能量之源光与光合作用(教案)

能量之源——光与光合作用
导入：大家应该听说过这样一个实验：比利时的科学家海尔蒙特把一棵2.5千克的柳树种在装有90千克泥土的桶里，只浇雨水，5年后，柳树长到85千克，而泥土只减少不到100克，由于水是加到桶里的唯一物质，所以当时海尔蒙特认为使柳树生长的物质是水。

那么你们认为呢？（1、植物吸收的水大部分都散失到空气中；2、植物生长主要的原因是植物能利用阳光和空气中的二氧化碳进行光合作用）对于绝大多是生物来说，追根溯源其生命活动所需要的能量都是源自于太阳的光能，而太阳的光能要转化为能被细胞利用的化学能需要经过光合作用，那么哪些生物可以进行光合作用呢？（植物or绿色植物）举例：玉米的白化苗由于不能进行光合作用，在种子的储存的养分耗尽后就会死亡。

由此，我们也可以推测，光合作用可能与什么有关？（色素）其实除了绿色植物，还有原生生物如：蓝藻，原核生物如：光合细菌，这些生物之所以能够进行光合作用，也是因为他们体内含与绿色植物一样的某些能够捕获光能的色素，那么究竟绿叶中含有哪些色素呢？
一、实验：绿叶中色素的提取和分离
1、原理：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，可用无水乙醇提取绿叶中的色素。

绿叶中的色素不只一种，它们在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。

2、实验现象：从上到下颜色依次为：橙黄色（胡萝卜素）、黄色（叶黄素）、蓝绿色（叶绿素a）、黄绿色（叶绿素b）
3、结果分析：
色素带的条数与色素的种类有关，四条色素带说明有四种色素。

色素带的宽窄也色素含量有关，越宽说明含量越多，最宽的是叶绿素a，最窄的是胡萝卜素。

色素带的扩散速度与溶解度有关，扩散越快溶解度越大。

4、四种色素对光的差异性吸收
从实验结果来看这四种色素的含量、在有机溶液中的溶解度都是不同的，那么这四种色素对光的吸收有没有什么差别呢？
将四种色素溶液分别放在阳光和三棱镜之下，从连续光谱中可以看到不同波长的光被吸收的情况，其中叶绿素a和叶绿素b主要是吸收蓝紫光和红光；胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。

这些色素吸收的光都可以用于光合作用，绿光由于被吸收得最少，被反射出来，所以叶片呈现出绿色。

因此，我们在种植温室或者大棚蔬菜时，应该注意什么？（透光性要好，并且不能选用绿色的塑料或者玻璃）
二、光合作用的探究历程
了解了与光合作用有关的四种色素之后，我们不禁又会思考这些色素存在于细胞中什么部位，他们在光合作用的过程中充当什么样的角色，光合作用发生的场所在哪里，需要哪些条件，原料和产物又分别是什么？人们对光合作用的认识也经历了一个漫长的过程，科学家们用了200多年的时间经过了无数次的实验，才对光合作用有了比较清楚的认识，接下来我们就随科学家们探寻的足迹来了解光合作用。

1771年，普利斯特利，将点燃的蜡烛与绿色植物放在密闭的容器
中——蜡烛不熄灭，将小鼠与绿色植物放在密闭容器中——小鼠不易窒息，得出结论：植物可以更新空气。

为什么有人认为植物也能使空气变污浊？（若是在无光条件下，植物只进行光合作用，释放二氧化碳）很显然，他没有发现光在植物更新空气中的作用。

1779年，英格豪斯在已有基础上多次进行了植物更新空气的实验，相比前人的实验，他进行了对比实验和重复实验，结果发现，植物更新空气需要绿叶和阳光。

植物更新空气究竟是更新的空气中的什么成分呢？随着空气的组成被发现，人们明确了绿叶在光照下放出的是氧气，吸收的是二氧化碳。

那么在这个过程中植物吸收的光能去向何方？1845年，梅耶根据能量转化与守恒定律明确指出，植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来。

光能转换成化学能，那么化学能又以什么样的形式储存呢？1864年萨克斯实验：将绿叶在黑暗中放置几个小时（消耗掉叶片中的营养物质），然后将叶片一半遮光，一半曝光（对照），一段时间后他用碘蒸汽处理这片叶，发现曝光的一半呈深蓝色，遮光的一半则没有颜色，实验证明：光合作用的产物除了氧气外还有淀粉。

