【高效课堂】高中生物2025-2026学年同步层级训练：5.4 光合作用与能量转化（第1课时）（教师版）-人教版（2019）必修1

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基础知识过关一、绿叶中色素的提取和分离1.实验原理（1）提取色素的原理：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂_____无水乙醇_____中。（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___的随层析液在滤纸上扩散得___快___，反之则慢。2.实验步骤（1）提取绿叶中色素：称取菠菜叶2g→剪碎置于研钵→放入少许____石英砂_____和碳酸钙→加入10mL_____无水乙醇_____→迅速研磨→过滤→收集滤液。（2）制备滤纸条：滤纸条要剪去一端的____两角___，在距离该端大约1cm处用铅笔画一细线。（3）画滤液细线：滤液细线画得_______越细越直越齐_______效果越好，并且要_______重复画若干次_______。（4）分离色素：滤纸条轻轻插入盛有层析液的小烧杯中，____滤液细线______不能触及到层析液，用培养皿盖住小烧杯。（5）结果分析：滤纸条上会出现____四___条色素带，从上到下依次为___胡萝卜素____（橙黄色）、叶黄素（黄色）、叶绿素a（____蓝绿___色）、叶绿素（黄绿色）。色素的种类、含量、颜色及吸收光谱种类叶绿素（约占___3/4___）类胡萝卜素（约占___1/4___）___叶绿素a______叶绿素b______胡萝卜素______叶黄素___颜色___蓝绿色___黄绿色橙黄色___黄色___吸收光谱主要吸收___红光和蓝紫光___主要吸收___蓝紫光___二、叶绿体的结构和功能1.形态结构叶绿体一般呈扁平的___椭球形___或___球形___。下图为叶绿体的结构模式图，数字序号①～④代表相关结构，请回答相关问题：（1）①和②分别表示叶绿体的外膜和___内膜____，它们的颜色为____无色透明______。（2）③表示叶绿体内部的___基粒____，由囊状结构的____类囊体_____堆叠而成，重要成分包括与光合作用有关的酶和___色素____。（3）④表示叶绿体的___基质____基质，含有光合作用所需要的___酶____。2.恩格尔曼的实验（1）实验过程：把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在_____没有空气_____的黑暗环境中。一组用极细的光束照射水绵，结果需氧细菌只分布于叶绿体____被光束照射到的部位____；另一组完全暴露在光下，结果需氧细菌分布在叶绿体所有受光的部位。（2）实验结论：____叶绿体______是光合作用的场所，______氧气______是叶绿体释放的。3.叶绿体捕获光能、进行光合作用的物质基础（1）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。【基础练】核心点一绿叶中色素的提取和分离1.下列关于“提取和分离叶绿体色素”实验叙述合理的是（）A.用有机溶剂提取色素时，加入碳酸钙是为了防止类胡萝卜素被破坏B.若连续多次重复画滤液细线可累积更多的色素，但易出现色素带重叠C.该实验提取和分离色素的方法可用于测定绿叶中各种色素含量D.研磨时，用体积分数为70％的乙醇溶解色素【答案】B【解析】用有机溶剂提取色素时，加入碳酸钙是为了防止叶绿素被破坏，A错误；连续多次重复画滤液细线，虽可累积更多的色素，但会造成滤液细线过宽，易出现色素带重叠，B正确；该实验中分离色素的方法是纸层析法，可根据各种色素在滤纸条上呈现的色素带的宽窄来比较各色素的量，但该实验提取和分离色素的方法不能用于测定绿叶中各种色素含量，C错误；研磨时，应用无水乙醇溶解色素，D错误。2.在进行“绿叶中色素的提取和分离”的实验时，不让层析液没及滤液细线的原因是（）A.滤纸上几种色素会扩散不均匀而影响实验结果B.滤纸上的滤液细线会变粗而使色素太分散C.色素会溶解在层析液中而使实验失败D.滤纸上的几种色素会混合起来不分散【答案】C【解析】叶绿体中的各种色素能够溶于有机溶剂，若在层析时，层析液没及滤纸条上的滤液细线，色素就会溶解在层析液中，导致层析后得不到色素带。3.某同学在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，为了确定无水乙醇、碳酸钙和二氧化硅的作用，进行了4组实验来验证，4组实验结果如下图所示，第④组是进行了正确操作的对照组。下列针对实验结果的分析，不正确的是（）A.①可能是未加碳酸钙而得到的实验结果B.②可能是因用水取代了无水乙醇而得到的实验结果C.③可能是因未加二氧化硅而得到的实验结果D.绿叶中的色素都能够溶解在层析液中，4种色素的溶解度相同【答案】D【解析】①组实验结果不理想的原因有可能是未加碳酸钙而使叶绿素被破坏，A项正确；色素能溶解在无水乙醇中，而不能溶于水，所以用水取代无水乙醇不能分离出色素带，B项正确；③中色素带较窄，分离出的色素少，原因可能是未加二氧化硅而使得研磨不充分，C项正确；绿叶中的色素都能够溶解在层析液中，但是4种色素的溶解度不同，D项错误。