Урок на тему " Фотосинтез"
Найважливіше завдання процесу навчання – знайти ефективні способи співпраці учня та вчителя у формуванні предметних компетентностей. Інтеграція навчальних предметів – це вимога часу, творчість та мистецтво педагога. З погляду досвіду, вона забезпечує посилення міжпредметних зв’язків, знижує навантаження учнів, розширює сфери отримання інформації, забезпечує мотивацію навчання, оскільки все це є рушійною силою оновлення педагогічної науки й практики.
Таким чином, інтегрований урок не тільки дає можливість реалізувати навчальну й розвивальну функцію шкільної освіти, а й розкриває діалектичні взаємозв’язки, які об’єктивно діють у природі й суспільстві, та є предметом вивчення сучасних наук.
Даний урок з теми « Фотосинтез» (9 клас) містить всі основні питання цього процесу, починаючи з внеску багатьох вчених до перспектив майбутнього використання фотосинтезу на практиці – в техніці і сільському господарстві. Використано знання з фізики, хімії: закони термодинаміки, поняття потенційної енергії, різниці потенціалів, що виникає на мембрані хлоропластів, рівняння хімічних реакцій , які при цьому відбуваються. Сонячне проміння розглядається як складне, згадується ультрафіолетове, інфрачервоне випромінювання, довжина світлової хвилі та запас її енергії. Розробка містить багатий матеріал, який кожний вчитель може використати на свій розсуд, залежно від підготовки учнів класу.
Тема уроку «Фотосинтез»
Мета. Сформувати знання про фотосинтез як пластичний обмін. Зясувати значення фотосинтезу для живих істот на Землі, шляхи підвищення його ефективності. Формувати вміння розв’язувати задачі. Виховувати дбайливе ставлення до природи.
Обладнання. Портрет Тимірязєва, відео, обладнання для лабораторних дослідів.
Основні поняття: світлова фаза фотосинтезу, темнова фаза фотосинтезу, фотоліз води, фотон світла, фотосистема, хлорофіл, біоніка, молекули – переносники.
Хід уроку.
Вивчення нового матеріалу ( лекція з елементами бесіди)
Повідомлення теми та мети уроку ( На дошці або на екрані комп’ютера портрет Тимірязева К. А., епіграф « Хлорофіл – це Прометей. Який викрав вогонь з небес і подарував його людям» ( К. А. Тимірязев)
«В каждом маленьком растеньице,
Словно в колбочке живой
Влага Солнечная пенится
И кипит сама собой.» ( Н. Заболоцкий )
- Про що говориться в цих рядках?
За словами К. А. Тимірязева « Фотосинтез – це процес, від якого в кінцевому разі залежать всі прояви життя на нашій планеті» - Чому?
Це питання потрібно з’ясувати на уроці ( лекція з елементами бесіди).
Сонце – термоядерний реактор. За 1 сек 4 млрд. тон водню перетворюється на гелій, при цьому виділяється величезна кількість енергії ( запис рівняння на дошці і в зошити)
Н + Н = Не + Q
Опираючись на другий закон термодинаміки ( більш нагріті тіла віддають тепло менш нагрітим) життя на Землі вже давно б зникло. Але воно триває. Чому ж? Сонце дарує нам життя. Кожен рік зелені рослини утворюють 540 млрд. т вуглеводів та 400 млрд т кисню. При цьому поглинається 600 млрд. т вуглекислого газу.
Фотосинтез – сукупність реакцій пластичного обміну.
Історія фотосинтезу.
( Випереджальне завдання або проєктну роботу можна заздалегідь дати учням)
Учні, слухаючи розповідь, записують у зошити етапи дослідження фотосинтезу.
1. Аристотель ( Греція) – грунтова теорія живлення рослин. Він вважав, що рослини живляться за рахунок тих речовин, які знаходяться в грунті.
