学年高一生物人教版必修1学案第五章 第4节 第1课时 捕获光能的色素和结构及光合作用的探究历程.docx

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学年高一生物人教版必修1学案第五章第4节第1课时捕获光能的色素和结构及光合作用的探究历程

第4节　能量之源——光与光合作用

第1课时　捕获光能的色素和结构及光合作用的探究历程

目标导航

　1.通过动手实验，理解绿叶中色素提取和分离的原理，掌握色素的种类和作用。

2.结合教材99页图5－11，阐明叶绿体的结构和功能。

3.通过阅读科学家对光合作用的探究历程，了解人们对光合作用认识的过程。

一、叶绿体中的色素（阅读P97－99）

1.提取绿叶中的色素

（1）原理：

绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。

（2）步骤

取材：

称取5g新鲜绿叶

　↓

研磨：

剪碎叶片，加少许二氧化硅和碳酸钙，再加入10mL无水乙醇，迅速研磨

　↓

过滤：

漏斗基部放一块单层尼龙布，将滤液迅速倒入玻璃漏斗

　↓

收集：

用小试管收集色素滤液，及时将试管口用棉塞塞严

2.分离绿叶中的色素

（1）原理：

各种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。

因而色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分离开。

（2）步骤

分离绿叶中的色素：

将适量层析液倒入试管中，将滤纸条

（有滤液细线的一端朝下）轻轻插入层析液中，

随后用棉塞塞紧试管口（注意：

不能让滤纸条上

的滤液细线触及层析液）

观察结果：

滤纸条上色素带有4条

3.四种色素对光吸收的差异

类胡萝卜素

主要吸收蓝紫光

叶绿素

主要吸收蓝紫光和红光

二、叶绿体的结构（阅读P99－100）

三、光合作用的原理及探究历程（阅读P101－102）

1.有关光合作用的概念

（1）主要场所：

叶绿体。

（2）能量来源：

光能。

（3）反应物：

二氧化碳和水。

（4）产物：

有机物和氧气。

（5）实质：

合成有机物，储存能量。

2.光合作用的探究历程

年代

科学家

结论

1771

普利斯特利

植物可以更新空气

1779

英格豪斯

只有在光照下，只有绿叶才可以更新空气

1845

梅耶

植物在光合作用时，把光能转变成化学能储存起来

1864

萨克斯

绿色叶片光合作用产生淀粉

1880

恩格尔曼

氧由叶绿体释放出来，叶绿体是光合作用的场所

1941

鲁宾、卡门

光合作用释放的氧来自水

20世纪

40年代

卡尔文

探明了二氧化碳中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，即卡尔文循环

1.判断正误：

（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，叶绿素还吸收红光。

（　　）

（5）没有叶绿体的生物无法进行光合作用。

（　　）

（6）只要有叶绿体，一定能进行光合作用。

（　　）

（7）植物细胞都有叶绿体，叶绿素分布于叶绿体的外膜和内膜上。

（　　）

（8）与光合作用有关的酶分布于类囊体和基质中。

（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）×　（6）×　（7）×　（8）√

2.连一连

一、捕获光能的色素

1.绿叶中色素的提取和分离实验分析

（1）实验材料和试剂

①材料：

叶片要新鲜、颜色要深绿，这样的叶片含有很多的色素。

②试剂及作用

试剂名称

作　用

二氧化硅

有利于绿叶的充分研磨和色素的释放

碳酸钙

防止研磨中色素被破坏

无水乙醇

溶解色素

层析液

分离色素

（2）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画一两次。

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。

（3）层析纸上色素的分布和对光的吸收

2.绿叶中的色素对光的吸收特点

（1）绿叶中的色素只吸收可见光，对红外光和紫外光等不吸收。

（2）叶绿素对红光和蓝紫光的吸收量大，类胡萝卜素对蓝紫光的吸收量大，对其他可见光并非不吸收，只是吸收量较少。

