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第二节 光合作用—光能的捕获和转换 （第1课时 解开光合作用之谜、叶绿体与光能的捕获）
高中生物学
第三章 细胞中能量的转换和利用
苏教版 2019
目录
探究新知
一、解开光合作用之谜
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
三、光合色素的吸收光谱
课堂小结
04
课堂练习
情境导入
02
03
素养目标
01
05
学习目标 核心素养
1.说出光合作用的认识历程。
2.了解并简述光合色素的种类、分布及其特征。
3.通过实验操作掌握提取和分离叶绿体中色素的过程。 1.通过重走科学家探索光合作用之路，帮助学生形成比较、分析等科学思维方式和严谨的科学态度。（科学思维）
2.通过学习实验操作及结果分析，增强学生的动手能力和分析问题的能力。（科学探究)
素养目标
情境导入
植物为什么会长大 所需的营养物质来自何处？
思考
海尔蒙特的“柳树实验”
一、解开光合作用之谜
1
1627年
海尔蒙特
称重
柳树约82.5 kg
土壤约99.9 kg
种植
五年后只浇水
柳树约82.5 kg
土壤约99.9 kg
称重
结论：树木只要有水，就能生长发育 。
阳光、空气等
否
1.你认为海尔蒙特的实验结论是否正确？
2.他忽视了哪些重要因素？
英格豪斯（荷兰）的实验
一、解开光合作用之谜
2
1779年
英格豪斯
结论：植物需要 才能产生气体，
后来人们确定绿叶在阳光下放出的气体是O2。
阳光
萨克斯（德国）的实验
一、解开光合作用之谜
3
1864年萨克斯
绿色叶片
黑暗处理
碘蒸汽处理
曝光
酒精水浴脱色
遮光：不变蓝
曝光：变蓝
结论：光合作用能产生淀粉。
黑暗处理（“暗处理”/“饥饿处理”）目的：消耗掉植物中原有的有机物；
遮光
暗处理
12h光照
碘蒸气处理后的叶片
水绵（注：水绵的叶绿体呈螺旋带状分布）
易于观察，作为释放氧气的观察指标。
细菌为需氧菌，可以运动。
德国科学家恩格尔曼
恩格尔曼的实验
一、解开光合作用之谜
4
19世纪
60年代
利用光学仪器发现，叶绿素的吸收光谱与光合作用的作用光谱相吻合，证明了：
1.实验者
2.实验材料
19世纪
80年代
光合作用中利用的光和叶绿素吸收光能有关。
水绵
叶绿体
极细光束
1.细菌聚集在被光束照射到的叶绿体部位。
2.细菌聚集现象消失，分布于叶绿体所有受光部位。
极 细 光 束
均匀光照
恩格尔曼的实验
一、解开光合作用之谜
4
恩格尔曼实验的巧妙之处:
①实验材料选择 和 。
②没有空气的黑暗环境排除了 和 干扰。
③用极细的光束照射，叶绿体上可分为 和 的部位，相当于一组 实验。
水绵的优点是 ；
需氧细菌的优点是 。
水绵
需氧细菌
叶绿体呈螺旋式带状，便于观察
可确定释放氧气多的部位
氧气
光
有光照
无光照
对照
大量好氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，说明什么？
说明光合作用主要吸收的是红光和蓝紫光用于光合作用，释放氧气。
进一步实验：用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧型细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
恩格尔曼的实验
一、解开光合作用之谜
4
叶绿体中含有能有效地吸收利用红光和蓝光的物质，这些物质吸收的光与
绿叶在光下产生氧气有关。
1941年
鲁宾和卡门实验
结论：光合作用产生的O2来自于 。
同位素标记法
③指标：检测相对分子质量判断：O2（32）、18O2（36）
二者的相对分子质量之比为32∶36＝8∶9。
②不能通过检测放射性判断。18O2是无放射性的同位素
鲁宾和卡门（美国）的实验
5
①对比实验：
两组都是实验组。
水　
一、解开光合作用之谜
卡尔文实验
6
美国科学家卡尔文用14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，探明了CO2中的C的去向，称为卡尔文循环。
一、解开光合作用之谜
1948年
卡尔文
请据此大致描述CO2转化成有机物过程中，C的转移途径。
14CO2 → 14C3 →（14CH2O）
→
14C5
方法：（放射性）同位素标记法
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
绿叶中色素的提取和分离
1
用 提取色素（色素能溶解在有机溶剂中）。
用 分离色素。
层析液
脂溶性色素
(液泡中的花青素不溶于有机溶剂)
无水乙醇
（体积分数95%乙醇+无水碳酸钠或丙酮）
相似相溶
