二氧化碳
B．光合作用需要叶绿素
C．光合作用需要光
D．光合作用需要水
答案　C
解析　此实验中，遮光的部分叶片由于没有见光，没有进行光合作用故不能制造淀粉，所以不变蓝；不遮光的部分由于见光能进行光合作用，制造了淀粉所以叶片变蓝色。因此该实验说明了光合作用需要光、且光合作用制造了淀粉，C正确。
2．(2022·江苏盐城高一期末)下列有关光合作用发现史的叙述，错误的是(　　)
A．萨克斯证明了绿色叶片在光合作用中产生了淀粉
B．海尔蒙特的柳树实验证明植物生长的养料主要来自土壤
C．鲁宾和卡门用同位素标记法证明光合作用释放的氧气来自水
D．恩格尔曼选用水绵做实验证明叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所
答案　B
解析　海尔蒙特的柳树实验中，土壤质量减少量远小于柳树干物质增加量，证明植物生长的养料不是主要来自土壤，B错误。
二、提取和分离叶绿体中的光合色素

1．实验原理
无水乙醇等有机溶剂能溶解绿叶中的各种光合色素；色素在层析液中的溶解度不同，因而在滤纸上的扩散速度有差异。
2．实验步骤
(1)提取色素：称取5 g新鲜的菠菜叶(或其他植物绿叶)，剪碎后放入研钵中，加入少许二氧化硅、碳酸钙和5 mL无水乙醇，迅速而充分地研磨。将研磨液过滤到试管中，及时用棉塞塞紧试管口。
(2)制备滤纸条：将与烧杯高度相等、宽1 cm的干燥滤纸条，剪去一端的两个角，在距离该端大约1_cm处用铅笔画一条细线。
(3)画滤液细线：用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔画的细线画一条细而直的滤液细线，吹干后在同一位置重复画滤液细线。
(4)分离色素：将画好滤液细线的滤纸条轻轻地插入盛有3 mL层析液的烧杯中，斜靠在烧杯壁上，用培养皿覆盖烧杯。滤液细线不能触及层析液。
(5)观察结果：几分钟后取出滤纸条，观察滤纸条上色素的分布情况。

色素种类
色素颜色
①
胡萝卜素
类胡萝卜素
橙黄色
②
叶黄素
黄色
③
叶绿素a
叶绿素
蓝绿色
④
叶绿素b
黄绿色

3.叶绿体中光合色素分布及功能
(1)分布：类囊体膜上。
(2)功能：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。叶绿素是光合作用过程中的主要色素，类胡萝卜素还有保护叶绿素免遭强光伤害的作用。
判断正误
(1)提取色素时，要缓慢充分的研磨叶片，以保证色素充分地释放出来(　　)
(2)研磨绿叶时，要加入二氧化硅、碳酸钙和无水乙醇(　　)
(3)分离色素时，在无水乙醇中溶解度越高的在滤纸条上的扩散速度越快(　　)
(4)色素分离后，滤纸条上从上而下的四条色素带分别是叶黄素、胡萝卜素、叶绿素a和叶绿素b(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×

实验操作注意事项及结果分析
1．如图是提取和分离叶绿体中的光合色素的实验步骤，请分析回答下列问题：

(1)提取色素时，加入剪碎的叶片后还需要加入三种物质，若A是二氧化硅，B、C分别是什么？A、B、C各起什么作用？
提示　A是二氧化硅，作用是有助于充分研磨；B是碳酸钙，作用是防止研磨中叶绿素分子被破坏；C是无水乙醇，作用是溶解色素。
(2)某实验小组得到的色素提取液颜色过浅，可能的原因有哪些？
提示　可能的原因有：①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无水乙醇过多，色素溶液浓度低；③未加碳酸钙或加入过少，叶绿素分子部分被破坏。
(3)制备滤纸条时，剪去两角的作用是什么？画滤液细线有什么要求？
提示　防止色素带不整齐。画滤液细线的要求是细、齐、直，还要重复画几次。
(4)色素分离时，关键应注意层析液不要触及滤液细线，为什么？
提示　滤液细线中的色素会被层析液溶解，滤纸条上分离不到色素带。
2．如图是分离到的色素在滤纸条上的分布情况，请分析回答下列问题：

(1)含量最多和最少的色素分别是哪两种？
提示　叶绿素a和胡萝卜素。
(2)在层析液中溶解度最高和最低的色素分别是哪两种？
提示　胡萝卜素和叶绿素b。
3．分析叶绿体中色素的吸收光谱，回答下列问题：

