第二節光合作用——光能的捕獲和轉換第1課時解開光合作用之謎葉綠體與光能的捕獲課標內容要求核心素養對接1．說明植物細胞中的葉綠體從陽光中捕獲能量。2．提取和分離葉綠體中的光合色素。1．生命觀念——結構與功能觀：葉綠體的結構尤其是基粒大大擴展了膜面積，與光合作用的功能相適應。2．科學思維——分析與綜合：分析光合作用光反應和暗反應過程，認同兩個階段既有區別又有聯系。3．科學探究——實驗思路及設計：科學設計提取和分離色素的實驗步驟，注意每個操作步驟的規范性。一、解開光合作用之謎時間人物實驗方法結論1627年海爾蒙特采用了定量研究的方法柳樹生長所需養料主要來自水，而不是土壤1779年英格豪斯把帶葉的枝條放入水里，發現綠葉只在陽光下產生氣體，在黑暗處不產生氣體后來，人們明白了空氣的組成后，才確定綠葉在陽光下放出的氣體是O21864年薩克斯采用碘蒸氣處理葉片的方法葉片在光下能產生淀粉19世紀60年代利用光學儀器光合作用中利用的光與葉綠素吸收光能有關1941年魯賓和卡門運用同位素標記法光合作用釋放的O2來自于水1948年卡爾文用14C標記CO2，追蹤光合作用中碳元素的行蹤CO2被用于合成糖類等有機物二、葉綠體與光能的捕獲1．恩格爾曼的實驗(1)實驗材料：水綿和好氧細菌。水綿是一種藻類，常生活在淡水中，細胞中有一條或多條螺旋排列的帶狀葉綠體。(2)實驗過程和結果eq\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(水綿,好氧細菌))eq\o(→,\s\up10(黑暗),\s\do10(無空氣))eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(極細光束照射→細菌集中于,被光束照射到的葉綠體部位,完全曝光→好氧細菌分布于葉綠體,所有受光部位,用透過三棱鏡的光照射→在紅光區,和藍光區的葉綠體部位都聚集,了大量的好氧細菌))(3)實驗結論葉綠體中含有能有效地吸收利用紅光和藍光的物質，這些物質吸收的光與綠葉在光下產生氧氣有關。2．光合色素(1)分布：葉綠體中的類囊體膜上(2)種類、顏色與吸收光譜種類顏色吸收光譜葉綠素葉綠素a藍綠色主要吸收和利用藍紫光和紅光葉綠素b黃綠色類胡蘿卜素胡蘿卜素橙黃色主要吸收藍紫光，還有保護葉綠素免遭強光傷害的作用葉黃素黃色(3)作用：光合色素能吸收大部分的可見光用于光合作用，但對綠光吸收最少，大部分綠光被反射出來，因而葉片呈現綠色。3．提取和分離葉綠體中的光合色素(1)實驗原理①提取：無水乙醇等有機溶劑能溶解綠葉中的各種光合色素。②分離：色素在層析液中的溶解度不同，因而在濾紙上的擴散速度也有差異。(2)實驗步驟步驟方法原因提取色素①選取新鮮葉片：色素含量高②加入少許二氧化硅和碳酸鈣：作用分別是研磨充分、保護色素③加入5mL無水乙醇：溶解色素制備濾紙條剪去兩角：防止層析液在濾紙條的邊緣處擴散過快分離色素畫濾液細線畫得細、直：防止色素帶重疊層析裝置示意圖①層析液不能觸及濾液細線：防止色素溶于層析液中②燒杯加蓋：防止層析液揮發判斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)1．色素提取液是無水乙醇，分離液是層析液。 ()2．不同色素在濾紙條上的擴散速度與其在層析液中的溶解度呈正相關。 ()3．分離結束后，濾紙條上的顏色自上而下依次是黃綠色、藍綠色、黃色和橙黃色。 ()4．葉綠素和類胡蘿卜素都主要吸收藍紫光，除此之外，葉綠素還主要吸收紅光。 ()5．植物葉片多呈現綠色的原因是對綠光的吸收最多。 ()6．研磨菠菜葉時加入二氧化硅是為了保護葉綠素。 ()提示：1.√2.√3．