绿叶中色素在层析液中的 不同，随层析液在滤纸上 不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快；反之则慢。
扩散速度
溶解度
纸层析法
分离的方法:
20份石油醚2份丙酮和1份苯
1.实验原理（2个）
1
2
称取5g的绿叶，剪碎，放入研钵中。
放入少许二氧化硅和碳酸钙，再放入10mL无水乙醇，迅速、充分地研磨。
SiO2
CaCO3
无水乙醇
迅速
充分
作用
作用
作用
作用
作用
防止乙醇挥发
有助于研磨充分
防止色素被破坏(主要是叶绿素)
溶解、提取色素
叶绿体能够被充分破坏，使得色素能充分被释放出来
①取材
②研磨
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
绿叶中色素的提取
2
2.实验步骤
碳酸钙是为了中和细胞液的酸性。
3
4
将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤。
将滤液收集到试管中， 及时用棉塞将试管口塞严。
目的是防止乙醇挥发和色素氧化。
③过滤
④收集
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
绿叶中色素的提取
2
2.实验步骤
单层尼龙布
不用滤纸：滤纸吸附能力强，会吸附叶绿素而影响实验结果。
干燥的定性滤纸
防止层析液在边缘扩散过快，使色素在滤纸上扩散均匀
1cm
铅笔线
剪去两角
分离色素——纸层析法
①制备滤纸条
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
绿叶中色素的分离
3
2.实验步骤
干燥滤纸
剪滤纸条
铅笔划线
将滤纸剪成宽度略小于试管直径，长度略小于试管长度的滤纸条，并在 。
在距剪去两角的一端1cm处用铅笔画一条细的横线
色素均匀扩散，更好地分离
笔墨中的色素会也能随层析液扩散，污染从绿叶中提取的色素
一端剪去两角
用毛细吸管吸取少量滤液
画线：
重复画线
沿铅笔线画出一条细线
，重复画细线1~2次
★注意：细、直、齐
使分离的色素带平整、不重叠
积累更多的色素，使分离出的色素带清晰
②画滤液细线
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
绿叶中色素的分离
3
2.实验步骤
待滤液干后
将适量的层析液倒入试管中，将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
滤纸条上的色素带有四条，如右图所示
防止层析液中的成分挥发(丙酮、苯等有毒)
不能让滤液细线触及层析液：防止色素溶解在层析液中，导致实验失败观察不到色素带。
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
绿叶中色素的分离
3
2.实验步骤
③分离绿叶中的色素
④观察结果
色素种类 色素颜色 色素含量 溶解度 扩散速度
_____ _____ _____
较少 较高 较快
_____ 较低 较慢
较多 _____ _____
最少
最高
最快
最多
最低
最慢
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素b
橙黄色
黄色
黄绿色
1.滤纸条上四条色素带位置以及色素带宽窄有什么含义？
溶解度的高低
含量的多少
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
绿叶中色素的分离
3
3.实验结果分析
叶绿素
类胡萝卜素
（含量约3/4）
（含量约1/4）
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
色素含量(色素带宽度):
叶绿素a＞叶绿素b＞叶黄素＞胡萝卜素
溶解度(扩散速度):
胡萝卜素＞叶黄素＞叶绿素a＞叶绿素b
距离最远:
距离最近：
胡萝卜素
叶绿素b
绿叶中的色素
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
绿叶中色素的分离
3
3.实验结果分析
如果在圆形滤纸的中央点开始，对叶绿体的色素进行层析，会看到什么现象？
会出现四个同心圆的色素带，从外往里依次为
；
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
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
绿叶中色素的分离
3
拓展实验
（1）滤纸条上未得到色带
①滤液细线浸没到层析液中
②用清水代替乙醇进行提取
①研磨不充分(未加入SiO2)
②提取时加入的乙醇过多
④未加CaCO3，色素分子被破坏
⑤所取的绿叶不新鲜
③滤液细线画的次数不够
①滤液细线画得过粗或不整齐
