2019年秋高中生物第五章细胞的能量供应和利用第4节能量之源__光与光合作用学案新人教版必修.doc
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1、第4节能量之源光与光合作用学习目标1说出叶绿体的结构和功能。(重点)2说出色素的种类及功能。3提取和分离绿叶中色素。(难点)4描述光合作用的过程。(重点)5说出光合作用的概念。6阐述光合作用中物质和能量的变化。(难点)7体验科学探究的方法和技术。核心概念提取色素分离色素叶绿体吸收光谱光合作用光反应阶段暗反应阶段同位素标记法第1课时光合作用的探究历程、过程及色素一、光合作用的探究历程11864年,德国的萨克斯的实验证实了光合作用的产物有 淀粉 。21939年,美国的鲁宾和卡门利用 同位素标记法 证明了 光合作用释放的氧气来自水 。320世纪40年代,美国的卡尔文,利用放射性同位素标记技术最终探明
2、了 CO2 在光合作用中转化成 有机物中碳 的途径。二、绿叶中色素的提取和分离三、色素的含量和种类四、叶绿体的结构和功能1叶绿体的结构2叶绿体的功能:进行 光合作用 的场所。3恩格尔曼的实验实验设计:把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗中,然后用极细的光束照射水绵;之后再将临时装片暴露在光下。实验现象:极细的光束照射,细菌 只向叶绿体被光束照射到的部位集中 ;完全暴露在光下,细菌 分布在叶绿体所有受光的部位 。实验结论:叶绿体是 光合作用的场所 ,氧气是叶绿体释放的。五、光合作用的过程及应用1光反应(1)场所:叶绿体的 类囊体薄膜 上。(2)条件: 光照 、色素、酶等。(3)物质变
3、化:将水分解为 H和O2 ,将ADP和Pi合成ATP。(4)能量变化:光能转变为 活跃的化学能 。2暗反应(1)场所:叶绿体的 基质 中。(2)条件:酶、H、ATP。(3)物质变化:aCO2的固定:C5CO2 2C3 ;b.C3的还原:C3HATP C6H12O6 。(4)能量变化:ATP中活跃的化学能转变为 有机物中稳定的化学能 。?思考1夏季的树叶多为绿的海洋,到了深秋时节更有“看万山红遍,层林尽染”的美景,试从生物学角度分析其原因。提示:春夏时节叶绿素所占比例大,故叶子为绿色,而到了深秋叶绿素大量分解,类胡萝卜素含量相对增加,故叶子为黄色或橙黄色。2植物能进行光合作用制造有机物,有位同学
4、就想:“如果人能像绿色植物一样,岂不是不用吃饭了吗?”如果该同学的想法能实现,你认为人体细胞应具备什么样的结构?提示:细胞质中有叶绿体。3在大棚种植时一般选用哪种颜色的薄膜?为什么?提示:一般选用无色透明的薄膜,因为能够透过各种单色光。H判断题1植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光。()2叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光。()3利用纸层析法可分离出4种叶绿体色素。()4叶绿体中的色素主要分布在类囊体腔内。()5光合作用过程中光反应是暗反应进行的前提。()知识点1光合作用的探究历程Z1探究历程年代科学家过程(依据)结论或结果1771年普利斯特利(英)植物可以更新空气1779年英格豪斯(
5、荷兰)同普利斯特利的实验过程只有在阳光照射下和有绿叶时植物才可以更新空气1845年梅耶(德国)能量转换和守恒定律植物在进行光合作用时,把光能转换成化学能储存起来1864年萨克斯(德国)黑暗中饥饿处理的绿叶绿色叶片在光合作用中产生淀粉1939年鲁宾和卡门(美国)HOCO2植物18O2C18O2H2O植物O2光合作用释放的氧气来自水2从光合作用的探究历程可知(1)普利斯特利的实验的优点和不足优点自变量明确:证明植物具有更新空气的作用对照明显:玻璃罩内只放小鼠或燃烧蜡烛作对照不足没有认识到光在植物更新空气中的作用没有明确植物吸收和释放的气体(2)萨克斯实验的成功之处方法的成功:a设置了对照实验,自变