(1)叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱有什么不同？
提示　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。
(2)从叶绿体中色素的吸收光谱分析大多数叶片看起来呈绿色的原因。
提示　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。

1．实验结果分析
色素种类
色素颜色
色素含量
溶解度
扩散速度
胡萝卜素
橙黄色
最少
最高
最快
叶黄素
黄色
较少
较高
较快
叶绿素a
蓝绿色
最多
较低
较慢
叶绿素b
黄绿色
较多
最低
最慢

2.实验效果不理想的原因分析
(1)收集到的滤液颜色过浅
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，提取液浓度太低。
④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。
⑤过滤时未使用尼龙布，而是使用滤纸，导致色素吸附在滤纸上。
(2)滤纸条上色素带重叠：滤液细线画得过粗。
(3)滤纸条上色素带不直
①滤纸条未剪去两角，滤液沿两侧扩散过快。
②滤液细线画得不直。
(4)滤纸条上看不见色素带：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。

3．下列有关“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验的叙述，正确的是(　　)
A．称取菠菜叶片放入研钵中立即加入无水乙醇并迅速研磨，可增加色素的溶解量
B．吸取少量滤液，沿铅笔细线连续快速画2～3次，可增加铅笔细线处的色素含量
C．把画好细线的滤纸插入层析液中，并不断振荡，以加快层析液在滤纸条上的扩散
D．距离滤液细线由近到远的色素带颜色依次是：黄绿色、蓝绿色、黄色、橙黄色
答案　D
解析　将5 g新鲜菠菜叶剪碎放入研钵中，加入无水乙醇、二氧化硅、CaCO3以后，迅速研磨，可增加色素的溶解量，A错误；吸取少量滤液，沿铅笔细线画一条细而直的滤液细线，待滤液干燥后，在同一位置重复画滤液细线，B错误；层析液不能没及滤液细线，否则滤纸条上分离不到色素带，C错误。
4．(2022·江苏沛县树恩中学高二期中)如图所示是用新鲜菠菜叶片进行的“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验流程。请据图回答下列问题：

(1)图中步骤①中C是少许碳酸钙，其作用是_____________________________________。
(2)图中步骤②是过滤，漏斗基部应放________________(填“滤纸”或“单层尼龙布”)。
(3)图中步骤④是色素分离，其原理是______________________________________。
实验过程中扩散速度最快的色素颜色是________。
(4)实验材料和色素提取都正确、规范，若实验结果滤纸条上不出现色素带，请分析最可能的原因是________________________________________________________。
答案　(1)防止研磨过程中，色素(叶绿素)被破坏　(2)单层尼龙布　(3)不同种类色素在层析液中溶解度不同，溶解度大的色素随层析液在滤纸条上扩散速度快，反之则慢　橙黄色　(4)色素分离时，滤液细线触及层析液






题组一　光合作用的发现历程
1．1864年，德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处几小时，然后把此叶片一半遮光，一半曝光，经过一段时间后，用碘蒸气处理叶片，成功地证明了(　　)
A．光合作用的产物有淀粉
B．光合作用的产物是水
C．光合作用的场所在叶绿体
D．光合作用产物中的氧气来自反应物中的水
答案　A
2．(2022·江苏徐州高一期末)在光合作用的探究历程中，德国科学家梅耶根据能量守恒和转化定律，曾提出了植物在进行光合作用时能量转化的假说。能证明这一假说的实验是(　　)
A．英格豪斯证明绿叶在光照条件下可以产生气体
B．卡尔文追踪了CO2中碳元素的行踪
C．萨克斯证明绿叶在光下进行光合作用能产生淀粉
D．鲁宾和卡门证明光合作用产生的O2来自水
答案　C
3．下表为鲁宾和卡门利用同位素标记法研究光合作用的实验记录，据表判断甲、乙分别是(　　)
组号
提供的物质
结果产生的气体
备注
Ⅰ
H2O和C18O2
甲
其他条件相同
Ⅱ
HO和CO2
乙
其他条件相同

