(教案)光合作用与能量转化

光合作用与能量转化

【教学目标】

1．知识目标：

（1）说出绿叶中色素的种类和作用

（2）说出叶绿体的结构和功能

（3）光反应和暗反应的过程

（4）影响光合作用强度的环境因素

（5）光合作用原理的应用

2．能力目标：进行实验和探究，学会提取、分离绿叶中的色素

3．情感目标：探究细胞光合作用在生产、生活实践中的应用

【教学重点】

1．绿叶中色素的种类和作用

2．光合作用的发现及研究历史

3．光合作用的光反应、暗反应过程及相互关系

4．影响光合作用强度的环境因素

【教学难点】

1．光反应和暗反应的过程

2．探究影响光合作用强度的环境因素

【教学方法】

讲授与学生讨论相结合、问题引导法、归纳

【教学过程】

第一课时 捕获光能的色素和结构

思考：

1．通常应该把花盆摆在向阳面还是背阴面，为什么？

向阳面。让植物多接受光照，因为植物需要进行光合作用。

2．有些植物工厂内悬挂发红色或蓝色光的灯管，并且在白天也开灯。

（1）用这种方法有什么好处？这样做对光合作用有影响吗？

用这种方法可以提高光合作用的强度，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。

因为叶绿素对绿光吸收最少，所以不使用绿光作补充光源。

（一）捕获光能的色素和结构

我们在初中就已经知道植物能进行光合作用，是因为其细胞中含有一些能吸收光能的色素，植物幼苗如果缺乏色素，往往会呈现黄白色，这就是我们通常所说的“白化苗”。

思考：“白化苗”能持续正常地生长吗？

不能，由于不能进行光合作用，待种子中储存的养分耗尽就会死亡。可见植物的生活确实需要色素，依靠色素来吸收光能进行光合作用。

我们先来学习“捕获光能的色素”这一内容。

1．捕获光能的色素

那么植物细胞一般含有哪些捕获光能的色素呢？它们分别又是什么颜色的？以及各种色素在绿叶中的含量是否相同呢？带着这些问题我们一起来看《绿叶中色素的提取与分离》实验。

实验原理：（1）无水乙醇提取绿叶中的色素

（2）分离：不同色素在层析液中的溶解度不同

目的要求：绿叶中色素的提取和分离及色素的种类

材料用具：新鲜的绿叶、定性滤纸等、无水乙醇等

方法步骤：

（1）提取绿叶中的色素

①称取5g左右的绿叶，洗净，去除粗叶脉，剪碎，放入研钵中。

②向研钵中放入少许的二氧化硅和碳酸钙、10ml无水乙醇，进行迅速、充分地研磨。

加入二氧化硅、碳酸钙的作用是什么？

二氧化硅帮助充分磨碎叶片，液泡中含有酸性物质，碳酸钙中和酸性物质，防止色素被酸性物质破坏。

问：研磨时为什么要迅速而充分？

答：防止无水乙醇的挥发

③将研磨液迅速倒入玻璃漏斗进行过滤，将滤液收集到试管，及时用棉塞将试管塞严。

（2）制备滤纸条

将干燥的定性滤纸剪成长与宽略小于试管长与宽的滤纸条，将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端1cm处用铅笔画一条细的横线。

（3）画滤液细线

用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线。待滤液干后，再画一两次。

画的细而直：为防止色素带重叠而影响分离效果。

画两三次：是为积累更多的色素，使分离后的色素带明显。

（4）分离绿叶中的色素

将3ml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，就不会在滤纸上扩散开来，实验就会失败。

为什么要用棉塞塞住试管口？

防止层析液中成分挥发，要注意本实验应在通风条件下进行，实验结束时及时用肥皂洗手。因为层析液中一些挥发性物质具有毒性。

（5）观察和记录

观察滤纸条上有几条不同颜色的色带？其排序怎样？

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）

宽窄如何？说明了什么？

叶绿素a色素带最宽，胡萝卜素色素带最窄。说明绿叶中四种色素的含量不同，叶绿素a最多，胡萝卜素最少。

那么，这4种色素主要吸收哪些波长的光呢？

我们来看看课本99页的图5-12，叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱。可以看到叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。

练习：

1．在叶绿体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(D)

①未加石英砂，研磨不充分

②一次加入大量的无水酒精提取

③分次加入少量无水酒精提取

④使用放置数天的菠菜叶

A．①②③

B．②③④

C．①③④

D．①②④

某同学在做完“叶绿体中色素的提取与分离实验”后画出了四种色素在滤纸条上分布的模式图，以此主要表示色素的含量及间隔距离的大小，其中比较能显示真实情况的是(A)

