教学设计 | BX1 5.4.1 光合作用与能量转化

年级

高一年级

  授课时间

3课时

课题

第4节  光合作用与能量转化

教材分析

细胞的生命活动是需要能量来驱动的。太阳能是几乎所有生命系统中能量的最终源头。外界能量进入细胞，并为细胞所利用，都要经过复杂的化学反应。细胞是如何通过化学反应来获取和利用能量的呢?通过本节教学，学生更深入地理解生命的本质。本节教材分两小节，按照先结构后过程的思路展开。第一小节引导学生认识捕获光能的色素和结构，主要是解决绿色植物利用什么物质和结构来吸收光能的问题。教材以问题串贯穿正文的方式来加以表述。第二小节再引导学生认识光合作用的原理，详细了解光合作用是如何进行的，并探讨光合作用原理在实践上的应用。本节内容需要3课时完成。第1课时完成“捕获光能的色素”和“绿叶中色素提取和分离”实验，第2课时完成“叶绿体适于进行光合作用的结构”和“光合作用原理”，第3课时完成“光合作用原理的应用”。

光合作用是地球上最重要的化学反应。光合作用的概念及其应用一直是中学生物学课程中的重要内容。本节是本模块的重点内容之一。通过本节教学有助于学生科学自然观的形成;有助于从生命观念、科学思维、科学探究、社会责任4个方面培养学生生物学科核心素养。

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其功能。

2.运用结构与功能相适应的观念，解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点。

3.通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论，说明光合作用过程，并从物质与能量观视角，阐明光合作用原理，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。

4.设计并实施实验，探究环境因索对光合作用强度的影响。

5.关注光合作用原理的应用。

教学重、难点

1.教学重点

(1 )叶绿体适于光合作用的结构特点。

(2)光合作用的原理。

2.教学难点

(1)光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系。

(2)探究影响光合作用强度的环境因索。

教学过程

第1课时

教学内容

教师活动

学生活动

引入新课

【创设情境】

展示诗歌及图片，提出问题导入光合作用有关色素的学习。

《苏幕遮·怀旧》 

宋代范仲淹 

碧云天,黄叶地，秋色连波,波上寒烟翠。 

山映斜阳天接水，芳草无情,更在斜阳外。 

绿叶中的色素有哪些?这些色素有什么作用呢?

欣赏诗歌与图片，思考绿叶中有哪些色素。

一、捕获光能的色素

展示正常苗与白化苗，引出色素的重要性。

正常幼苗进行光合作用，制造有机养料。

白化苗无法进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。

推论:光能的捕获与叶片颜色有关。

分析,提出假设:光能的捕获需要绿叶所含的色素。

【探究实践】

进行绿叶中色素的提取与分离

▲提取绿叶中的色素

提取原理：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中

指导学生阅读教材，连线实验用品及作用：

引导学生阅读教材，分析实验步骤，注意重点： 

播放《绿叶中色素的提取》视频,并指导学生进行色素的提取。

【布置任务】

任务一：引导学生分析实验过程及结果。

(一)色素的提取

指导学生阅读教材P98的“探究·实践”，回答相关问题：

1.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？

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。

2.研磨时应注意什么?原因是什么?

研磨时要迅速、充分。这样可以保证色素释放得更加充分且挥发量少。

3.过滤时漏斗基部的尼龙布能否用滤纸替代?原因是什么?

不能用滤纸替代。因为滤纸的吸附性强，会导致滤液中色素的浓度过低。

4.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?

(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忆醇过多，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。

▲分离绿叶中的色素

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。

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。

展示实验步骤关键点及注意事项：

播放《绿叶中色素的分离》视频并进行实验。

学生思考讨论以下问题：

1.制备滤纸条时为什么要减去两角?

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。

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?

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。

3.为何滤液细线不能触及层析液?

防止色素溶解在层析液中。

展示部分学生实验结果并进行分析。

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。

请学生根据实验结果写出各种光合色素的含量排序。

色素含量:叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素。

【学科交叉】 

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。

光合色素的吸收光谱：叶绿体中的色素只吸收可见光， 而对红外光和紫外光等不吸收。

通过对光线经过色素及三棱镜后出现的暗带分析得出两大类色素吸收的光谱。

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。

分析叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱得出4种色素吸收的光谱。

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。

(三)结合色素的吸收光谱指导学生一起分析实际问题

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?

应选无色的大棚塑料薄膜。因为太阳光由七色光组成,所以用无色的大棚塑料薄膜,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?

应选择蓝紫光和红光。因为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。

通过对正常苗与白化苗的对比分析，推出光能的捕获与叶片颜色有关。

进行绿叶中色素的提取与分离的实验探究。

阅读教材，搞清实验用品及对应的作用。

捋清实验步骤，并进行实验。

阅读教材“探究·实践”，思考并回答相关问题。

注意分离色素的细节。

观看视频并进行实验。

分析实验结果得出结论。

结合色素的吸收光谱的特点，分析解决实际问题。

习题巩固

1.(2023·福建福州高一期末)关于“绿叶中色素的提取和分离”实验，下列叙述错误的是

A.研磨时加入适量二氧化硅，有助于提高过滤液的色素浓度

B.可用干燥定性滤纸置于玻璃漏斗基部进行过滤，收集滤液

C.可用盖玻片蘸取滤液，沿铅笔细线按压出均匀的色素细线

D.层析后出现的色素带，其位置、颜色和宽窄蕴含不同信息

【答案】B

【解析】漏斗基部应该放一块单层尼龙布进行过滤，收集滤液，滤纸对色素有吸附作用，不能用滤纸过滤，B错误。

2.(2023·辽宁沈阳高一期中)为研究光照强度对幼苗光合色素的影响，用纸层析法对正常光照和强光照条件下生长的植物叶片中的光合色素进行分离，结果如图所示(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。下列叙述正确的是 