核心点二捕获光能的色素5.下列关于光合色素的叙述，错误的是（）A.叶绿素a和叶绿素b都含碳、氢、氧、氮、镁元素B.胡萝卜素在提取液中的溶解度最大C.类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，不吸收红光D.在洋葱管状叶的叶肉细胞中光合色素分布在类囊体薄膜上【答案】B【解析】胡萝卜素在层析液中的溶解度最大，B项错误。6.植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素及其吸收光谱的叙述，错误的是（）A.叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰D.叶片在640～660nm波长光下释放O2是由类胡萝卜素参与光合作用引起的【答案】D【解析】叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制，A正确；叶绿体中吸收光能的色素（叶绿素和类胡萝卜素）分布在类囊体薄膜上，B正确；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰，C正确；波长为640～660nm的光是红光，叶绿素可吸收红光参与光合作用，类胡萝卜素不吸收红光，D错误。7.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，叶绿体中C3的量增加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】据图可知，类胡萝卜素主要吸收400～500nm波长的光，A正确；用450nm波长的光比600nm波长的光更有利于提高光合作用强度，B正确；由550nm波长的光转为670nm波长的光后，色素吸收光能增强，光反应增强，C3还原加快，叶绿体中C3的量将减少，C错误；缺镁时叶绿素合成减少，所以植物对420～470nm波长范围内的光的利用量显著减少，D正确。核心点三叶绿体的结构适于进行光合作用8.下图为叶绿体结构示意图，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】C【解析】叶绿体具有双层膜即图示1，属于生物膜，具有选择透过性；与光合作用有关的酶，在2类囊体薄膜上以及3叶绿体基质中均有分布。9.将叶绿体悬浮液置于阳光下，一段时间后发现有氧气放出。下列相关说法正确的是（A）A.离体叶绿体在自然光下能将水分解产生氧气B.若将叶绿体置于红光下，则不会有氧气产生C.若将叶绿体置于蓝紫光下，则不会有氧气产生D.水在叶绿体中分解产生氧气需要ATP提供能量【答案】A【解析】叶绿体是光合作用的场所，在自然光下，叶绿体能进行光合作用将水分解产生氧气，A正确；叶绿体中的光合色素能吸收红光和蓝紫光，因此会产生氧气，B、C错误；水在叶绿体中分解产生氧气需要光能，但不需要ATP提供能量，D错误。10.美国科学家恩格尔曼利用一种绿藻（这种绿藻具有呈螺旋状的叶绿体）研究光对光合作用的效应。他将该种绿藻放在一张载有细菌悬浮液的玻片上，这些细菌会移向氧浓度高的区域。他观察细菌在不同光照下的分布情况，结果如下图所示：A.黑暗中B.白光下C.不同颜色的光点下（1）描述B情况下细菌的分布情况如何：_____________，如此分布是因为光合作用释放了________。（2）该实验证实了光合作用的场所是________，吸收光能的色素和与光合作用有关的酶分别分布在____________________、________________。（3）恩格尔曼进行装置C的实验的目的是什么？________________，在________点的细菌特别多。【解析】（1）白光的光质较为均匀，需氧细菌主要分布在能进行光合作用产生O2的叶绿体周围。（2）通过螺旋状的叶绿体与需氧细菌的关系可以看出进行光合作用的位置在叶绿体上，色素分布在叶绿体的类囊体的薄膜上，而酶有的分布在类囊体上，有的分布在叶绿体的基质中。（3）C实验中自变量是光质，主要有红、绿、蓝三区，而在红光和蓝光点的需氧细菌远远多于绿光点的。【答案】（1）细菌集中在叶绿体周围O2（2）叶绿体类囊体的薄膜上类囊体上和基质中（3）找出不同颜色的光对光合作用的影响红光和蓝光【提升练】1．如图甲为叶绿体结构模式图，图乙是图甲中部分结构放大后的示意图。下列相关叙述正确的是（）A.图甲所示结构主要通过内膜向内折叠增大膜面积B.图乙中的光合色素能有效吸收绿光使植物呈绿色C.图乙所示的膜结构位于图甲结构中的①或③处D.提取光合色素时常用无水乙醇作为溶剂【答案】D【解析】图甲结构为叶绿体，其主要靠囊状结构堆叠而成的类囊体来增大膜面积，A错误；图乙中的光合色素吸收绿光最少，绿光被反射出来使植物呈绿色，B错误；图乙所示膜结构上含有光合色素，所以是图甲中③类囊体薄膜的放大图，C错误；叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，因此常用无水乙醇作为提取试剂，D正确。2．以新鲜菠菜叶为材料进行绿叶中色素的提取和分离实验，某小组得到如图所示结果。