6、量为光照,因变量是叶片颜色的变化。b实验的关键是饥饿处理,使叶片中的营养物质消耗掉,避免了对实验结果的干扰。认识上的成功:本实验在证明光合作用的产物是淀粉的同时,还证明了光照是光合作用的必要条件。(3)鲁宾和卡门实验巧妙之处:两组实验相互对照直观地表现出氧气是来自于水的光解,而不是来自于二氧化碳中的氧。自变量为被标记的C18O2和HO,因变量是O2的放射性。(4)卡尔文循环探究方法:同位素标记法。用14C标记CO2,追踪检测放射性,探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。实验结论。碳的转化途径:14CO2C514C3(14CH2O)知识贴士自身对照相互对照不能认为萨克斯实验和鲁宾
7、及卡门实验的对照设计方法相同:其中萨克斯实验的对照方式为自身对照(一半曝光与另一半遮光);而鲁宾和卡门实验的对照方式为相互对照(通过标记不同的物质:HO与C18O2)。D典例1如图表示德国科学家萨克斯做的实验,在叶片照光24 h后,经脱色、漂洗并用碘液处理后,结果被锡箔遮盖的部分呈棕色,而不被锡箔遮盖的部分呈蓝色。本实验说明(C)光合作用需要CO2光合作用需要光光合作用需要叶绿素光合作用放出氧光合作用制造淀粉ABCD解析将叶片照光24 h后,叶片曝光部分进行光合作用,经脱色、漂洗后用碘液处理变蓝,说明有淀粉生成,应选;用锡箔遮盖的部分因没有照光,不能进行光合作用,未产生淀粉,用碘液处理不变蓝,
8、说明光合作用需要光,还应选。变式训练1右图是恩格尔曼的实验示意图,下列有关叙述正确的是(D)A实验先进行“黑暗”处理,主要目的是消耗细胞中原有的淀粉B极细的光束照射是为了避免对水绵叶绿体造成灼伤C实验设置了一次对照D实验可证明叶绿体是光合作用的场所解析图示的实验中,先进行“黑暗”处理,目的是防止光的干扰。极细的光束照射是为了使叶绿体上分为有光照和无光照的部位,相当于一组对照实验,实验还进行了黑暗(局部光照)和完全光照对照实验,共设置了两次对照实验。该实验证明了叶绿体是光合作用的场所。知识点2绿叶中色素的提取和分离Z1原理及试剂(1)原理:(2)试剂:2实验步骤步骤方法原因色素提取选取新鲜叶片:
9、色素含量高加入少许二氧化硅和碳酸钙:作用分别是使研磨充分、保护色素加入10 mL无水乙醇:溶解、提取色素将研磨液迅速倒入基部垫有单层尼龙布的玻璃漏斗中过滤,滤液收集到试管中,及时用棉塞塞紧试管口试管口加棉塞:防止溶剂挥发,并充分溶解色素分离色素剪去两角:防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快画滤液细线画得细、齐、直;重复画层析液不能没及滤液细线:防止色素溶于层析液中试管加塞是为了防止层析液挥发(因为丙酮、苯等有毒性)观察与分析3有关色素带的分析(1)从色素带的位置可知道各种色素在层析液中溶解度的高低依次为:胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b。(记忆口诀:胡黄ab)(2)从色素带的宽度可知各种色素的含量
10、一般情况下为:叶绿素a叶绿素b叶黄素胡萝卜素。(3)在滤纸条上距离最近的两条色素带是叶绿素a与叶绿素b,距离最远的相邻的两条色素带是胡萝卜素和叶黄素。4绿叶中的色素对光的吸收特点(1)绿叶中的色素只吸收可见光,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,对其他可见光并非不吸收,只是吸收量较少。知识贴士实验中的注意事项加入无水乙醇后,要进行迅速、充分的研磨,迅速研磨可以防止溶剂挥发,充分研磨是为了使更多的色素溶解在溶剂中,否则提取的色素量减少。过滤时,不能用滤纸,要用单层尼龙布(或脱脂棉),因为滤纸可以吸附色素,降低滤液中色素的含量,使实验效果不