2. Ван Гельмонт ( Голандія) – водна теорія живлення. Вчений провів експеримент: він посадив у бочку з 90,8 кг сухого грунту вербу, яка мала вагу 2,3 кг. 5 років Гельмонт поливав дерево тільки водою. Потім він зважив і грунт, і дерево. Дерево важило майже 77 кг, тоді як вага грунту зменшилась усього на 0,06 кг. Вчений зробив висновок, що рослинні речовини утворюються з води.
- Чи правий був Ван Гельмонт? Яке інше джерело живлення могло використати дерево?
3. Відповідь на це питання дав у 1771 році Дж. Пістлі. Він помістив у закриту склянку запалену свічку. Через деякий час свічка згасла. Але якщо у склянку ставили на декілька днів рослину, то свічка могла довго горіти.
- Чому в першому досліді свічка швидко згасала, а в другому – ні? ( рослини виробляли кисень, який підтримував горіння).
4. У 1782 р Ж. Сенебьє довів, що рослини, виділяючи кисень, поглинають вуглекислий газ.
5. Австрійський лікар Ян Інгенхауз довів, що рослини виділяють кисень лише на світлі. Він занурював гілочку верби у воду і досліджував, що на світлі на листках утворюються бульбашки кисню. У 1796 р вчений склав загальне рівняння фотосинтезу:
СО2 +Н2О = Рослинні тканини + О2
Пізніше, у XIX столітті, вчені при дослідженні крохмальних зерен під мікроскопом, помітили, що вони збільшуються з часом. Це навело на думку, що продуктом фотосинтезу є вуглеводи. Таким чином рівняння тепер мало такий вигляд:
СО2 + Н2О = СН2О + О2
Так як у двох сполуках, які приймають участь у фотосинтезі, тільки вуглекислий газ має карбон, то саме він є джерелом карбону для вуглеводів. А у відношенні оксигену повної ясності не було, тобто він входить і до складу вуглекислого газу, і до складу води. Лише у 1941 році вчені довели, що кисень, який виділяється при фотосинтезі, походить з води. ( Для доказу вчені використали «важкий кисень», тобто кисень із надлишком нейтронів.)
6. В 1905 році Ф. Блекман довів, що фотосинтез складається з двох стадій: світлової та темнової. Правильність його доказів можна перевірити на досліді. ( Результати демонструють учні, які проводили дослідження. Було взято рослину – пеларгонію зональну. На 2-3 доби її поставили у темне місце, щоб не відбувався фотосинтез. Після цього її виставили на світло і частину листка прикрили з обох сторін чорним папером. Через добу листок зрізали, прокип’ятили в спирті, щоб вийшов хлорофіл і промили водою. Занурили у розчин йоду. Незакрита частина стала синьою. Чому?)
До якого висновку дійшли вчені? ( Фотосинтез відбувається тільки на світлі)
Сучасне рівняння фотосинтезу має вигляд:
6 СО2 + 6 Н2О = С6Н12О6 + 6О2
( Вуглекислий газ і вода містять мало енергії, продукт реакції – багато. Це Великий природний цикл)
За законом збереження енергії вона нікуди не зникає і не може з’явитися із нічого, можливий лише перехід із одного виду в інший. При фотосинтезі енергія Сонця перетворюється в енергію хімічних зв’язків. Ця енергія акумулюється в органічних речовинах.
7. В 60-х роках минулого століття було відкрито, що і у хлоропластів, і у мітохондрій є ДНК і рибосоми. Фотосинтез проходить у хлоропластах. ( Було висунуто припущення, що пластиди як і мітохондрії, потрапили всередину клітини на певних етапах еволюції. Ця гіпотеза дістала назву ендосимбіозу.)
Основним компонентом хлоропластів є хлорофіл. Його відкрив Левенгук у 1698 році і назвав його « зелені кульки». В 1834 році Пельтьє та Каванту дали назву пігменту « хлорофіл».
Молекула хлорофілу має гідрофільну голівку, у центрі якої знаходиться магній та гідрофобний хвостик.
