人教版高中《分子與細胞》必修一第五章第四節(jié)能量之源 光和光合作用探究環(huán)境因素對光合作用的影響

/探究環(huán)境因素對光合作用的影響使用教材人教版高中?分子與細胞?必修一,第五章第四節(jié)能量之源——光和光合作用中安排的一個探究實驗。實驗器材細葉蜈蚣草、光合呼吸實驗裝置、光照強度傳感器、溫度傳感器、酵母菌培養(yǎng)液,錐形瓶、打孔軟管、數(shù)據(jù)采集器以及數(shù)據(jù)分析軟件等。實驗創(chuàng)新要點學(xué)生們認為課本上探究環(huán)境因素對光合作用的影響的實驗過程有一定的缺乏之處,比方他們認為在制備實驗材料時,打孔器制取的葉圓片多會卷邊或破損,從而破壞了小圓形葉片的生理狀態(tài),打孔的過程很難保證所有葉片的生理狀態(tài)的一致性。在用注射器抽取小圓形葉片內(nèi)的氣體時,注射器抽除葉圓片內(nèi)的氣體的過程很困難。用植物葉片距離光源的遠近來代表光照強度,無法定量自變量光照強度的變化,只能定性的描述光照強度對其有影響,并且到底有著什么樣的影響并不能很完整的描述。有些同學(xué)還認為在檢測指標(biāo)的選擇上,用小圓形葉片上浮速率代表光合作用的速率也存在著缺乏,小圓形葉片上浮所需的時間較長,其次葉片的上浮和植物的光合作用一定存在著必然的聯(lián)系嗎？如何更加直觀的顯示出氧氣的產(chǎn)生呢？針對上述問題,我們給出了如下的解決方法：材料用具的選擇〔1〕材料的選擇：本實驗選擇了一種容易取材的水生植物細葉蜈蚣草作為實驗材料。它的生長對光照和溫度均有一定的需求,便于分析實驗結(jié)果,而且生長迅速便于實驗指標(biāo)的檢測?！?〕檢測指標(biāo)的選擇：運用溶解氧傳感器直接定量檢測一定時間內(nèi)光合作用釋放出氧氣的含量,以代表植物光合作用強度。2.自制實驗器材〔1〕利用自制光合作用恒溫盒以及溫度傳感器代替水浴鍋進行溫度的控制?！?〕利用可以無極調(diào)光的LED燈以及光照強度傳感器定量的控制光照強度?！?〕運用可變顏色的彩色光帶在同一個實驗裝置中改變光質(zhì)。3.其他方面運用酵母菌的呼吸作用制備富含二氧化碳的清水。三、實驗原理利用光學(xué)溶解氧傳感器檢測植物光合作用產(chǎn)生氧氣的速率。氧氣的產(chǎn)生速率代表植物光合作用強度。實驗教學(xué)目標(biāo)〔1〕理性思維目標(biāo)學(xué)生在不斷地解決問題的過程中,解釋光合作用的現(xiàn)象,探究光合作用的規(guī)律,并且能夠說出影響光合作用的因素。〔2〕科學(xué)探究目標(biāo)設(shè)計實施恰當(dāng)可行的方案,創(chuàng)造性地運用數(shù)學(xué)方法分析實驗結(jié)果。能夠基于事實和證據(jù),采用推理、建模等方法在遇到問題時,做出正確決策并解決問題。〔3〕社會責(zé)任目標(biāo)學(xué)生能夠形成熱愛生命的觀念,養(yǎng)成保護環(huán)境的習(xí)慣,并可以提出保護水環(huán)境的一些建議。實驗教學(xué)內(nèi)容本節(jié)課選取光照強度,溫度以及光質(zhì)三個環(huán)境因素進行探究實驗。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下回憶光合作用的原理和應(yīng)用,然后在教師的指導(dǎo)下進行實驗。教師通過引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果的分析,表達與交流等過程,完本錢節(jié)課的實驗教學(xué)。實驗教學(xué)過程〔一〕實驗準備教師提出相關(guān)問題：①進行實驗前需要進行實驗設(shè)計,實驗設(shè)計的根本原那么是什么呢？