11、明显。D典例2在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时,甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂、药品的使用情况如下表所示(“”表示使用,“”表示未使用),其余操作均正常,他们所得到的实验结果依次应为图中的(B)试剂甲乙丙丁无水乙醇水CaCO3SiO2ABCD解析无水乙醇用于溶解绿叶中的色素,甲同学未加无水乙醇,其滤纸条上应无色素带;CaCO3能够防止研磨时色素被破坏,丙同学未加CaCO3,其滤纸条上叶绿素a、叶绿素b对应的色素带应较窄;SiO2能够使研磨更充分,丁同学未加SiO2,其滤纸条上的四条色素带均应较窄。乙同学操作正确,其滤纸条上的色素带应是正常的,如图所示。变式训练2关于叶绿素的叙述,错误的是
12、(D)A叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素B被叶绿素吸收的光可用于光合作用C叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同D植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光解析叶绿素a和叶绿素b所含化学元素的种类相同,都由C、H、O、N、Mg组成,A项正确。叶绿素吸收的光能通过光合作用转变为储存在有机物中的化学能,B项正确。叶绿素a在红光区的吸收峰值约为660 nm,叶绿素b在红光区的吸收峰值约为640 nm,C项正确。绿叶中的色素对绿光的吸收极少,绝大多数绿光被反射出来,叶片中又含有大量的叶绿素,因此一般情况下植物呈现绿色,D项错误。知识点3叶绿体的结构和功能Z1叶绿体的结构及功能(1)结构:双层膜:分为内膜
13、和外膜,其主要功能是控制物质进出叶绿体。基粒:由囊状结构堆叠而成,这些囊状结构称为类囊体。吸收光能的四种色素就分布在类囊体的薄膜上。基质:在基粒与基粒之间充满基质,基质中含有与光合作用有关的酶。(2)功能:叶绿体内的基粒和类囊体扩展了受光面积,含有许多吸收光能的色素分子和光合作用所必需的酶,因此叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。2叶绿体功能的验证实验(1)实验过程及现象:(2)实验结论:叶绿体是进行光合作用的场所。O2是由叶绿体释放的。(3)实验设计巧妙之处: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的部位。没有空气的黑暗环境:排除了氧气和光的干
14、扰。用极细的光束点状投射:叶绿体上可分为获得光照和无光照的部位,相当于一组对照实验。进行黑暗(局部光照)和完全暴露在光下的对照实验:明确实验结果完全是由光照引起的等。知识贴士光合作用的酶分布在类囊体的薄膜上和基质中,但光合色素只分布在类囊体的薄膜上。叶绿体以囊状结构堆叠成基粒的方式增大膜面积,而线粒体以内膜向内腔折叠形成嵴的方式增大膜面积。D典例3下列关于叶绿体的描述,错误的是(C)A基粒由类囊体堆叠而成B叶绿体被膜由双层膜组成C暗反应发生在类囊体薄膜上D类囊体薄膜上具有叶绿素和酶解析叶绿体是双层膜结构的细胞器,其中许多类囊体像圆饼一样叠在一起,形成基粒;类囊体上有许多与光合作用有关的色素和酶
15、。在暗反应中,CO2的固定和C3的还原在叶绿体基质中进行。易错提醒:与叶绿体有关的几点注意事项(1)与光合作用有关的酶分布在类囊体的薄膜上和基质中,但光合色素只分布在类囊体的薄膜上。(2)叶绿体以囊状结构堆叠成基粒的方式增大膜面积,而线粒体以内膜向内折叠形成嵴的方式增大膜面积。(3)叶绿体基粒是由类囊体堆叠而成,每个基粒含2100个类囊体,基粒之间不是孤立的,它们可通过薄膜相连。变式训练3叶绿体是植物进行光合作用的场所。下列关于叶绿体结构与功能的叙述,正确的是(D)A叶绿体中的色素主要分布在类囊体腔内B吸收光能和四种色素分布在叶绿体基质中C叶绿体内膜折叠成基粒D光合作用的产物淀粉是在基质中合成
16、的解析色素分布在类囊体藻膜上,基粒是由类囊体藻膜堆叠形成的。知识点4光合作用的过程Z1光合作用的过程图解(1)光反应过程(2)暗反应过程2光反应和暗反应的比较(1)区别项目光反应暗反应实质光能转化为化学能,并释放出O2同化CO2,合成有机物反应时间短促较缓慢需要条件外界条件:光照;内部条件:色素、酶不需要光照;内部条件:酶反应场所叶绿体类囊体的薄膜上叶绿体基质内物质变化水的光解:水分解成H和O2ATP的合成:在相关酶的作用下,ADP和Pi形成ATPCO2的固定:CO2C52C3C3的还原:2C3(CH2O)C5能量变化光能活跃的化学能ATP中活跃的化学能有机物中稳定的化学能相应产物O2、ATP
