2024年高中生物新教材同步必修第一册 第5章 第4节　第1课时　捕获光能的色素和结构

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[学习目标]1.尝试提取绿叶中的色素，简述绿叶中色素的种类及功能。2.说明叶绿体适于进行光合作用的结构特点。一、捕获光能的色素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。(2)实验用品及作用(3)实验步骤2．分离绿叶中的色素(1)原理：不同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上扩散得快，反之则慢。(2)实验步骤(3)实验结果及分析3．色素的吸收光谱(1)光谱：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，称为光谱。(2)色素的吸收光谱判断正误(1)提取色素时加碳酸钙的目的是使研磨更充分()(2)绿叶中含量越多的色素，其在滤纸条上扩散得越快()(3)叶绿素a和叶绿素b只吸收红光和蓝紫光()(4)植物叶片之所以呈现绿色，是因为叶片中的叶绿体吸收了绿光()(5)在干燥滤纸条一端1厘米处用钢笔画一条细的横线()答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)×解析(1)提取色素时加二氧化硅的目的是使研磨更充分，加碳酸钙的目的是防止研磨中色素被破坏。(2)绿叶中含量越多的色素，其在滤纸条上越宽，溶解度越大的色素在滤纸条上扩散越快。(3)叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光，对其他波段的光也吸收，只是吸收得少。(4)植物叶片之所以呈现绿色，是因为叶片反射了绿光。(5)在干燥滤纸条一端1厘米处用铅笔画一条细的横线。任务一：分析实验过程及结果(一)色素的提取阅读教材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？提示色素提取时，研磨叶片会导致液泡中的有机酸释放出来，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？提示研磨时要迅速、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？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。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？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。(二)色素的分离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。2．滤液细线的画线原则是什么？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。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．滤纸条上色素带的分布情况说明了什么？提示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得快慢也不同。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。(三)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。知识链接叶子为什么会变色新生的树叶通常为绿色，这是由于新生叶子中主要含叶绿素与类胡萝卜素，其中叶绿素含量多(约占3/4)，叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射出来的缘故。在春季与夏季，植物为了生长会产生大量的叶绿素进行光合作用，所以此时叶子多呈绿色。树叶变黄是由于树叶中的各种色素在秋季来临之时会发生分解。树叶中的营养会被重新分配给树干与树根，以备过冬。而叶绿素的分解速度比叶黄素等快很多，叶绿素迅速分解完，叶黄素的颜色显露出来。因此秋季树叶多呈黄色。而树叶变红则是因为当温度低于7℃时，树叶中会生成花青素。花青素是植物花瓣中主要的显色物质，如玫瑰、牡丹等。在树叶落地后，树叶中的各种色素会逐渐降解，这时残留于叶中“单宁”的颜色——褐色便呈现出来，因此落叶最后呈褐色。1．某同学在进行“绿叶中色素的提取和分离”实验时，进行了以下操作：①将5g新鲜菠菜叶片剪碎放入研钵中，加入无水乙醇后直接进行研磨；②将预备好的滤纸条一端剪去两角，在距这一端1cm处用钢笔画一条横线；③为增强实验效果，将滤液细线画粗些；④将滤纸条画有滤液细线的一端朝下，轻轻插入层析液中，让滤液细线浸入层析液中。