苏教版必修一 光合作用的认识过程与光合色素 学案.docx
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苏教版必修一光合作用的认识过程与光合色素学案
第16课时 光合作用的认识过程与光合色素
[目标导读] 1.结合教材P72内容，说出对光合作用的认识过程。
2.结合教材P73“边做边学”，掌握提取和分离叶绿体中的光合色素的原理和实验方法，分析实验现象。
3.结合教材P74内容，举例说出主要的光合色素。
[重难点击] 提取和分离叶绿体中的光合色素。
一 解开光合作用之谜
植物的光合作用是一个复杂的过程，经过了众多科学家的努力才逐步解开了光合作用的奥秘，阅读教材P72，分析下面几个有关光合作用的重要实验，思考并回答有关问题：
1．17世纪中叶，比利时的范·海尔蒙特第一次试图用定量的方法研究植物的营养来源。
通过该实验，他认为植物生长所需要的养料主要来自水，而不是土壤。
2．1771年，英国科学家普利斯特莱将点燃的蜡烛与植物一起放入一个密闭的玻璃罩内，蜡烛不容易熄灭；将小鼠与绿色植物一起放入密闭的玻璃罩内，小鼠不容易窒息而死（如图所示）。
（1）这个实验说明：
植物可以吸收CO2，放出O2，从而更新空气成分。
（2）这个实验存在哪些不足？
答案 ①缺少空白对照，应将点燃的蜡烛和小鼠分别单独放在玻璃罩内，作为空白对照；②没有认识到光在植物更新空气中的作用。
3．1779年，荷兰的扬·英根豪斯把带叶的枝条放入水里。
这些叶在阳光下产生O2，在暗处并不产生O2。
扬·英根豪斯是怎么认为的呢？
答案 他认为植物需要阳光才能制造出O2。
即光照是进行光合作用的条件。
4．1864年，萨克斯把绿叶放在暗处24小时，然后把这个叶片一半曝光，另一半遮光。
过一段时间后，用碘蒸气处理叶片，遮光的一半无颜色变化，曝光的一半呈深蓝色。
如图：
（1）该实验中，对照组是曝光的一半叶片，实验组是遮光的一半叶片。
（2）该实验说明：
光合作用需要光照；光合作用能制造淀粉。
（3）该实验中，把绿叶放在暗处一段时间的作用是：
消耗掉叶片中原有的淀粉，防止对实验结果造成干扰。
5．1940年，美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法进行光合作用实验。
甲组向植物提供H
O和CO2，发现释放的氧是18O2；乙组向植物提供H2O和C18O2，释放的氧是O2，如图：
（1）这个实验说明：
光合作用释放的氧全部来自水。
（2）该实验能不能给植物同时提供H
O和C18O2?
答案 不行。
那样无法分辨氧气中的放射性是来自水还是二氧化碳。
（3）他们还证实了糖类中的氢来自于水。
6．1948年，美国的卡尔文用14C标记CO2，追踪光合作用中碳元素的行踪，证实了CO2被用于合成糖类等有机物。
特别提醒
在光合作用的发现中，科学家们利用了对照实验，使结果和结论更加科学、准确：
（1）普利斯特莱：
密闭的玻璃罩内不加植物的是对照组，加植物的是实验组。
（2）萨克斯：
自身对照，曝光的一半叶片与遮光的另一半叶片形成对照。
（3）鲁宾和卡门：
相互对照，加H218O的一组与加C18O2的一组相互对照。
活学活用
1．如图是利用小球藻进行光合作用实验的示意图，图中A物质和B物质的相对分子质量之比是（ ）
A．1∶2B．2∶1C．8∶9D．9∶8
问题导析
（1）图中A、B物质都是氧气。
（2）A、B中的元素均来自于反应物中的水。
（3）分别写出A、B的化学式：
A.O2；B.18O2。
二者的相对分子质量之比为32、36。
答案 C
解析 图中A、B物质是氧气，均来自于反应物中的水。
A、B分别为O2、18O2，二者的相对分子质量之比为32∶36＝8∶9。
二 提取和分离叶绿体中的光合色素
植物的光合作用离不开光能，光能的捕获离不开光合色素。
结合“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验，探究光合色素的种类和作用。
结合教材P74“边做边学”，分析完成下面问题。
1．实验原理
（1）绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，可以用无水乙醇提取绿叶中的光合色素。
（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。
因而，色素会随着层析液在滤纸上的扩散而分离开。
2．实验步骤分析