1.滤纸条上色素带的宽窄和排序分别代表什么含义？

答案　宽窄代表色素的含量：

色素含量高，色素带宽；反之则窄。

排序代表色素在层析液中的溶解度：

溶解度高，位于上层；反之，位于下层。

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？

答案　

（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，色素溶液浓度小。

（3）未加碳酸钙或加入过少，色素分子部分被破坏。

3.如遇连阴雨，温室内给植物人工补充哪些单色光有利？

大棚薄膜用什么颜色的最好？

答案　红光、蓝紫光属于对植物光合作用最有效的光，因此可以补充这两种光最有利。

大棚薄膜最好用无色透明的，因为可以允许所有色光透过。

1.如图表示绿叶中色素的提取和分离实验的部分材料和用具，下列叙述错误的是（　　）

A.图①加入研钵内的物质有无水乙醇、SiO2、CaCO3

B.将糨糊状研磨液倒入②中，漏斗基部应放一块单层尼龙布

C.③画滤液细线的要求是细、齐、直

D.④层析结果色素带最宽的是叶绿素b，扩散最快的是叶黄素

问题导析

（1）CaCO3的作用是防止叶绿素遭到破坏、SiO2是使研磨更充分、无水乙醇用来溶解提取叶绿体中的色素，因为绿叶中的色素能溶解在无水乙醇里。

（2）将糨糊状研磨液倒入玻璃漏斗中，漏斗基部放一块单层尼龙布进行过滤。

（3）画滤液细线的要求是细、齐、直。

（4）层析结果是叶绿素a的色素带最宽，因为此色素在层析液中的含量最大；扩散最快的是胡萝卜素，因为此色素的溶解度最大。

答案　D

一题多变

如图表示某同学做“绿叶中色素的分离”实验的改进装置，据图回答：

（1）该实验采用的方法是________法，应将提取到的滤液滴在a、b中的____处，向培养皿中倒入______________，棉线灯芯下端应____________中。

（2）实验结果得到四个不同颜色的同心圆（如图），则1、2、3、4四条带依次表示________、________、__________、__________。

若采用的实验材料是秋季的黄叶，四个圆中颜色明显变浅的是__________。

答案　

（1）纸层析　a　层析液　浸入层析液　

（2）胡萝卜素　叶黄素　叶绿素a　叶绿素b　3和4

二、光合作用的探究历程

1.普利斯特利的实验

密闭玻璃罩＋绿色植物＋

（1）缺少空白对照，实验结果说服力不强，应将点燃的蜡烛和小鼠分别单独置于玻璃罩内，作为空白对照。

（2）没有认识到光在植物更新空气中的作用，而将空气的更新归因于植物的生长。

（3）限于当时科学发展水平的限制，没有明确植物更新气体的成分。

2.萨克斯的实验

黑暗中饥饿处理的绿叶

（1）设置了对比实验，自变量为光照，因变量是是否产生淀粉。

（2）实验的关键是饥饿处理，以使叶片中原有的营养物质消耗掉，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。

3.鲁宾和卡门的实验

H

O＋CO2→植物→18O2

H2O＋C18O2→植物→O2

设置了对照实验，自变量是标记物质（H

O和C18O2），因变量是O2的放射性。

4.恩格尔曼实验过程、现象及结论

5.恩格尔曼实验设计巧妙之处

（1）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的部位。

（2）没有空气的黑暗环境：

排除了氧气和光的干扰。

（3）用极细的光束点状投射：

叶绿体上可分为获得光照和无光照的部位，相当于一组对照实验。

（4）进行黑暗（局部光照）和完全暴露在光下的对照实验：

明确实验结果完全是由光照引起的等。

1.萨克斯实验跟鲁宾和卡门的实验对照设计方法相同吗？

答案　不相同。

萨克斯实验的对照方式为自身对照（一半曝光与另一半遮光）；而鲁宾和卡门实验的对照方式为相互对照（通过标记不同的物质：

H

O和C18O2）。

2.借鉴普利斯特利和萨克斯的实验方法，如何证明CO2是光合作用的必要条件？

答案　将绿色植物放在密闭玻璃罩内，一组中加入盛有NaOH溶液的烧杯，一组中加入盛有等量蒸馏水的烧杯。

暗处理一段时间后，再置于相同光照条件下，经碘蒸气处理，观察是否有蓝色出现。

3.根据上述探究历程总结光合作用的有关要点

（1）场所：

叶绿体。

（2）能量来源：

光能。

（3）反应物：

二氧化碳和水。

（4）产物：

有机物和氧气。

（5）实质：

合成有机物，储存能量。

2.