Російський вчений О. Цвєт за допомогою методу хроматографії розділив хлорофіл на складові компоненти:
CООСН3
Основний хлорофіл - альфа С32Н30ОN4Mg
СООС20Н39
СООСН3
Крім нього – хлорофіл - бета С32Н28О2N4Mg
СООС20Н39
Є також інші пігменти: каротин – С40Н56, ксантофіл – С40 Н56О2.
В останній час виділено хлорофіл є у бурих, хлорофіл d – у червоних водоростей, а також хлорофіл е у одного виду рослин, який погано вивчений.
Демонстрація досліду ( флуоресцентність хлорофілової спиртової витяжки). У променях Сонця, які проходять крізь розчин, витяжка має зелений колір, а у відбитих променях – червоний.
Вчені знайшли подібність у будові хлорофілу та гемоглобіну. У хлорофілу в центрі молекули – атом магнію. А у гемоглобіну - залізо. Крім того, дуже подібний склад молекули. Все це говорить про єдність походження рослинного та тваринного світу.
Вивчення механізму фотосинтезу.
Всі реакції фотосинтезу
Фізичні Фотохімічні Ферментативні
(ідуть швидко пов’язані (розклад води, утворення ( утворюються
з переходом електронів) АТФ, ідуть не так швидко) органічні речовини
ідуть повільно)
Фотосинтез
Світлова фаза Темнова фаза
1. Фотоліз води 1. Утворюються органічні речовини
2. Синтез АТФ 2. Відновлюється вуглекислий газ
3. Утворення кисню (акцептор-пентоза)
4. Відновлення Н АДФ *Н2 3. Використовується АТФ
Механізм фотосинтезу розглядають, використовуючи таблицю. Звертається увага на те, що існують дві фотосистеми- I та II, які мають різні реакційні центри, але пов’язані ланцюгом переносу електронів. ( Обов’язковою умовою проходження фотосинтезу є цілісність мембран хлоропластів). Квант світла падає на хлорофіл і один з електронів молекул хлорофілу переходить у збуджений стан на вищу орбіту. Цей електрон перехоплюють молекули- переносники . І виносять на зовнішню поверхню мембрани тилакоїдів. При цьому електрон набуває потенціальної енергії ( всі тіла, підняті над Землею, мають запас потенціальної енергії).
У I фотосистемі електрон може повертатися на свій енергетичний рівень і відновлювати її, а може передавати енергію на НАДФ і відновлювати його.
НАДФ+ + 2е- + 2Н+ = НАДФ *Н2
Відновлений НАДФ *Н2 постачає водень, який необхідний для відновлення вуглекислого газу до глюкози.
Схожі процеси відбуваються і в II фотосистемі. Збуджені електрони, переходячи на свій початковий енергетичний рівень, можуть передаватись фотосистемі I і відновлювати її. Фотосистема II відновлюється за рахунок електронів, які постачають молекули води.
Вода під дією світла і участі ферментів розкладається ( фотоліз):
2Н2О = 4Н+ + О2 = 2е-
Вільний кисень виділяється в атмосферу, а електрони використовуються для відновлення фотосистеми II.
Енергія, яка вивільнюється при повернені електронів з зовнішньої мембрани тилакоїдів на попередній енергетичний рівень, запасається у вигляді АТФ. Темнові реакції проходять у матриксі хлоропластів. Вуглекислий газ відновлюється до глюкози завдяки АТФ і за рахунок відновленого НАДФ *Н2. Вуглекислий газ приймає рибульозобіфосфат (п’ятивуглецевий цукор). У цьому процесі бере участь фермент карбоксилаза. Таким чином, утворюється глюкоза і відновлюється акцептор вуглекислого газу рибульозобіфосфат.
За законом збереження енергії там, де максимум поглинання енергії, там інтенсивніше проходить фотосинтез.