（1）提取色素时，向研钵中加入SiO2、CaCO3及无水乙醇的作用分别是什么？
答案 提取色素时，加入二氧化硅少许，作用是使研磨得充分；碳酸钙少许，作用是防止研磨中色素被破坏；无水乙醇5mL，作用是溶解色素。
（2）将研磨液过滤到试管中，及时用棉塞塞紧试管口。
（3）制备滤纸条时，剪去两角的作用是防止色素带不整齐，画滤液细线的要求是细而直，吹干后还要重复画几次。
（4）色素分离时，加盖的主要目的是防止层析液挥发；关键应注意滤液细线不能触及层析液，否则滤液细线会被层析液溶解，不能分离。
3．实验结果（色素带的宽窄代表了色素的含量多少，色素扩散的速度和溶解度成正比）
特别提醒
1．层析液是一种挥发性较强的有机溶剂，可用93号汽油代替。
2．如果得到的色素提取液颜色过浅，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，色素溶液浓度小。
（3）未加碳酸钙或加入过少，色素分子部分被破坏。
3．Mg是构成叶绿素的必需元素，另外，叶绿素的合成还需要光照。
活学活用
2．如图1表示某同学做“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验的改进装置，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2），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__________。
问题导析
（1）分析题中信息，联系教材中关于叶绿体中色素的提取和分离实验。
确定题中采取的方法为纸层析法。
因此滤液应滴在定性滤纸上的a点。
（2）棉线的作用是将层析液扩散到滤纸上。
因此棉线下端应浸在层析液中。
（3）由于不同色素在层析液中的溶解度不同，因此随层析液在滤纸上的扩散速度不同，从而在滤纸上形成4条色素带。
（4）若采用的实验材料为秋季的黄叶，由于温度降低，叶片中的叶绿素被破坏，因而叶绿素a和叶绿素b的色素带明显变浅。
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
三 光能的捕获
1．下图为恩吉尔曼的实验图解，请分析回答下列问题：
（1）恩吉尔曼将水绵和能运动的好氧细菌制成临时装片，放在没有空气的黑暗环境中，用极细的光束照射水绵，结果好氧细菌聚集在被光束照射到的叶绿体部位（如图1）。
（2）如果将临时装片置于光下，好氧细菌的分布又如何呢？
答案 好氧细菌分布于叶绿体所有的受光部位（如图2）。
（3）上述实验说明了什么问题？
答案 上述实验说明氧气是由叶绿体在光照条件下释放出来的。
（4）可见光束看起来是白色的，通过三棱镜时会分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7色连续光谱。
用透过三棱镜后的不同颜色的光照射临时装片中水绵的叶绿体，发现好氧细菌聚集于红光区和蓝光区的叶绿体部位（如图）。
这说明叶绿体中的色素能有效地吸收和利用红光和蓝光。
2．色素的性质
（1）吸收光谱：
叶绿素a和叶绿素b在蓝光和红光部分吸收峰很高；胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光，它们还具有保护叶绿素免受强光伤害的作用。
（2）作用：
光合色素具有吸收、传递和转换光能的作用。
知识拓展
1．光合色素的吸光性质
（1）内容：
叶绿素主要吸收蓝光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
（2）应用：
温室或大棚为提高产量和改善品质使用不同颜色的薄膜。
2．研究表明，各种光合色素中，只有少数特殊状态的叶绿素a分子才能吸收转换光能，同时也能接受并利用其他色素分子传递来的光能，而其他的色素分子只能吸收光能，并将光能传递给特殊状态的叶绿素a分子，自身并不能利用光能，叶黄素和胡萝卜素还具有保护叶绿素免遭伤害的作用。
活学活用
3．将叶绿体色素滤液放在自然光源和三棱镜之间，从三棱镜的另一侧，观察连续光谱中明显变暗的区域是（ ）
A．红光和蓝紫光区B．黄光和蓝紫光区
C．红光和绿光区D．黄光和绿光区
答案 A
解析 叶绿体色素主要吸收红光和蓝紫光。
当堂检测
1．下列是有关植物光合作用发现的几个实验或事件：