×分離結束后，濾紙條上的顏色自下而上依次是黃綠色、藍綠色、黃色和橙黃色。4．√5．×植物葉片多呈綠色的原因是葉綠素對綠光吸收最少，使綠光被反射出來。6．×研磨菠菜葉時加入二氧化硅是為了研磨更充分。解開光合作用之謎1．薩克斯的實驗(1)實驗過程及現象黑暗中饑餓處理的綠葉eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(一半曝光\o(→,\s\up10(碘蒸氣處理))變藍,一半遮光\o(→,\s\up10(碘蒸氣處理))不變藍))(2)實驗分析①設置了自身對照，自變量為光照，因變量是葉片顏色變化。②實驗的關鍵是饑餓處理，以使葉片中的營養物質消耗掉，增強了實驗的說服力。③本實驗除證明了光合作用的產物有淀粉外，還證明了光是光合作用的必要條件。2．魯賓和卡門的實驗(1)實驗過程及結論Heq\o\al(18,2)O＋CO2→植物→18O2；H2O＋C18O2→植物→O2光合作用釋放的O2來自于水。(2)實驗分析設置了對照實驗，自變量是標記物質(Heq\o\al(18,2)O和C18O2)，因變量是O2的放射性。3．恩格爾曼的實驗(1)實驗材料選得妙：實驗材料選擇水綿和好氧細菌。水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀，便于觀察；用好氧細菌可確定釋放氧氣多的部位。(2)排除干擾的方法妙：沒有空氣的黑暗環境，排除了氧氣和光的干擾。(3)設計的觀測指標妙：通過好氧細菌的分布進行檢測，從而能夠準確地判斷出水綿細胞中釋放氧的部位。(4)設計的實驗對照妙：進行黑暗(局部光照)和曝光對比實驗，明確實驗結果完全是光照引起的。還巧妙利用三棱鏡，將可見光分成七種顏色連續光譜投射到水綿的帶狀葉綠體上，弄清了葉綠體中含有能有效地吸收利用紅光和藍光的物質。1．德國科學家薩克斯將綠色葉片放在暗處數小時(消耗掉葉片中的淀粉)后，再把葉片的一部分遮光，其余部分曝光。一段時間后，該葉片經脫色、漂洗后再用碘液處理，結果發現遮光部分不變藍，曝光部分變藍。下列有關本實驗的分析及結論合理的是()①本實驗未設置對照組②有無光照是遮光和曝光區域表現不同結果的唯一原因③實驗初始時遮光和曝光區域均達到無淀粉狀態④實驗證明葉綠體利用光照將CO2轉變成了淀粉A．①②③④ B．②③④C．①②③ D．②③D[該實驗中曝光部分與遮光部分形成了對照；該實驗能證明有淀粉的生成，但不能證明葉綠體利用光照將CO2轉變成了淀粉。]2．1880年，德國生物學家恩格爾曼設計了一個實驗研究光合作用的光譜。他將三棱鏡產生的光譜投射到含帶狀葉綠體的絲狀水綿體上，并在水綿的懸液中放入了好氧細菌，觀察好氧細菌在水綿不同區段的聚集情況(如圖)，以確定該區段水綿光合作用的強度。下列相關敘述錯誤的是()A．該實驗可證明水綿葉綠體色素對不同波長的光吸收量不同B．好氧細菌聚集較多的區段，水綿的光合作用較弱，導致好氧細菌能夠吸收更多光能C．若將裝置置于黑暗中，則好氧細菌會在懸浮液中基本均勻分布D．實驗中應選用進行有氧呼吸的好氧細菌來檢驗水綿不同區段光合作用的強弱B[本題考查對恩格爾曼實驗的分析。通過觀察好氧細菌的分布可以判定光合作用的強度。從實驗中可見好氧細菌在不同波長的光中分布不同，及水綿對不同波長的光吸收量不同；好氧細菌聚集較多的區段，說明水綿光合作用強，產生的氧氣多；若將裝置置于黑暗中，水綿無法進行光合作用，沒有氧氣的釋放，則好氧細菌在懸浮液中基本均勻分布。]提取和分離葉綠體中的光合色素1．實驗操作中的關鍵步驟(1)研磨要迅速、充分：研磨充分使葉綠體完全破裂，可提取較多的色素。(2)濾液細線要求：細、直、齊，含有較多的色素，所以應待濾液干后再在同一位置重復畫濾液細線。