5知识讲解——与光合作用有关的实验设计和分析

高考总复习5

与光合作用有关的实验分析和设计

【学习目标】

1．了解光合作用的探究历程

2．理解并会分析与光合作用有关的实验，提高生物学实验素养

【要点梳理】

考点一、光合色素的提取和分离实验

1.实验原理：

提取原理：光合色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中，可用无水乙醇来提取色素。

分离原理：用纸层析法分离，不同的色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的色素随层析液在滤纸上的扩散速度快，溶解度低的色素扩散速度慢，这样，在扩散的过程不同的色素会分离开。

2.实验材料：新鲜的绿色叶片（如菠菜的绿叶）

注意：一定要选取新鲜、浓绿的植物叶片，这样的叶片光合色素含量高。

3.实验过程及注意事项：

①色素的提取（加入二氧化硅、碳酸钙、无水乙醇，并研磨）

（注意：加入二氧化硅的目的是使研磨更充分，加入碳酸钙的目的是防止研磨时色素被破坏。

正常情况下获得的色素提取液应为深绿色）

②制备滤纸条（滤纸条的一端要剪去两角，并在这端用铅笔画线）

③画滤液细线（用毛细吸管画滤液细线，干后再重复画一两次）

（注意：所画滤液细线一定要细而直，且色素含量高。

操作时要重复画线，画线要迅速，等滤液风干后再重复画，以防滤液扩散开使滤液线过宽，影响分离效果）

④纸层析法分离色素（在试管中倒入层析液，将滤纸条有滤液细线的一端朝下放入试管中）

（注意：试管中的层析液高度不要接近或超过滤液细线所处的高度，即

不能让滤液细线触及层析液，以防色素溶解到层析液中而导致实验失败。）

⑤观察并记录结果

4.实验结果：

胡萝卜素（最窄）

叶黄素

叶绿素a（最宽）

叶绿素b

滤液细线

考点二、光合作用探究历程中的典型实验

【高清课堂：与光合作用有关的实验分析和设计 388586 萨克斯的实验：淀粉是光合作用的产物】

1. 1864年，德国萨克斯的实验

（１）实验过程及结果，如下：

（２）实验分析： ①实验目的：证明植物在光照条件下能进行光合作用产生淀粉

②实验自变量：是否有光照

注意：找到自变量有助于分析实验目的（如自变量是光照强度，实验目的便是研究光照强度对某过程的影响；自变量为是否提供水，实验目的便是研究某过程与水的关系）

③暗处理的目的：暗处理，又叫做饥饿处理，可消耗掉叶片中本来含有的有机物，避免其对实验

结果造成影响。

【高清课堂：与光合作用有关的实验分析和设计 388586 恩格尔曼的实验：叶绿体是光合作用的场所】

2. 1880年，美国恩格尔曼的实验

（１）实验过程及结果：

将含有好氧细菌和水绵的临时装片 实验结果：好氧细菌只

放在无空气的黑暗环境中， 向叶绿体被光束照射到

然后用极细的光束照射水绵 的部位集中

（２）实验分析： 将叶片在暗处放置一段时间 对叶片进行部分遮光处理 用碘蒸气熏蒸该叶片，观察结果。

发现有光照的部分呈深蓝色，遮光部分无颜色变化

可提供二氧化碳

①实验结论：叶绿体在光下进行光合作用，产生O2。

②实验设计的巧妙之处：

选择水绵和好氧细菌做为实验材料：

水绵的叶绿体较大，而且呈细长的带状，有利于观察叶绿体是否为光合作用的场所；

光合作用可释放O2，将植物和好氧细菌一起培养，可直接观察到正在进行光合作用的部位。

用极细的光束照射水绵：可精准地研究光合作用的场所

3. 1941年,美国鲁宾和卡门的实验

（１）实验过程及结果：

