最新人教版高中生物必修1第5章 第4节《能量之源光与光合作用》学案.docx

1、最新人教版高中生物必修1第5章 第4节能量之源光与光合作用学案最新人教版高中生物必修1第5章 第4节能量之源-光与光合作用学案 学习目标1说出绿叶中色素的种类和作用。(重点)2说出叶绿体的结构和功能。3说明光合作用以及对它的认识过程。(重点)4说明光反应和暗反应的过程及相关关系。(重点、难点)5尝试探究影响光合作用强度的环境因素。(重点、难点)6说出光合作用原理的应用7简述化能合成作用。, 知识结构 绿叶中色素的提取和分离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,可用无水乙醇提取绿叶中的色素。(2)绿叶中的色素不只一种,它们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

2、得快,反之则慢。2实验目的(1)进行绿叶中色素的提取和分离。(2)探究绿叶中含有几种色素。3实验材料用具材料仪器药品新鲜的绿色叶片(如菠菜叶片)干燥的定性滤纸、研钵、玻璃、漏斗、尼龙布、毛细吸管、试管、量筒、药匙等无水乙醇、层析液、二氧化硅、碳酸钙4.实验操作及分析步骤实验操作实验分析提取色素二氧化硅：有利于研磨得充分。碳酸钙：中和有机酸,防止研磨中色素被破坏。乙醇：溶解、提取色素。选取新鲜叶片：色素含量高将研磨液迅速倒入基部有单层尼龙布的漏斗中,过滤到试管里,并及时塞紧试管单层尼龙布：过滤杂质(如二氧化硅、叶脉)。塞紧试管：防止乙醇挥发制备滤纸条干燥滤纸：吸收滤液的能力强。剪去两角：防止两边

3、色素扩散快,色素带不整齐画滤液线用毛细吸管吸滤液并沿铅笔线均匀画细直线,干后重复画一两次画细直线：防止色素重叠、影响分离效果。重复画：积累更多色素,使分离后的色素带明显分离色素层析液不能触及滤液细线：防止色素溶解于层析液中。烧杯上盖培养皿盖：防止层析液的挥发(1)选材时应加入的SiO2和CaCO3一定要少,否则滤液浑浊,杂质多,颜色浅,实验效果差。(3)制备滤纸条需注意的问题剪取干燥的定性滤纸,双手尽量不要接触纸面,手要干净、干燥(可以套上塑料袋),以免污染滤纸。制备滤纸条时,要在画滤液细线的一端剪去两角。这是由于层析时,边缘扩散快,中间扩散慢,剪去两角可使层析液同时到达滤液细线,从而使每条色

4、素带呈一条直线。画滤液细线时,为了层析时起点相同以避免色素带重叠,要求细而直；同时,要等干燥后,重复12次以增加色素含量,增强实验效果。5实验现象滤纸条上分离出四条色素带,从上至下的颜色依次为橙黄色、黄色、蓝绿色和黄绿色,宽度大小顺序为蓝绿色黄绿色黄色橙黄色,如图541所示。注意选取鲜嫩、色浓绿、少浆汁的叶片,如菠菜叶、棉花叶等。(2)提取色素时应注意的问题菠菜叶应剪碎,而且去除叶脉,有利于研磨。研磨要迅速充分。叶绿素不稳定,易被活细胞内的叶绿素酶水解。充分研磨使叶绿体完全破裂,提取较多的色素。此外迅速研磨也可防止乙醇挥发并充分溶解色素。6结果分析(1)色素带的条数与色素种类有关,四条色素带说

5、明有四种色素。(2)色素带的宽窄与色素含量有关,色素带越宽说明此种色素含量越多。(3)色素带扩散速度与溶解度有关,扩散速度越快溶解度越大。(4)相邻两条色素带之间距离最远的是胡萝卜素和叶黄素,最近的是叶绿素a和叶绿素b。(5)色素带最宽的是叶绿素a,最窄的是胡萝卜素,叶绿素b比叶黄素稍宽。(1)观察结果及分析经层析后在滤纸条上出现四条色素带。通过色素带的分布、宽窄程度、色素颜色可以分析出色素的种类、含量和溶解度大小。(2)分离色素的另一种方法圆形滤纸层析用圆形滤纸进行层析实验时,应在圆心处点样,滤液在圆形滤纸上的扩散原理与在滤纸条上是一样的,看到的结果是4个同心圆,最外面的是胡萝卜素,接下依次