②滤纸条没经干燥处理
（2）滤纸条上的色带颜色较浅
（3）滤纸条上的色带重叠
①忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏
②所用叶片为“黄叶”
（4）滤纸条上只出现黄色
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
绿叶中色素提取和分离实验异常现象分析
4
2.分布：
叶绿素a: C55H72O5N4Mg
叶绿素b: C55H70O6N4Mg
胡萝卜素：C40H56
叶黄素：C40H56O2
1.功能：
二、提取和分离叶绿体中的光合色素
光合色素的功能和分布
6
拓展
镁是叶绿素的组成元素之一，但类胡萝卜素中无镁元素。
3.影响叶绿素合成的三大因素：
①光照
②温度
③矿质元素
一般需要光照才能合成叶绿素。
温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，低温时叶绿素分子易被破坏。
叶绿素中含N、Mg等矿质元素。
吸收、传递和转化光能
叶绿体的类囊体薄膜上
①叶绿素主要吸收 和 。
②.叶绿素a和叶绿素b的吸收峰值不同
③类胡萝卜素主要吸收 ，不吸收红光
可见光
色素的吸收光谱实验结果
红光
蓝紫光
蓝紫光
注意：叶绿体中的色素只吸收 ，而对红外光和紫外光等不吸收。
可见光：400~760nm; 紫外光：小于400nm; 红外光：大于760nm
三、光合色素的吸收光谱
保护叶绿素免遭强光伤害
正常叶片的叶绿素和类胡萝卜素的比例为3∶1，叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射回来，所以叶片才呈现绿色。
2.叶片呈现绿色的原因是？
3.许多植物到秋天叶子变黄？红叶是怎么回事呢？
1.大棚种蔬菜时，应选择什么颜色玻璃或塑料薄膜？补充光源呢
①叶绿素不稳定，低温使其分解，叶片呈类胡萝卜的颜色；
②红叶是由叶子的花青素和胡萝卜素引起的。
三、光合色素的吸收光谱
思考：
白色最好
红光或蓝紫光
无色透明
海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻。从物理学视角，我们能分析海洋中这些藻类的分层现象吗？
反射绿光，吸收红、蓝紫光
红藻
绿藻
褐藻
反射红光，吸收蓝紫光较多
波长长
波长短，能到达深海区域
反射黄光，吸收蓝紫光、绿光
波长适中
绿藻
褐藻
红藻
不同藻类的吸收光谱
总结 ：不同颜色的藻类吸收不同波长的光，藻类本身的颜色是它们______的光，
到达深水层的光线主要是_______光
反射
蓝紫
三、光合色素的吸收光谱
跨学科视角
叶绿素
类胡萝卜素
叶绿素a(蓝绿色)
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
（吸收红光和蓝紫光）
（吸收蓝紫光）
含量约占3/4
含量约占1/4
叶绿体功能的验证实验
光合色素
叶绿体和光合色素
提取和分离叶绿体中的光合色素
叶绿体与光能的捕获
解开光合作用之谜
1627年 海尔蒙特
1779年 英格豪斯
1864年 萨克斯
19世纪60年代
1941年 鲁宾和卡门
1948年卡尔文
课堂小结
课堂练习
D
变浅
1. 如图是某同学用无水乙醇分别提取正常光照和强光照下某种植物等量叶片中的
光合色素，然后用层析液进行纸层析得到的结果（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带）。
下列相关叙述正确的是（　　）
A. 实验研磨操作中若加入的二氧化硅或碳酸钙过 少，都会导致色素条带颜色变深
B. 实验中对研磨液过滤时，采用滤纸过滤，实验 效果更好
C. 色素分离过程中如果滤液细线触及层析液，会 缩短四条色素带间的距离
D. 与正常光照下相比，该植物强光照下叶片会发黄
滤纸过滤，会使色素吸附在滤纸上，导致实验失败
看不到四条色素带
课堂练习
B
利用纸层析法分离色素时，①叶绿素b位于滤纸条最下端
2. 高等植物的光合作用需要依赖叶绿体中的光合色素。不同环境条件下，叶绿体
中的叶绿素a和叶绿素b之间可以发生相互转化，这种转化称为“叶绿素循环”。
研究发现，在适当遮光条件下，叶绿素a/叶绿素b的值会降低，以适应环境。如
图是叶绿体中两种叶绿素的吸收光谱。下列关于叶绿素的叙述，错误的是（　）
A. 缺少大量元素镁时，①②的合成都会受到影响
B. 利用纸层析法分离色素时，②位于滤纸条最下端
C. 与①②不同，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
D. 弱光下①的相对含量增高可能有利于对弱光的利用

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