用１８O标记H２O和CO2，进行两组实验：

一组向植物提供H２O和C１８O2，释放出来的氧气为O2

另一组向植物提供H２１８O和CO2，释放出来的氧气为１８O2

（２）实验分析：

①实验目的：探究光合作用所释放的氧气的来源。

②实验方法：同位素标记法，用１８O标记H２O或CO2中的氧原子

③实验结论：光合作用释放的氧气来自水。

注意：应检测最先释放出来的氧气。

水既是光合作用的反应物，又是光合作用的产物，如果检测时实验已进行了较长时间，则不能保证释放的氧气仅来自实验者提供的水，也可能来自于光合作用生成的水，而在光合作用过程中二氧化碳中的氧原子可以进入光合产物水中，这样第一组释放出来的氧气便可能含有１８O2，第二组释放出来的氧气便可能含有O2，实验结果便有了误差。

4. 1945年，美国卡尔文的实验

①实验目的：探究CO2中的碳在光合作用中转变成有机物的途径

②实验方法：同位素标记法，用14C标记CO2，检测光合作用过程中放射性14C在不同化合物中出现的顺序。

③实验结论：卡尔文循环（CO2中的碳在光合作用中转变成有机物的途径）

CO2+C5 2 C3 C6H12O6

C5

【典型例题】

类型一、光合色素的提取和分离

例1．分别在A、B、C 3个研钵中加2克剪碎的新鲜菠菜绿叶，并按照下表所示添加试剂，经研磨、过滤得到3种不同颜色的溶液，即：深绿色、黄绿色（或褐色）、几乎无色

处理 A B

C

二氧化硅（少量） ＋ ＋ ＋

碳酸钙（少量） — ＋ ＋

95％乙醇10mL ＋ — ＋

蒸馏水10mL — ＋ —

注：“＋”表示加该试剂；“—”表示不加该试剂

试回答下列问题：

(1) A处理得到的溶液颜色是 ，原因是 。

(2) B处理得到的溶液颜色为 ，原因是 。

(3) C处理得到的溶液颜色为 ，原因是 。

【答案】（１）黄绿色；没加碳酸钙，部分色素受到了破坏； （２）近乎无色；未加乙醇等有机溶剂，色素不能溶解； （３）深绿色；加入的二氧化硅可加速研磨，加入的碳酸钙可使提取到的色素免受破坏，加入的乙醇可使色素溶解；

【解析】提取色素时，提取液的正常颜色为深绿色，提取时需加入二氧化硅（加速研磨）、碳酸钙（色素存在的环境偏碱性，而细胞中有酸性物质，加碳酸钙可维持碱性环境，防止研磨过程中色素被破坏）及无水乙醇（溶解色素）。

【总结升华】本题主要考查光合色素的提取和分离实验中的提取过程。

举一反三：

【变式1】请回答下列有关问题：

(1)甲同学利用新鲜的玉米绿色叶片进行“叶绿体色素提取和分离”实验，在滤纸上出现了四条清晰的色素带，其中呈黄绿色的色素带的位置和名称 。

(2)该同学改变层析液组成后继续进行实验，滤纸条上只出现了黄、绿两条色素带。他用刀片裁出带有色素带的滤纸条，用乙醚分别溶解条带上的色素，浓缩后用一分析仪器检测，通过分析色素溶液的 来判断条带的色素种类。

(3)实验结束几天后，乙、丙两同学发现部分预留叶片已变黄。乙同学认为这是由于叶片中某些色素降解所造成的，丙同学则认为某些色素含量增加。根据所学知识，你将如何设计实验来判断两个同学的观点是否正确？请简述实验思路并预期实验结果。

【答案】（１）最下面的叶绿素b （２）吸收光谱

（３）实验分2组：（正常的绿叶和已变黄的叶片为实验材料）

从预留的叶片中挑选出足量的、份量相等、大小相近的已变黄的叶片（实验组）和尚未变黄的叶片（对照组）为实验材料，在相同条件下，再次进行叶绿体色素的提取分离实验，测定和记录实验结果，比较这两种叶片各种色素的组成及含量后，得出结论。

