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5.4 光合作用与能量转化
第1课时 捕获光能的色素和结构 教案
一、教学目标
1.尝试提取和分离绿叶中的色素，简述绿叶中色素的种类及功能（难点）。
2.叶绿体适于进行光合作用的结构特点（重点）。
3.利用列表比较法掌握叶绿体色素的种类、颜色、含量、作用和吸收光谱。
4.通过实验，掌握提取、分离色素的实验方法。
二、教学重难点
教学重点：绿叶中色素的种类和作用。
教学难点：通过实验，掌握提取、分离色素的实验方法。
三、教学过程
【新课导入】
创设情景，导入新课
展示植物工厂的图片和问题探讨的相关内容，引导学生思考、讨论并回答问题。
问题探讨：
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密的控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分条件下，生产蔬菜和其他植物。有的蔬菜工厂完全依赖LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色光源。
讨论：
1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
提示：
①用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成减产。
②人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。
2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？
提示：影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件也有外界条件，二氧化碳浓度，营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态。
在植物工厂里，人工光源可以为植物的生长源源不断地提供能量。在自然界，则是万物生长靠太阳。太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。因此，有人称光合作用是“地球上最重要的化学反应”。
俗话说：“万物生长靠太阳”，为什么这么说呢？我们来看一组数据：
①地球表面上的绿色植物每年大约制造4400亿吨有机物；
②地球表面上的绿色植物每年储存的能量约为7．11×1018kJ，这个数字大约相当于240000个三门峡水电站所发出的电力。
太阳的光能又是通过什么途径进入植物体内的？
万物生长靠太阳。光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。植物是靠什么物质和结构捕获光能的呢？
无论是在植物工厂里，还是在自然界，植物捕获光能要依靠特定的物质和结构。
【新课学习】
一 捕获光能的色素和结构
教师活动：阅读教材，讨论正常玉米植株和白化玉米植株的区别，思考“白化苗”能持续正常地生长吗？
学生活动：阅读教材，思考并回答问题。
对于高等植物来说，叶片是进行光合作用的主要器官。这些植物的叶片多数是绿色的，说明其中有绿色的色素。在玉米地里，有时可以看到叶片中不含绿色色素的白化苗
教师活动：展示正常玉米植株（绿色）和白化玉米植株（白色）的图片，玉米白化苗不能进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。
教师引导学生思考并得出结论：这样的白化苗，待种子中储存的养分耗尽就会死去。可见，叶片中的色素可能与光能的捕获有关。
那么，绿叶中究竟有哪些色素呢？引出后面的探究实验。
目标1：捕获光能的色素
活动1 绿叶中色素的提取和分离
1.提取绿叶中的色素
（1）原理：绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以，可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。
（2）目的要求
①进行绿叶中色素的提取与分离。
②探究绿叶中含有几种色素。
（3）材料用具
新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）。干燥的定性滤纸，试管，棉塞，试管架，研钵，玻璃漏斗，尼龙布，毛细吸管，剪刀，药匙，量筒（10 mL），天平等。
无水乙醇（也可用体积分数为95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来代替），层析液（由20份在60～90℃下分馏出来的石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成），二氧化硅和碳酸钙。
（4）方法步骤
提取绿叶中的色素
①称取5g绿叶，剪去主叶脉，剪碎，放入研钵中。
②向研钵中放入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入5～10 mL无水乙醇，迅速、充分地进行研磨（二氧化硅有助于研磨得充分，碳酸钙可防止研磨中色素被破坏）。
③将研磨液迅速倒入玻璃漏斗（漏斗基部放一块单层尼龙布）进行过滤。将滤液收集到试管中，及时用棉塞将试管口塞严。
观看视频《绿叶中色素的提取》并阅读教材P98的实践与探究，回答相关问题。
问题1.菠菜放置24～36小时的原因？
提示：防止水分过多影响提取效果。
问题2.已知色素存在于叶片的叶绿体中，提取色素时要破碎细胞及叶绿体，使色素充分释放。在酸性条件下，叶绿素分子卟啉环中的镁离子可以被氢离子取代，导致叶绿素被破坏，试分析色素提取时加入碳酸钙的作用是什么？
提示：色素提取时，研磨叶片会导致液泡中的有机酸释放破坏叶绿素，碳酸钙可以中和酸性物质，保护叶绿素。
问题3.研磨时应注意什么？原因是什么？
提示：要迅速、充分。这样可以保证色素释放的更加充分且挥发量少。
问题4.过滤时漏斗基部的尼龙布能否用滤纸替代？原因是什么？
提示：不能。因为滤纸的吸附性强，会导致滤液中色素的浓度过低。
问题5.假设某实验小组得到的色素提取液颜色过浅，请结合实验步骤分析可能的原因有哪些？
提示：（1）未加入二氧化硅或研磨不充分，色素未能充分提取出来；
（2）称取绿叶过少或加入的无水乙醇过多，色素溶液浓度小；
（3）未加入碳酸钙或加入过少，部分色素分子被破坏。
2.分离色素
（1）分离色素的方法：“纸层析法”
利用待分离物质中不同组分的某些理化性质的差异而建立起来的一种分离技术。
（2）分离色素的原理：
不同色素在层析液中的溶解度不同。
溶解度高的色素，在滤纸上随层析液的扩散速度快；溶解度低的色素，在滤纸上随层析液的扩散速度慢。
（3）方法步骤
