5.4光合作用与能量转化第1课时教学设计-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

第5章第4节第1课时捕获光能的色素和结构 目标素养 1．通过对“绿叶中色素的提取和分离”实验的操作，提升实验探究能力。 2．阐明“绿叶中色素的提取和分离”实验的原理与方法。 3．简述绿叶中色素的种类及其功能。 4．说明叶绿体适于进行光合作用的结构特点；认同叶绿体的结构与其功能相适应。重点难点 重点 1．“绿叶中色素的提取和分离”实验的原理与方法。 2．叶绿体适于进行光合作用的结构特点。 难点 1．叶绿体适于进行光合作用的结构特点。 2．通过学习经典实验学习实验的设计思路。 教学准备 1．视频《植物工厂》《叶绿体中色素的提取与分离》和《恩格尔曼的实验》。 2．实验“叶绿体中色素的提取与分离”所需的材料和用具。 学生准备 预习。 导入新课 导入一 播放视频《植物工厂》。 提问：靠人工光源生产蔬菜有什么好处？ 学生 用人工光源生产蔬菜，可以避免由自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成的减产。同时，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。 教师 为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？ 学生 影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件，也有外界环境条件。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。 教师 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。光合作用是“地球上最重要的化学反应”，植物捕获光能要依靠特定的物质和结构，这个结构是什么？ 学生 叶绿体。 导入二 教师 课件出示玉米的白化苗和正常植株的图片。 提问：白化苗很快就会死去，而正常植株可以不断生长，为什么？ 学生 白化苗由于不能形成叶绿素，不能进行光合作用，储存的养分耗尽就会死去。正常植株（绿色）含有叶绿素等能捕获光能的色素，能进行光合作用，可以不断生长。 教师 由此可见，捕获光能的色素对于光合作用十分重要，那么这些色素有哪些种类？具有哪些功能呢？ 教学过程 环节一：“绿叶中色素的提取和分离”实验 思路一 教师 首先读一读本实验的课题“绿叶中色素的提取和分离”，说一说本实验可以分成哪两步。 学生 绿叶中色素的提取、色素的分离。 阅读教材相关内容，总结出这两个实验的原理分别是什么。 学生.绿叶中色素的提取的原理是绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。绿叶中色素的分离的原理是它们都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同。溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。 教师 本实验中，实验材料为什么要选新鲜的绿叶？ 学生 因为新鲜绿叶中叶绿素的含量较高。 教师 色素的提取分哪几步？ 学生 取材→研磨→过滤→收集。 教师研磨过程中二氧化硅和碳酸钙分别有什么作用？ 学生 二氧化硅有助于研磨得充分；碳酸钙可以防止研磨中色素被破坏。 教师研磨时应注意什么？为什么？ 学生 迅速、充分地研磨，保证色素释放得更加充分且挥发量少。 教师 过滤时要将研磨液迅速倒入基部放一块单层尼龙布的玻璃漏斗，为什么不能用纱布或滤纸？ 学生 纱布和滤纸易吸附色素。 教师 制备滤纸条时将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端底部1cm处用铅笔画一条细的横线，目的是什么？ 学生 目的是保证色素在滤纸上均匀扩散。 教师 如何画滤液细线？为什么要多画几次？ 偶有所碍 学生 用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线，保证滤液细线细、齐。待滤液干后，再重画一到两次，目的是使滤液细线含有较多的色素。 分离色素的方法叫纸层析法，它是如何操作的？ 学生 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。 为什么要用棉塞将装有层析液的试管口塞紧？ 学生 防止层析液挥发。 纸层析时需要注意什么？避免什么？ 学生 不能让滤液细线触及层析液，防止色素溶解在层析液中。 播放视频《叶绿体中色素的提取与分离》。 学生 观看视频，掌握操作方法后动手实验。实验完成后，各组分享实验结果。 课件出示实验结果的图片。提问：色素带位置的高低不一说明了什么？ 学生 各种色素的扩散速度不同。 根据教材中绿叶中的色素的含量及颜色的介绍，请分析你得到的滤纸条上的四条色素带分别表示什么色素？四种色素中哪种色素在层析液中的扩散速度最快？ 学生 滤纸条上四条色素带从上到下依次为胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b。胡萝卜素在层析液中的扩散速度最快。 教师色素带宽窄不一说明了什么？ 学生 色素带宽窄不一说明了叶绿体中各类色素的含量不同。其中胡萝卜素含量最低，叶绿素a含量最高。 教师如图为科学家通过实验得到的曲线图，分析该图解释为什么大多数叶片都是绿色的。 学生 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。植物吸收绿光最少，所以大多数叶片是绿色的。 设计意图 通过多个问题引导学生掌握实验的具体步骤及注意点，让学生提高实验效率，保证实验的顺利进行。