下列关于该结果的分析，正确的是（）A.是正确操作后得到的理想结果B.可能研磨时未加入CaCO3导致C.可能研磨时未加入SiO2导致D.可能提取时加入过量的层析液【答案】B【解析】图中滤纸条上距离点样处由近到远的条带分别代表叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素，绿叶中叶绿素含量高于类胡萝卜素，图中显示类胡萝卜素含量高于叶绿素，不是正确操作后得到的理想结果，可能是研磨时未加入CaCO3导致叶绿素被破坏，也可能取的是发黄的叶片，A错误、B正确；研磨时未加入SiO2会导致研磨不充分，各种色素含量均下降，但叶绿素含量应始终高于类胡萝卜素，C错误；提取时加入过量的层析液不会导致类胡萝卜素含量高于叶绿素，D错误。3．叶绿体中紧密垛叠的类囊体称为基粒类囊体，而与基粒相连的非垛叠的结构称为基质类囊体。下列叙述错误的是（）A.基粒类囊体膜和基质类囊体膜相互连接形成连续的膜系统B.垛叠区与非垛叠区的比例会影响叶绿体对光能的捕获和利用C.类囊体垛叠形成基粒扩展了受光面积，可提高对光能的利用率D.基质类囊体中不含光合色素，是光合作用暗反应进行的场所【答案】D【解析】基粒类囊体膜和基质类囊体膜相互连接形成连续的膜系统，类囊体膜上含有光合色素，光合色素与光能的捕获和利用有关，类囊体垛叠形成基粒扩展了受光面积，可提高对光能的利用率，因此，垛叠区与非垛叠区的比例会影响叶绿体对光能的捕获和利用，暗反应是在叶绿体基质中进行的，A、B、C正确，D错误。4．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.叶绿体普遍分布在植物体的所有细胞中B.叶绿素在高等植物体内有两种，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】植物细胞不都有叶绿体，如根部细胞不含叶绿体，植物见光的绿色部位的细胞才有叶绿体，A错误；叶绿素在高等植物体内有两种，叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色，B正确；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。5．学生利用新鲜菠菜叶进行绿叶中色素的提取和分离实验时，由于各组操作不同，出现了下列四种不同的层析结果。下列分析不合理的是（）A.甲可能误用蒸馏水做提取液和层析液B.乙可能是因为研磨时未加入SiO2C.丙是正确操作得到的理想结果D.丁可能是因为研磨时未加入CaCO3【答案】C【解析】本题考查绿叶中色素的提取和分离，考查获取信息的能力和实验能力。甲的实验结果是没有分离出色素，色素不溶于水，因此推测可能是误用蒸馏水做提取液和层析液。乙的结果分离出了色素，但含量少，可能是研磨时未加入SiO2。丙分离出了色素，但根据四种色素与点样处的距离与正常操作时四种色素的正常含量不对应。丁的实验结果中胡萝卜素和叶黄素的含量正常，叶绿素的含量很少，可能是因为研磨时未加入CaCO3。6．下面是甲、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____________来判断色带上色素种类。（3）丙同学对甲同学“绿叶中色素的分离”实验进行改进，实验装置如图2所示。该同学应将提取到的滤液滴在________（填“a”或“b”）处，棉线灯芯下端应浸没在________中。实验结果得到四个不同颜色的同心圆，排列在最内侧的色素是____________（填色素的名称）。【答案】（1）纸层析法色素在层析液中溶解度的大小2（2）吸收光谱（3）a层析液叶绿素b【解析】（1）甲同学分离色素用的是纸层析法；色素在层析液中的溶解度不同，其随着层析液向上扩散的速度不同，就位于色素带的不同位置，因此滤纸条上色素带位置的不同主要取决于色素在层析液中溶解度的大小。从上往下数，叶黄素位于第2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吸收光谱来判断色带上色素种类。（3）丙同学应将提取到的滤液滴在a处，棉线灯芯下端应浸没在层析液中。实验结果得到四个不同颜色的同心圆，排列在最内侧的色素是溶解度最小的叶绿素b。【素养探究练】某课题组构建了一种非天然的CO2转化循环（CETCH循环），该循环将多种生物的相关酶组合，最终将CO2转化为乙醇酸，提高了CO2固定效率。课题组还利用液滴微流控技术，将该循环与菠菜的叶绿体类囊体结合在一起，构建了人造叶绿体，如图所示。据此回答下列问题：（1）在该人造叶绿体中，光反应进行的场所是____________________________；卡尔文循环包含CO2的固定和______________两个基本过程，这与CETCH循环有所不同。（2）CETCH循环正常进行时，除需要相关酶的组合催化和相应底物外，还需要提供的物质是____________________________（写出2种即可）。根据题干信息分析，人造叶绿体固定CO2的效率明显高于天然叶绿体，最可能的原因是________________________________________________________。（3