高中生物浙科版 (2019)必修1《分子与细胞》第五节 光合作用将光能转化为化学能第1课时教案设计

第五节　光合作用将光能转化为化学能

第一课时　叶绿体与光合色素

一、光合作用的概述

1．光合作用的概念和意义

进行光合作用的生物主要为绿色植物和蓝细菌，它们以二氧化碳和水为原料，利用光能合成糖类等有机物，这些有机物为其自身的生长、发育和繁殖提供物质和能量。人、动物、真菌和大部分细菌直接或间接依靠自养生物的光合产物生活。

2．光合作用的总反映式

6CO2＋12H2OC6H12O6＋6O2＋6H2O。

3．光合作用的能量变化

光合作用是一个吸能反应，它利用太阳能将二氧化碳转变为糖，并将能量储存在糖分子内。也就是说，光合作用是一个将光能转化为化学能的过程。

二、光合作用在叶绿体中进行

三、活动　光合色素的提取与分离

1．实验原理　光合色素是一类脂溶性物质，可以利用脂溶剂将它们从叶绿体中提取出来，并且将它们分离开来，达到观察叶绿体中色素的目的。

2．方法步骤

(1)将新鲜的菠菜叶（或刺槐叶等）放入40～50℃的烘箱中烘干，粉碎后取2 g干粉放入研钵中，加入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入2～3 mL95%酒精，充分、迅速研磨成匀浆。

(2)在一小玻璃漏斗基部放一块单层尼龙布，将研磨液迅速倒入漏斗中。收集滤液到一支试管中，及时用棉塞将试管口塞紧。

(3)制备滤纸条。将一张预先干燥过的定性滤纸剪成长10cm，宽1cm的纸条，在距滤纸条一端1 cm处用铅笔画一条细的横线。

(4)点样。用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔画的横线均匀地出一条细而直的滤液细线。待滤液干后再画一次，共画3～4次。

(5)分离叶绿体中的色素。将2 mL层析液沿试管壁一侧倒入大试管中，将滤纸条(有滤液细线的一端朝下)略微斜靠着大试管内壁的另一侧，轻轻地插入层析液中，但要保证上面部分干燥。随后用软木塞塞住试管口。注意，滤纸上的滤液细线要高于层析液液面。

(6)观察实验结果。5～10 min以后，取出滤纸条。待滤纸条干燥后，观察滤纸条上的色素带。

(7)由于接触了层析液等化学药品，因此实验结束后一定要用肥皂将手洗净。

四、光合色素

1．种类、含量与变化

四种不同颜色的光合色素，即叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素。这四种色素在叶肉细胞中的含量是不同的，有些色素的含量会随着季节或者生理特性的变化而发生变化。

2．组成与颜色

叶绿体中的叶绿素a和叶绿素b，都是含镁的有机分子，它们分别呈现蓝绿色、黄绿色。叶绿体中还有许多种黄色、橙色和红色的色素，合称为类胡萝卜素，其中最多的是胡萝卜素和叶黄素，它们都是由碳氢链组成的分子，胡萝卜素为橙色，叶黄素为黄色。

五、小资料　光合色素吸收的可见光

1．可见光的波长范围

光是辐射能的一种形式，辐射能以波的形式传播。光波像水波一样，有波峰和波谷。两个相邻的波峰之间的距离称为波长。我们的眼晴能看到的光称为可见光，其波长为400～760nm。植物光合作用所能利用的光也在可见光范围内。

2．太阳光的光波组成

我们把看到的太阳光称为白光，它是由许多不同波长的光组成的。太阳光通过三棱镜折射后，便可分成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等不同的颜色，这就是所谓的可见光谱。

3．光合色素对光的吸收

各种色素分子之所以有不同的颜色，是因为它们吸收了某些波长的光而另一些波长的光则透过或被反射。以某种物质对不同波长光的吸收率(可用百分率表示)为纵坐标，以波长为横坐标作图，所得的曲线就是该物质的吸收光谱。下图是叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．生物界的糖绝大部分来源于光合作用。 (　　)

2．光合作用释放的氧气来自于CO2中的氧。 (　　)

3．叶绿体中含有多种色素，这些色素与光合作用无关。 (　　)

4．叶绿体中的主要色素是类胡萝卜素。 (　　)

5．可用95%酒精分离色素。  (　　)

提示：1.√

2．×　光合作用释放的氧气来自于水中的氧。

3．×　叶绿体中含有多种色素，这些色素与光合作用有关，被称为光合色素。

4．×　叶绿体中的主要色素是叶绿素。

5．×　可用95%酒精提取色素。

　光合色素的提取与分离

1．实验注意事项

2.绿叶中色素提取和分离实验异常现象分析

(1)收集到的滤液绿色过浅的原因分析

①未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。

②使用放置数天的绿叶，滤液色素(叶绿素)太少。

③一次加入大量的95%酒精，提取浓度太低(正确做法：分次加入少量95%酒精提取色素)。

④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。

(2)滤纸条色素带重叠：没经干燥处理，滤液细线不能达到细、齐、直的要求，使色素扩散不一致造成的。

(3)滤纸条看不到色素带：①忘记画滤液细线；②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。

(4)滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带：忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶”。