學(xué)生答復(fù)：實驗的根本原那么是科學(xué)性原那么,單一變量原那么,重復(fù)性原那么,等量原那么,以及對照原那么。根據(jù)實驗設(shè)計的根本原那么,我們需要做哪些實驗準備呢？教師提出如下引導(dǎo)性的問題：①適合本實驗的實驗材料應(yīng)該具有哪些特點呢？②可以用什么作為實驗的檢測指標(biāo)來反響光合作用速率呢？③在整個實驗的過程中可以選擇環(huán)境中的哪些因素來探究其對植物光合作用的影響呢？你將用什么樣的方法來控制實驗的自變量呢？學(xué)生經(jīng)過討論后,給出答復(fù)：①選擇的植物應(yīng)該具備生長迅速,易于取材,生命力旺盛等特點。②可以用單位時間內(nèi)反響物的消耗量或者產(chǎn)物的生成量來代表一個反響的反響速率。可以選擇用一定時間內(nèi)二氧化碳的吸收量,有機物的積累量或者氧氣的釋放量來反響植物進行光合作用的強弱。在這個實驗中,可以選擇光學(xué)溶解氧傳感器檢測植物釋放氧氣的情況。③在影響光合作用的因素中我們選擇光照強度,溫度和光質(zhì)三種因素來進行實驗。在對光照強度的控制上,選擇不同瓦數(shù)的LED燈以及光照強度傳感器控制光照強度；在對光質(zhì)的控制上,用可以遙控改變光質(zhì)的光帶進行控制；在對溫度的控制上,選擇自制的光合作用恒溫盒以及溫度傳感器進行溫度的實時監(jiān)控。結(jié)合課前的探究,學(xué)生們制作出了一個光合呼吸實驗裝置〔圖1〕,在這個裝置中可以探究光合作用和呼吸作用,以及探究改變?nèi)N環(huán)境因素對細葉蜈蚣草光合作用的影響。〔圖1光合呼吸實驗裝置〕〔二〕進行實驗學(xué)生自發(fā)形成三個小組,每組探究一種環(huán)境因素對光合作用的影響。第一小組：探究溫度對光合作用的影響學(xué)生選擇如下實驗材料：自制的光合作用恒溫盒〔圖2〕、細葉蜈蚣草、熱水、保溫杯、冷水、溫度傳感器、溶解氧傳感器、LED燈、酵母菌培養(yǎng)液等,并按照以下實驗步驟進行實驗：用冷水和熱水分別調(diào)成,15℃、20℃、25℃、30℃、35℃等五個溫度梯度?！?〕在光合作用恒溫盒內(nèi)加400ML不同溫度的水并參加50g細葉蜈蚣草?！?〕把溫度傳感器和溶解氧傳感器放入方形盒中,連接溫度傳感器進行檢測實驗過程中的溫度變化,連接溶解氧傳感器檢測光合作用釋放的氧氣?！?〕翻開光源,記錄實驗結(jié)果?！矆D2內(nèi)層材質(zhì)為塑料,中層為隔熱透明軟塑膠假設(shè)干層,外層為透明膠帶密封〕第二組：探究光照強度對光合作用的影響學(xué)生選擇如下實驗材料：光合作用恒溫盒、細葉蜈蚣草、溶解氧傳感器、LED燈、酵母菌培養(yǎng)液等,按如下實驗步驟進行實驗：〔1〕在光合作用恒溫盒內(nèi)加400ML不同溫度的水并參加50g細葉蜈蚣草。〔2〕把溶解氧傳感器放入恒溫盒中,連接溶解氧傳感器檢測光合作用釋放的氧氣,并且同時連接光合日照傳感器到數(shù)據(jù)采集器。〔3〕0到200秒作為對照不補充光源,200秒后翻開一個固定光源,,400秒后再增加光照強度至480μmolm-2s-1,600秒后再增加光照強度至620μmolm-2s-1〔如圖3〕。觀察整個過程中溶解氧的變化曲線有什么異同?！?〕將光照強度調(diào)控在1000μmolm-2s-1,觀察細葉蜈蚣草草在強光下的溶解氧的產(chǎn)生情況?！?〕記錄實驗結(jié)果?！矆D3光照強度對光合作用的影響〕第三組：探究光質(zhì)對光合作用的影響學(xué)生選擇如下實驗材料：光合作用恒溫盒、細葉蜈蚣草、彩色濾光片、溶解氧傳感器、LED燈、酵母菌培養(yǎng)液等,按照以下實驗步驟進行實驗：〔1〕在光合作用恒溫盒內(nèi)加400ML不同溫度的水并參加50g細葉蜈蚣草。〔2〕把溶解氧傳感器放入恒溫盒中,連接溶解氧傳感器檢測光合作用釋放的氧氣。