该同学的操作有误的是()A．① B．①②C．①②③ D．①②③④答案D解析将5g新鲜完整的菠菜叶，剪去主叶脉，剪碎，放入研钵中，加入无水乙醇、二氧化硅和碳酸钙以后，迅速研磨，①错误；将预备好的滤纸条一端剪去两角，在距这一端1cm处用铅笔画一条横线，不能用钢笔画线，②错误；用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线，为增强实验效果，待滤液干后，可将滤液细线重复画一到两次，但是不能画得太粗，③错误；将滤纸条画有滤液细线的一端朝下，轻轻插入层析液中，但是滤液细线不能浸入层析液中，④错误。因此，以上操作都是错误的，故选D。2．某实验小组利用新鲜的绿叶为材料，进行绿叶中色素的提取与分离实验，实验结果如图所示。请回答下列问题：(1)分离绿叶中的色素常用纸层析法，该方法的原理是_________________________________________________________________________________________________________________。A、B是滤纸条上的标记，根据实验现象可知层析液最先所处的位置是________(填“A”或“B”)处。(2)在色素的提取与分离过程中，偶然发现某植株缺失第Ⅲ条色素带。缺失第Ⅲ条色素带的植株不能合成________，导致对________光的吸收能力明显减弱。答案(1)光合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上扩散得快，反之则慢A(2)叶黄素蓝紫解析(2)图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别是叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素。叶黄素主要吸收蓝紫光，缺失第Ⅲ条色素带的植株不能合成叶黄素，导致对蓝紫光的吸收能力明显减弱。二、叶绿体的结构适于进行光合作用1．叶绿体的形态：一般呈扁平的椭球形或球形。2．叶绿体的结构模式图(1)结构eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(外表：①双层膜,内部\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(②基质,③基粒：由类囊体堆叠而成))))↓决定(2)功能：进行光合作用的场所。↑证明(3)恩格尔曼的实验：需氧细菌只分布在叶绿体被光束照射的部位。3．叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础(1)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。(2)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。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是：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？提示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。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。5．由此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。6．在恩格尔曼的第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？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，叶绿体会释放较多氧气，适于需氧细菌在此区域分布。7．综合上述分析，你认为叶绿体具有什么功能？提示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。3.如图为叶绿体的结构示意图，下列叙述不正确的是()A．①具有选择透过性B．吸收光能的色素分布在②上C．与光合作用有关的酶只分布在③中D．叶绿体具有双层膜答案C4.德国科学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的吸收光谱。他将三棱镜产生的散射光投射到丝状水绵体上，并在水绵悬液中放入需氧细菌，观察细菌的聚集情况(如图所示)。他由实验结果得出光合作用在红光区和蓝紫光区最强。这个实验的思路是()A．细菌对不同的光反应不一，细菌聚集多的地方，细菌光合作用强B．需氧细菌聚集多的地方，O2浓度高，水绵光合作用强C．