合作探究：1.选择新鲜、浓绿的叶片的原因是什么？

提示：新鲜、浓绿的叶片中含有较多的叶绿素，保证实验中提取到足够的色素。

2．分析讨论实验中各种材料和试剂的作用，完成下表

3.实验结果及分析

下图是实验得到的色素在滤纸条上的分布图示，分析图示，填写下表：

1．在“光合色素的提取与分离”实验中，所用试剂和作用不相符的是(　　)

A．碳酸钙—保护叶肉细胞

B．二氧化硅—研磨充分

C．95%酒精—提取色素

D．层析液—分离色素

A　[在“光合色素的提取与分离”实验中，碳酸钙是保护叶绿素不被破坏，A错误；二氧化硅是使研磨更充分，B正确；95%酒精用于提取色素，C正确；层析液用于分离色素，D正确。]

2．下列有关“光合色素的提取和分离”实验的叙述，正确的是(　　)

A．菠菜绿叶在色素提取前用清水浸泡清洗提取效果会更好

B．收集的色素提取液在适宜的光照下能产生氧气

C．光合色素易溶于乙醇，但层析液不可用乙醇替代

D．胡萝卜素位于滤纸最上方，是因为其随提取液扩散最快

C　[菠菜绿叶需要经过烘干粉碎进行研磨，A错误；收集的色素提取液在适宜的光照下不能进行光反应产生氧气，B错误；光合色素易溶于乙醇，乙醇不能用来分离色素，层析液不可用乙醇替代，C正确；胡萝卜素位于滤纸最上方，是因为其随层析液扩散最快，D错误。]

3.为研究高光强对移栽幼苗光合色素的影响，某同学用乙醇提取叶绿体色素，用石油醚进行纸层析，右图为滤纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素带)。下列叙述不正确的是(　　)

A．强光照导致了该植物叶绿素含量降低

B．类胡萝卜素含量增加有利于该植物抵御强光照

C．色素Ⅲ、Ⅳ吸收光谱的吸收峰波长不同

D．画滤液线时，滤液在点样线上只能画一次

D　[由图示可知，强光照下，Ⅲ、Ⅳ表示的叶绿素色素带变窄，说明叶绿素含量降低，故A项正确；类胡萝卜素可保护叶绿素免受强光照降解，故B项正确；Ⅲ是叶绿素a，Ⅳ是叶绿素b，都主要吸收蓝紫光和红光，但吸收光谱的吸收峰波长不同，故C项正确；画滤液线时，滤液在点样线上画3～4次，故D项错误。]

　捕获光能的色素及叶绿体的结构与功能

1．叶绿体结构与功能的适应

(1)叶绿体基质和类囊体上含有与光合作用有关的酶。

(2)类囊体薄膜上分布有捕获光能的色素，且类囊体堆叠成基粒，增大了叶绿体内部的膜面积，为酶和色素提供了更多的附着位点。

2．影响叶绿素合成的三大因素

3．用三棱镜观察叶绿体中色素的吸收光谱

提取叶绿体中的色素，按如图所示进行观察。

(1)通过叶绿体色素提取液的光线，经三棱镜分色后，会发现在红光和蓝紫光区域的光线变暗，说明这部分光线被叶绿素吸收了。

(2)绿光几乎不被吸收而完全透过，所以看到的色素提取液颜色呈绿色。

合作探究：1880年美国生物学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的光谱。他将棱镜产生的光谱投射到丝状水绵体上，并在水绵悬液中放入好氧细菌，观察细菌的聚集情况(如下图)。他得出光合作用在红光区和蓝光区最强。思考讨论下列问题：

1．细菌的聚集情况说明了什么问题？

提示：细菌的聚集情况说明聚集处氧气含量高，光合速率高。

2．该实验结果可得出怎样的结论？

提示：叶绿体主要吸收红光和蓝光用于光合作用，放出氧气。

1．下图表示叶绿体中色素的吸收光谱(颜色深、浅分别表示吸收量多、少)，甲、乙两图分别是(　　)

A．胡萝卜素、叶绿素的吸收光谱

B．叶绿素、胡萝卜素的吸收光谱

C．叶黄素、叶绿素的吸收光谱

D．叶黄素、胡萝卜素的吸收光谱

B　[叶绿素分子的吸收光谱是红光部分(640～660 nm)和蓝紫光部分(430～450 nm)。由于叶绿素对绿色的光吸收最少，所以叶绿素溶液呈现绿色，叶片绿色亦是这个道理。类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素，胡萝卜素能够吸收蓝紫光，也能对叶绿素起保护作用，B符合题意。]

2．如图中分别表示胡萝卜素和叶绿素b吸收光谱的图象是(　　)

A．①和②　　 B．②和④　　 C．②和③　　 D．③和②

D　[叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，而类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，因此胡萝卜素和叶绿素b吸收光谱的图分别为③②。]

3．将甲、乙、丙、丁4盆长势相同的植物置于阳光下，甲添加红色光，乙添加绿色光，丙添加红色滤光片A，丁添加绿色滤光片B(如图)。经过一段时间，各盆中长势最旺的和长势最差的依次是下列哪一组(　　)