A.色素Ⅳ在提取液中的溶解度最低

B.色素Ⅰ、Ⅱ主要吸收可见光中的蓝紫光和红光

C.强光照可提高类胡萝卜素含量，降低叶绿素含量

D.色素Ⅰ的颜色为橙黄色、色素Ⅳ的颜色为蓝绿色

【答案】C

【解析】 A、色素在层析液中溶解度越低，则在滤纸条上扩散速度越小，位于滤纸条下端，由此可推知色素IV在层析液中的溶解度最低，A错误;

B、滤纸条上的色素带从上到下依次是: I为胡萝卜素、II为叶黄素、II为叶绿素a、IV为叶绿素b，色素I、II属于类胡萝卜素。类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，B错误;

C、与正常光照比，强光照下，I胡萝卜素、II叶 黄素含量增加，II为叶绿素a含量降低，因此可推知强光照可提高类胡萝卜素含量，降低叶绿素含量，C正确;

D、I胡萝卜素颜色为橙黄色，IV叶绿素b的颜色为黄绿色，D错误。

故选C。

二、叶绿体的结构适于进行光合作用

【合作探究】

活动1：认识叶绿体的结构 

指导学生阅读教材P100中间三段内容, 完成以下问题:

1.写出图中的①②③所代表的结构：

①________________________

②________________________

③________________________

①叶绿体内膜、外膜

②叶绿体基质

③叶绿体基粒

叶绿体的结构适于进行光合作用，引导学生分析叶绿体结构与功能相适应的特点。

2.叶绿体是如何增大生物膜面积的,优点?

  叶绿体含有众多的基粒和类囊体,极大地扩展了生物膜面积。

3.联想：线粒体？体现了什么样的生物学观点？ 

  结构和功能相适应。 

4.进行光合作用所必需的酶分布在叶绿体的哪些结构中?

  进行光合作用所必需的酶分布在叶绿体的基粒的类囊体薄膜上或者叶绿体基质中。

活动2：分析叶绿体的功能

结合教材P100“思考·讨论”的内容请学生讨论下列问题:

资料1   1881年德国科学家恩格尔曼的实验

对恩格尔曼的实验进行分析，体会恩格尔曼实验设计的巧妙之处。

指导学生分析讨论得出：氧气是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。（即：叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧）

任务二:分析叶绿体的功能

1.实验选择水绵和需氧细菌作为实验材料的优点: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。

2.为何要除去小室中原有的空气?

选用没有空气的环境，可排除空气中氧气的干扰。

3.在黑暗中用极细的光束照射水绵有何巧妙之处?

用极细的光束照射，使叶绿体形成有光和无光部位，相当于一组对比实验。

4.为何把载有水绵的临时装片又暴露于光下?

和黑暗条件下用极细的光束照射进行对照，进一步明确实验结果完全是由光照射到叶绿体引起的。

恩格尔曼的实验二

6.综合上述分析，你认为叶绿体具有什么功能？

叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。

5.为什么大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域呢？

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。

阅读教材, 掌握叶绿体的结构与其对应的功能。

对恩格尔曼的实验进行思考分析，归纳概括出叶绿体的功能。

习题巩固

3.(2023·河北邯郸高一期末)下列有关叶绿体的叙述，正确的是

A.叶绿体具有双层膜结构，光合色素分布在内膜上

B.叶绿体中只有叶绿素可吸收光能用于光合作用

C.叶绿体内众多的基粒，极大地扩展了受光面积

D.植物叶片多呈现绿色是由于叶片中的叶绿体吸收了较多绿光

【答案】C

【解析】A、叶绿体具有双层膜结构，内部有许多由类囊体堆叠而成的基粒,光合色素分布在类囊体的薄膜.上，A错误;

B、叶绿体中的叶绿素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，4种色素吸收的光波长有差别，但都可用于光合作用，B错误;

C、叶绿体内众多的基粒，极大地扩展了受光面积，C正确;

D、叶片中的叶绿体吸收绿光最少，绿光被反射出来，使得植物叶片呈现绿色，D错误。

故选C。

4.(2023·江西宜丰中学高一月考)德国科学家恩格尔曼曾用需氧细菌、水绵做了两个实验，发现叶绿体的功能以及光合作用的吸收光谱，实验内容如图所示。下列分析错误的是

A.实验一黑暗组水绵叶绿体的不同部位可以相互对照

B.实验一中的两组实验均是在无空气的小室内进行的

C.实验一说明叶绿体通过光合作用向细胞外释放氧气

D.实验二说明叶绿体不能吸收波长为550～600 nm的光

【答案】D

【解析】A、实验一黑暗组水绵叶绿体的照光部位与不照光部位形成相互对照,A项正确;

B、实验一中的两组水绵细胞均是在无空气的小室内进行实验的，以排除氧气对实验结果的干扰,确保氧气是由光合作用时叶绿体释放的,B项正确;

C、好氧细菌的分布情况说明氧气由叶绿体释放，叶绿体是光合作用的场所,C项正确;

D、实验二说明叶绿体对波长为550~600 nm的光吸收少,不能说明叶绿体不吸收该波长的光,D项错误。

课堂小结

板书设计

第4节  光合作用与能量转化

一、捕获光能的色素

1.提取绿叶中的色素

用有机溶剂无水乙醇提取

2.分离绿叶中的色素

“纸层析法”，用层析液进行分离

3.色素含量:叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素

二、叶绿体的结构

三、叶绿体的功能