6、是叶黄素、叶绿素a、叶绿素b(如图542所示)。教材第9798页参考答案问题探讨1用这种方法可以提高光合作用强度。因为叶绿素吸收最多的是光谱中的蓝紫光和红光。不同颜色的光照对植物的光合作用会有影响。2因为叶绿素对绿光吸收量少,所以不使用绿色的塑料薄膜或补充绿色光源。实验1滤纸条上有4条不同颜色的色带。从上往下依次为：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)。其中叶绿素a的色带最宽。这说明绿叶中的色素有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的快慢也不一样。2滤纸上的滤液细线如果触及层析液,细线上的色素就会溶解到层析液中,就不会在滤线上扩散开来,实

7、验就会失败。【例1】图543是叶绿体色素的提取和分离实验的部分材料和用具。据图回答下面的问题。 (1)图中步骤加入研钵内的物质：A_10 mL,作用是_；B_少许,作用是研磨得充分；C_少许,作用是_。(2)图中步骤将糨糊状的研磨液倒入漏斗中,漏斗底部放有_。(3)图中步骤剪去两角的作用是_,画滤液细线的要求是_。(4)图中步骤中关键应注意_；加盖的目的是_；色素带最宽的是_,扩散速度最快的是_。解析：(1)研磨时需要加入三种物质：10 mL无水乙醇,作用是溶解色素；二氧化硅可以增大摩擦力,使细胞和叶绿体破碎；细胞研磨破碎后,会溢出有机酸,为防止叶绿素中的镁被氢取代,破坏叶绿素,研磨时需加入少

8、许碳酸钙中和有机酸。(2)过滤研磨液时,漏斗基部不能用滤纸,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过快。画滤液细线的要求是细、齐、直。(4)层析时不能让层析液触及滤液线,否则滤液线会被层析液溶解,不能分离。四种色素溶于层析液中,因溶解度的差异,造成在滤纸条上扩散速度不同,从而达到分离的目的。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色素被破坏(

9、2)单层尼龙布(3)防止色素带不整齐细、齐、直(4)层析液不要触及滤液细线防止层析液挥发叶绿素a胡萝卜素点拨：本题重点考查实验操作及注意事项,熟练掌握各步操作细节是成功完成实验的前提。 色素的作用及叶绿体的结构1叶绿体中的色素(1)色素与吸收光谱,如图544所示。 (2)不同颜色温室大棚的光合效率无色透明大棚日光中各色光均能透过,有色大棚主要透过同色光,其他光被其吸收,所以用无色透明的大棚光合率最高。叶绿素对绿光吸收最少,因此绿色塑料大棚光合效率最低。(1)叶绿体中的色素只吸收可见光,而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,但对其他波段的

10、光并非不吸收,只是吸收量较少。(3)叶绿素对绿光吸收最少,绿光被反射出来,所以叶片呈现绿色。2叶绿体(1)分布：叶绿体主要分布在绿色植物的叶肉细胞中。(2)形态：扁平的椭球形或球形。(3)结构图(见图545)。双层膜：内膜、外膜,包围着几个到几十个绿色基粒等细微结构。基粒：每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成,扩大了内部膜的表面积,这些囊状结构称为类囊体,吸收光能的四种色素和光合作用有关的酶就分布在类囊体的薄膜上。基质：基粒与基粒之间充满了基质,基质中含有与光合作用有关的酶。(4)功能：叶绿体是光合作用的场所。(5)叶绿体功能的实验验证原理：光合作用产生氧气,而好氧细菌分布在氧气充足的地

11、方。所以,可以用好氧细菌的分布来显示光合作用进行的场所。实验过程及现象实验结论a叶绿体是进行光合作用的场所。b氧气是由叶绿体释放的。恩格尔曼实验的巧妙之处(1)实验材料的选择：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)先选用黑暗并且没有空气的环境,是为了排除实验前环境中光线和氧气的干扰,确保实验的准确性。(3)用极细光束照射,叶绿体可分为光照多和光照少的部位,相当于一组对比实验；然后用完全曝光的水绵与之作对照,从而再次证明了实验结果完全是光照引起的,氧气是由叶绿体释放出来的。教材第100页参考答案资料分析1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

12、场所。2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,叶绿体上可分为光照多和光照少的部位,相当于一组对照实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证实验结果,等等3叶绿体是进行光合作用的场所。【例2】叶绿体是植物进行光合作用的细胞器。下列关于叶绿体色素的叙述中正确的有()A植物细胞都有叶绿体,叶绿体普遍分布在植物个体的所有细胞中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解析：