右图是20世纪40年代美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究光合作用的示意图。

他们用氧的同位素（18O）分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H

O和C18O2，然后按示意图做实验。

请对实验作出必要说明。

（1）在小球藻进行光合作用过程中，向第一组提供的物质是__________和______；向第二组提供的物质是______和______；向两组共同提供的是______________。

（2）图中a和b分别代表________和________，它们的相对分子质量比是________。

（3）这个实验说明了____________________________________________________________

________________________________________________________________________。

问题导析

（1）提供给第一组的物质是H2O和C18O2，提供给第二组的是H

O和CO2。

（2）向两组共同提供的是光能、小球藻。

虽然向每组提供的水和二氧化碳都含有氧，但通过同位素的不同标记，使光合作用释放出的氧却为a和b两种。

（3）两位科学家的实验结果是a为O2，而b为18O2。

O2和18O2的相对分子质量比是32∶36＝8∶9。

答案　

（1）H2O　C18O2　H

O　CO2　光能和小球藻

（2）O2　18O2　8∶9　（3）光合作用产生的氧气中的氧全部来自水

一题多变

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

答案　C

解析　Y1和Y3是O2，Y2和Y4是18O2，因此Y2的质量大于Y3；④中小球藻中含有（CH

O）的有机物，而①中小球藻含有（CH2O）的有机物，故④中小球藻质量大于①中的；④和②中的水都为H

O，且含量相同，因此质量相等；在试管①和②原有质量相等的情况下，②中释放出的是18O2，而①中释放出的是O2，故剩余质量①大于②。

1.关于“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述，不正确的是（　　）

A.可以用无水乙醇提取叶绿体中的色素

B.叶绿体中色素能够分离的原因是不同色素在层析液中的溶解度不同

C.研钵中加入二氧化硅、碳酸钙和绿叶后直接用杵棒进行研磨，不用作任何处理

D.滤液细线要画得细而直，避免色素带间的部分重叠

答案　C

解析　在“绿叶中色素的提取和分离”实验中，研磨前要向研钵中加入二氧化硅、碳酸钙和无水乙醇，因此C项不正确。

2.下面有关叶绿体的叙述，正确的是（　　）

A.叶绿体色素都分布在类囊体薄膜上

B.叶绿体的色素分布在外膜和内膜上

C.光合作用的酶只分布在叶绿体基质中

D.光合作用的酶只分布在外膜、内膜和基粒上

答案　A

解析　叶绿体是由内外双层膜、类囊体和基质三部分构成。

类囊体是一种扁平的囊状结构，在类囊体薄膜上，有进行光合作用必需的色素和酶。

许多类囊体堆叠成基粒，基粒之间充满着基质，其中含有与光合作用有关的酶。

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

答案　A

解析　叶绿素能吸收短波的蓝紫光和长波的红光，胡萝卜素主要吸收短波的蓝紫光。

4.德国科学家恩格尔曼以水绵为实验材料，把载有水绵和能运动的好氧细菌的临时装片，放在一定的环境中进行如下实验：

A.把临时装片放在没有空气的黑暗环境中，然后用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射的部位集中。

如图A所示。

B.把临时装片暴露在光下，细菌则分布在叶绿体的周围。

如图B所示。

分析回答问题：

（1）细菌聚集在叶绿体周围是因为光合作用能释放________________。

（2）该实验证明了光合作用的场所是________________。

其中，____________________________上分布有许多吸收光能的__________分子，还有多种进行光合作用所必需的酶分布在________________中。