3．关于高等植物细胞内的色素的叙述中，错误的是(B)

A．植物细胞内的色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素

B．所有植物细胞中都只有四种色素

C．叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收和传递光能

D．有的植物细胞的液泡中也含有一定的色素

问：现在我们已经知道绿叶中含有4种色素，那么这些色素分布在细胞中的哪些部位呢？

答：直到1865年，德国植物学家萨克斯研究叶绿素在光合作用的功能时，发现叶绿素并非普遍分布在植物的整个细胞中，而是集中在一个更小的结构里，后来人们称之为叶绿体。

2．叶绿体的结构

问：现在，大家仔细观察叶绿体的立体结构示意图，说说它是由哪些结构组成？

答：它包括外膜、内膜、基粒和基质4个部分。

叶绿体的外表有双层膜，双层膜是一种透明膜，膜是透明的，有什么好处？有利于光线的透过且被色素吸收。

叶绿体内部有许多基粒，基粒与基粒之间充满基质。每个基粒都是由一个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为囊状体。吸收光能的四种色素，就分布在类囊体的薄膜上。

每个基粒都含有2个以上的类囊体，多者可达100个以上。据计算，1g菠菜叶片中类囊体的总面积竟达60平方米左右。

问：同学们思考一下，叶绿体内有如此多的基粒和类囊体，有什么用？

答：极大地扩展了受光的面积。

问：叶绿体的作用仅仅是吸收光能吗？

答：1880年，美国科学家恩格尔曼把载有水绵和好氧细菌的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。他发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位几种；如果临时装片暴露在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。

（1）恩格尔曼实验的结论是什么？

氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是光合作用的场所。叶绿体中的色素主要通过吸收红光和蓝紫光来进行光合作用．

（2）恩格尔曼的实验方法有什么巧妙之处？

①实验材料选择水绵和好氧细菌。水绵的优点是叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；好氧细菌的优点是可确定释放氧气多的部位。

②没有空气的黑暗环境排除了氧气和光干扰。

③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，相当于一组对比实验。

④临时装片暴露在光下的实验再一次验证实验结果。

【板书设计】

能量之源——光与光合作用

捕获光能的色素和结构

1．捕获光能的色素

2．捕获光能的结构——叶绿体

（1）分布：主要在绿色植物的叶肉细胞

（2）形态：一般呈扁平的椭球形或球形

④功能：光合作用的场所

第二课时 光合作用的原理和应用

【教学过程】

一、光合作用的反应简式

反应式：CO2+H2O（CH2O）+O2

若要表示光合作用过程各元素的来源和去向，可用下式表示

1．光合作用的过程

①光反应与暗反应是怎样划分的？根据反应是否需要光能

②光反应与暗反应的比较与联系？

（1）光反应阶段

①光能吸收和转化

叶绿体中的4种色素的功能不完全相同。绝大多数的叶绿体色素的功能是吸收太阳光能，这类色素又称为聚光色素。大多数叶绿素a和全部的叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素，都属于这类色素。另外，少数特殊状态的叶绿素a不仅能吸收光能，还能接受其他色素传递来的光能，通过一系列复杂过程，将光能转换成电能，这类色素又称为反应中心色素。

能量在色素之间的传递效率很高，类胡萝卜素所吸收的光能传递给叶绿素a的效率可达90%，叶绿素b吸收的光能传递给叶绿素a的效率接近100%，这样聚光色素就像透镜把光束集中到焦点一样，把大量的光能吸收、聚集，并迅速传递给反应中心色素，然后转换成电能。

②水的分解

叶绿体中的色素吸收太阳光能，一方面将水分解成氢［H］和氧［O2］氧直接以分子形式从叶气孔逸出，而［H］则与NADP+（辅酶Ⅱ）结合，形成NADPH（还原型辅酶Ⅱ），进入叶绿体基质中，作为还原剂参与暗反应。另一方面在有关酶和反应中心色素的作用下，光能进一步转化成活跃的化学能，暂时储存在ATP和NADPH中，为暗反应提供能量。

H2O2H++2e+O2

NADP++2e+H+NADPH

ADP+Pi+能量ATP

（2）暗反应阶段

①CO2的固定：

植物通过叶片的气孔从外界吸收来的CO2先与植物体内的一种五碳化合物（C5）结合形成三碳化合物。

CO2+C52C3

②三碳化合物的还原：

三碳化合物在有关酶的催化作用下，接受ATP和NADPH释放出来的能量并被NADPH还原，再经过一系列复杂的变化，最终形成糖类等有机物，并重新生成五碳化合物，用以固定CO2，从而使暗反应阶段的化学反应循环往复地进行下去。