①德国植物学家萨克斯的实验证明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光合作用释放的氧气全部来自水 ③英国科学家普利斯特莱指出植物可以更新空气 ④德国科学家恩吉尔曼用水绵做实验证明氧气是由叶绿体释放出来的，叶绿体是植物进行光合作用的场所
上述实验或事件按时间的先后顺序排列，序号正确的是（ ）
A．③①④②B．①③④②
C．③①②④D．①③②④
答案 A
解析 1771年英国科学家普利斯特莱指出植物可以更新空气，1864年德国植物学家萨克斯证明绿色叶片在光合作用中产生淀粉，1880年德国科学家恩吉尔曼用水绵证明氧气是由叶绿体释放出来的，叶绿体是植物进行光合作用的场所，1940年美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法证明光合作用释放的氧气全部来自水。
2．萨克斯的实验，在叶片照光24小时后，经脱色、漂洗并用碘液处理，结果有锡箔覆盖的部分呈棕色，而不被锡箔覆盖的部分呈蓝色。
本实验说明（ ）
①光合作用需要CO2 ②光合作用需要光 ③光合作用放出氧 ④光合作用制造淀粉
A．①②B．③④
C．②④D．①④
答案 C
解析 对照实验中对照组和实验组相比，一般只改变一个实验因素，通过设计对照组，使实验所得的结果更加可靠。
本实验对照组和实验组的可变实验因素是光照，有锡箔覆盖处接受不到光照，而无锡箔覆盖处能接受到光照，因此，该实验充分证明了光合作用需要光。
由此变量带来了实验结果的不同，遇碘液变蓝色是淀粉的特性，因此该实验还证明了光合作用能制造淀粉。
3．在“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验中，收集到的滤液绿色过浅，其原因不可能是（ ）
A．未加二氧化硅，研磨不充分
B．加入大量的无水乙醇提取
C．加入少量无水乙醇提取
D．使用放置数天的菠菜叶
答案 C
解析 要加入少量无水乙醇进行提取，加得太多，提取液颜色会太浅，影响实验。
4．叶绿体色素的纸层析结果显示，叶绿素b位于层析滤纸的最下端，原因是（ ）
A．相对分子质量最小
B．相对分子质量最大
C．在层析液中的溶解度最小
D．在层析液中的溶解度最大
答案 C
解析 不同的叶绿体色素在层析液中的溶解度不同，所以不同的色素随层析液在滤纸上扩散的速度也不同，在层析液中溶解度越大的色素，随层析液在滤纸上扩散的速度也就越快。
叶绿素b在层析液中溶解度最小，所以叶绿素b位于层析滤纸的最下端。
5．回答下列关于“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验的问题。
（1）某同学在做“提取和分离叶绿体中的光合色素”的实验时，操作情况如下所述：
①将2g新鲜完整的菠菜叶放在研钵中，加入无水乙醇、二氧化硅、CaCO3以后，迅速研磨。
②用毛细吸管吸取少量滤液，沿滤纸上的铅笔线处小心均匀地画出一条滤液细线，并连续迅速地重复画一两次。
③把画好细线的滤纸条插入层析液中，并不断摇晃，以求加快色素在滤纸条上的扩散。
结果实验失败，请指出其错误所在：
①________________________________________________________________________，
②________________________________________________________________________，
③________________________________________________________________________。
（2）某兴趣小组同学想探究蔬菜不同叶片在叶绿素含量上的区别，选择了新鲜菠菜的“绿叶”、“嫩黄叶”，做“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验。
色素层析结果如图，请根据实验结果填写下表：
组别
滤纸条编号
判断依据
绿叶组
嫩黄叶组
答案
（1）①不应用完整叶片而应剪碎 ②不应连续迅速重复画线，而应吹干后重复画线 ③不应摇晃，以免层析液没及滤液细线
（2）
组别
滤纸条编号
判断依据
绿叶组
A
叶绿素a带和叶绿素b带较宽
嫩黄叶组
B
叶绿素a带和叶绿素b带较窄
解析 剪碎后易捣碎，可以加快操作速度；滤液细线干后再重复画线实验效果好，可以在线上积累更多的色素；绿叶与嫩黄叶相比，嫩黄叶中的叶绿素含量相对较少，从两幅图中也可以看出。
40分钟课时作业
基础过关
知识点一 光合作用的发现历程