（3）后来恩格尔曼对实验加以改进，将可见光经三棱镜后照到临时装片上，结果发现在______________________光区域细菌特别多。

答案　

（1）O2　

（2）叶绿体　基粒类囊体的薄膜　色素　基质、基粒　（3）红光和蓝紫

基础巩固

1.下列分离叶绿体中色素的装置，正确的是（　　）

答案　A

解析　由于色素易溶于层析液，所以滤液细线不能没入层析液中，由于层析液易挥发，并有一定的毒性，所以要加盖。

2.叶绿体中有多种色素，可以用纸层析法将它们分离。

如图为纸层析结果示意图，其中Ⅳ是（　　）

A.叶绿素a

B.叶绿素b

C.叶黄素

D.胡萝卜素

答案　B

解析　叶绿素b在层析液中的溶解度最小，所以扩散得最慢。

3.在绿叶中色素的提取和分离实验中，不让层析液没及滤液细线的原因是（　　）

A.避免滤纸上几种色素扩散不均匀而影响实验结果

B.防止滤纸上的滤液细线变粗而使色素太分散

C.防止色素溶解在层析液中而使实验失败

D.避免滤纸上的几种色素混合起来而不分散

答案　C

解析　层析液没及滤液细线，色素会溶解到层析液中，使实验失败。

4.研磨绿叶时加入无水乙醇的目的是（　　）

A.使色素溶于其中

B.防止色素分子被破坏

C.为了研磨充分

D.使叶绿素从四种色素中分离出来

答案　A

解析　无水乙醇的作用是溶解色素以提取色素。

5.在做植物实验的暗室内，为了尽可能地降低植物光合作用的强度，最好安装（　　）

A.红橙光灯B.绿光灯

C.白炽灯D.蓝光灯

答案　B

解析　叶绿素主要吸收红橙光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。

这些色素所吸收的光能，都能用于光合作用。

光合作用很少吸收绿光，绿光下植物光合作用强度最低，题目中要求“尽可能地降低植物光合作用的强度”，当然就不能使用发红橙光或蓝紫光的灯，安装绿光灯是安全的。

至于白炽灯，物理常识告诉我们，白光是由七色光组成的。

6.下列关于叶绿体基粒的说法中，正确的一组是（　　）

①每个叶绿体基粒含有几个到几十个类囊体　②基粒的薄膜上有进行光合作用的色素　③基粒附着在内膜的突起——嵴上　④光合作用有关的酶全都分布在基粒上

A.①②B.③④C.①③D.②④

答案　A

解析　叶绿体中的基粒是由几个或几十个类囊体堆叠形成的结构；光合作用有关的酶不仅分布在基粒上，而且还分布在叶绿体基质中。

7.下列科学家的实验中，没有用到同位素标记法的是（　　）

A.鲁宾和卡门证明光合作用释放的氧来自水

B.萨克斯证明光合作用产物中有淀粉

C.卡尔文发现卡尔文循环

D.科学家研究分泌蛋白的合成与分泌过程

答案　B

解析　鲁宾和卡门的实验标记的是O；卡尔文实验标记的是C；分泌蛋白的研究中标记的是H；而萨克斯的实验中并没有用到同位素标记法。

巩固提升

8.某研究组获得了水稻的叶黄素缺失突变体。

将其叶片进行了红光照射光吸收测定和色素层析条带分析（从上至下），与正常叶片相比，实验结果是（　　）

A.光吸收差异显著，色素带缺第2条

B.光吸收差异不显著，色素带缺第2条

C.光吸收差异显著，色素带缺第3条

D.光吸收差异不显著，色素带缺第3条

答案　B

解析　胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光，所以缺少叶黄素时对红光的吸收差异不显著；叶绿体中色素层析后色素带从上到下依次为胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b，所以本题正确答案为B。

9.在“绿叶中色素的提取和分离实验”中，收集到的滤液绿色过浅，其原因可能是（　　）

①未加石英砂，研磨不充分　②一次加入大量的无水乙醇提取　③分次加入少量无水乙醇提取　④使用放置数天的菠菜叶

A.①②③B.②③④

C.①③④D.①②④

答案　D

解析　叶绿体色素的滤液绿色过浅的原因，包括外因和内因两部分。

内因如植物种类不同、叶片衰老程度或叶片久置未见光等；外因如研磨不充分，叶绿素没有释放出来，或加入的提取液太多，过度稀释了滤液等。

10.叶绿体是植物进行光合作用的细胞器。

下列关于叶绿体及色素的叙述中正确的是（　　）

A.植物细胞都有叶绿体，叶绿体普遍分布在植物细胞的整个细胞中

B.叶绿素在高等植物体内有两种，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.叶绿体中的色素只吸收红光和蓝紫光进行光合作用

答案　B

11.历经一个多世纪，经过许多科学家的实验，才逐渐发现光合作用的场所、条件、原料和产物，在下面几个著名实验中，相关叙述不正确的是（　　）

A.普利斯特利的实验证明了植物可以更新空气

B.萨克斯的实验也可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.鲁宾和卡门的实验中，用18O分别标记H2O和CO2，证明了光合作用产生的氧气来自于H2O而不是CO2