A．甲和乙 B．乙和丙

C．甲和丁 D．丙和丁

C　[本实验是研究不同波长的光对光合作用的影响的实验。叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，绿色植物的作用光谱与吸收光谱基本是一致的。在阳光照射的条件下，甲添加红色光，则比单独在阳光下的光合作用有所增强；乙添加绿色光，对植物的光合作用来说属于无效光，对光合作用几乎没有影响；丙添加了红色滤光片，这种滤光片只能让红色光通过，其余的光很少或不能通过，所以光合作用相对较弱；丁添加绿色滤光片，这种滤光片只能让绿色光通过，所以丁植物几乎不进行光合作用。]

[课堂小结]

1．下列关于植物光合色素的提取和分离的说法，正确的是(　　)

A．色素提取的原理是在层析液中溶解度不同

B．提取色素所用的菠菜叶需保持新鲜，不可烘干

C．可能含有光合色素的生物膜有类囊体膜

D．分离结果中扩散距离较近两种色素主要由碳氢链组成

C　[色素分离的原理是在层析液中溶解度不同，A错误；提取色素所用的是新鲜菠菜，为了提高色素浓度，可先烘干，B错误；可能含有光合色素的生物膜有生物的类囊体膜，C正确；分离结果中扩散距离较近的两种色素是叶绿素a和叶绿素b，含有C、H、O、N、Mg，不是由碳氢链组成，D错误。]

2．关于“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述，错误的是(　　)

A．成熟的菠菜叶可用作光合色素提取的材料

B．研磨时加入SiO2可防止色素被破坏

C．画滤液细线时重复的目的是增加色素的含量

D．分离出的四条色素带中最宽的是叶绿素a

B　[成熟的菠菜叶含有较多的与光合作用有关的色素，可用作光合色素提取的材料，A正确；色素的提取和分离实验中，加入碳酸钙的目的是防止色素被破坏，B错误；画滤液细线时重复的目的是增加色素的含量，C正确；叶绿素a在四种色素中的含量最多，因此分离出的四条色素带中最宽的是叶绿素a，D正确。]

3．仙人掌的肉质茎进行光合作用所需要的色素分布在(　　)

A．叶绿体的内膜上　　

B．细胞质基质中

C．叶绿体的类囊体薄膜上

D．叶绿体基质中

C　[在叶绿体的结构中，类囊体构成了基粒，在类囊体的片层结构薄膜上分布着许多与光合作用有关的色素和酶。]

4．下图为用分光光度计测定叶片中两类色素吸收不同波长光的曲线图，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

A　[根据曲线图分析可知，A主要吸收红光和蓝紫光，B主要吸收蓝紫光。因此A应为叶绿素，B应为类胡萝卜素。]

5．通过科学实验发现，土壤中缺磷会导致植株矮小，叶色暗绿，依据叶色变化判断可能是缺少类胡萝卜素。试设计实验探究叶色暗绿是否由缺磷造成类胡萝卜素缺乏所致。

实验所需主要用具：试剂、烧杯、漏斗、试管、研钵、完全培养液、只缺磷的完全培养液、无水乙醇、SiO2、CaCO3、层析液等。

实验材料：正常生长的黄瓜幼苗。

(1)实验假设：___________________。

(2)实验步骤：

①取两个烧杯，分别编号为A、B，各放入________________的黄瓜幼苗。

②向A烧杯中加入适量________________，向B烧杯中加入________________，置于相同且适宜的条件下培养，培养到两组黄瓜幼苗叶片出现差异时。

③分别从A、B两组中选取等量叶片，用________________提取叶片色素，用________________法分离色素，观察比较_____。

(3)实验结果预测：

①______________________________________________________________，

说明叶色暗绿不是由缺磷导致类胡萝卜素缺乏所致；

②______________________________________________________________，

说明叶色暗绿是由缺磷导致类胡萝卜素缺乏所致。

解析：(1)依据实验探究的目的可以作出“缺磷导致类胡萝卜素缺乏，从而引起叶色暗绿”的假设。(2)由于本实验的自变量是磷的有无，故需要设置A、B两组，A组用完全培养液培养，B组用只缺磷的完全培养液培养，实验的因变量是叶片中类胡萝卜素含量。要检测叶色暗绿是否由类胡萝卜素缺乏引起，可用纸层析法进行判断。(3)若A、B两组叶片中类胡萝卜素含量相近，说明叶色暗绿不是由缺磷导致的类胡萝卜素缺乏所致；若B组叶片中类胡萝卜素含量少于A组或没有，说明叶色暗绿是由缺磷导致的类胡萝卜素缺乏所致。

答案：(1)缺磷导致类胡萝卜素缺乏，从而引起叶色暗绿　(2)①同一品种且长势相近、苗龄相同　②完全培养液　等量的只缺磷的完全培养液　③95%的酒精　纸层析　A、B两组色素带中类胡萝卜素色素带的宽度和颜色的深浅

(3)①A、B两组类胡萝卜素色素带一致　②A组比B组类胡萝卜素色素带宽，或B组缺少类胡萝卜素色素带