锻炼学生动手实践的能力，培养学生团结协作的能力；再结合教材知识，引导学生总结得出植物绿叶中所含有的色素的种类和含量。 思路二 教师 实验“绿叶中色素的提取和分离”可以分为两大步：色素的提取、色素的分离。在提取色素时要注意以下四点： 1．破碎细胞及叶绿体，使色素充分释放。 2．保证色素的结构和活性不被破坏。 3．使色素溶解在试剂里。 4．减少色素的损失。 请分析提取色素的原理和步骤，小组合作，总结如何达到这些目的。 学生 1．将叶片剪碎、研磨时加二氧化硅，有助于研磨得充分。 2．研磨时加碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。 3．叶绿体中的色素能溶于无水乙醇等有机溶剂。 4．迅速、充分地研磨，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，及时用棉塞将装有滤液的试管口塞严，保证色素释放得更加充分且挥发量少。 教师 播放视频《叶绿体中色素的提取与分离》中有关色素提取的内容。 学生 观看视频。 请学习小组1、2、3、4分别按表中的要求，完成叶绿体中色素的提取。 组别 1 2 3 4 注意事项 （其余步骤不变） 同教材实验步骤 将无水乙醇改成蒸馏水 不加二氧化硅 不加碳酸钙 实验现象 学生 按表中要求进行实验，记录实验结果，展示实验现象。 1组得到的滤液为深绿色的；2组得到的滤液几乎是无色的；3组得到的滤液为浅绿色；4组得到的滤液为浅绿色。 教师 请2、3、4三小组成员解释自己所得实验结果与预期实验结果有差异的原因。 学生 2组：2组没有加无水乙醇，色素不溶于蒸馏水，因此几乎没有得到色素。 3组：3组因没有加二氧化硅，研磨不充分，所得滤液中色素较少。 4组：4组因没有加碳酸钙，色素被破坏，所得滤液中绿色较浅。 教师 课件出示色素分离的装置图。 色素分离 学生 结合教材知识，小组合作，回答问题： 1． 色素分离的原理是什么？ 提示：各种色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸条上扩散得快，反 之则慢。 2．层析液的成分是什么？ 提示：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。 3．将干燥的定性滤纸条一端剪去两角的目的是什么？ 提示：防止色素带重叠而影响分离效果。 4．滤液细线的划线原则是什么？层析液能否没过滤液细线？ 提示：滤液细线要细、直、齐；滤液细线干燥后重画1～2次。滤液细线不能触及层析液，因为滤液细线中的色素会被层析液溶解，而不能在滤纸上扩散。 5．该图所示装置有没有问题？ 提示：该装置图有问题，要盖上培养皿，以防止层析液挥发，层析液易挥发且有毒。 播放视频《叶绿体中色素的提取与分离》有关色素分离的部分。 学生观看视频。 现在1组的同学将滤液分成三组，1A组按教材步骤完成，1B组滤液细线只画一次，1C组滤液细线触及层析液，完成色素的分离实验。其余各组按教材所示步骤完成实验。 学生 完成实验，记录实验结果。展示实验现象。 1A组基本可以得到四条色素带，1B组和1C组四条色素带都很浅，有的甚至看不清。2组基本无色素带。3组四条色素带都很浅，有的甚至看不清。4组基本可以得到两条色素带，绿色色素带较浅甚至没有。 请结合教材知识，填写表格，表中是正确操作后应得到的滤纸条及色素带的分布。 学生填写表格。 色素种类 色素颜色 色素含量 溶解度 扩散速度 胡萝卜素 橙黄色 最少 最高 最快 叶黄素 黄色 较少 较高 较快 叶绿素a 蓝绿色 最多 较低 较慢 叶绿素b 黄绿色 较多 最低 最慢 教师 课件出示阳光穿过叶绿素溶液和类胡萝卜素溶液照射到三棱镜上的光谱图，以及阳光直接穿过三棱镜后的光谱图。 学生 分析图片，得出结论：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。 设计意图 通过分组，在不同条件下进行实验探究，可以让学生在探究过程中，更直接地体会色素提取、分离的原理和步骤及注意点，也培养了学生探究实验的科学思维。 环节二：叶绿体的结构适于进行光合作用 思路一 课件出示图片： 学生 小组讨论，回答下列问题： 1．叶绿体主要分布在哪些细胞内？ 提示：叶绿体主要分布在绿色植物的叶肉细胞中。 2．所有植物细胞都含有叶绿体吗？ 提示：并非所有的植物细胞都含有叶绿体，如根尖细胞不含叶绿体。 3．在光学显微镜下，叶绿体是什么形状的？ 提示：在光学显微镜下，叶绿体一般呈扁平的椭球形或球形。 4．电子显微镜下，叶绿体的结构具有哪些特点？ 提示：电子显微镜下，叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为类囊体，基粒与基粒之间充满了基质。 5．与光合作用有关的色素在哪里？ 提示：与光合作用有关的色素在类囊体薄膜上。 6．与光合作用有关的酶分布在哪里？ 提示：与光合作用有关的酶分布在类囊体膜上和叶绿体基质中。 教师 小小的叶绿体中具有许多的基粒，每个基粒都含有两个以上的类囊体，多的可达100个以上，这样的结构有什么好处？ 学生极大地扩展了受光面积。 由于叶绿体中含有能吸收光能的色素，因此叶绿体具有吸收光能的功能。除此以外，叶绿体还有什么功能呢？ 如图为德国科学家恩格尔曼所做的实验之一，他把载有水绵（叶绿体呈螺旋带状分布）和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。想一想，该实验的结论是什么？ 被光束照射的部位 所有受光部位光下-分布于叶绿体 学生 氧是由叶绿体在光下释放出来的。 教师为什么选用水绵和需氧细菌作为实验材料？ 