答案　C

解析　恩格尔曼的实验能够证明氧气由叶绿体释放出来，叶绿体是进行光合作用的场所，但不能定量分析光合作用生成的氧气量。

12.德国科学家恩格尔曼利用一种绿藻（这种绿藻具有呈螺旋状的叶绿体），研究光对光合作用的效应。

他将该种绿藻放在一张载有细菌悬浮液的玻片上，这些细菌会移往氧浓度高的区域。

他观察细菌在不同光照下的分布情况，结果如下图所示：

（1）描述B情况下细菌的分布情况如何？

_____________________________________________

________________________________________________________________________。

如此分布是因为光合作用释放________。

（2）该实验证实了光合作用的场所是________，吸收光能的色素和催化反应的酶分别分布在________________________________________________________________________

____________________、________________________________________________________________________。

（3）恩格尔曼进行装置C的实验，其目的是什么？

____________________________________

________________________________________________________________________。

在________________光区的细菌特别多。

答案　

（1）细菌集中在叶绿体周围　O2

（2）叶绿体　叶绿体的类囊体薄膜上　叶绿体的类囊体薄膜上和叶绿体的基质中

（3）找出不同颜色的光对光合作用的影响　红光和蓝紫

13.为了研究叶绿素合成所需的条件，有人设计了如下实验。

实验步骤：

①配制培养基：

1号（含蔗糖、水、植物必需的各种矿质元素等）、2号（不含Mg，其他成分与1号相同）。

②小麦种子用清水浸泡后消毒，在无菌条件下，将种子的胚剥离，去掉胚乳。

③在无菌条件下，将胚接种在培养基上。

培养两周后，观察幼苗的颜色。

如表所示：

甲

乙

丙

丁

培养基

1号

2号

1号

1号

培养瓶数目

5

5

5

5

每瓶接种数目

10

10

10

10

培养条件

光照

16h/d

25℃

光照

16h/d

25℃

黑暗

25℃

光照

16h/d

10℃

幼苗颜色

绿色

黄色

黄色

黄绿色

请分析回答下列问题：

（1）上表包含了多组对照实验，请列出每组对照实验并写出相应的结论：

①甲组与乙组对照表明____________________________________________________________

________________________________________________________________________。

②甲组与丙组对照表明____________________________________________________________

________________________________________________________________________。

③甲组与丁组对照表明____________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）培养基中的各种矿质元素以离子形式被胚细胞吸收，其吸收具有________性。

（3）实验中为何不采用完整种子萌发的方法，而是去掉胚乳，将胚接种在不同的培养基上萌发？

________________________________________________________________________。

答案　

（1）①Mg是合成叶绿素所必需的一种元素　②叶绿素的合成需要光照　③叶绿素的合成需要适宜的温度　

（2）选择　（3）种子的胚乳中可能含有一定量的Mg，会影响实验结果

解析　通过上述实验结果可知，甲组为对照组，甲组与乙组的培养基不同，乙组的培养基中不含Mg，甲、乙对照可得出Mg是合成叶绿素的必需条件的结论；甲组与丙组相比较不同的是有无光照，在没有光照的条件下，不能形成叶绿素，所以光照是合成叶绿素必需的条件；甲组与丁组相比较不同的是温度，甲的温度较为适宜，而丁组的温度稍低，所以合成的叶绿素较少。

走进高考

14.（2013·新课标卷Ⅱ，2）关于叶绿素的叙述，错误的是（　　）

A.叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素

B.被叶绿素吸收的光可用于光合作用

C.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同

D.植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光

答案　D

解析　叶绿素的中心元素是镁离子，A正确；色素的作用是吸收、传递、转化光能，进行光合作用，B正确；叶绿素a比叶绿素b在红光区的吸收峰值高，C正确；植物主要的吸收峰在蓝紫光区和红光区，绿光吸收最少，反射多，所以叶片呈现绿色，D错误。

15.（2013·江苏卷，5）关于叶绿体中色素的提取和分离实验的操作，正确的是（　　）

A.使用定性滤纸过滤研磨液

B.将干燥处理过的定性滤纸条用于层析

C.在划出一条滤液细线后