制备滤纸条
将干燥的定性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，再将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端底部1 cm处用铅笔画一条细的横线。
画滤液细线
用毛细吸特吸取少滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线（也可将滤液倒入培养皿，再用盖玻片蘸取滤液，在横线处按压出均匀的细线）。待滤液干后，再重新画一到两次。
分离绿叶中的色素
称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。
注意：不能让滤液细线触及层析液，否则滤液细线中的色素会被层析液溶解，而不能在滤纸上扩散。也可用小烧杯代替试管，用培养皿盖住小烧杯。
观看视频《绿叶中色素的分离》并阅读教材P98-99的实践与探究，回答相关问题。
问题1.制备滤纸条时为什么要减去两角？
提示：减少边缘效应，使滤液同时到达滤液细线，防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快。
问题2.滤液细线的划线原则是什么？待滤液干后，再重画一到两次的目的是什么？
提示：画滤液细线的原则是细、直、齐。待滤液干后，再重画一到两次可以增加滤液细线中色素的含量。
问题3.为何滤液细线不能触及层析液？
提示：防止色素溶解在层析液中。
（4）实验结果
提问：滤纸条上色素的分布情况说明了什么？
滤纸条上的色素带分布说明了绿叶中的色素有4种，它们在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸上扩散的快慢也不同。同时由于 4 种色素的颜色不同，也说明不同色素吸收了不同波长的光。
总结：绿叶中光合色素的种类
过渡：那不同种类的色素对光的吸收有什么差异呢？
科学家做过这样的实验：在色素溶液与阳光之间，放置一块三棱镜。阳光是由不同波长的光组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带(图5-11)，称为光谱。分别让不同颜色的光照射色素溶液，就可以得到色素溶液的吸收光谱。
光是一种电磁波，分为可见光和不可见光。可见光的波长是400-760 nm。不同波长的光，颜色不同。
叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
总结：光合色素的吸收光谱
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。
学以致用：结合色素的吸收光谱分析实际问题
1.冬季时，为了增加蔬菜的产量，应该选红色、蓝色还是无色的大棚塑料薄膜？为什么？
提示：无色。因为太阳光由七色光组成，所以用无色薄膜，植物可以获得更多的光能。
2.阴天时，为了增加蔬菜的产量，在功率相同的情况下，应选择什么颜色(“蓝紫光和红光”或“白光”)的照明灯为蔬菜补充光源？为什么？
提示：蓝紫光和红光。在照明灯功率相同的情况下，选用蓝紫光和红光的照明灯补充光源，植物利用光能的效率更高。
目标2：叶绿体的结构适于进行光合作用
这些色素存在于细胞中什么部位呢？
科学家在19世纪早期就从植物细胞中分离出叶绿素，但当时并不清楚色素在植物细胞中的分布情况。后来，科学家才弄清楚，叶绿素并非遍布整个植物细胞，而是集中在一个更小的结构里，这个结构就是叶绿体。
1.叶绿体的结构
教师活动：展示图片叶绿体的电镜照片和模式图，请同学们回忆叶绿体的形状和结构。请同学们思考线粒体的结构特点对进行光合作用的好处。
学生活动：回忆相关内容并回答问题。结合叶绿体的结构，掌握光合色素分布的场所。
2.叶绿体的功能
教师引导学生思考：叶绿体除了吸收光能外，还有什么功能呢？
组织学生阅读P100-101页“思考讨论”，分析资料，回答相关问题。引导学生归纳并概括叶绿体的结构适于进行光合作用。（展示资料分析1和资料分析2）
小组讨论，合作探究：
问题1.实验材料为什么选择水绵和好氧细菌？
提示：水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察；用需氧细菌可确定释放氧气多的部位。
问题2.为何要除去小室中原有的空气？
提示：选用没有空气的环境，可排除空气中氧气的干扰。
问题3.在黑暗中用极细光束照射水绵有何巧妙之处？
提示：用极细光束照射，使叶绿体形成有光和无光部位，相当于一组对比实验。
问题4.为何把载有水绵的临时装片又暴露于光下？
提示：和黑暗条件下用极细光束照射进行对照，进一步明确实验结果完全是由光照射到叶绿体引起的。
问题5.由实验能得出什么结论？
提示：叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
为什么大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域呢？
提示：这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于需氧细菌在此区域分布。
资料：又结合其他实验证据，科学家们证明了：在叶绿体基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。
叶绿体是进行光合作用的场所，并且能吸收特定波长的光。
学生活动：结合资料分析，小组讨论，分组回答问题。
评价，补充，并总结。
（1）恩格尔曼的实验直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
（2）结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论。
总结：叶绿体的形态和结构。
形态：扁平的椭球形或球形
结构：在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。这是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。
课堂小结：
四、板书设计
第4节 光合作用与能量转化
第1课时 捕获光能的色素和结构
一、捕获光能的色素
1.提取：深色的新鲜叶片
SiO2、CaCO3、无水乙醇
2.分离：
（1）制备滤纸条（剪去两个角）
（2）（纸层析法）画滤液细线（细、直、齐，重复2—3次）
（3）层析分离（滤液细线不能浸没到层析液中）
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
1.叶绿体的结构
2.叶绿体的功能

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