17、和H糖类等有机物(2)联系:光反应为暗反应提供H、ATP,暗反应为光反应提供ADP和Pi,如图所示:3光合作用过程中物质交换分析(1)光合作用过程中C、H、O元素转移途径3HO(2)14C18O2214C3(14CHO)HO(3)光合作用总反应式与C、H、O元素的去向Y有关光合作用过程的四点提醒(1)叶绿体的内膜既不参与光反应,也不参与暗反应。(2)光反应阶段为暗反应提供ATP、H,ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质。而暗反应则为光反应提供ADP和Pi,ADP从叶绿体基质移向类囊体薄膜。(3)光反应阶段必须是在有光条件下进行,而暗反应阶段有光无光都能进行,但需光反应提供的H和ATP,故暗反应不能
18、长期在无光环境中进行。(4)在自然条件下,光反应阶段和暗反应阶段同时进行,不分先后。D典例4如图为叶绿体结构与功能示意图,下列说法错误的是(D)A结构A中的能量变化是光能转变为ATP中的化学能B供给14CO2,放射性出现的顺序为CO2C3甲C结构A释放的O2可进入线粒体中D如果突然停止CO2的供应,短时间内C3的含量将会增加解析结构A为类囊体薄膜,分布有与光反应有关的酶,能把光能转换为ATP中活跃的化学能。从暗反应的过程可以看出,供给14CO2,放射性出现的顺序为CO2C3甲。光合作用产生的O2可进入线粒体,被细胞呼吸所利用。在光合作用中,CO2首先被C5固定形成C3,如果突然停止CO2的供应
19、,则C3的生成量减少,而其消耗量不变,因此短时间内C3的含量将会减少。知识贴士:不同的条件下叶绿体内各种物质的动态变化规律条件C3C5H和ATP(CH2O)合成量停止光照CO2供应不变增加减少减少减少突然光照CO2供应不变减少增加增加增加光照不变停止CO2供应减少增加增加减少光照不变CO2供应增加增加减少减少增加说明:以上各物质含量的变化是在外界条件改变后的短时间内发生的,且是相对含量的变化。变式训练4为研究棉花去棉铃(果实)后对叶片光合作用的影响,研究者选取至少具有10个棉铃的植株,去除不同比例棉铃,3天后测定叶片的CO2固定速率以及蔗糖和淀粉含量,结果如图所示。(1)光合作用暗反应利用光反
20、应产生的ATP和 H(NADPH) ,在 叶绿体基质 中将CO2转化为C3,进而形成淀粉和蔗糖。(2)由图甲可知,随着去除棉铃百分率的提高,叶片光合速率 逐渐下降 。本实验中对照组(空白对照组)植株的CO2固定速率相对值是 28 。(3)由图乙可知,去除棉铃后,植株叶片中 淀粉和蔗糖含量 增加。已知叶片光合产物会被运到棉铃等器官并被利用,因此去除棉铃后,叶片光合产物利用量减少, 输出量 降低,进而在叶片中积累。(4)综合上述结果可推测,叶片中光合产物的积累会 抑制 光合作用。(5)一种验证上述推测的方法为:去除植株上的棉铃并对部分叶片遮光处理,使遮光叶片成为需要光合产物输入的器官,检测 未遮光
21、 叶片的光合产物含量和光合速率。与只去除棉铃植株的叶片相比,若检测结果是 光合产物含量下降,光合速率上升 ,则支持上述推测。解析(1)光合作用光反应可为暗反应提供H(NADPH)和ATP,并在叶绿体基质中将CO2转化为C3,进而形成淀粉和蔗糖。(2)由图甲信息可知,随去除棉铃百分率的提高,叶片固定CO2能力明显降低;对照组(未摘除棉铃)植株CO2固定速率的相对值应为“去除棉铃百分率为0”时的CO2固定值,即28。(3)由图乙可知,去除棉铃后,植株叶片中淀粉和蔗糖含量增加。由题干信息可知,叶片光合产物被运到棉铃等器官并被利用,故除去棉铃后,叶片光合产物输出量降低,从而导致相应产物在叶片中积累。(
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