需氧细菌聚集多的地方，产生的有机物多，水绵光合作用强D．需氧细菌大量消耗O2，使水绵的光合速率大幅度加快答案B解析细菌不能进行光合作用，该实验中能进行光合作用的是水绵，A错误；该实验的设计思路是需氧细菌需要O2，水绵光合作用强的部位，产生的O2多，在O2含量多的地方需氧细菌的数量多，B正确、C错误；水绵光合速率的快慢与需氧细菌大量消耗O2无明显关系，D错误。题组一捕获光能的色素1．(2023·河北沧州高一期末)用新鲜菠菜叶片进行绿叶中色素的提取和分离实验。下列叙述正确的是()A．提取绿叶中色素的原理是四种色素的溶解度不同B．可以用无水乙醇作为层析液进行四种色素的分离C.SiO2有利于破坏叶肉细胞D．层析完毕后应迅速记录结果，否则色素带会挥发消失答案C解析提取绿叶中色素的原理是色素易溶于有机溶剂，分离色素的原理是色素在层析液中的溶解度不同，A错误；可以用无水乙醇作为提取液提取色素，无水乙醇不能作为层析液使用，B错误；层析完毕后应迅速记录结果，否则叶绿素条带会因色素分解而消失，但不会因挥发而消失，D错误。2．下列分离绿叶中色素的装置，正确的是()答案A解析在放置滤纸条时，一定注意的是滤液细线不能没入层析液中；层析液易挥发一定要加盖。3．在“绿叶中色素的提取和分离”实验中，以下主要步骤操作正确的是()A．步骤①为获得10mL提取液，一次性加入10mLa液研磨效果最好B．步骤②采用定性滤纸过滤，可提高滤液中光合色素的含量C．步骤③在滤纸条上连续画2～3次滤液细线，分离色素效果更好D．步骤④将试管固定于铁架台上，可防止b液晃动而触及滤液细线答案D解析由于研磨时乙醇会挥发，故为获得10mL提取液，研磨时应加入多于10mL的乙醇，A错误；步骤②采用单层尼龙布过滤，可提高滤液中光合色素的含量，B错误；画滤液细线用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线，待滤液干后，再重画一到两次，不是连续画线，C错误。4．(2023·江苏盐城高一期末)如图是纸层析法分离绿叶中的色素得到的色素带，下列说法正确的是()A．a带呈橙黄色，其在层析液中的溶解度最高B．c带最宽，其中色素主要吸收红光和蓝绿光C．越幼嫩的叶子，c和d带的宽度越大D．在提取色素时加碳酸钙的目的是保护a、b带中的色素答案A解析c带为叶绿素a，含量最多，所以宽度最宽，其中色素主要吸收红光和蓝紫光，B错误；色素带的宽度越大，色素越多，太幼嫩的叶子，叶绿素的含量较低，c和d带的宽度不大，C错误；在提取色素时加碳酸钙的目的是防止研磨中色素被破坏，其中主要是为了保护叶绿素a和叶绿素b，即图中的c和d，D错误。5．如图表示叶绿体中色素吸收光能的情况。据图判断，以下说法不正确的是()A．由图可知，类胡萝卜素主要吸收400～500nm波长的光B．用450nm波长的光比600nm波长的光更有利于提高光合作用强度C．由550nm波长的光转为670nm波长的光后，叶绿体吸收利用的光能减少D．土壤中缺乏镁时，植物对420～470nm波长的光的利用量显著减少答案C解析由题图可知，由550nm波长的光转为670nm波长的光后，叶绿体吸收利用的光能增多，C错误。6.利用无水乙醇提取出叶绿体中的色素，设法分离得到各种色素后，并将叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素和混合液依次点样在滤纸的1、2、3、4、5位置(如图所示)，当滤纸下方浸入层析液后，滤纸条上各色素正确位置应为()答案B解析在层析液中四种色素的溶解度从大到小的顺序依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b。色素溶解度越大，随层析液在滤纸上扩散的速度越快，反之则慢，因此将叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素依次点样在滤纸的1、2、3、4，从低到高依次是1、2、3、4。混合液中含4种色素，扩散后在滤纸条上形成4条色素带。故选B。题组二叶绿体的结构适于进行光合作用7．如图为叶绿体亚显微结构模式图，下列关于其结构与功能的叙述，正确的是()A．叶绿体分布在植物体的所有细胞中B．叶绿素在高等植物体内主要有两种，叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色C．同线粒体一样，叶绿体的内膜极大地扩展了受光面积D．吸收光能的色素都分布在①外膜上答案B解析植物细胞不都含有叶绿体，如根尖细胞不含叶绿体，A错误；同线粒体不一样，叶绿体的内膜没有扩大受光面积，而是叶绿体通过类囊体堆叠形成基粒，极大地扩展了受光面积，C错误；吸收光能的色素都分布在③(类囊体薄膜)上，D错误。8．恩格尔曼用极细的光束照射载有水绵和需氧细菌的临时装片①，将临时装片②暴露在光下，结果如图所示。下列关于该实验的叙述错误的是()A．实验开始前，临时装片都要先进行通气处理B．