A.18O2、18O2 B．O2、O2
C．18O2、O2 D．O2、18O2
答案　D
解析　光合作用中产生的氧全来自水，组号Ⅰ中的水未被18O标记，产物为O2，组号 Ⅱ 中的水被18O标记，则产物为18O2，D正确。
4．(2022·江苏南京师大附中高一期末)科学家恩格尔曼在证明光合作用放氧部位是叶绿体后，紧接着又做了一个实验：他用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，惊奇地发现大量的好氧细菌聚集在红光和蓝光区域。从这一实验你能得出的结论是(　　)
A．红光和蓝光对好氧细菌有吸引作用
B．好氧细菌喜欢聚集在氧气含量少的光区
C．叶绿体主要吸收绿光用于光合作用，放出氧气
D．叶绿体主要吸收红光和蓝光用于光合作用，放出氧气
答案　D
解析　该实验中恩格尔曼用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现好氧细菌聚集在红光和蓝光区域，说明红光和蓝光部位有氧气产生，所以该实验说明叶绿体主要吸收红光和蓝光用于光合作用，并释放出氧气，故C错误、D正确。
题组二　提取和分离叶绿体中的光合色素
5．利用纸层析法可分离光合色素。下列分离装置示意图中正确的是(　　)

答案　C
解析　层析液具有一定的毒性，容易挥发，要用橡皮塞塞住试管口，且不能让滤液细线触到层析液，C正确。
6．在“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验中，加入石英砂(二氧化硅)的作用是(　　)
A．有利于色素分离 B．有利于研磨充分
C．防止色素被破坏 D．防止色素挥发
答案　B
解析　色素提取和分离过程中几种化学物质的作用：无水乙醇作为提取液，可溶解绿叶中的色素；层析液用于分离色素；二氧化硅破坏细胞结构，使研磨充分；碳酸钙可防止研磨过程中叶绿素分子被破坏。
7．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a、叶绿素b、叶黄素、胡萝卜素和混合液依次点样在滤纸的a、b、c、d、e位置(如图所示)。当滤纸下方浸入层析液后，最终滤纸条上各色素正确位置应为(　　)


答案　D
解析　根据色素随层析液在滤纸上的扩散速度不同，从而分离色素。溶解度大，扩散速度快；溶解度小，扩散速度慢。滤纸条从上到下依次是：胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b，D正确。
8．如图是叶片中两类色素的吸收光谱，试判定甲和乙分别为何种色素(　　)

A．叶绿素a、叶绿素b
B．类胡萝卜素、叶绿素
C．叶黄素、叶绿素a
D．叶绿素、类胡萝卜素
答案　D
解析　根据曲线分析可知，甲主要吸收红光和蓝紫光，乙主要吸收蓝紫光，因此甲为叶绿素，乙为类胡萝卜素，D正确。

选择题9～10题为单选题，11～13题为多选题。
9．下列关于光合作用的发现史的叙述，错误的是(　　)
A．英格豪斯的实验证明了植物需要阳光制造气体
B．萨克斯的实验证明光是光合作用的必要条件
C．恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量
D．鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2，证明了光合作用产生的氧气来自H2O
答案　C
解析　恩格尔曼的实验证明光合作用场所在叶绿体，但没有做定量分析，C错误。
10．(2022·江苏淮安高一期末)对菠菜叶中提取的色素进行纸层析，以色素扩散距离为横坐标，光合色素的含量为纵坐标，绘制图示如下。下列叙述正确的是(　　)

A．色素带最宽的是乙，丁色素的溶解度最大
B．四种色素中，丙和丁主要吸收红光和蓝紫光
C．实验结果表明，不同色素带的宽度是相同的
D．提取色素时，加入少许二氧化硅可防止研磨中色素被破坏
答案　A
解析　分析图示可知，色素含量最多的是乙，所以色素带最宽的是乙，丁扩散距离最远，所以丁色素的溶解度最大，A正确；丙表示叶黄素，丁表示胡萝卜素，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光，B错误；不同色素含量是不同的，所以不同色素带的宽度是不相同的，C错误；提取色素时，加入二氧化硅有助于研磨充分，碳酸钙可防止研磨中叶绿素分子被破坏，D错误。
11．如图所示，图1和图2分别表示光合作用探索历程中恩格尔曼和萨克斯的实验示意图。下列有关叙述错误的是(　　)


A．两实验均需进行“黑暗”处理，以消耗细胞中原有的淀粉
B．两实验均需要光的照射
C．两实验中只有恩格尔曼的实验设置了对照
D．两实验均可证明光合作用的产物有氧气
答案　ACD
解析　两实验均需进行“黑暗”处理，萨克斯的实验是为了消耗细胞中原有的淀粉，但恩格尔曼的实验并非为了消耗原有淀粉，而是为了用极细的光束照射，A错误；恩格尔曼实验的目的是探究光合作用进行的场所，萨克斯实验的目的是探究光合作用的产物，所以两实验均需要光的照射，B正确；恩格尔曼的实验中，照光与不照光、黑暗与完全曝光形成对照。萨克斯的实验中，暗处理的叶片一半曝光、一半遮光形成对照。两实验中均设置了对照实验，C错误；恩格尔曼的实验可证明光合作用的产物有氧气，萨克斯的实验证明光合作用的产物有淀粉，D错误。
12．如图所示为某同学做“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验的改进装置。下列有关叙述中，正确的是(　　)