对照组自上而下将出现４条色素带，颜色依次为：橙黄色、黄色、蓝绿色、黄绿色。若实验组只有最上面的２条色素带，则乙同学假设成立，若实验组出现４条色素带，且最上面２条色素带均明显宽于对照组，则丙同学假设成立。

类型二、光合作用的探究历程

例2． (2015 安徽高考)下图为大豆叶片光合作用暗反应阶段的示意图，下列叙述正确的是

A.CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变为C3中的化学能

B.CO2可直接被[H]还原，再经过一系列的变化形成糖类

C.被还原的C3在有关酶的催化作用下，可再形成C5

D.光照强度由强变弱时，短时间内C5含量会升高

【答案】C

【解析】CO2的固定是CO2与C3在酶的催化下合成C5的过程，不消耗能量，所以A错误，.被还原的C3在有关酶的催化作用下，可再形成C5，所以C正确。

【总结升华】本题以光合作用暗反应过程的图解为载体，考查学生对光合作用过程的掌握程度，光合作用属于高频考点，需要掌握扎实。

举一反三：

【变式1】将某植物(其叶片如图一所示)放在黑暗中两天后，根据图二所示，处理其中一片叶。然后将整株植物置于阳光下4小时，取该叶片经酒精脱色处理后，滴加碘液显色，下列有关该实验结果和现象的描述正确的是（ ）

A．叶片置于黑暗中两天的目的是使叶片脱色

B．要研究叶绿素对光合作用的影响，实验组和对照组分别是Y和W部位

C．X和Y两部分显色结果对照，能证明光合作用是否需要水

D．显色后X为蓝色，Y和Z为棕黄色

【答案】D

【解析】该实验中，只有X部分满足光合作用的条件，显色后只有X部分为蓝色；将叶片置于黑暗中是为了消耗掉叶片中本来含有的有机物，避免其影响实验结果；要研究叶绿素对光合作用的影响，

实验组和对照组应是X和W部位；玻璃瓶中放置有碱石灰可吸收二氧化碳，所以X和Y的区别在于是否有二氧化碳，两部分显色结果对照能证明光合作用是否需要二氧化碳；

【总结升华】本题与光合作用探究历程中萨克斯的实验有关，还需掌握光合作用的条件，经过认真的读图审题便可得出正确答案。

例3.为证实叶绿体有放氧功能，可利用含有水绵与好氧细菌的临时装片进行实验，装片需要给予一定的条件，这些条件是( )

A．光照、有空气、临时装片中无NaHCO3稀溶液

B．光照、无空气、临时装片中有NaHCO3稀溶液

C．黑暗、有空气、临时装片中无NaHCO3稀溶液

D．黑暗、无空气、临时装片中有NaHCO3稀溶液

【答案】B

【解析】水绵需进行光合作用所以要提供光照，要证明叶绿体有放氧功能，为避免空气中本来含有的氧气的影响，需要无空气的环境，NaHCO3可分解为光合作用提供二氧化碳。

【总结升华】解答本题只要清楚光合作用探究历程中恩格尔曼的实验即可。

举一反三：

【变式1】下图为探究CO2是否为植物光合作用原料的实验装置示意图。其中a为实验装置，b为

对照装置。有关用塑料袋扎紧花盆的实验设计思路是( )

A．确保植株与外界空气进一步隔绝

B．排除土壤中微生物代谢活动的干扰

C．防止NaOH溶液对植物根系的影响

D．避免土壤中自养微生物光合作用形成淀粉

【答案】B

类型三、与光合作用有关的其它实验

例4． 为证实“CO2是光合作用合成有机物的必需原料”，某同学制定了下列实验方案：

①用一适当大小的玻璃罩罩住一株生长正常的盆栽植物和一杯NaOH溶液，密封不漏气。