13、不是所有的植物细胞都有叶绿体,一般地讲,叶绿体分布在绿色植物的绿色部分,主要存在于叶肉细胞中；叶绿体中的色素分为两大类：叶绿素和类胡萝卜素。其中,叶绿素又包括蓝绿色的叶绿素a和黄绿色的叶绿素b；类胡萝卜素包括橙黄色的胡萝卜素和黄色的叶黄素；叶绿体的内膜光滑,其内部的基粒和类囊体一方面扩大了膜面积,供色素和酶分布,另一方面扩大了受光面积；而线粒体的内膜上含有许多与有氧呼吸有关的酶；叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光,并非不吸收其他颜色的光,只不过吸收量较少。答案：B点拨：(1)原核生物没有叶绿体,但是某些生物细胞中含有能进行光合作用的色素,能进行光合作用。所以能进行光合作用的生物不一定有叶绿体。

14、(2)叶绿体在细胞内不是静止的,会改变方向,有利于接受光照,在弱光时,正面正对光源,强光时,侧面正对光源。(3)植物的某些部位没有叶绿体(如地下的根细胞中),除了叶外,有些部位也有叶绿体(如植物的幼茎等)。 光合作用的探究历程(1)同位素标记法的实验应用使用范围：可用来研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向,进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。标记某元素,追踪其转移途径,如用18O标记HO,光合作用只产生18O2,再用18O标记C18O2,光合作用只产生O2,证明光合作用产生的氧气中的氧原子全部来自于H2O而不是来自于CO2。标记特征化合物,探究生理过程,以研究生物

15、学原理。如用3H标记亮氨酸,探究分泌蛋白的分泌过程。(2)对照实验中的对照方法空白对照：如“唾液淀粉酶对淀粉的消化作用”,实验组中加唾液,对照组中加等量的清水。自身对照：如“植物细胞的质壁分离与复原实验”。实验中对同一实验对象的两次对照：复原后与质壁分离状态。相互对照：例如“温度对唾液淀粉酶活性的影响实验”中,80 、60 、37 、0 四个温度梯度组之间相互对照,得出淀粉糊消化程度最高组的温度。再如,光合作用实验中用18O标记HO和C18O2,检验产物氧气中是否有18O即为相互对照。教材第101103页参考答案旁栏思考题持这种观点的人,很可能是在无光条件下做的这个实验。无光时,植物不进行光合

16、作用,只进行呼吸作用。所以没有释放氧气,而是释放二氧化碳,也就是使空气变污浊了。思考与讨论1光合作用的原料是二氧化碳和水,产物是糖类和氧气,场所是叶绿体,条件是要有光,还需要多种酶等。光合作用的化学反应式是：CO2H2O (CH2O)O2。2从人类对光合作用的探究历程来看,生物学的发展与物理学和化学的研究进展关系很密切。例如,直到1785年,由于发现了空气的组成,人们才明确绿叶在光下放出的气体是氧气,吸收的是二氧化碳,这个事例说明生物学的发展与化学领域的研究进展密切相关。又如,鲁宾和卡门利用同位素标记法证明光合作用释放的氧气来自水,而不是来自二氧化碳；卡尔文用同位素示踪技术探明了二氧化碳中的碳

17、在光合作用中转化成有机物中碳的途径,都说明在科学发展的进程中,相关学科的互相促进,以及技术手段的进步对科学发展的推动作用。【例3】德国植物学家萨克斯将绿色叶片放在暗处数小时“饥饿”处理(消耗掉叶片中的淀粉)后,再把叶片的一部分遮光,其他部分曝光。一段时间后,若该叶片经脱色、漂洗并用碘蒸气处理,结果遮光部分不变蓝,曝光部分变蓝。下列有关本实验的分析及结论合理的是()本实验未设对照组有无光照是遮光和曝光区域显现不同结果的唯一原因实验初始时遮光和曝光区域均达到无淀粉状态实验证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉A只有 B只有C只有 D全部解析：分析如下：叶片一部分曝光,一部分遮光,说明为自身对照实验

18、,自变量为光照；曝光部分变蓝,遮光部分不变蓝,说明光照条件下,绿色植物能产生淀粉。而对于合成淀粉的原料是不是CO2则不能证明。答案：A点拨：在分析实验时要注意对照原则和单一变量原则的应用。对照实验的种类较多,有空白对照、相互对照和自身对照等。 光合作用的过程1光合作用的概念绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧气的过程。2光合作用的反应式CO2H2O (CH2O)O23光合作用的过程(1)图解图546 (2)过程(1)光合作用中各元素的去向 (2)根据同位素示踪法判断C、H、O的转移途径 (3)光反应与暗反应的比较项目光反应暗反应区别条件需叶绿体色素