除此之外，萨克斯还在研究叶绿素在光合作用中的功能时发现，叶绿素不是普遍分布在植物的整个细胞中，而是集中在一个个更小的结构里，这个结构后来被人们称为叶绿体。

1880年，恩格尔曼利用水绵和好氧细菌进行实验，他将载有水绵
和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中，然后用极细的光速照射水绵，发现细菌只向被光束照射到的部位集中，如果临时装片暴露在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。

说明：氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是光合作用场所。

光合作用的原料油二氧化碳和水，那么产生的氧气中的氧是来自二氧化碳还是水呢？1941年，科学家鲁宾和卡门利用同位素标记法，证明光合作用释放的氧全部来自于水。

看到这里，我们对光合作用有了一个概括性的认识，首先，光合作用所需的原料是二氧化碳、水；产物是氧气、淀粉等有机物；发生的场所是叶绿体（了解叶绿体），（讲完叶绿体结构后补充：条件——光、多种有关的酶）
叶绿体：叶绿体这个细胞器我们前面已经有了一些了解，大家先自行看看教材上对叶绿体进行介绍的内容。

提问：叶绿体在光学显微镜下观察是怎样的？（一般呈扁平的椭球形或球形）在电子显微镜下可以看到那些结构？（可以看到其外表有双层膜，内部有许多由类囊体堆叠而成的基粒）叶绿体中数量丰富的基粒和类囊体有什么意义？（吸收光能的四种色素分布在类囊体的薄膜上，叶绿体中有如此多的基粒和类囊体，极大的增大了受光面积，有利于吸收更多的光能）当然，叶绿体的功能并不是局限于吸收光能，在其类囊体和基质中含有许多进行光合作用所必须的酶，所以植物的光合作用都是在叶绿体中进行的。

这里我们已经可以给光合作用下一个定义：光合作用是指绿色植
物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。

用一个化学反应式来表示就是：
CO 2 + H 2O （CH 2O ）+ O 2
三、光合作用的过程
现在大家已经对光合作用有了一个总体的认识，那么接下来我们一起来细细的了解一下光合作用的具体过程。

光合作用的过程并不是像化学反应式这样简单，它包括了一系列复杂的化学反应，人们根据是否需要光能将这些化学反应概括性的分为光反应和暗反应两个阶段。

光反应，顾名思义，这个反应阶段必须要有光才能进行，这也是光合作用过程红第一个阶段发生的反应。

而暗反应对光是没有要求的，有光没光都可以进行。

接下来给大家6分钟的时间，阅读教材130-104页与光合作用过程相关的内容，完成104页上的思考与讨论。

类别
光反应阶段 暗反应阶段 条件
光、色素、酶 [H]、ATP 、CO 2、酶 场所
叶绿体类囊体的薄膜上 叶绿体基质 物 质
变 化 水的光解：2H 2O —4[H]+O 2 ATP 的形成：ADP+Pi+能量—ATP （酶） CO 2的固定：CO 2+C 5—2C 3（酶） C 3还原：2C 3+[H]—（CH 2O ）+C 5（酶、ATP ）
形成ATP ：ATP —ADP+Pi+能量
能量转换 光能—ATP 中活跃化学能 ATP 中活跃化学能—有机物中稳定化学能
光能
叶绿体
光反应和暗反应的联系：
1、光反应为暗反应提供[H]、ATP，暗反应为光反应提供ADP、Pi。

（与线粒体不同，光反应产生的ATP是自产自销，不用于其他生命活动）
2、没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，无法合成有机物，光反应产物累积，反应受阻。

可见光反应阶段和暗反应阶段既有区别又有联系，是缺一不可的整体。

光合作用中各种元素的去向：
采用同位素示踪法
四、光合作用原理的应用
从光合作用的整个过程来看，有哪些因素会对光合作用产生影响呢？（结合前面所学，从光合作用的原料、产物、条件等方面来考虑）空气中二氧化碳浓度、水分、光照强度、光照时间、光的成分、温度等环境因素都可能影响光合作用，进而影响植物制造糖类的量，我们把植物单位时间内通过光合作用制造的糖类的数量称为光合作用的强度，他可以用三种方式来表示：单位时间内光合作用产生有机物的量；单位时间内光合作用吸收CO2的量；单位时间内光合作用放出O2
的量。

接下来我们具体的来看一下，这些环境因素会对光合作用强度产生怎样的影响：。