探究“二氧化碳是光合作用必需原料”實驗的改進

葉培毅

(福建省廈門市集美區(qū)樂安中學(xué) 361021)

探究“二氧化碳是光合作用必需原料”的實驗是初中生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容中的一個重點。教材中要求學(xué)生根據(jù)提示，用玻璃罩、培養(yǎng)皿、燒杯、帶葉子的枝條等材料設(shè)計出實驗裝置，在兩個密閉環(huán)境中形成一組對照實驗。實驗過程中需先將兩套裝置在暗處放置一晝夜進行暗處理，然后再經(jīng)過數(shù)小時的光照，實驗耗時長，操作繁瑣。筆者嘗試對該實驗的實驗裝置和方法進行改良設(shè)計，力求能夠簡化實驗，同時獲得更明顯的現(xiàn)象，提高實驗成功率，使這一探究實驗?zāi)苷嬲谡n堂教學(xué)中進行。

1 實驗器材的改進

圓形燈板的LED貼片燈，根據(jù)燒杯或錐形瓶底部的大小選擇燈版上3～4個小孔安裝磁柱，如圖1所示將磁柱倒裝，使較大的接觸面朝上就可以作為燒杯或錐形瓶的托架。也可根據(jù)實際情況選擇方形或其他形狀燈板，立于側(cè)面或蓋在頂部照射。克服自然光或其他光源照射不均勻、角度不佳或光照強度不易控制等缺陷。

圖1 LED燈板

2 實驗材料和步驟

2.1 所需材料用具 LED光源1對(并聯(lián)接好)、錐形瓶2個，長玻璃管(或塑料吸管)1根、水蘊草(或其他水草，芹菜葉、芫荽葉等)、BTB溶液。

提示：人教版八年級上冊中，在研究魚呼吸過程中水中溶解氣體成分變化的實驗中，有關(guān)于溴麝香草酚藍(lán)溶液顏色反應(yīng)的介紹。溴麝香草酚藍(lán)簡稱BTB，通入二氧化碳后，BTB溶液的顏色會由藍(lán)色變?yōu)辄S色，如果BTB溶液中的二氧化碳被逐漸消耗，溶液又將恢復(fù)成藍(lán)色。也就是說，BTB溶液的顏色變化，是一個可逆的過程。因此，可以利用BTB溶液的這一特點來改進和設(shè)計對照實驗。

2.2 實驗過程 具體步驟如下：

(1)材料處理 實驗前將實驗用的水草放入暗室內(nèi)避光處理一晝夜，使其儲存的淀粉消耗掉。實驗時將水草分為3份，1份仍然保留在暗環(huán)境中(C組)，另2份(A組、B組)取出備用。

(2)實驗用水配制 取足量清水(煮沸后的涼開水)，加入適量配制好的濃度約為0.1%溴麝香草酚藍(lán)水溶液，邊加邊攪拌，得到藍(lán)色的稀釋液。若所得溶液呈黃色或黃綠色，可滴加稀氨水并及時攪拌，調(diào)節(jié)其pH至弱堿性，稀氨水的濃度和用量要控制好，至所得BTB溶液呈現(xiàn)藍(lán)色時即止。

圖2 實驗過程

(3)實驗操作 取A、B兩個大錐形瓶，分別倒入等量的稀釋后的BTB溶液(避光保存的C組水草，為使其與B組構(gòu)成對照實驗，也可將其放入裝有等量BTB溶液的C錐形瓶中)。用玻璃管向A錐形瓶中吹氣，邊吹邊觀察溶液顏色的變化，直至溶液由藍(lán)色變成黃色后，停止吹氣。分別向A、B兩個錐形瓶中放入準(zhǔn)備好的另兩份等量水草。注意盡量使植物舒展，懸浮，避免受壓。打開并聯(lián)的兩個圓形LED燈板光源，讓兩個錐形瓶中的植物能夠充分地進行光合作用(圖2)。視具體情況可以增加水草的數(shù)量或光照的強度來縮短實驗所需時間，控制溶液顏色變化在30 min到1 h以內(nèi)。注意觀察并記錄溶液顏色的變化，可以發(fā)現(xiàn)隨著時間推移，A錐形瓶中黃色的溶液逐漸恢復(fù)為藍(lán)色，直至接近B瓶中溶液的顏色。

實驗完成后，分別從A、B兩組以及避光保存的C組水草中各摘取若干葉片(莖頂端的幼葉)，分別放在裝有酒精的試管中隔水加熱。由于水草葉片小而薄，很快就變成黃白色，此時將葉片取出，用清水漂洗后經(jīng)碘液染色，可見A組葉片變藍(lán)，未經(jīng)光照的C組呈黃褐色，而B組葉片的顏色變化程度則不如A組。

3 實驗結(jié)果的討論

在A、B兩組錐形瓶中，除了溶液中二氧化碳的含量不同外，其他條件都相同，這是一組對照實驗。其中A為實驗組，B為對照組。在這一組對照實驗中，實驗的變量是二氧化碳。通過吸管進行吹氣后，A瓶溶液由于含有了較多的二氧化碳，pH降低，使BTB溶液呈黃色。在光照條件下，溶液中的二氧化碳在植物的光合作用中被逐漸消耗，pH升高，溶液的顏色逐漸發(fā)生改變，最終由黃色恢復(fù)為藍(lán)色，直觀呈現(xiàn)了光照條件下二氧化碳的變化情況。之后將A、B瓶中的水草葉片與未光照的C組葉片經(jīng)酒精脫色后用碘液染色，檢驗不同條件下淀粉的產(chǎn)生的情況，A組變藍(lán)，B組次之，C組不變色。實驗證明了二氧化碳是光合作用的原料，實驗依據(jù)的原理與教材中一致、實驗方案的設(shè)計也符合要求。

4 實驗裝置的拓展應(yīng)用

除了探究“二氧化碳是光合作用必需的原料”這一實驗外，利用同一套裝置，還可以用于教材同一單元中其他與光合作用有關(guān)的探究實驗。

4.1 探究“光合作用產(chǎn)生氧氣” 在上述“探究二氧化碳是光合作用必需原料”實驗中，可以觀察到錐形瓶A中產(chǎn)生氣泡的速度和數(shù)量遠(yuǎn)多于對照組B。可以提問學(xué)生這是為什么？能否推測出光合作用產(chǎn)生的氣體是什么？ 如果實驗時，在吹氣并放入水草后用橡皮塞塞住瓶口，經(jīng)過一段時間的光合作用后，打開橡皮塞并插入點燃的衛(wèi)生香，可以見到衛(wèi)生香復(fù)燃，這一現(xiàn)象可以證明光合作用產(chǎn)生了氧氣，與教材上的演示實驗現(xiàn)象一致。

4.2 探究“光是植物進行光合作用的條件” 參照上述實驗中的A錐形瓶，設(shè)置甲、乙兩套裝置(即向兩套裝置中吹氣，使兩個錐形瓶中的溶液均呈黃色)，然后分別放入經(jīng)一晝夜暗處理的水草，一套放在黑暗處，另一套給予光照條件，此時實驗的變量是光。一段時間后觀察，可見放置于黑暗處的甲瓶中溶液的顏色不變(仍為黃色)，而給予光照的乙瓶中溶液由黃色變成了藍(lán)色。分別摘取甲、乙兩瓶中的水草葉片，用酒精脫色后滴加碘液處理，來自乙瓶的葉片呈藍(lán)色，而來自甲瓶的葉片顏色不變，說明乙瓶中的綠色植物在光下進行了光合作用。由此可以證明光是綠色植物進行光合作用所需的條件。