19、和光、酶、水不需要叶绿体色素和光,需要多种酶、ATP、H、CO2场所类囊体薄膜叶绿体基质物质转化(1)水的光解：2H2O4HO2(2)ATP的形成：ADPPi能量ATP(1)CO2的固定：CO2C5(2)C3的还原：2C3 (CH2O)C52C3 ATPADPPi能量实质光能转变为活跃化学能(ATP),并放出O2同化CO2,形成(CH2O),活跃化学能转变为稳定化学能联系(1)光反应为暗反应提供H、ATP；暗反应为光反应提供ADP、Pi(2)没有光反应,暗反应无法进行；没有暗反应,有机物无法合成,光反应因产物积累也无法继续总之,光反应是暗反应的物质和能量转化的准备阶段,暗反应是光反应的继续,是

20、物质和能量转化的完成阶段(1)光反应必须在光下进行,而暗反应有光无光都能进行。(2)催化光反应与暗反应的酶,其种类和分布场所均不同,前者分布在类囊体的薄膜上,后者分布在叶绿体基质中。【例4】光合作用分光反应和暗反应两个阶段。影响光反应的主要因素是光照强度,影响暗反应的主要因素是CO2浓度。当改变光照强度或CO2浓度时,都将影响光合作用的正常进行,叶肉细胞C3、C5含量将发生不同的变化。试分析下列条件改变时,C3、C5含量的变化情况。(1)植物由强光环境转移到弱光环境时,C3含量变化：_；C5含量变化：_。(2)降低实验容器内CO2浓度时,C3含量变化：_；C5含量变化：_。解析：光反应与暗反应

21、的关系可表示为图547。 (1)由强光弱光时,产生的ATP、H含量减少,此时C3还原过程减弱,而CO2仍在短时间内被一定程度地固定,因此C5含量下降,C3含量上升,(CH2O)的合成速率也降低。(2)CO2浓度降低时,CO2固定减弱,因而产生的C3含量减少,C5的消耗量降低,而细胞内的C3仍被还原,因而此时C3含量降低,C5含量上升。答案：(1)上升下降(2)下降上升点拨：光照强度与CO2浓度变化对植物细胞内C3、C5、H、ATP、C6H12O6合成量的影响总结如下表： 光合作用原理的应用1光合作用强度(1)概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。(2)表示方法光合速率的表示方法(1

22、)表示方法：通常以一定时间内CO2等原料的消耗或O2、(CH2O)等产物的生成量来定量表示。净光合速率,常用O2释放量、CO2吸收量或有机物积累量来表示。真正光合速率即实际光合速率,常用O2产生量、CO2固定量或有机物的产生量来表示。(2)测定方法呼吸速率：将植物置于黑暗中,测定容器内CO2的增加量、O2减少量或有机物减少量。净光合速率：将植物置于光下,测定容器中O2增加量、CO2减少量或有机物增加量。(3)净光合速率和真正光合速率的关系如图548所示。在不考虑光照强度对呼吸速率影响的情况下,OA段代表植物呼吸速率,OD段表示植物净光合速率,OAOD段表示真正光合速率,它们的关系为：真正光合速

23、率净光合速率呼吸速率。只有测出净光合速率和呼吸速率,才可推算出真正光合速率。2探究光照强度对光合作用的影响(1)实验原理叶片含有空气,上浮叶片下沉充满细胞间隙,叶片上浮(2)变量分析自变量设置方法因变量观察指标光照的强弱通过台灯距离实验材料的远近来设置光合作用强度观测单位时间内被抽去空气的小圆叶片上浮的数量(3)实验流程 (4)实验结论：在一定范围内,随着光照强度不断增强,光合作用强度也不断增强(小圆形叶片中产生的O2多,浮起的多)。(1)用注射器排出小圆形叶片内的气体是为防止细胞内原本存在的气体影响实验结果。(2)影响光合作用的因素若从内外因角度分析可知：影响光合作用的内因是色素和酶,而外因

24、则主要为光照强度、温度和CO2浓度等。(3)各种环境因素(如CO2、光、温度)对植物的光合作用并不是单独地发挥作用,而是综合地起作用。3影响光合作用强度的因素(1)影响光合作用强度的自身内部因素光合速率不同(2)影响光合作用强度的外部因素光合速率与温度的关系(图549)光合作用是在酶的催化下进行的,温度直接影响酶的活性。AB段随温度的升高光合作用速率逐渐加强；至B点时达到最大；BC段表示随温度的升高,光合速率快速下降,直至光合作用完全停止。光合速率与光照强度的关系(如图5410所示)。A点,光照强度为0,此时只进行细胞呼吸,其单位时间内释放的CO2量,可表示此时的细胞呼吸速率。AB段表明随光照