1．1771年，英国科学家普利斯特莱将点燃的蜡烛与绿色植物一起放在一个密闭的玻璃罩内，蜡烛不容易熄灭。
今天我们对这一现象的合理解释是（ ）
A．植物可以更新空气
B．蜡烛燃烧所需物质来自绿色植物
C．绿色植物在光下能制造有机物
D．绿色植物在光下能释放氧气
答案 D
解析 蜡烛燃烧需要O2，而光合作用可释放O2。
2．历经一个半世纪，科学家们做过许多实验，才逐渐发现光合作用的场所、条件、原料和产物。
在下列几个著名实验中，相关叙述不正确的是（ ）
A．普利斯特莱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．恩吉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H2O而不是CO2
答案 C
解析 恩吉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，而不能定量分析光合作用生成的氧气量。
知识点二 提取和分离叶绿体中的光合色素
3．在“提取和分离叶绿体中的光合色素”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，色素会溶解在层析液中，使实验失败。
4．下列关于“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验的叙述中，不正确的是（ ）
A．可以用无水乙醇提取叶绿体中的色素
B．叶绿体中的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“提取和分离叶绿体中的光合色素”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。
5．在“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验中，要使色素带清晰又整齐，下列措施与之无关的是（ ）
A．定性滤纸要干燥
B．剪去滤纸条一端的两角
C．滤液细线画细、齐、均匀
D．盖上培养皿盖
答案 D
解析 使色素带清晰整齐的措施有定性滤纸要干燥，滤纸条一端的两角剪去，画滤液细线要细、直、齐，画得均匀，不让层析液沾上或没及滤液细线，这些都是为了保证同种色素随层析液扩散时速度一致，色素带整齐明显。
盖上培养皿盖是为了防止层析液挥发，与整齐无关。
6．提取和分离叶绿体中的光合色素实验主要证明的是（ ）
A．四种色素在层析液中的溶解度和扩散速度不同
B．叶绿体中色素的种类和色素的颜色
C．叶绿素的含量是胡萝卜素和叶黄素的四倍
D．色素只分布在叶绿体中
答案 B
解析 叶绿体中合光色素提取的原理是色素都是有机物，可以用有机溶剂溶解提取出来；分离原理是色素在层析液中的溶解度和扩散速度不同；实验结果表明叶绿体中的色素共有4种，还可以从滤纸条上分辨出它们的颜色。
本实验只能大体分析出色素含量的多少，并不能定量地确定，实验的第一步就已把细胞研磨碎，根本不能看到色素的分布位置。
知识点三 光能的捕获
7．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；胡萝卜素和叶黄素
B．胡萝卜素和叶黄素；叶绿素
C．胡萝卜素和叶黄素；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光和长波的红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收短波的蓝紫光。
8．下图是新鲜绿叶的四种光合色素在滤纸上分离的情况，以下说法不正确的是（ ）
A．叶绿体中甲、乙、丙、丁四种色素都分布在类囊体膜上
B．衰老叶片中甲、乙色素的含量显著减少
C．甲、乙、丙、丁四种色素均可溶于有机溶剂
D．丙、丁两种色素主要吸收红光和蓝光
答案 D
解析 解答此题必须理解坐标图的含义，甲、乙、丙、丁依次为叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素。
A选项考查色素的分布，B选项考查色素在不同叶片中的含量，C选项考查色素的提取原理，D选项中甲和乙才是主要吸收红光和蓝光的两种色素。
能力提升
9．将长势相同的四株植物，分别置于不同颜色的玻璃罩内，在同一环境中，接受相同水肥和光照，经过一段时间后，长势最好和最差的依次是（ ）
①红色透明罩 ②绿色透明罩 ③蓝色透明罩 ④无色透明罩
A．④③B．②①