A．应向培养皿中倒入层析液
B．应将滤液滴在b处，而不能滴在a处
C．实验结果应是得到四个不同颜色的同心圆
D．实验得到的若干个同心圆中，最大的一个圆呈黄色
答案　AC
解析　利用色素在层析液中的溶解度不同，进行色素的分离，故分离色素时应向培养皿中加入层析液，A正确；利用图示装置分离色素时，应将色素提取液滴在a处，b处连接层析液，这样层析液由棉线上升至a处将色素分离，色素在滤纸上随层析液由圆心向四周扩散，实验结果将得到4个同心圆，从外向内分别是胡萝卜素(橙黄色)、叶黄素(黄色)、叶绿素a(蓝绿色)、叶绿素b(黄绿色)，B错误、C正确；胡萝卜素在层析液中溶解度最大，扩散速度最快，则形成的圆最大，颜色是橙黄色，D错误。
13．为了测定叶片叶绿体色素含量，某中学兴趣小组利用两种方法分别提取菠菜叶片的叶绿体色素，并测定含量，实验过程如图所示。下列相关叙述正确的是(　　)

A．方法①中的“？”代表的是SiO2，加入该成分以便研磨更充分
B．方法①、②中加入CaCO3的作用是保护叶绿素，提高色素的提取量
C．方法②中沸水浴可破坏膜结构，使色素充分释放
D．方法②延长沸水浴时间，色素提取更充分
答案　ABC
解析　方法①中的“？”代表的是SiO2，它能破坏细胞结构，加入该成分以便研磨更充分，A正确；方法①、②中加入CaCO3的作用是保护叶绿素分子在研磨时不被破坏，提高色素的提取量，B正确；方法②中沸水浴可破坏膜上蛋白质结构，从而破坏膜结构，使色素充分释放，C正确；方法②延长沸水浴时间，叶绿体中的色素可能被分解，色素提取量变少，D错误。
14．“阳光”生物学兴趣小组设计了如图所示的实验，请将下列探究活动的有关内容填写完整。

(1)暗处理：将一盆天竺葵放到黑暗处24小时，目的是__________________________。
(2)部分遮光：选择天竺葵的某个叶片，将其半部从上、下两面用黑纸片遮盖起来，用曲别针夹紧，该步骤的目的是设置________实验。
(3)照光：将该盆天竺葵移至阳光下照射30分钟，目的是使天竺葵能够进行________作用。
(4)脱色：对该叶片进行脱色、漂洗等处理，其中脱色用到的试剂是________。
(5)滴加碘液：对该叶片滴加碘液、显色、观察。原理是淀粉遇碘变____________色。分析实验结果，得出结论。
答案　(1)耗尽叶片中原有的有机物　(2)对照　(3)光合　(4)酒精　(5)蓝
15．中国的饮食讲究“色香味”，颜色会影响消费。小李同学拟研发“绿色”食用色素，他以生长很快的入侵植物水葫芦为材料进行如下实验。
Ⅰ.提取叶绿素：
―→―→―→
Ⅱ.探究pH对叶绿素稳定性的影响：
取一些叶绿素粗产品，配成一定浓度的溶液，于室温(约25 ℃)下进行实验，方法和结果如下表。
实验组号
叶绿素溶液(mL)
调pH至
处理时间(min)
溶液颜色
①
3.0
Y
10
绿色
②
3.0
7.0
10
绿色
③
3.0
6.0
10
黄绿色
④
3.0
5.0
10
黄褐色

注：叶绿素被破坏后变成黄褐色。
根据所学知识和实验结果，请回答下列问题：
(1)提取食用叶绿素的X应该为___________，原因是_________________________。
(2)表中Y应该为______________，原因是__________________________________。
(3)若用作食品色素，天然叶绿素色素不适用于____________食品，否则__________________。
(4)小李想了解叶绿素粗产品中是否含有其他色素，请你提供检测方法并写出主要步骤：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案　(1)对人体无害的有机溶剂(食用酒精等)　叶绿素溶于有机溶剂并应考虑溶剂对人体的影响
(2)8.0　该实验是以1.0作为pH梯度进行的　(3)酸性　叶绿素被破坏会造成食品失绿而影响品质　(4)纸层析法，主要步骤：①制备滤纸条，②画滤液细线，③用层析液分离色素，④观察色素带