二、光反应和暗反应的比较

如果从光合作用整体的角度看：光合作用又完成了怎样的物质变化和能量变化（即光合作用的实质是什么？）

（1）物质变化：把二氧化碳和水等无机物转变成了糖类等有机物

（2）能量变化：把光能转变成化学能储存在糖类等有机物中

2．光合作用原理的应用

从光合作用的整个过程来看，有哪些因素会对光合作用的进行产生影响呢？

光照、温度、浓度、水、矿质元素等

（1）影响农作物光合作用的环境因素

①光照强度

不同的农作物对光照强度的要求是不同的，同一农作物在不同的光照强度下光合作用速率不同。在一定范围内，光合速率随光照强度的增加而加快。当光照强度达到某一点时，光合速率不再随光照强度的增加而增加，这种现象叫光饱和现象，这时的光照强度称为光饱和点。随光照强度的减弱，光合速率逐渐降低，最后到达一点，即在同一时间内，有机物的产生和消耗相等，这时的光照强度称为光补偿点（如下图）。植物在光补偿点时，白天不能积累有机物，而晚间还要消耗有机物，因此，从全天来看，植物所需的最低光照强度，必须高于光补偿点，植物才能正常生长。

②的浓度

在一定光照强度下，随浓度的增加，农作物光合速率加快，弱光条件下，农作物只能利用较低浓度的，光合速率慢，随光照强度加强，农作物就能吸收较高浓度的，光合速率加快。如下图：

此图表示在一定光照强度下浓度与光合速率的关系

③温度

光合作用中的生化反应离不开酶的催化，而温度直接影响酶的活性，进一步影响光合速率。一般植物可在10℃~35℃条件下正常地进行光合作用，其中以25℃~30℃最适宜，在35℃以上时光合作用就下降，40℃~50℃时即完全停止。

④无机盐

氮、镁、铁等是合成叶绿素所必需的，磷和钾会影响光合作用产物糖类的转化和运输，磷还参与ATP与ADP的相互转化过程和能量传递。因此，无机盐离子会直接或间接影响光合作用。

另外光质、光照长短、水分、氧气等环境因素也会影响光合作用强度。

（2）增加农作物产量的措施

增加农作物产量的措施就是设法提高光合作用的强度，提高光合作用效率。

①间作、套作。

这种措施是指在一年内巧妙地搭配各种农作物，从时间和空间上更好地利用光能，缩短耕地的空闲时间，延长单位土地面积上农作物的光合作用时间。

②合理密植。

该措施是增加农田植物的绿色面积，以及培育矮秆、叶直而小、分蘖密集的新作物品种，以增加光合面积，充分利用光能。

③适当增加浓度。

对农田里的农作物来说，确保良好的通风透光，既有利于充分利用光能，又可以使空气不断流过叶面，有助于提供较多的。对温室农作物来说，通过增施农家肥料或使用发生器等措施，可以提高温室内浓度，提高农作物的光合作用效率。

④控制好冬季温室大棚内的温度。

白天适当提高大棚内的温度以提高酶的活性，增强光合作用；夜晚适当降低大棚内温度，降低酶的活性，降低呼吸作用，减少呼吸消耗，有利于提高大棚蔬菜的产量。

⑤夏天正午适当给一些农作物遮荫。

有些农作物进行光合作用不需要太强的光，太强的光不利于光合作用，这类农作物属于阴生植物。夏天正午由于农作物蒸腾作用过于强烈，造成植物气孔关闭，进不到叶片内，从而影响光合作用的进行。因此适当给一些农作物（特别是阴生植物）遮荫，阻止气孔关闭，有利于提高光合作用强度。

⑥在培育水稻秧苗时，用蓝色塑料薄膜。

研究发现，不同的色光对光合产物的成分有影响：在蓝紫光照射下，光合产物中蛋白质和脂肪含量较多，在红光照射下，光合产物中的糖类含量较多。因此在培育水稻秧苗时，选择蓝色的塑料薄膜有利于培育壮秧。

⑦合理施肥。

满足不同农作物不同生长发育期对各种无机盐离子的需求。

⑧合理灌溉。

小结：光合作用原理的应用

1．影响光合作用的因素

光照、、温度、水、矿质元素等

2．提高农作物光合作用强度的措施

（1）适当提高光照强度、延长光照时间

（2）合理密植

（3）适当提高浓度

（4）适当提高温度(白天提高温度，晚上降低温度)

（5）适当增加植物体内的含水量

（6）适当增加矿质元素的含量

【板书设计】

能量之源——光与光合作用

光合作用的原理和应用

（二）光合作用的探究历程

（二）光合作用的过程

光反应和暗反应所需要的条件、场所、原料、产物

（三）影响光合作用的因素：光、二氧化碳、温度等