C．④②D．③①
答案 C
解析 无色透明罩可允许各种颜色的单色光透过，而有色透明罩只允许与透明罩颜色相同的一种单色光透过。
在白光下，植物长势最好，在绿光下植物长势最差。
10．提取光合色素，进行纸层析分离，对该实验中各种现象的解释，正确的是（ ）
A．未见色素带，说明材料可能为黄化叶片
B．色素始终在滤纸条上，是因为色素不溶于层析液
C．提取液呈绿色是因为含有叶绿素a和叶绿素b
D．胡萝卜素位于滤纸条的最前方，是因为其在提取液中的溶解度最高
答案 C
解析 在纸层析分离色素时，如果未见色素带，其原因可能是画滤液细线次数太少或层析液没过滤液细线而使色素溶解于层析液中。
叶绿体所含的色素中，叶绿素含量比胡萝卜素和叶黄素多，且叶绿素呈现绿色，因此提取液呈现绿色。
叶绿体色素的扩散速度随其在层析液中溶解度的不同而不同，溶解度高的色素随层析液在滤纸上扩散得快。
11．下图表示“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验的部分材料和用具，据图回答下列问题：
（1）图中步骤①加入研钵内的物质：
A__________5mL，作用是____________________；B__________少许，作用是使研磨得充分；C__________少许，作用是_________________。
（2）图中步骤②将糨糊状的研磨液倒入漏斗中，漏斗底部放有____________________。
（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______________________。
（5）实验结束时，在滤纸条上，色素带最宽的是________。
扩散速度最快的是__________。
答案
（1）无水乙醇 溶解色素 二氧化硅 碳酸钙 防止色素被破坏
（2）单层尼龙布 （3）防止色素带不整齐 细而直 （4）层析液不要没及滤液细线 防止层析液挥发 （5）叶绿素a 胡萝卜素
12．下图是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__________。
（3）这个实验说明了____________________。
答案
（1）C18O2 H2O CO2 H
O 光能和小球藻
（2）O2 18O2 （3）光合作用产生的氧气中的氧全部来自水
解析 通过图示可清晰看到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。
向两组共同提供的是光能和小球藻。
虽然向每组提供的水和二氧化碳都有氧，但通过同位素的不同标记以及实验的有意安排，使光合作用释放出的氧为A和B两种。
两组实验的结果是A为O2，而B为18O2。
个性拓展
13．为验证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。
如下表所示：
甲
乙
丙
丁
培养基
1号
2号
1号
1号
培养基数目
5
5
5
5
每个培养基接
种胚的数目
10
10
10
10
培养条件
光照16h/d、
25℃
？
黑暗、
25℃
光照16h/d、
10℃
实验结果
（幼苗颜色）
绿色
黄色
黄色
黄绿色
请分析回答下列问题：
（1）在该实验设计中，为什么每组用5个培养基，且每个培养基中接种10粒种子的胚？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）实验中为何不采用完整的种子，而是去掉胚乳，只将胚接种到培养基上萌发？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）乙组的培养条件很可能是______________________________________________。
（4）甲组起____________作用，通过实验可得出结论：
叶绿素的合成需要________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）如果样本数量太少，会因为偶然误差而影响实验结果
（2）因为种子的胚乳中可能含有Mg，去掉胚乳后，采用不同的培养基为胚的萌发提供营养，以排除这一干扰 （3）光照16h/d、25℃ （4）对照 Mg、光照和适宜的温度
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