(3)濾液細線不能觸及層析液，否則色素會溶解到層析液中，使濾紙條上得不到色素帶。2．濾紙條上色素的分布和對光的吸收3．葉綠體中色素的提取和分離實驗的異常現象分析(1)收集到的濾液中綠色過淺的原因分析：①未加二氧化硅，研磨不充分。②使用放置數天的菠菜葉，濾液色素(葉綠素)太少。③一次加入大量的無水乙醇，提取濃度太低。④未加碳酸鈣或加入過少，葉綠素分子被破壞。(2)濾紙條色素帶重疊：濾液細線畫得過粗。(3)濾紙條看不見色素帶：①忘記畫濾液細線。②濾液細線接觸到層析液，且時間較長，色素全部溶解到層析液中。4．葉綠體中色素的吸收光譜分析(1)葉綠體中的色素只吸收可見光，不吸收不可見光。(2)葉綠素主要吸收紅光和藍紫光，類胡蘿卜素主要吸收藍紫光，也吸收少量其他顏色的光。(3)葉綠體中的色素很少吸收綠光，綠光被反射，所以大多數葉片看起來呈綠色。深化探究：1.實驗過程中，甲同學忘記加入二氧化硅和碳酸鈣，乙同學忘記加入無水乙醇，丙同學加的無水乙醇過多。請分析他們可能出現的實驗結果。提示：甲同學研磨不充分，部分色素被破壞，過濾收集的濾液顏色淺；乙同學不能提取到色素；丙同學的濾液顏色淺，提取的濾液色素的濃度低。2．實驗操作時，為什么要將濾紙條的一端剪去兩角？畫濾液細線的要求是細、直、齊，且要在干燥后在同一位置重復畫濾液細線，請分析這樣做的原因是什么？提示：剪去兩角的目的是防止層析液在濾紙條的邊緣擴散過快。濾液細線要細、直、齊是使分離的色素不重疊，重復畫線的目的是增加色素含量，使分離的色素帶清晰，便于觀察。1．下列有關“綠葉中色素的提取和分離”實驗的敘述中，錯誤的是()A．研磨時加入碳酸鈣可防止葉綠素在酸性條件下分解B．濾紙條的一端剪去兩角的目的是使色素帶擴散均勻且比較直C．畫濾液細線時需迅速重復多畫幾次以增加色素的含量D．濾紙條上相鄰且距離濾液細線最遠的兩條色素帶呈橙黃色和黃色C[剪碎的綠葉放入研缽后應該依次加入二氧化硅(有助于充分研磨)、碳酸鈣(防止葉綠素分子被破壞)和無水乙醇(溶解色素)，A項正確；濾紙條的一端剪去兩角的目的是使色素帶擴散均勻且比較直，防止色素帶不整齊，B項正確；畫濾液細線的要求是細、齊、直，待濾液干后，還要重復畫幾次，C項錯誤；實驗成功后應該可以清晰地看到濾紙條上有四條色素帶，從上到下依次是胡蘿卜素(橙黃色)、葉黃素(黃色)、葉綠素a(藍綠色)、葉綠素b(黃綠色)，色素帶的寬窄與色素含量相關，D項正確。]2．(多選)為研究強光照對移栽幼苗光合色素的影響，某同學用乙醇提取葉綠體色素，用石油醚進行紙層析，如圖為濾紙層析的結果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為色素條帶)。下列敘述錯誤的是()A．強光照下的幼苗相比正常光照下的綠色更深B．強光照可能抑制葉綠素的合成，促進類胡蘿卜素的合成C．四種色素在層析液中溶解度大小是Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ<ⅣD．色素分離過程中如果濾液線觸及石油醚，會縮短得到四條色素帶的時間ACD[根據題圖來看：強光照導致該植物葉綠素含量降低，綠色變淺，A錯誤；強光照和正常光照相比，葉綠素含量降低，類胡蘿卜素含量增加，可見強光照可能抑制葉綠素的合成，促進類胡蘿卜素的合成，B正確；四種色素在層析液中溶解度大小是Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，C錯誤；色素分離過程中如果濾液線觸及石油醚，色素會溶解在層析液中，不會得到色素帶，D錯誤。][課堂小結]知識網絡構建核心語句背誦1.提取色素的原理是色素能溶解在無水乙醇等有機溶劑中。