25、强度加强,光合作用逐渐增加,CO2的释放量逐渐减少,因为有一部分用于光合作用；到B点时,细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用,即光合速率细胞呼吸速率,称B点为光补偿点(植物白天光照强度应在光补偿点以上,植物才能正常生长)。BC段表明随着光照强度不断加强,光合速率不断增大,到C点以后不再加强了,C点为光饱和点。光合速率与CO2浓度的关系(图5411)。在一定范围内,植物光合速率随CO2浓度增大而加快；但达到一定浓度时,再增加CO2浓度,光合速率也不再增加,甚至减弱(细胞呼吸受抑制)。光合速率与光照面积的关系(图5412)。OA段表示随叶面积的不断增大,光合作用实际量不断增大,A点为光合作用的饱和

26、点,随叶面积的增大,光合作用量不再增加,原因是有很多叶被遮挡在光补偿点以下。OB段表示干物质积累量随光合作用增加而增加,而由于A点以后光合作用量不再增加,而叶片随叶面积的不断增加OC段呼吸量不断增加,所以干物质积累量不断降低,如BD段。植物的叶面积指数不能超过D点,若超过D点,植物体内干物质将入不敷出,无法生存。光合速率与必需元素供应的关系(图5413)。在一定浓度范围内,增大必需元素的供应,可提高光合速率,但当超过一定浓度后,会因土壤溶液浓度过高而导致植物渗透失水而萎蔫。光合作用与水分的关系水是光合作用的原料,缺水既可直接影响光合作用,又会导致叶片气孔关闭,限制CO2进入叶片,从而间接影响光

27、合作用。光合速率与叶龄的关系图(5414)。随幼叶的不断生长,光合作用逐渐增强,到壮叶后基本稳定,成为老叶后,光合作用逐渐下降,这与叶片内的叶绿素含量有关。多因素影响图(5415)。P点之前,限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子,随其不断加强,光合速率不断提高。当到Q点时,横坐标所表示的因素,不再是影响光合速率的因子,要想提高光合速率,可采取适当提高图示中其他因子的措施。【例5】图5416所示为光照强度和CO2浓度对某植物光合作用强度的影响。下列有关叙述中不正确的是()A曲线中A点转向B点时,叶绿体中C3含量升高B曲线中B点转向D点时,叶绿体中C5含量升高C在一定范围内增加光照强度和CO2

28、含量,有利于提高光合作用强度D曲线中C点时的限制因素是叶绿体中酶的数量解析：当曲线中A点转向B点时,光照强度增加,在其他条件不变时产生的H和ATP的量增加,C3的还原加快,CO2的固定不变,所以C3的含量应该下降；当曲线中B点转向D点时,光照强度不变,CO2浓度下降,CO2的固定减弱,消耗的C5减少,同时C5还在不断地产生,所以C5的含量升高。从上图中可以看出,在一定范围内,随着光照强度和CO2浓度的增加,光合作用强度增加,C点时,CO2浓度较高,增加光照强度后,光合作用强度不变,说明其限制因素是叶绿体中酶的数量。答案：A点拨：在判断C3含量的变化时,要看C3的生成量和消耗量,综合两者的消长后

29、再作出判断。同理,判断C5含量的变化时,也是如此。在判断C3、C5变化时先把反应式列出,再判断C3、C5的含量是上升还是下降会更准确。 化能合成作用1概念某些细菌(如硝化细菌、硫化细菌、硫细菌、铁细菌等)利用体外环境中某些无机物氧化过程中释放的能量,将CO2等无机物转变成有机物的合成作用。2实例(1)硝化细菌的化能合成作用2NH33O22HNO22H2O能量2HNO2O22HNO3能量CO2H2O(CH2O)O2(2)硫细菌的化能合成作用2H2SO22H2O2S能量2S3O22H2O2H2SO4能量CO2H2O (CH2O)O23自养生物和异养生物(1)自养生物特点：能够以光能或无机物氧化释放的化学能为能源,以环境中的二氧化碳为碳的来源,来合成自身的组成物质,并且储存能量。代表生物(2)异养生物特点：以环境中现成的有机物作为能量和碳的来源,将这些有机物转变成自身的组成物质,并且储存能量。代表生物：人和动物、真菌、大多数细菌。【例6】光合作用和化能合成作用的相同之处是()A都以太阳能作为能源B都需要环境中的物质氧化释放的能量C都可以将无机物转变为有机物D都是高等生物的代谢类型解析：光合作用是绿色植物利用光能把CO2和H2O转变为有机物的过程。化能合成作用是