该对照实验可以证明叶绿体是进行光合作用的场所C．临时装片中的需氧细菌的聚集位置说明光合产物中有氧气D．用透过三棱镜的光束照射临时装片①，会得到与该图示不同的结果答案A解析实验开始前，临时装片都要先进行隔绝空气处理，A错误。9．在“绿叶中色素的提取和分离”实验中得到的色素带颜色较浅，分析其原因可能是()①加入的提取液太多②用体积分数为95%的乙醇加入无水碳酸钠代替无水乙醇③研磨时没有加入碳酸钙④研磨时没有加入二氧化硅⑤取的叶片叶脉过多，叶肉细胞过少⑥画滤液细线的次数少⑦使用放置数天的菠菜叶A．①③⑦ B．②④⑤C．①③④⑤⑥⑦ D．②③④⑤⑥答案C解析加入的提取液太多，色素的比例小，则色素带颜色较浅，①正确；体积分数为95%的乙醇加入无水碳酸钠可以代替无水乙醇，不会导致色素带颜色较浅，②错误；研磨时没有加入碳酸钙，使部分色素被破坏，③正确；研磨时没有加入二氧化硅，导致研磨不充分，色素没有充分提取，④正确；取的叶片叶脉过多，叶肉细胞过少，绿叶中所含色素少，⑤正确；在画滤液细线时，应等滤液干燥后再重画一到两次，画滤液细线次数太少，会使滤纸上的色素量少，也会导致滤纸条上色素带颜色较浅，⑥正确；使用放置数天的菠菜叶，使部分色素被破坏，叶片中所含色素少，⑦正确。10．在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使用情况如表所示(“＋”表示使用，“－”表示未使用)，其余操作均正常，他们所得到的实验结果依次应为()试剂甲乙丙丁无水乙醇－＋＋＋水＋－－－CaCO3＋＋－＋SiO2＋＋＋－A．①②③④ B．②④①③C．④②③① D．③②①④答案B解析甲同学由于没有加入无水乙醇，所以提取液中不会出现色素，色素分离的结果是②；乙同学操作正确，色素分离后得到四条正常的色素带，色素分离的结果是④；丙同学由于未加CaCO3，所以叶绿素含量减少，所得到的色素带中两条叶绿素带比正常的色素带要窄，色素的分离结果是①；丁同学由于未加SiO2，导致叶片研磨不充分，最终导致各种色素的含量均减少，色素的分离结果是③。11．(2023·安徽淮南高一期末)某同学对菠菜叶中提取的色素进行分离，相关结果如图所示。下列相关叙述不正确的是()A．色素带甲在层析液中的溶解度最低B．色素带丁的颜色为橙黄色C．不同色素带的宽度是相同的D．发黄的叶片中色素带甲和乙会变窄答案C解析溶解度高，扩散速度快；溶解度低，扩散速度慢，故色素带甲在层析液中的溶解度最低，A正确；色素带的宽窄与色素含量有关，不同色素带的宽度是不同的，C错误。12．(2023·江苏南京高一期末)下列关于高等植物叶绿体中色素的叙述，错误的是()A．植物工厂中的适宜光源组合为红光和蓝紫光B．构成叶绿素的镁可以由植物的根从土壤中吸收C．红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用D．黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由于叶绿素合成受阻引起的答案C解析一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光，红外光和紫外光不可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用，C错误。13．(2023·河北石家庄高一期末)“看万山红遍，层林尽染”描写出了秋天缤纷的色彩。下列叙述正确的是()A．植物的色素只存在于液泡中B．用清水可以将紫鸭跖草叶片中的所有色素提取并分离C．秋天银杏叶片变黄的原因是低温造成叶绿素含量降低D．枫树、爬山虎等植物叶片变红后捕获光能的能力增强答案C解析植物细胞中，叶绿素存在于叶绿体中，不存在于液泡中，A错误；叶绿体中的色素溶于有机溶剂而不溶于水，因此不能用清水提取紫鸭跖草叶片叶绿体中的色素，B错误；叶绿素在低温下易被分解，秋天银杏叶片变黄的原因是低温造成叶绿素含量降低，C正确；枫树、爬山虎等植物叶片变红是由于叶绿素和类胡萝卜素减少，液泡中的花青素的颜色显现出来，捕获光能的能力减弱，D错误。14．如图是甲、乙、丙三位同学进行“绿叶中色素的提取和分离”实验的过程，请据图回答下列问题：(1)甲同学选用新鲜菠菜的绿色叶片进行实验，在滤纸上出现了四条清晰的色素带，如图1所示。甲同学分离色素的方法是____________，滤纸条上色素带位置的不同主要取决于____________________________________。从上往下数，叶黄素位于第________条色素带。(2)乙同学改变甲同学所用层析液组成后继续进行实验，在滤纸条上出现了黄、绿两条色素带。他用刀片裁出含色素带的滤纸条，用乙醚分别溶解条带上的色素，浓缩后用一光学分析仪器检测，通过分析色素溶液的____________来判断色素带上的色素种类。(3)丙同学对甲同学所做的“绿叶中色素的提取和分离”实验进行改进，实验装置