2.不同色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的隨層析液在濾紙上擴散得快，反之則慢。3.層析后濾紙條上自上而下的四條色素帶依次是胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素a和葉綠素b。4.葉綠素主要吸收紅光和藍紫光，胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍紫光。類胡蘿卜素還有保護葉綠素免遭強光傷害的作用。5.光合色素分布于葉綠體類囊體膜上，葉綠素是光合作用過程中的主要色素。1．請按時間先后順序排列下列事件()①德國科學家薩克斯證明了綠色葉片在光合作用中產生了淀粉②美國科學家魯賓和卡門采用同位素標記法，證明了光合作用釋放的氧氣來自參加反應的水③荷蘭科學家英格豪斯發現綠葉只有在陽光下產生氣體，在黑暗處不產生氣體④德國生物科學家恩格爾曼用水綿做實驗，證明光合作用會產生氧氣，且產生氧氣的多少和光合作用的效率成正比A．①②③④ B．④③②①C．③①④② D．①③②④C[1779年，英格豪斯發現綠葉只有在陽光下產生氣體，在黑暗處不產生氣體；薩克斯在1864年證明葉片光合作用產生了淀粉；恩格爾曼則是在19世紀80年代用水綿做實驗，證明自己的觀點；最晚的是魯賓和卡門在1940年采用同位素標記法，證明光合作用釋放的O2來自于水，因此C選項是正確的。]2．19世紀80年代，科學家恩格爾曼設計了一個實驗研究光合作用的光譜。他將三棱鏡產生的光譜投射到水綿的帶狀葉綠體上，并在水綿的懸液中放入好氧細菌，觀察細菌的聚集情況(如圖)，他得出光合作用在紅光區和藍光區最強。這個實驗的思路是()A．好氧細菌對不同的光反應不一，好氧細菌聚集多的地方，細菌光合作用強B．好氧細菌聚集多的地方O2濃度高，水綿光合作用強，則在該種光照射下植物光合作用強C．好氧細菌聚集多的地方，水綿光合作用產生的有機物多，則在該種光照射下植物光合作用強D．聚集的好氧細菌大量消耗光合作用的產物—O2，使水綿的光合作用速度加快，則該種光有利于光合作用B[本題通過實驗研究光合作用的光譜，考查實驗分析能力。好氧細菌的生活是需要O2的，因此在好氧細菌聚集的地方應該是O2多的地方，也就是水綿光合作用強的地方。]3．下列關于葉綠素提取的敘述中錯誤的是()A．菠菜綠葉可被用作葉綠素提取的材料B．加入少許碳酸鈣能避免葉綠素被破壞C．用無水乙醇提取的葉綠體色素中無胡蘿卜素D．研磨時加入二氧化硅可使葉片研磨更充分C[葉綠體中的四種色素包括胡蘿卜素，均溶于無水乙醇，C項錯誤；菠菜綠葉可被用作葉綠素提取的材料，研磨時加入SiO2可使葉片研磨更充分，加入少許碳酸鈣，可以中和葉肉細胞中的有機酸，能避免葉綠素分子被破壞。]4．(多選)下列有關綠葉中色素的提取和分離實驗的敘述中，正確的是()A．葉綠素的提取需要加入層析液作為提取液B．過濾時應使用單層尼龍布，并用棉塞塞住試管口C．分離色素時不能將濾液細線置于層析液中D．選材不同，四條色素帶在濾紙條上的排列順序不同BC[提取葉綠素使用的是無水乙醇，層析液用于分離色素；過濾時使用單層尼龍布，并用棉塞塞住試管口，以防止揮發性強的無水乙醇揮發；分離色素時不能將濾液細線置于層析液中，否則色素會溶入層析液中；不同材料中四種色素在層析液中的溶解度相同，來自不同材料葉綠體中的四種色素含量可能不同，經過紙層析后，在濾紙上的排列順序相同，色素帶粗細可能不同。]5．下圖所示為“提取和分離葉綠體中的光合色素”實驗的部分材料和用具。請據圖回答下列問題：(1)圖中步驟①加入研缽內的物質：A________5mL，作