〔3〕翻開光帶的開關(guān),用控制器把光照調(diào)成綠色,觀察一段時間后,把綠色換成紅色光源照射。觀察整個過程中溶解氧的變化曲線有什么異同?！?〕記錄實驗結(jié)果?！矆D4不同光質(zhì)對光合作用的影響〕〔三〕表達與交流表達與交流分為兩個環(huán)節(jié),教師提問學(xué)生討論答復(fù)以及學(xué)生分享各自的實驗結(jié)果。第一環(huán)節(jié)根據(jù)每組的實驗結(jié)果,結(jié)合實驗教學(xué)目標(biāo),教師提出如下問題：①曲線的什么可以代表氧氣的產(chǎn)生快慢？②根據(jù)課前測量的各個溫度下的植物的呼吸作用強度,你能知道植物實際光合作用速率是多少嗎？③如何利用呼吸作用和光合作用原理提高農(nóng)作物產(chǎn)量？④在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如何合理地控制光照強度？為什么光照強度過高會出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象？⑤光合色素吸收最多的光是藍紫光,植物利用最有效的光為什么是紅光？人為的補充光源,應(yīng)補充什么顏色的光源最有效？結(jié)合實驗結(jié)果,學(xué)生經(jīng)過思考討論后給出如下答復(fù)：①曲線的斜率可以代表光合作用速率。②在黑暗條件下測出植物呼吸作用消耗氧氣的速率,進而求出植物的實際光合作用速率。③在實際的生產(chǎn)中,我們可以在白天適當(dāng)?shù)奶岣邷囟鹊囊栽黾庸夂献饔脧姸?夜晚適當(dāng)降低溫度來降低呼吸作用強度,從而提高有機物的積累量。④不同植物對光照強度的要求不同,根據(jù)不同植物對光照強度的需要適當(dāng)?shù)目刂乒庹諒姸取９庹者^強會抑制細葉蜈蚣草的光合作用,也就是會出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象〔圖5〕。⑤光合色素吸收的藍光所產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)分子,先失去局部能量進入第一單線態(tài)后,才能將能量傳出用于光合作用,即光合作用的有效光是紅光。植物主要吸收紅光和藍紫光,幾乎不吸收綠光,但是不是不吸收綠光。〔圖5光照強度為1000μmolm-2s-1溶解氧的產(chǎn)生情況〕2.第二環(huán)節(jié)：實驗結(jié)果的交流與分享各小組經(jīng)過實驗得出以下結(jié)論：〔1〕溫度影響細葉蜈蚣草的光合作用強度,在該實驗條件下,溫度在25℃最有利于植物的光合作用〔圖6〕,在黑暗條件下,溫度在30℃最有利于其進行呼吸作用〔圖7〕。〔2〕光照強度影響細葉蜈蚣草的光合作用強度,在該實驗條件下,補充一定強度的光照強度可以提高細葉蜈蚣草的光合作用速率,但當(dāng)光照強度到達一定從強度以后,光合作用速率不在隨著光照強度的增加而增加〔圖8〕。〔3〕光質(zhì)的改變影響細葉蜈蚣草的光合作用速率,在其他條件相同的條件下,植物光合作用最有效的光是紅光〔圖9〕。〔圖6溫度為25℃,溶解氧的產(chǎn)生速率〕〔圖7溫度為30℃、,溶解氧的消耗速率〕〔圖8光照強度對光合作用的影響〕〔圖9光質(zhì)對光合作用的影響〕通過學(xué)生的表達和交流,有的學(xué)生自發(fā)組成的興趣小組,對自然環(huán)境中的溶解氧含量或者其他指標(biāo)進行檢測,例如他們利用溶解氧傳感器,電導(dǎo)率傳感器以及PH傳感器和溫度傳感器,對蚌埠龍子湖的水進行了檢測,進一步提高了學(xué)生對自然科學(xué)的興趣。實驗效果評價1.創(chuàng)新之處〔1〕在選材方面本實驗選擇了一種生長迅速,容易取材的水生植物。〔2〕溶解氧傳感器檢定量測