К.А. Тимірязєв довів, що максимально для фотосинтезу рослини використовують червону частину спектру світла і частково синю. Біле світло складне. Воно розкладається на сім кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий. Це дослідив І.Ньютон. В 1905 році А.Еншейн довів, що Сонце випромінює світло квантами (порціями).
Рослини для фотосинтезу використовують тільки ту частину спектру, яку ми бачимо. ( Ще є та частина, яку ми не бачимо: ультрафіолетове випромінювання з короткою хвилею та інфрачервоне- з великої довжини хвилі).
Чому ж рослини використовують тільки ту частину спектру, яку ми бачимо?
Перша гіпотеза: рослини пристосувалися до тієї частини спектру, яку ми бачимо, тобто озон затримує ульрафіолет бо він згубно діє на живі істоти, а інфрачервоні промені затримуються Землею.
Друга гіпотеза: живі молекули іонізуються променями з короткою хвилею, а інфрачервоні на них не діють.
Шляхи підвищення фотосинтезу (бесіда). Учням пропонується прокоментувати графік залежності фотосинтезу від освітлення, температури та концентрації вуглекислого газу.
V фотосинтезу
250 С, СО2 = 4%
250 С, СО2 = 0,04%
150 С, СО2 = 0,04%
Інтенсивність освітлення
Космічна роль рослин ( бесіда, можливо повідомлення учнів).
Біоніка ( розповідь вчителя). Біоніка – це наука, яка використовує особливості будови та функцій живих систем в техніці.
Як можна використати особливості фотосинтезу?
Вчені винайшли « штучний» листок. Він розміром із сірниковий коробок: скло, метал, пластмаса. Це сталося в 1957 році. Хлорофіл синтезували, але він «не працює». Вчені мають надію, що в майбутньому проблему буде вирішено. Зелені рослини використовують лише 2 % сонячної енергії. А що було б , якби подвоїти ці відсотки. Проблему харчування людей на планеті було б вирішено. За допомогою енергії Сонця можна вирішувати енергетичні питання. В 1985 році побудували СЕС в Криму, в селі Щелкіно. Геліостат складається з 45 дзеркал площею 25 м2. Навкруги башти 1600 таких геліостатів. Водяний котел на 60 тон води нагрівається до температури 2500С. Пар під тиском 40 атм. Іде до турбіни, яка обертає генератор і він виробляє струм. Потужність Кримської СЕС складає 5 тис. квт. ( Таку потужність має Обнінська атомна електростанція, яка була побудована більше півстоліття тому).
Водень, який можна отримати у процесі фотосинтезу, є добрим паливом. При спалюванні його виділяється у 3 рази більше тепла ніж дає така ж кількість бензину. Кінцевим продуктом цієї реакції є вода. Практично водень – це ідеальне екологічно чисте паливо. Коли буде розкрито таємницю фотосинтезу, то стане можливим будівництво нових енергетичних споруд і кисневих станцій. Зміниться обличчя енергетики. Зміниться технологія отримання нових, екологічних продуктів харчування.
Закріплення. ( Заповнення таблиці учнями ).
|
Питання для порівняння |
Світлова фаза |
Темнова фаза |
|
1. процеси |
1. збудження електрона 2. фотоліз води 3. різниця потенціалів 4. утворення атомарного водню |
1. синтез вуглеводів з вуглекислого газу та водню за рахунок енергії АТФ |
|
2. умови протікання |
1. світло 2. хлорофіл 3. вода |
1. світло, або темнота 2. ферменти 3. атоми гідрогену |
|
3. результат процесів |
1. утворення кисню і АТФ 2. утворення атомів гідрогену |
1. утворюються вуглеводи та вода |
Розв’язування задач
№1.- Винахідник паровозу Стефенсон одног разу спитав друга: « Що рухає потяг?» Друг відповів : « Твій винахід». На це Стефенсон зауважив : «Потяг рухає промінь Сонця. Який колись поглинув зелений лист». Що мав на увазі Стефенсон? ( Вугілля, яке спалюється - це результат діяльності рослин)
№2. - Чому при фотосинтезі енергія світла переходить в енергію хімічних зв’язків з ефектом 2%? Яка доля останньої? ( Частина поглинаєтся, частина відбивається, частина іде на нагрівання тіл).