学生 水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察。需氧细菌可确定释放氧气的部位。 为什么将水绵和需氧细菌置于黑暗并且没有空气的环境中？ 学生 选用黑暗并且没有空气的环境可排除光线和空气中氧的干扰。 学生 叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验。 教师 如图为恩格尔曼做的另一个实验：用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。 该实验的现象是什么？怎么解释这种现象呢？ 学生，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，这是因为水绵叶绿体中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。 综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？ 学生叶绿体能吸收光能，用于光合作用放氧，且叶绿体能够吸收特定波长的光。 教师 某些树的树叶随时间的变化颜色也发生变化，如春夏为绿色，秋天转为黄色。为什么不同季节叶片的颜色不同呢？ 学生 春夏之际，由于叶绿素的含量大大超过类胡萝卜素，而使类胡萝卜素的颜色被掩盖，只显示出叶绿素的绿色。秋天叶绿素含量降低，而使类胡萝卜素的颜色显示出来，叶片变黄。 教师 秋天降温时，植物体为适应寒冷环境，体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素因寒冷逐渐降解，叶子呈现红色。 思路二 现在我们已经知道绿叶中含有4种色素，那么，这些色素分布在细胞中的哪些部位呢？直到1865年，德国植物学家萨克斯研究叶绿素在光合作用中的功能时，发现叶绿素并非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，后来人们称之为叶绿体。 教师请阅读教材有关叶绿体结构的内容，叙述叶绿体的显微结构以及分布情况。 学生 叶绿体一般呈扁平的椭球形或球形，主要分布在植物的叶肉细胞内。 教师在电子显微镜下观察，叶绿体结构具有哪些特点呢？ 学生叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为类囊体，吸收光能的4种色素就分布在类囊体的薄膜上，基粒与基粒之间充满了基质。叶绿体内有如此众多的基粒和类囊体，极大地扩展了受光面积。 教师在学生讲述时，可以绘制叶绿体的结构模式图。 教师 叶绿体的哪些结构特点适合于进行光合作用呢？ 学生 ①叶绿体类囊体堆叠成基粒，增大了叶绿体膜的表面积；②叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着大量光合色素；③类囊体膜上和叶绿体基质中，有许多与光合作用有关的酶。 教师 播放视频《恩格尔曼的实验》，提出问题：恩格尔曼第一个实验的结论是什么？ 学生，恩格尔曼第一个实验的结论是：氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。 教师 恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？ 学生实验材料选择水绵和需氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋带状，便于观察，用需氧细菌可确定释放氧气多的部位；没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果，等等。 如图为恩格尔曼的第二个实验，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？ 学生 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。 教师 综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？ 学生 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（如红光和蓝紫光）。 教师 总结：叶绿体能吸收光能，用于光合作用放氧，是光合作用的场所。 教师 从物理学的角度分析，光的波长越短，能量越多，透射的深度也就越深。可见光中，红光波长最长，透射的深度也就最浅。海水中透射率最高的是绿光。海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。绿藻看起来是绿色的，可能的原因是什么？ 学生 绿藻中的色素对绿光吸收率最小，绿光被反射出来。 海水中绿光透射率最高，而在深海中分布最多的是红藻，从光合色素的角度解释原因。 学生 红藻中的色素对绿光有较高的吸收能力。 这种现象与光能的捕获有关吗？ 学生 不同颜色的藻类吸收不同波长的光，藻类本身的颜色是反射出来的光。水对红橙光的吸收比对蓝绿光的吸收高，即到达深水层的光线是短波长的光，因此吸收红光和蓝紫光较多的绿藻，分布在海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻，分布在海水的深层。 教学研讨 实验“叶绿体中色素的提取与分离”考点多，出现频率高，因此通过问题串，可引导学生将实验原理、实验结果和实验操作中的细节问题搞清楚，并引导其因果联系，发展学生分析问题的能力，也可设置新的分组，将实验所用试剂的作用更直观地展现在学生面前。在学生阅读教材的基础上，绘制或展示叶绿体模式图，分析叶绿体适于光合作用的特点；而恩格尔曼的实验分析，则着重培养学生对实验材料、过程及现象的分析能力。 学科网（北京）股份有限公司 $$