№3.- Якщо обробити хлоропласти детергентом ( речовиною, яка підсилює проникненість мембран для іонів), то синтез АТФ припиняється. Чому? (Синтез АТФ відбувається за участі АТФ-азного комплексу, який вмонтований в мембрани тилакоїдів. Цей комплекс синтезує АТФ за рахунок трансмембранного потенціалу, який створюється градієнтом протонів. Цей градієнт можливий тоді, коли мембрана непроникна для іонів водню. Детергенти роблять мембрану непроникною для іонів водню. Іони не накопичуються, не створюють різниці потенціалів на мембрані, а тому АТФ не синтезується).
№4. - Чому листок не чорний, а зелений? ( Якби листок був чорним, то він би поглинав всі промені і таким чином перегрівся. Листок поглинає червоні і частково сині промені, а відбиває зелені).
№5. - Чому життя виникло у воді? Що сприяло виходу його на суходіл? ( Вода – своєрідний екран від ультрафіолету. Рослини, які мешкали у воді та які вийшли на суходіл, виробляли кисень. У верхніх шарах атмосфери кисень перетворюється на озон під впливом електричних розрядів. Відомо, що озон поглинає згубні ультрафіолетові промені.)
Підсумок уроку (підводять учні) . 1. Фотосинтез – процес утворення органічних речовин з неорганічних при участі сонячного світла у рослин.
2. Цей процес складається з двох фаз – світлової та темнової.
3.Побічний продукт – кисень, який утворюється з води.
4. Завдяки фотосинтезу існує життя на Землі. Розкривши таємницю цього процесу , можна вирішити продовольчу та енергетичну проблеми на планеті.
Домашнє завдання. Опрацювати відповідний параграф та підготувати проєкти на теми: « Яким я бачу майбутнє енергетики», « Як у майбутньому можна вирішити продовольчу проблему за допомогою фотосинтезу».
Список використаних джерел.
1. Армс К., Кемп П.Введение в биологию. Москва : Мир, 1988.
2. Богданова Т.В. Биология. Задания и упражнения. Москва : Высшая школа, 1991.
3. Гармаш И.Н., Ценух Н.Ф. Біологія в школі. Київ: Радянська школа, 1990.
4. Генкель П.А. Фізіологія рослин. Москва: Просвіта, 1975.
5. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. Москва: Мир, 1993.
6. Пустовіт Н. О.. Плечова З.Н. Екологічні задачі, ігри та вікторини. Київ: Наукова думка, 1995.
7. Матеріали Соросівських олімпіад ( перша, друга).
8. Энциклопедический словарь юного биолога. Москва: Просвещение, 1993.
Додаток.
Тестові завдання
1. Для яких організмів характерний фотосинтез?
А) рослин
Б) тварин
В) людина
2. Який пігмент виконує основну роль при фотосинтезі?
А) хлорофіл
Б) каротин
В) ксантофіл
3. Де знаходиться хлорофіл?
А) лейкопласти
Б) хлоропласти
В) хромопласти
4. Які умови і речовини необхідні для фотосинтезу?
А) вода
Б) хлорофіл
В) сонячне проміння
Г) вуглекислий газ
Д) водень
Є) кисень
5. В яких органоїдах клітини проходить фотосинтез?
А) ЕПС
Б) рибосоми
В) комплекс Гольджі
Г) пластиди
6. Який тип живлення характерний для рослин?
А) автотрофний
Б) гетеротрофний
7. Чому ліс називають « легенями» нашої планети?
А) виділяє кисень
Б) поглинає вуглекислий газ
В) виділяє вуглекислий газ
Відповіді.
1. а
2. а
3. б
4. а,б,в,г
5. г
6. а
7. а
про публікацію авторської розробки
Додати розробку